Пенетрант для рідинної капілярної дефектоскопії

Винахід відноситься до складу індикаторних пенетрантів для рідинної кольорової капілярної дефектоскопії деталей машин, виготовлених переважно з олеофільних матеріалів і працюючих в умовах інтенсивних (нерідко, знакозмінних) термомеханічних навантажень. Такі пенетранти призначені для виявлення, як правило, поверхневих мікродефектів у довільних трубопроводах і резервуарах, у теплоенергетичних установках і у відповідальних деталях морських і річкових (особливо наливних) суден, автомобілів, літальних апаратів і інших виробів машинобудування. Масова потреба в пенетрантах обумовлена: - по-перше, тим, що мікротріщини, глухі пори в масивних деталях і, тим більше, наскрізні пори в трубах і резервуарах, розшарування й інші поверхневі або вихідні на поверхню мікродефекти служать концентраторами напружень у деталях машин, а тому повинні бути превентивно виявлені і, по можливості, усунуті; - по-друге, тим, що в міру розвитку систем після продажного обслуговування і ремонту виробів машинобудування, особливо з застосуванням зварювання і наплавлення різних видів, дефекти виникають тим частіше, чим менш кваліфіковані ремонтники; - по-третє, тим, що саме капілярна дефектоскопія в порівнянні з іншими засобами виявлення поверхневих дефектів дає найбільш наочні результати і тому доступна навіть для малокваліфікованого персоналу. Тому пенетранти повинні: - мати якомога вищу проникаючу здатність і чутливість, яку прийнято оцінювати по мінімальному поперечному розміру («розкриттю») дефектів, що виявляються; - бути як можна менш схильними до займання і токсичними для користувачів (і тому не вимагати особливих запобіжних заходів під час їх виготовлення, фасування, зберігання, транспортування і використання); - практично виключати корозію об'єктів неруйнівного контролю; - бути практично безпечними для природного середовища і - забезпечувати якомога менші витрати на дефектоскопію. Роздільне виконання цих вимог і комбінацій деяких з них неважко, тому що типовий склад пенетрантів досить давно визначений і передбачає: - щонайменше один «барвник», який - за умови проникнення в порожнину поверхневого або наскрізного дефекту і наступного проявлення - контрастно виділяє цей дефект на тлі поверхні деталі, щонайменше однокомпонентну рідку основу, яка у всіх випадках служить дисперсійним середовищем для барвника і, хоча б почасти, «засобом транспорту» для введення барвника всередину дефектів, що виявляються, і - щонайменше одну поверхнево-активну речовину (далі ПАР) для полегшення диспергування барвника в рідкій основі, стабілізації отриманої дисперсії і полегшення змочування стінок дефектів, що виявляються, цією дисперсією навіть при дефектоскопії виробів з оле-офільних матеріалів. Класичним зразком може служити пенетрант, відомий з GB 763885 і US 2806959. Він містить (% мас.): - приблизно 15% органорозчинних люмінофорних барвників; - приблизно 45% очищеного від ароматичних компонентів гасу як основи і - приблизно 40% органорозчинних ПАР. Гас загальнодоступний, дешевий, практично не токсичний, прекрасно змочує металеві поверхні і легко «втягується» у порожнини будь-яких мікродефектів, а тому давно і справно слугує основою багатьох пенетрантів для капілярної дефектоскопії. Однак він сам по собі не може забезпечити ні контраст між зонами дефектів і іншою поверхнею контрольованих виробів, ні гарантувати одержання стійкої дисперсії (суспензії, емульсії і, тим більше, істинного розчину) барвника. Люмінофори забезпечують чудовий контраст, але дорогі, погано розчинні в гасі і, узяті самі по собі, не здатні проникати в порожнини мікродефектів. Саме тому вони введені в описаний вище пенетрант в дуже високій концентрації разом з також дорогими ПАР у ще більшій концентрації. Спроби здешевіти й спростити рідинну капілярну дефектоскопію створенням і застосуванням пенетрантів на водяній основі стосовно до виробів з олеофільних матеріалів виявилися невдалими. Наприклад, з SU 1679308 відомий комплект матеріалів для капілярної дефектоскопії, що включає набір реагентів (зокрема, водяний розчин придатної солі нікелю з вихідним ясно-зеленим кольором, і нітрат натрію з добавками ізопропанолу і водяного розчину аміаку), здатний здобувати яскравий рожево-червоний колір. Однак пенетранти такого типу не знайшли широкого застосування через корозійну активність, необхідність готувати суміш безпосередньо перед нанесенням на поверхню контрольованого виробу і погане змочування олеофільних матеріалів. Далі, відомі пенетранти на водяній основі з використанням загальнодоступних практично нетоксичних широко відомих барвників і ПАР не мають чутливості, необхідної для неруйнівного контролю відповідальних деталей машин. Так, пенетрант згідно SU 353945, у який включені (% мас.): барвник «родамін С» 2-3 суміш «змочувачів» (ПАР), у яку включені: етанол 0-25 сульфанол 2-3 пасиватор-нітрат натрію 2-3 і вода. до 100, забезпечує виявлення дефектів з розкриттям не менш 5 мкм. Це прийнятне для дефектоскопії зварених швів на виробах, що працюють при статичних навантаженнях у наземних умовах (наприклад, у будівельних металоконструкціях). Однак для контролю якості виробів у хімічній промисловості, енергетиці і транспортному машинобудуванні така чутливість явно недостатня. Навіть кращий пенетрант такого роду (див. SU 539058), у який включені (% мас.): барвник фуксин кислий 6,0-7,0 суміш «змочувачів» (ПАР), у яку включені: винна кислота 6,0-7,0 олефінсульфат 0,5-1,5 вода до 100, дозволяє виявляти поверхневі мікродефекти з розкриттям не менш 3 мкм. Однак і така чутливість недостатня для ефективного контролю якості відповідальних деталей. Мало того, дефекти з зазначеним розкриттям удається виявляти лише за умови, що шорсткість поверхні Rz £ 20. Тому для виявлення поверхневих дефектів у виробах з олеофільних матеріалів кращі пенетранти на основі вуглеводнів і їх похідних. На жаль, «арсенал» легко розчинних у вуглеводнях барвників невеликий, а їх проникнення в порожнини поверхневих дефектів звичайно утруднено. Наприклад, відомі пенетранти, що включають барвник Судан-IV, давно знятий з виробництва через високу токсичність, і вогненебезпечні основи у вигляді вуглеводнів з високою температурою кипіння і добавок, летючих при температурі менш 25°С. Один з пенетрантів такого типу включає 10-15 г барвника Судан-IV на 1,0 л суміші гасу і скипидару в співвідношенні 80/20 % мас. [див. 1. SU 1506906; 2. Лабораторные работы по контролю качества сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1966, с.69]. В більш екзотичний склад того ж типу входять (% мас.): мінеральна олія 0,5-0,3 дифтордихлорметан 35,0-40,0 1-й барвник Судан-IV 0,5-1,5 2-й барвник Нігрозин 0,05-0,12 розчинник (скипидар і/або ксилол) до 100. Очевидно, що обидва зазначені пенетранти (і, особливо, останній) вогненебезпечні і токсичні, і вже тому їх застосування дуже небажане. Істотно менш вогненебезпечний і токсичний пенетрант для рідинної капілярної дефектоскопії згідно RU 2136718 С1. В цей найближчий до пропонованого далі пенетранту по технічній суті відомий пенетрант включені: органічний барвник 25% мас. «Нориол Б» вуглеводнева основа, у яку включені: робоча рідина марки 65% мас. і РЖ-3 бензин марки Б-70 10% мас. щонайменше одна 3 г/л неіоногенна ПАР суміші. Дійсно, робоча рідина марки РЖ-3 представляє собою позбавлений ароматичних сполук (і тому практично нетоксичний) продукт глибокого гідрування гасової фракції нафти з температурою спалаху 80-86°С. На жаль, через присутність в вуглеводневій основі летучого бензину Б-70 вогненебезпечність відомого пенетранта залишається помітною. Однак набагато важливіше те, що незважаючи на дуже високу (25% мас.) концентрацію люмінесцентного барвника «Нориол Б», що отриманий на основі фракції норильскої нафти з високою температурою кипіння, відомий пенетрант не дозволяє виявляти поверхневі дефекти з розкриттям менш 3 мкм. В основу винаходу покладена задача заміною барвника, доповненням складу і відповідною зміною співвідношення інгредієнтів створити такий пенетрант, що забезпечував би виявлення на олеофільній поверхні дефектів з розкриттям до 0,5 мкм. Ця задача вирішена тим, що пенетрант для рідинної капілярної дефектоскопії, що містить вуглеводневу основу у вигляді продукту глибокого гідрування гасової фракції нафти, органічний барвник і щонайменше одну неіоногенну поверхнево-активну речовину (ПАР), згідно з винаходом містить «основний малиновий» барвник антипіринового ряду з хіноїдною групою і додатково містить жирну кислоту і бензилбензоат, причому зазначені інгредієнти узяті в наступному співвідношенні ( % мас.): основний малиновий 3,0-5,0 неіоногенна ПАР 0,5-1,0 жирна кислота 10,0-15,0 бензилбензоат 5,0-10,0 вуглеводнева основа до 100. Як підтвердили описані далі експерименти, барвник антипіринового ряду з хіноїдною групою в сполученні з іншими інгредієнтами в зазначеному співвідношенні гарантує виявлення поверхневих дефектів з розкриттям до 0,5 мкм при шорсткості поверхні Rz = 20-40. Дійсно, такий барвник сам по собі має поверхневу активність і тому може розчинятися у вуглеводнях. У сполученні ж з жирною кислотою, неіоногенною ПАР і, додатково, бензилбензоатом «основний малиновий» у кількості до 5% мас. утворює в вуглеводневій основі практично істинний розчин, здатний проникати в поверхневі дефекти з зазначеним розкриттям. Далі, коефіцієнт екстинкції зазначеного барвника не нижче 40000 при рН=(5-6). І, нарешті, максимум у спектрі його пропускання приходиться на довжину хвилі 510 нм. Тому навіть при концентрації барвника в пенетранті близько 3% мас. у місцях розташування дефектів в шарі проявника утворюються яскраві малинові плями. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що жирна кислота обрана з групи, яка складається з нгексанової, олеїнової і пальмітинової кислот. Вони загальнодоступні і практично еквівалентні як донори олеофільних аніонів, що полегшують диспергування барвника «основний малиновий» у вуглеводнях і контакт з такими олеофільними поверхнями об'єктів контролю, на яких збереглися сліди неводних мастильноохолоджувальних технологічних середовищ або інших мастильних матеріалів. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що неіоногенна ПАР обрана з групи, яка складається з неонола, синтанола, змочувача ОП-7, змочувача ОП-10 або їх сумішей. Це дозволяє вибирати найдоступніші ПАР при практично однаковій ефективності капілярної дефектоскопії. Зрозуміло, що при виборі конкретних варіантів складу пенетрантів можливі різні комбінації зазначених додаткових відмінностей з основним винахідницьким задумом, що цей задум у межах, визначених формулою винаходу, може бути доповнений і/або уточнений з використанням звичайних знань фахівців і що наведені далі приклади ніяким чином не обмежують обсяг прав на основі винаходу. Далі суть винаходу пояснюється: описом способу виготовлення узятого у вигляді придатної солі антипіринового барвника з хіноїдною групою, що має тривіальну назву «основний малиновий» (далі скорочено «ОМ») і раціональну назву «диантипірил-(4-диметиламінофеніл) карбенію», прикладами конкретних складів і описом способів виготовлення і практичного застосування індикаторних пенетрантів і описом методики і результатами їх випробувань на стандартних зразках поверхневих і вихідних на поверхню наскрізних дефектів. Основу «ОМ» одержують простим змішуванням узятих у мольному співвідношенні 2/1 антипірину і диметил-памінобензальдегіду у водяному розчині соляної кислоти густиною 1,19 г/см3. Приблизно через півгодини суміш розбавляють водою (не більш ніж у півтори рази по об'єму) і витримують при кімнатній температурі не менш години (а переважно до 12 годин) до випадання рожевих кристалів. Осад відокремлюють фільтруванням, як правило, промивають водою і щонайменше однократно перекристалізують з водяного розчину соляної кислоти густиною 1,19 г/см3 з одержанням напівпродукту у вигляді блідо-рожевих кристалів двосолянокислої лейкооснови диантипірил-диметил-п-амінофенілметану (з виходом не гірше 66,5% від теоретичного). Цю лейкооснову перетворюють у карбінольну сполуку дією хлорного заліза. Для цього лейкооснову розчиняють у звичайно дистильованій воді (зокрема, у співвідношенні 2,6/16 кг/кг), розчиняють хлорне залізо також у звичайно дистильованій воді (зокрема, у співвідношенні 2,4/18 кг/кг), при постійному перемішуванні поєднують ці розчини, нагрівають суміш до температури 80-85°С і витримують при цій температурі протягом приблизно 1,5 години. Далі, продовжуючи перемішування, суміш охолоджують природним шляхом до кімнатної температури, повільно (тонким струмком) додають у неї 15% водяний розчин їдкого натру до досягнення рН=8-8,5 і суміш витримують при кімнатній температурі протягом 20-22 годин до випадання осаду гидроксиду заліза, який відокремлюють фільтруванням. Фільтрат обробляють 20% водяним розчином їдкого натру до зникнення червоного кольору (звичайно до рН=9,7-10,0) і випадання осаду карбінольної сполуки «ОМ». Для повноти осадження масу витримують при кімнатній температурі протягом 18-20 годин, осад відокремлюють фільтруванням, щонайменше двічі промивають на фільтрі 5% водяним розчином їдкого натру для видалення слідів хлор-іонів, віджимають, сушать до постійної маси при температурі 75-80°С і далі використовують для готування пенетрантів для рідинної капілярної дефектоскопії. Спосіб виготовлення пенетрантів полягає в наступному: а) у зазначених вище в суті винаходу і далі в Таблиці 1 межах співвідношень інгредієнтів вибирають конкретну рецептуру індикаторного пенетранта; б) дозують необхідні кількості визначених на стадії (а) інгредієнтів; в) змішують дози барвника ОМ (у вигляді сухої карбінольної сполуки), бензилбензоата, обраної жирної кислоти й обраної ПАР, г) розбавляють отриману на стадії (в) суміш зазначеною вище вуглеводневою основою й одержують робочий розчин «ОМ». Для експериментальної перевірки здійсненності й ефективності винаходу були виготовлені і випробувані індикаторні пенетранти, що містили інгредієнти в кількостях, зазначених у таблиці 1. Таблиця 1 Склад пенетрантів для випробувань Кількість інгредієнтів (% мас.) по прикладах Інгредієнти 1 барвник ОМ бензилбензоат неонол Неіоно синтанол генна ОП-7 ПАР ОП-10 нгексанова Кис олеїнова лота пальмітин ова вуглеводнева основа 2 3 4 5 6 3,0 4,5 5,0 3,0 4,5 5,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 0,5 1,0 0,5 0,75 0,25 0,25 0,25 0,25 5,0 10,0 12,5 15,0 12,5 15,0 до 100 Для перевірки ефективності пенетрантів застосовували: а) лабораторні зразки з олов'янистої латуні з хромовим гальванічним покриттям товщиною близько 50 мкм, що мали шорсткість поверхні в інтервалі Rz = 30-40 і поверхневі дефекти з послідовно зменшуваним розкриттям у ряді 2 мкм, 1 мкм і 0,5 мкм у вигляді тріщин, отриманих контрольованим зламом зазначеного покриття на механічному пресі, і б) контрольні течі у вигляді щільно закріплених у металевих шайбах і каліброваних по діаметру в ряді 1,5 мкм, 1,0 мкм і 0,5 мкм скляних капілярів довжиною не менш 30 мкм, які служили моделями наскрізних дефектів, що виходять на поверхню деталей. Випробування проводили серіями по 10 експериментів з кожним зразком і кожним із зазначених у таблиці 1 складів індикаторних пенетрантів у такий спосіб: кожен випробуваний пенетрант наносили (звичайно пензликом) на поверхню зразка, попередньо ретельно очищену від механічних домішок або від залишків проявника, що був використаний у кожному попередньому експерименті; кожен покритий пенетрантом зразок витримували протягом 5 хвилин, змивали надлишок пенетранта водою, осушували поверхню бавовняною серветкою і наносили проявник у вигляді 10% суспензії диоксиду титана в суміші ацетону і діетилового ефіру з додатком медичного колодію; дефекти визначали по появі малинових плям в шарі проявника. Результати фіксували як співвідношення кількості експериментів у кожній серії і кількості успішних експериментів по виявленню дефектів з відомим розкриттям. Ці дані приведені в таблиці 2. Таблиця 2 Результати іспитів індикаторних пенетрантів Номери зразків 1 2 3 4 5 6 Типи і розміри (в мкм) дефектів, що тріщини виявляються контрольні течі 2,0 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10 1,0 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10 0,5 10/9 10/10 10/10 10/10 10/10 1,5 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10 1,0 0,5 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10 10/8 10/10 10/9 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10 10/10 Аналіз даних з таблиці 2 свідчить про високу ефективність запропонованих пенетрантів і можливість детектування поверхневих або вихідних на олеофільну грубу поверхню дефектів з розкриттям до 0,5 мкм. Запропоновані індикаторні пенетранти можуть бути виготовлені довільними партіями за замовленням. Вони практично безпечні у виробництві, збереженні і застосуванні і можуть бути використані для надійної кольорової капілярної дефектоскопії при мінімальному рівні підготовки персоналу. Для відмивання деталей від залишків пенетранта можна використовувати загальнодоступні воду, і/або етанол і/або етиленгліколь, а для видалення проявника - ацетон.