Процессы капиллярной дефектоскопии

Заполнение сквозного макрокапилляра. Расcтрим хорошо известный из курса физики опыт: капиллярная трубка диаметром 2r вертикально погружена одним концом в смачивающую жидкость (рис. 3). Под действием сил смачивания жидкость в трубке поднимется на высоту l над поверхностью. Это явление капиллярного впитывания. Силы смачивания действуют на единицу длины окружности мениска. Суммарная их величина Fк=уcosи2рr. Этой силе противодействует вес столба сgрr2l, где с — плотность, a g — ускорение силы тяжести. В состоянии равновесия уcosи2рr = сgрr2l. Отсюда высота подъема жидкости в капилляре l= 2у cos и/(сgr).

В этом примере силы смачивания рассматривались как приложенные к линии соприкосновения жидкости и твердого тела (капилляра). Их можно рассматривать также как силу натяжения поверхности мениска, образуемого жидкостью в капилляре. Эта поверхность представляет собой как бы: растянутую пленку, стремящуюся сократиться. Отсюда вводится понятие капиллярного давления, равное отношению действующей на мениск силы FK к площади поперечного сечения трубки:

(2.1.).

Капиллярное давление увеличивается с увеличением смачиваемости и уменьшением радиуса капилляра.

Более общая формула Лапласа для давления от натяжения поверхности мениска имеет вид рк=у (1/R1+1/R2), где R1 и R2 — радиусы кривизны поверхности мениска. Формула 9.2 используется для круглого капилляра R1=R2=r/cos и. Для щели шириной b с плоскопараллельными стенками R1®Ґ, R2=b/(2cosи). В результате:

(2.2).

На явлении капиллярного впитывания основана пропитка дефектов пенетрантом. Оценим время, необходимое для пропитки [17]. Рассмотрим расположенную горизонтально капиллярную трубку, один конец которой открыт, а другой помещен в смачивающую: жидкость. Под действием капиллярного Давления мениск жидкости движется в направлении открытого конца. Пройденное расстояние l связано с временем приближенной зависимостью.

(2.3).

где м — коэффициент динамический сдвиговой вязкости. Из формулы видно, что время, необходимое для прохождения пенетрантом через сквозную трещину, связано с толщиной стенки l, в которой возникла трещина, квадратичной зависимостью: оно тем меньше чем меньше вязкость и больше смачиваемость. Ориентировочная кривая 1 зависимости l от t показана на рис. 4. Следует иметь; в виду, что при заполнении пенетрантом реальной; трещины отмеченные закономерности сохраняются лишь при условии одновременного касания пенетрантом всего периметра трещины и ее равномерной ширины. Невыполнение этих условий вызывает нарушение соотношения (9.4), однако влияние отмеченных физических свойств пенетранта на время пропитки сохраняется.

Рис. 4. Кинетика заполнения пенетрантом капилляра: сквозного (1), тупикового с учетом (2) и без учета (3) явления диффузионной пропитки

Заполнение тупикового капилляра отличается тем, что газ (воздух), сжатый вблизи тупикового конца, ограничивает глубину проникновения пенетранта (кривая 3 на рис. 9.4). Рассчитывают предельную глубину заполнения l1 исходя из равенства давлений на пенетрант снаружи и изнутри капилляра. Наружное давление складывается из атмосферного ра и капиллярного рк. Внутреннее давление в капилляре рв определяют из закона Бойля-Мариотта. Для капилляра постоянного сечения: pаl0S = pв (l0-l1)S; рв = раl0/(l0-l1), где l0 — п олная глубина капилляра. Из равенства давлений находим:

Величина рк<<ра, поэтому глубина заполнения, рассчитанная по этой формуле, составляет не более 10% полной глубины капилляра (задача 9.1).

Рассмотрение заполнения тупиковой щели с непараллельными стенками (хорошо имитирующей реальные трещины) или конического капилляра (имитирующего поры) более сложно, чем капилляров постоянного сечения. Уменьшение поперечного сечения по мере заполнения вызывает увеличение капиллярного давления, но еще быстрее уменьшается объем, заполненный сжатым воздухом, поэтому глубина заполнения такого капилляра (при одинаковом размере устья) меньше, чем капилляра постоянного сечения (задача 1).

Реально предельная глубина заполнения тупикового капилляра оказывается, как правило, больше расчетного значения. Это происходит за счет того, что воздух, сжатый вблизи конца капилляра, частично растворяется в пенетранте, диффундирует в него (диффузионное заполнение). Для протяженных тупиковых дефектов иногда возникает благоприятная для заполнения ситуация, когда заполнение начинается с одного конца по длине дефекта, а вытесняемый воздух выходит с другого конца.

Кинетика движения смачивающей жидкости в тупиковом капилляре формулой (9.4) определяется лишь в начале процесса заполнения. В дальнейшем при приближении l к l1 скорость процесса заполнения замедляется, асимптотически приближаясь к нулю (кривая 2 на рис. 4).

По оценкам время заполнения цилиндрического капилляра радиусом порядка 10−3 мм и глубиной l0 = 20 мм до уровня l = 0,9l1 не более 1 с. Это значительно меньше времени выдержки в пенетранте, рекомендуемого в практике контроля, которое составляет несколько десятков минут. Различие объясняется тем, что после процесса довольно быстрого капиллярного заполнения начинается значительно более медленный процесс диффузионного заполнения. Для капилляра постоянного сечения кинетика диффузионного заполнения подчиняется закономерности типа (9.4): lp = KЦt, где lр — глубина диффузионного заполнения, но коэффициент К в тысячи раз меньше, чем для капиллярного заполнения (см. кривую 2 на рис. 9.4). Он растет пропорционально увеличению давления в конце капилляра рк/(рк+ра). Отсюда следует необходимость длительного времени пропитки.

Удаление избытка пенетранта с поверхности ОК обычно выполняют с помощью жидкости-очистителя. Важно подобрать такой очиститель, который хорошо удалял бы пенетрант с поверхности, в минимальной степени вымывая его из полости дефекта.

Процесс проявления. В капиллярной дефектоскопии используют диффузионные или адсорбционные проявители. Первые — это быстросохнущие белые краски или лаки, вторые — порошки или суспензии.

Процесс диффузионного проявления состоит в том, что жидкий проявитель контактирует с пенетрантом в устье дефекта и сорбирует его. Зачтем пенетрант диффундирует в проявитель сначала — как в слой жидкости, а после высыхания краски — как в твердое капиллярно-пористое тело. Одновременно происходит процесс растворения пенетранта в проявителе, который в данном случае неотличим от диффузии. В процессе пропитки пенетрантом свойства проявителя изменяются: он уплотняется. Если применяется проявитель в виде суспензии, то на первой стадии проявления происходит диффузия и растворение пенетранта в жидкой фазе суспензии. После высыхания суспензии действует описанный ранее механизм проявления.