Методы, основанные на использовании ионизирующего излучения

Неразрушающий контроль с помощью ионизирующих излучений эффективно используют во всех областях народного хозяйства.

В настоящее время в строительстве широко применяют контроль рентгеновскими и гамма-излучениями для оценки физико-механических характеристик материалов и качества конструкций. При определении влажности материала оказывается целесообразным использование потока нейтронов.

Преимуществом применения ионизирующих излучений является возможность быстрого и четкого получения определяемых характеристик. Работа с соответствующей аппаратурой хотя и не сложна, но требует нали­чия подготовленного для этой цели персонала. Необходимо также тща­тельное соблюдение требований техники безопасности во избежание вред­ного влияния ионизирующих излучений на организм человека.

Область применения рентгеновского и гамма-излучений

Наиболее важные направления для исследования дефектов в ме­таллических конструкциях следующие.

1. Дефектоскопия сварных соединений. На рис. 1 схематически показано просвечивание сварного шва. Наличие и положение дефекта выявляется на получаемом фотоснимке по более затемненному участку, воспроиз­водящему очертания отмечаемого дефекта.

а

б

Рис. 1. Выявление дефекта в сварном шве: а - схема просвечивания; 6 - эталон чувствительности (дефектометр); 1 - ионизирующий поток; 2 - наваренный металл шва; 3 - основной металл; 4 - дефект; 5 - фотопленка; 6 - эталон чувствительности

О величине его в направлении просвечивания судят сравнивая ин­тенсивность вызванного им затемнения с затемнением, соответствующим пропилам разной глубины на эталоне чувствительности (рис. 1) из ана­логичного материала, проецируемым на тот же снимок.

Глубина расположения дефекта выявляется смешением источника излучения параллельно фотопластинке.

Схема определения положения дефекта незначительной толщины показана на рис.2. При этом расстояние х от дефекта до поверхности снимка определяется из соотношения

, (3.6.)

где с, с' и F - размеры, показанные на рис. 2.

При дефектах одинакового размера и формы интенсивность по­темнения будет наибольшей при совпадении направления дефекта с на­правлением просвечивания (рис.3, поз. 2).

При расположении дефекта под некоторым углом (рис.3, поз. 2') излучения будут пересекать его по меньшему протяжению. Минималь­ная длина до пересечения, а, следовательно, и наименьшая интенсивность потемнения, соответствует ориентировке дефекта перпендикулярно на­правлению просвечивания (рис.3, поз. 2").

Рис.2. Определение глубины расположения дефекта: 1 - просвечиваемый элемент; 2 - дефект. 3 - фотопленка; 4 и 4' - источник излу­чения в двух позициях; 5 и 5' - затемненные участки фотопленки; с - смешение источника излучения; с' - смешение центра заснятого изображения, F - фокусное расстояние; х - расстояние от фотопленки до горизонтальной оси дефекта.

Рис.3. К влиянию ориентации дефекта:

1 - просвечиваемый элемент; 2,2', 2" - различные ориентации дефекта;

3 - источники излучения; 4 - направления просвечивания

Дефекты незначительной толщины могут при этом остаться и не­обнаруженными. Отсюда следует важный вывод, что при применении ио­низирующих излучений могут быть пропущены серьезные дефекты, но с малым раскрытием в направлении просвечивания (например, расслоение металла). Во избежание этого просвечивание следует производить по двум несовпадающим направлениям.

В то же время именно перпендикулярные к заданному направлению дефекты наиболее четко устанавливаются ультразвуковыми методами, по­скольку даже самые незначительные воздушные прослойки почти полностью гасят волны ультразвуковых колебаний. Оба метода контроля - ультразвуко­вой и с помощью ионизирующих излучений - таким образом, дополняют друг друга.

2. Определение напряженного состояния металла. Зная длину волны монохроматического рентгеновского излучения и угол падения его лучей на поверхность проверяемой детали, можно на основании замеров на соответствующих рентгенограммах вычислить основной параметр кри­сталлической структуры исследуемого материала - расстояние между цен­трами атомов в его кристаллической решетке. Сопоставляя полученное значение с величиной того же параметра в ненапряженном состоянии, можно определить упругую деформацию материала.

Таким образом, может быть выделена (что без нарушения сплошно­сти неосуществимо другими методами) упругая составляющая деформиро­ванного состояния металла: в сварных швах после их остывания, в зонах рез­ких перепадов напряжений, в деталях, обработанных давлением, например гнутых профилях, и т. д. Измерения при этом производятся (что также очень существенно) на весьма малых участках поверхности (порядка десятых долей мм²).

Однако рассматриваемый метод требует применения сложной ап­паратуры и большой тщательности всех измерений. В то же время напря­жения могут быть оценены лишь со сравнительно незначительной точно­стью (для стали - порядка 100-200 кгс/см²).

Приборы неразрушающего контроля нового поколения

В последние годы в России отечественными учеными создан целый комплекс малогабаритных электронных приборов неразрушающего кон­троля и неразрушающей дефектоскопии, которые позволяют:

• определять влажность, температуру и коэффициент теплопро­водности различных материалов, из которых изготовлены строительные конструкции;

• выявлять наличие микротрещин, выходящих на поверхность ме­таллоконструкций, ферромагнитных деталей и сварных швов;

• косвенно контролировать прочность бетона, толщину защитного слоя и диаметр арматуры в железобетонных конструкциях.

Факультативно

Основы моделирования строительных конструкций и сооружений

Моделирование основано на подобии процессов и явлений, проте­кающих в разных агрегатах.

С точки зрения физической природы моделируемых явлений раз­личают два вида подобия:

- математическое (одинаковая форма уравнений, описывающих физически разнородные явления);

- физическое (одинаковая физическая природа подобных явлений). По полноте соответствия модели натуре указанные виды подо­бия делятся:

• абсолютное (требует тождества явлений);

• полное (осуществляется во времени и пространстве);

• неполное (во времени или в пространстве);

• приближенное (связано с упрощающими допущениями, заведомо известными и оцениваемыми количественно).

По природе явлений физическое подобие можно разделить:

- механическое (сумма кинематического, материального и динами­ческого подобий);

• газодинамическое, тепловое;

• электрическое, физико-химическое и др.

Примерная классификация видов подобия при моделировании про­цессов приведена на рис. 4. Таким образом, сущность инженерного моделирования состоит в том, что натурный объект на основе принципов теории подобия заменяется его аналогом-моделью.

Теоретическая основа моделирования - теория подобия, которая устанавливает определенные соотношения между геометрическими разме­рами, свойствами материалов, нагрузками и деформациями модели и на­турной конструкции.

Рис. 4. Классификация видов подобия

Все виды подобия подчиняются трем теоремам.

Первая теорема указывает необходимые условия подобия и формулирует свойства подобных систем: явления или системы называются no-зобными, если равны их соответствующие критерии подобия, составленные из параметров системы.

Вторая теорема подобия ( -теорема) доказывает возможность приведения уравнения процесса к критериальному виду: функциональная связь между характеризующими процесс величинами может быть пред­ставлена в виде зависимости между составленными из них критериями по­добия.

Третья теорема подобия показывает пределы закономерного рас­пространения единичного опыта: необходимыми и достаточными условия­ми подобия являются пропорциональность сходственных параметров, вхо­дящих в условия однозначности, а также равенство критериев подобия изу­чаемого в натуре и на модели явления.

К условиям однозначности относятся не зависящие от механизма явления факторы системы: геометрические свойства; физические парамет­ры; начальные условия; начальное состояние; граничные или краевые условия; взаимодействие с внешней средой. Если рассматриваются сложные, нелинейные или анизотропные системы, то необходимо соблюдать и ряд дополнительных положений.