КОНТАКТНАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
CONTACT LIQUID FOR ULTRASONIC TESTING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковой дефектоскопии протяженных металлических конструкций и сооружений в условиях отрицательных температур.
Уровень техники
Важнейшим условием проведения дефектоскопии является обеспечение акустического контакта ультразвукового преобразователя с контролируемым объектом, для чего применяют различные смазки, т.н. контактные жидкости, наносимые на поверхность объекта перед измерением. Плотность и другие физические свойства контактной жидкости должны обеспечивать равномерность и однородность наносимого слоя, отсутствие в нем газовых включений, образующихся в результате разрывов жидкости или в результате образования т.н. кавитационных пузырьков. Такие газовые (воздушные) включения являются препятствием для высокочастотных ультразвуковых волн и ведут к получению ложных результатов измерений.
В случае проверки рельсовых путей или других путепроводов подобные ошибки ведут к серьезным экономическим потерям, связанным с ложным вызовом и работой ремонтных бригад.
В качестве контактных жидкостей могут применяться простые жидкости: вода, масло, глицерин, однако все они имеют существенные ограничения по температуре использования.
Известно использование в холодный период времени в качестве контактной жидкости растворов этилового спирта различной концентрации. Однако в этом случае встает проблема нецелевого использования упомянутых растворов, кроме того, исходные для последних вещества относятся к классу легко воспламеняющихся жидкостей и требуют особых условий хранения.
Известна контактная жидкость для ультразвуковой дефектоскопии, характеризующаяся следующим составом (мас. %): хлористый кальций или хлористый натрий (6,6-27,4), композиция на основе натриевых солей алкан- и алкилароматических сульфокислот (0,1-1,0), карбоксилметилцеллюлоза в качестве загустителя (0,02-2,5), ингибитор коррозии (нитрат натрия) (0,5-10,0) и вода остальное (см. патент SU 1652905, МПК: G01N 29/28, опубл. 30.05.91 г.).
Недостатком упомянутого аналога является недостаточно низкая (-45°С) температура замерзания контактной жидкости и невозможность ее длительного хранения, т.к. последняя подвержена достаточно быстрому расслоению и выпадению в осадок карбоксилметилцеллюлозы, используемой в качестве загустителя. Поэтому контактную жидкость такого состава готовят непосредственно перед использованием, что не всегда удобно.
Известна контактная жидкость для ультразвукового контроля (патент SU 1525566, МПК: G01N 29/04, опубл. 30.11.89 г), содержащая следующие компоненты (мас. %): хлористый кальций (20-25), хлористый натрий (3-5), метиловый спирт (20-30), керосин или бензин (20-25), ПАВ (1,5-3), уротропин (0,001-0,1), депрессор (0,3-0,5), антистатик (0,001-0,5) и вода - остальное.
Известная контактная жидкость обеспечивает возможность проведения измерений в условиях низких до -60°С температур. Однако содержащиеся в составе жидкости бензин и керосин относятся к веществам, загрязняющим окружающую среду, что не позволяет использовать эту жидкость для дефектоскопии путепроводов, рельсовых путей и пр.
Наиболее близкой по составу к заявляемому решению является незамерзающая контактирующая жидкость для ультразвуковой дефектоскопии, раскрытая в патенте RU 2366940, МПК: G01N 29/28, опубл. 10.09.2009 г.
Упомянутая жидкость обеспечивает хороший акустический контакт с контролируемым объектом при отрицательных температурах до -68°С и характеризуется следующим составом (мас. %): смесь хлоридов металлов с низкой температурой застывания в водном растворе, например, хлористый магний и/или хлористый кальций (5-40), жидкое стекло (3-9), полиакриламид (0-0,5), нитрит натрия (0-5), карбамид (0-11), синтерол АМФ-10 (1-3) и вода - остальное.
Общими признаками ближайшего аналога с заявляемым техническим решением являются: наличие в композиции хлорида металла или смеси хлоридов металлов с низкой температурой застывания (замерзания) в водном растворе, наличие жидкого стекла, полиакриламида и антикоррозионных добавок, к которым можно отнести нитрит натрия.
Существенным недостатком ближайшего аналога, как и всех вышеупомянутых, являются существенные ограничения использования, а именно: возможность осуществления дефектоскопии только на малых скоростях движения дефектоскопной тележки, не более 10 км/ч.
В случае высокой скорости перемещения дефектоскопной тележки известная жидкость подвержена пенообразованию и появлению разрывов жидкости, образованию в ней воздушных включений, препятствующих прохождению высокочастотных ультразвуковых волн, что ведет к появлению «ложных данных» в результатах измерений и, как следствие, к неоправданным экономическим затратам.
Проблема низкой производительности дефектоскопии особенно актуальна в случае контроля железнодорожных путей сообщения, протяженность которых составляет десятки тысяч километров, а проверка должна осуществляться с определенной периодичностью, на основных путях не реже 1 раза в неделю.
Сегодня, для того, чтобы провести измерения на каком-либо участке пути, измерительные бригады часами дожидаются так называемого «окна» в плотном графике движения поездов. Увеличение производительности дефектоскопии позволило бы решить упомянутую проблему за счет совмещения движения измерительного вагона с движением поездов.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание контактной жидкости, позволяющей осуществлять процесс дефектоскопии в условиях отрицательных температур и на высоких скоростях, близких к скорости движения железнодорожного состава.
Достигаемый в результате использования предлагаемого изобретения положительный технический результат заключается в обеспечении надежного акустического контакта с контролируемым объектом в широких диапазонах рабочих температур и скоростей движения дефектоскопической тележки.
Промежуточным положительным результатом является снижение пенообразования и повышение стабильности физических свойств контактной жидкости.
Другой достигаемый положительный результат заключается в возможности разведения контактной жидкости водой в широком диапазоне при сохранении качества контакта.
Еще один достигаемый положительный результат заключается в возможности длительного хранения контактной жидкости, в процессе которого она сохраняет все свои свойства и качества, и отсутствие специальных требований к условиям хранения.
Указанные технические результаты достигаются благодаря использованию контактной жидкости для ультразвуковой дефектоскопии, содержащей хлорид металла или смесь хлоридов металлов с низкой температурой замерзания в водном растворе, жидкое стекло, полиакриламид, антикоррозионные добавки и воду, которая, согласно заявляемому изобретению, дополнительно содержит формиат металла или смесь формиатов металлов с низкой температурой замерзания в водном растворе, пропиленгликоль и глицерин при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Хлорид металла или смесь хлоридов металлов с низкой температурой замерзания в водном растворе
3,0-25,0
Формиат металла или смесь формиатов металлов с низкой температурой
замерзания в водном растворе
0,4-8,0
Пропиленгликоль
0,5-15,0
Глицерин
0,5-7,0
Жидкое стекло
0,1-8,0
Полиакриламид
0,1-0,8
Антикоррозионные добавки
1,0-10,0
Вода
Остальное
В отличие от ближайшего аналога предлагаемая контактная жидкость для ультразвуковой дефектоскопии характеризуется пониженным содержанием хлоридов и наличием в составе композиции формиатов металлов, пропиленгликоля и глицерина.
Полученный в результате длительных экспериментальных исследований сбалансированный комплекс органических и неорганических соединений в составе предлагаемой контактной жидкости обеспечивает получение синергетического эффекта, а именно: низкую температуру замерзания и при этом пониженное пенообразование и снижение давления насыщенных паров жидкости, что обеспечивает число кавитации выше 1 (единицы)* и исключает образование разрывов в жидкости во всем диапазоне рабочих температур и скорости движения измерительной тележки до 70 км/ч.
*Пониженное давление насыщенных паров жидкости и число кавитации выше 1 (единицы) исключает образование кавитационных пузырьков в слое контактной жидкости под действием ультразвуковых волн (эффект акустической кавитации).
При этом контактная жидкость отличается высокой стабильностью и возможностью длительного хранения без потери рабочих характеристик.
Все компоненты предлагаемой контактной жидкости работают в совокупности, обладают хорошей совместимостью и растворимостью в воде.
Уменьшение содержания какого-либо компонента ниже указанного предела или повышение его содержания более указанного предела ведет либо к повышению температуры замерзания жидкости, либо к нарушению ее стабильности, расслоению и образованию разрывов.
Включение формиатов металлов в состав контактной жидкости обеспечивает снижение доли хлоридов и позволяет существенно уменьшить коррозионную активность жидкости.
Содержание формиатов менее 0,4% ведет к повышению температуры замерзания жидкости. В случае увеличения доли формиатов в составе жидкости более 8% происходит расслоение последней.
Увеличение совокупного содержания солей (хлоридов и формиатов) более 33% ведет к выпадению осадка в виде излишков солей, при содержании солей менее 3% повышается температура замерзания раствора.
Содержащиеся в составе жидкости высшие спирты: пропиленгликоль и глицерин, в совокупности с солями способствуют получению низкой температуры замерзания и высокой стабильности смеси.
Уменьшение доли пропиленгликоля и/или глицерина до 0,5% и менее ведет к повышению температуры замерзания жидкости и снижению стабильности смеси.
Увеличение доли пропиленгликоля и глицерина больше указанных верхних пределов ведет к удорожанию продукта при отсутствии какого-либо выраженного положительного эффекта.
В совокупности с жидким стеклом пропиленгликоль и глицерин обеспечивают хорошую смачиваемость контактной поверхности, в том числе загрязненной, что необходимо для получения надежного акустического контакта с контролируемым объектом. При этом упомянутые вещества характеризуются пониженным пенообразованием, в отличие от поверхностно-активных веществ, содержащихся в прототипе.
Наличие жидкого стекла в составе композиции улучшает работу антикоррозионных добавок, в качестве которых могут быть использованы этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) и/или уротропин.
Осуществление изобретения
Контактную жидкость для ультразвуковой дефектоскопии получают путем смешения компонентов в емкости с принудительным перемешиванием.
Предварительно смешиванию готовят водные растворы из сухих компонентов: хлоридов и формиатов. В полученный однородный раствор солей последовательно добавляют остальные компоненты в заданных количествах. Перемешивание осуществляют до получения однородной смеси, которую фильтруют и охлаждают.
Готовая контактная жидкость представляет собой бесцветную или светло-желтую легкоподвижную жидкость без механических примесей.
Для приготовления контактной жидкости использовали различные рецептуры, часть которых представлена в таблице 1.
Пример 1.
Для приготовления контактной жидкости использовали следующий состав, мас. %: хлористый магний 20,0; формиат калия 6,0; пропиленгликоль 11,5; глицерин 7,0; жидкое стекло 5,0; полиакриламид 0,2; антикоррозионные добавки 5,0; вода - остальное.
Пример 2.
Для приготовления контактной жидкости использовали следующий состав, мас. %: смесь хлористого кальция и хлористого натрия (25,0), формиат натрия (1,0), пропиленгликоль (6,0), глицерин (6,0), жидкое стекло (0,3), полиакриламид (0,4), антикоррозионные добавки (10,0) и вода - остальное.
Пример 3.
Для приготовления контактной жидкости использовали следующие компоненты, мас. %: хлористый калий (5,0), смесь формиата натрия и формиата калия (8,0), пропиленгликоль (12,5), глицерин (5,0), жидкое стекло (3,0), полиакриламид (0,8), антикоррозионные добавки (2,0) и вода - остальное.
Пример 4.
Для приготовления контактной жидкости использовали следующие компоненты, мас. %: смесь хлористого калия и хлористого натрия (10,0), формиат калия (4,0), пропиленгликоль (15,0), глицерин (1,5), жидкое стекло (5,0), полиакриламид (0,2), антикоррозионные добавки (6,0) и вода - остальное.
Предпочтительное использование хлоридов кальция, калия и натрия (хлористого кальция, хлористого натрия и хлористого калия), обусловлено их широкой доступностью, однако это не является ограничением для использования других хлоридов металлов, имеющих низкую температуру замерзания в водном растворе.
Этим же объясняется использование в конкретных примерах осуществления изобретения формиатов натрия и калия, что не исключает возможности применения иных формиатов металлов с низкой температурой застывания в водном растворе.
Определение температуры замерзания (застывания) контактной жидкости осуществляли в Центральной заводской лаборатории ООО «НТК Криогенная техника» по стандартной методике, в соответствии с ГОСТом 20287-91 «Нефтепродукты. Методы определения температур текучести и застывания».
Как показали испытания, контактные жидкости (коротко - КЖ) всех составов имеют температуру замерзания не выше - 67°С (см. таблицу 1), что практически совпадает с температурой замерзания ближайшего аналога.
Контактные свойства предлагаемой контактной жидкости были проверены в Омском отделении Западно-Сибирской железной дороги. По данным специалистов-дефектологов, проведенные испытания показали, что все составы предлагаемой контактной жидкости, полученные из компонентов, взятых в обозначенных пределах, позволяют проводить ультразвуковую дефектоскопию на механизированной «МАТРИСЕ» на скорости от 0 до 72 км/ч и обеспечивают надежный акустический контакт с контролируемым объектом и отсутствие «ложных данных».
При этом концентрация контактной жидкости в каждом конкретном случае проведения измерений определялась в зависимости от температуры окружающей среды. Чем выше температура атмосферного воздуха, тем меньше может быть концентрация контактной жидкости.
Как показали проведенные испытания, предлагаемая контактная жидкость характеризуется возможностью разведения водой в широких пределах при сохранении требуемых рабочих характеристик.
В таблице 2 представлены данные протокола проведенных испытаний для восьми проб, содержащих контактную жидкость (КЖ) первого состава в различных концентрациях. Температуру замерзания проб определяли по стандартной методике, в соответствии с ГОСТом 20287-91 «Нефтепродукты. Методы определения температур текучести и застывания».
замерзания
Для пробы №1, содержащей 20% КЖ+ 80% воды, t=-12°С
замерзания
Для пробы №2, содержащей 30% КЖ+ 70% воды, t=-14°С
замерзания
Для пробы №3, Содержащей 40% КЖ+ 60% ВОДЫ, t=-19°С
замерзания
Для пробы №4, содержащей 50% КЖ+ 50% воды, t=-31°С
замерзания
Для пробы №5, содержащей 60% КЖ+ 40% воды, t=-43°С
замерзания
Для пробы №6, содержащей 70% КЖ+ 30% воды, t=-52°С
замерзания
Для пробы №7, содержащей 80% КЖ+ 20% воды, t=-58°С
замерзания
Для пробы №8, Содержащей 90% КЖ+ 10% ВОДЫ, t=-60°С
Температура замерзания неразбавленной контактной жидкости КЖ 100% составила минус 67°С.
Опытные партии образцов предлагаемой контактной жидкости хранились в условиях неотапливаемого склада в обычных емкостях - канистрах достаточно длительный период времени. Как показало последующее использование, все образцы сохранили свои физические свойства и рабочие характеристики. Гарантийный срок хранения контактной жидкости составляет не менее двух лет.
Контактная жидкость предлагаемого состава соответствует санитарным нормам и правилам по ГОСТ 12.1.007-076 и относится к IV классу (вещества малоопасные).