Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Период опытных методов контроля качества в транспортном строительстве (XV-середина XIX вв.) 12
1.1. Техника мануфактурного и машинно-фабричного периодов производства 12
1.2. Развитие судостроения. Методы контроля качества в судостроении 21
1.3 Создание сухопутных путей сообщения. Методы контроля качества железнодорожных изделий 32
Выводы 42
Классификация методов контроля качества.
Период опытных методов (XV- середина XIX вв.) 44
Глава 2. Методы контроля качества в судостроении и на железных дорогах (середина XIX в. первая четверть XX в.) 47
2.1. Факторы, влиявшие на развитие методов контроля качества в судостроении и на железнодорожном транспорте 47
2.2. Контроль качества судостроительных материалов и изделий 59
2.3. Методы контроля качества паровых котлов 74
2.3.1. Деятельность государственных учреждений для осуществления контроля качества паровых котлов 74
2.3.2. Освидетельствование паровых котлов судов, плавающих по внутренним водным путям 77
2.3.3. Освидетельствование котлов торговых судов (морских и речных) 84
2.4. Контроль качества рельсов 88
Выводы 101
Классификация методов контроля качества. Период использования научных достижений (середина XIX — первая четверть XX вв.) 102
Глава 3. Развитие методов контроля качества (20-е гг. - 50-е гг. XX в.) и пути их дальнейшего совершенствования 105
3.1 Факторы, определявшие совершенствование методов контроля качества в транспортном строительстве 105
3.2 Естественнонаучные предпосылки формирования методов неразрушающего контроля 109
3.3 Физические основы методов неразрушающего контроля 112
3.4 Применение методов дефектоскопии к решению проблемы качества судов 123
3.5 Механические методы контроля качества в судостроении, котлостроении и на железнодорожном транспорте 130
3.6 Становление и развитие неразрушающих методов контроля качества на железных дорогах 138
3.7. Современное состояние проблемы контроля качества 155
Выводы 162
Классификация методов контроля качества. Период научных методов с широким применением как эксперимента, так и теории ( 20-е гг. XX - середина XX вв. ) 165
Основные периоды развития методов контроля качества в России 168
Заключение 174
Список архивных документов 177
Список использованных источников 178
Приложение 188
- Развитие судостроения. Методы контроля качества в судостроении
- Контроль качества судостроительных материалов и изделий
- Физические основы методов неразрушающего контроля
- Современное состояние проблемы контроля качества
Введение к работе
Актуальность проблемы. Темпы развития производства
обуславливают значительное увеличение объема перевозок по водным
путям и железным дорогам, рост скоростей движения и
грузонапряженности путей сообщения, создание новых конструкций судов и подвижного состава. Развитие железнодорожного и водного транспорта на основе достижений технического прогресса помимо совершенствования технологий производства предусматривает также разработку и внедрение прогрессивных методов контроля качества в транспортном строительстве.
Для железнодорожного транспорта огромное значение имеет качество элементов верхнего строения пути. Одним из важнейших элементов пути являются рельсы. От их состояния зависит качество обслуживания, обеспечение необходимых скоростей доставки пассажиров и грузов, безопасность движения, производительность и экономические показатели работы железных дорог.
В судостроении аналогичные рельсам конструкции являются основой набора корпусов судов, обеспечивающих жесткость и устойчивость судовых перекрытий, надежную работу листовых конструкций, водонепроницаемость.
Процессы становления и совершенствования методов контроля качества и в судостроении и на железнодорожном транспорте имеют много общего. В ходе исторического развития конкретные технологии в обеих отраслях развивались и взаимно обогащались.
Исследование основных историко-технических этапов развития методов контроля качества в судостроении и на железных дорогах, их модернизации на основе достижений научно-технического прогресса в период с начала XIX в. до середины XX в., позволяет выявить закономерности их совершенствования.
Процесс становления и развития методов контроля качества в судостроении и на железных дорогах, его структурные связи с различными науками и отраслями материального производства, особенности формирования этих методов в России, являются важными аспектами истории науки и техники.
Основная цель работы: изучение и обобщение материалов по истории становления и развития методов контроля качества в России в период с начала XIX в. до середины XX в., как области науки и производства, игравшей значительную роль в научно-техническом и промышленном развитии нашей страны, что позволяет выявить основные направления их совершенствования. На основе определения историко-технических периодов и анализа этапов развития этих методов в работе
исследуются тенденции их дальнейшего совершенствования на транспорте при контроле объектов повышенной опасности: корпусов судов в судостроении, рельсов на железнодорожном транспорте, а также паровых котлов на обоих видах транспорта.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
установить основные историко-технические периоды развития методов контроля качества корпусов судов на водном транспорте, рельсов на железнодорожном транспорте, а также паровых котлов на транспорте в течение начала XIX - середины XX веков в России, отметить наиболее прогрессивные достижения в каждом из периодов;
провести классификацию методов контроля качества объектов особой опасности в транспортном строительстве, установить тенденции становления и взаимосвязь развития этих методов с достижениями научно-технического прогресса и их роль для конкретных технологических областей производства;
выявить факторы определявшие совершенствование методов контроля качества корпусов судов на водном транспорте, рельсов на железнодорожном транспорте, а также паровых котлов на транспорте с начала XIX до середины XX веков в России.
4) рассмотреть варианты технических устройств, наиболее
приспособленных для обеспечения контроля в каждом из установленных
периодов;
5) проанализировать вклад отечественных ученых в разработку и
внедрение методов контроля качества в транспортном строительстве.
Методы исследования основываются на количественных и экспертных оценках, расчетных и экспериментальных данных. Осуществлен анализ исторической научно - технической литературы, архивных материалов, обобщены и систематизированы научные положения по теме исследования.
Объектом исследования является процесс становления и развития методов контроля качества объектов повышенной опасности в транспортном строительстве и технических средств осуществления контроля в период с начала XIX в. до середины XX в. в России.
Предметом исследования являются историко-технические периоды развития методов контроля качества корпусов судов на водном транспорте, рельсов на железнодорожном транспорте, а также паровых котлов на транспорте; технические характеристики систем контроля в период с начала XIX в. до середины XX в. в России.
Источниковую базу исследования составляют государственные и ведомственные нормативные документы, программы развития транспорта, подвижного состава и водного транспорта и другие материалы.
В ходе исследования использованы документы фондов Российского
государственного исторического архива (РГИА), Центрального
государственного исторического архива Санкт - Петербурга (ЦГИА СПб),
Российского государственного архива военно-морского флота (РГА ВМФ),
материалы Российской национальной библиотеки (РНБ), библиотеки и
музея Петербургского государственного университета путей сообщения
(НТБ ПГУПС), библиотеки Санкт-Петербургского государственного
морского технического университета (СПбГМТУ), посвященные
отечественным методам диагностики железнодорожного и морского транспорта.
Историографический обзор. Установлению периодизации истории развития техники, в том числе транспорта, в рамках общественно-экономических формаций посвящены исследования В.В. Данилевского, А. П. Чекмарева, B.C. Виргинского, М.И. Воронина, А.Н. Боголюбова, Б. А. Царева, М.М. Ворониной, В.Е. Павлова, Г.В.Галли и т.д.
Помимо нормативных и правительственных документов, для изучения особенностей развития методов контроля качества на водном транспорте использовались научные труды П. Мордовина, СО. Макарова, А.Н. Крылова, В.И. Калашникова, А.П. Шершова, Б.Н.Зубова, Д.В. Дорогостайского, В.В. Ашика, А.И. Сорокина и т.д.
В области котлостроения были использованы труды Ф. Чижова, Н. Божерянова, Г.Н. Пио-Ульского, Т.А. Владимирского и т.д.
Основополагающие аспекты создания и совершенствования отечественных методов контроля качества на транспорте представлены в работах ученых XIX в. и начала XX в. Г. Ламе, П.П. Мельникова, В.М. Верховского, Л.Ф. Николаи, А.Н. Балдина, Л.М. Лангада, Н.П. Щапова, Г.И. Нартова и других. В трудах этих ученых в дополнение к экспериментальным методам впервые применен научный подход к формированию методов контроля качества.
Технические аспекты создания и совершенствования методов контроля качества на транспорте представлены в работах А.Н. Матвеева, Н.В. Белавенцева, А.С. Маханека, Г.И. Нартова, С.Я. Соколова, B.C. Токмакова, К.К. Хренова, Д.С. Шрайбера, X. Балуха, А.К. Гурвича и т.д.
Многие архивные и рукописные материалы впервые введены в научный оборот.
Положения, выносимые на защиту:
1) Периодизация процесса становления и развития методов контроля
качества объектов повышенной опасности в судостроении и на
железнодорожном транспорте в России (начало XIX - середина XX вв.).
Классификация методов контроля качества корпусов судов на водном транспорте, рельсов на железнодорожном транспорте, а также паровых котлов на транспорте в каждом из выявленных периодов.
Анализ факторов, определявших совершенствование методов контроля качества на транспорте, а также варианты технических устройств, наиболее приспособленных для обеспечения контроля в каждом из установленных периодов.
Исследование вклада отечественных ученых в разработку и внедрение методов и средств контроля.
Научная новизна работы состоит в том, что история российской науки и техники дополнена материалами исследования методов контроля качества объектов повышенной опасности в транспортном строительстве: корпусов судов на водном транспорте, рельсов на железнодорожном транспорте, а также котлов на транспорте в период с начала XIX в. до середины XX в. При этом на основе изучения архивных, печатных и рукописных работ:
выявлена периодизация становления и развития методов контроля качества корпусов судов на водном транспорте, рельсов на железнодорожном транспорте, а также паровых котлов на транспорте на различных ступенях материального производства, отображающая основные закономерности развития, а также взаимосвязь этих методов и достижений научно-технического прогресса;
разработана классификация методов контроля качества объектов повышенной опасности, в рамках выявленных историко-технических периодов, что позволяет определить основные направления развития и совершенствования этих методов в различных отраслях транспортного строительства;
раскрыто взаимное обогащение конкретных технологий в обеих отраслях транспорта;
4) изучены исторические факты, связанные с вкладом
отечественных ученых в разработку и внедрение методов контроля
качества, помогающие выявить приоритет ученых нашей страны в
разработке теоретических и практических основ рассматриваемых
методов.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем: 1) дан историко-аналитический обзор становления и развития методов контроля качества объектов повышенной опасности на транспорте, показаны тенденции развития технических средств осуществления контроля качества;
2) показана взаимосвязь этапов развития науки и технических объектов в области транспортной и судостроительной механики, а также взаимное обогащение конкретных технологий в обеих отраслях транспорта.
Практическая значимость работы:
Разработаны периодизация и классификация методов контроля качества объектов повышенной опасности на транспорте, способствующие пониманию логики их развития. Результаты анализа могут быть использованы для научных исследований в области истории техники, систематизации достижений и определении направлений дальнейшего развития методов и приборов контроля, а также в учебном процессе для студентов технических и исторических специальностей.
Достоверность результатов работы обеспечивается
- использованием значительного объема документов и других
источников, взаимно дополняющих друг друга;
совокупностью методов исследования, сочетающих систематизацию историографической информации и применение теоретических положений механики, принципов судостроения и транспортной техники;
использованием апробированных методик, адекватных объекту исследования;
обсуждением результатов исследования на конференциях, в печатных изданиях, учетом критических замечаний.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на:
- международных годичных конференциях СПб филиала ИИЕТ РАН
«Наука и техника: вопросы истории и теории» (Санкт-Петербург, 2008-
2010),
- XXIII международном конгрессе по истории науки и техники «Ideas and
Instruments in Social Context» (Hungary, Budapest, 2009 ),
-Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых
ученых «Шаг в будущее. Неделя науки-2010» (Санкт-Петербург, 2010),
- II Российской научно-практической конференции судостроителей
«Единение науки и практики 2010» (Санкт-Петербург, 2010),
-Международной научно-методической конференции «Проблемы математической и естественно - научной подготовки в инженерном образовании. Исторический опыт - современные вызовы» (Санкт-Петербург, 2010),
-в процессе обсуждения на семинарах кафедр «Высшая математика» и «Теплотехника и теплосиловые установки» ПГУПС.
Структура и объем диссертации. Структура диссертации соответствует цели и задачам исследования. Работа состоит из введения, трех глав, структурированных по тематическому принципу, заключения, списка литературных и архивных источников, включающего 151 наименование, приложения. Диссертация представлена на 187 страницах, включает в себя 9 таблиц, 10 блок-схем и 40 рисунков.
Развитие судостроения. Методы контроля качества в судостроении
Систематическая деятельность правительства по развитию судостроения относится ко времени Петра I. К моменту вступления Петра Ь на престол Россия имела единственный морской порт в Архангельске, через который проходила торговля- с западными странами. Благодаря реформаторской деятельности Петра, Россия- стала одной из сильнейших морских держав с сильным, флотом. Первые корабли были заложены на верфях в Переяславле, Архангельске, Воронеже. При содействии, созданного,на Воронежских верфях за одну зиму флота, Россия получила выход к Азовскому и Черному морям, был заложен Таганрогский порт. Активное строительство торговых судов, кораблей для войньгсо Швецией требовало расширения старых верфей и создания новых в Тихвине, Лодейном-поле. Но центром кораблестроения стал Петербург, где в 1704 г. была заложена Адмиралтейская верфь, а позднее Галерный двор, Ижорский, завод, Охтинская верфь и т.д.
Первые суда петровского флота строились по английским и голландским чертежам, «но они не отличались крепостью; происходило это от дурного качества материала, неопытности рабочих, от дурной системы. крепления...» [15, с. 144]. Поскольку корабли являлись особо ответственными объектами; а их строительство требовало больших капиталовложений, трудозатрат и времени, то с началом- судостроения, особую роль стал играть контроль качества материалов для судостроения и готовых судов. Каждый корабль, прежде чем войти в состав, флота, должен был пройти государственные приемные испытания. Для осуществления управления флотом, в 1696 г. был образован Корабельный приказ, а с 1717 г. — Адмиралтейств-коллегия, в функции которой, в том числе, входило осуществление контроля за строительством и государственные освидетельствования кораблей. Герметичность корпуса судна проверялось ходовыми испытаниями. Так, заложенные в 1702 г. фрегаты «Первый» и «Второй», были забракованы при проведении ходовой «пробы» [5, с. 8].
Для строительства кораблей использовались прочные хвойные породы дерева, обладающие достаточной «погибью», а позднее, для строительства больших кораблей - дуб. Для контроля качества судостроительных материалов, в основном, использовался органолептический метод, когда внешние пороки дерева; идущего на строительство корабля; выявлялись-визуальным осмотром. Наличие внутренних дефектов определяли простукиванием: звуки, издаваемые при ударе по «здоровой» и «дефектной» частям изделия отличались. Такой контроль не требовал специальной подготовки, а основывался лишьна опытности приемщика.
Большой вклад в развитие техники судостроения внес сподвижник Петра I - вице-адмирал И. М. Головин (1680-1737), назначенный в 1717 году главным- строителем- Адмиралтейства с подчинением ему всех судостроительных учреждений и работ. С организацией контроля-качества судостроительных материалов и судов, русские корабли, построенные на Адмиралтейской верфи, по свидетельству современников были превосходными по конструкции и по применяемым материалам.
Необходимо отметить, что Петр I придавал большое значение развитию, не только военного, но и торгового флота. В 1712 г. была учреждена Коллегия по руководству торговлей, а в- 1717 г. - Коммерц-коллегия, главной задачей которой было содействие развитию торгового флота. Уже в первой четверти XVIII в. Россия; благодаря активной внешнеэкономической политике правительства, заняла одно из первых мест в мировом товарообороте. Важную роль в отечественной морской торговле играл Петербург. В 1725 г. сумма товарооборота только Петербургского порта составляла 4 млн. руб. [17, с. 16].
Значительная часть перевозок приходилась и на внутренние водные пути Европейской части страны, как естественные, так и искусственные (Вышневолоцкая водная система (1709 г.), Ладожский обводный канал (1730 г.)). К моменту кончины Петра I флот состоял из 40 кораблей, 10 фрегатов, ста мелких судов и галер на Балтийском море; ста судов на Каспийском море и нескольких судов воронежской флотилии [18, с. 180].
В последующие годы многие из кораблей были поставлены на прикол и потеряли свою боеспособность, новые суда практически не строились. В 40-60-х гг. XVIII в. судостроительная промышленность развивалась достаточно медленно: в этот период было построено всего 10 крупных кораблей и несколько десятков мелких судов. Качество постройки кораблей было далеко не на высоком уровне. Академик В.О: Ключевский так охарактеризовал деятельность фельдмаршала, директора водяных коммуникаций графа Бухарда Кристова Миниха (1683-1767) в области постройки судов: «Ввиду турецкой войны в Брянске на-реке Десне завели верфь и на ней ускоренно строили суда, которые, спустившись Днепром-в Черное море, должны были действовать против,Турции. Суда.строились по системе «тяп-ляп» и по окончании войны были признаны, никуда не1 годными» [19, с. 78]. К 1762 г. военный флот имел в своем составе 31 линейный корабль, 11 других кораблей и 99 галер [20, с. 284]. "Недостатком кораблей того времени-была слабость-их корпуса, построенного большей частью, ввиду спешности, из сырого леса. Корпуса вместо железных сквозных болтов; которые доставлялись, не в. срок, крепились гвоздями и деревянными нагелями" [там же]. В. царствование Екатерины ІГ Россия вновь обрела выход к Черному морю: были заложены верфи в Севастополе (1783 г.), Херсоне (1778 г.), Николаеве (1789- г.). Активная- внешняя политика, усиление торговых связей с Европейскими странами, увеличение товарооборота внутри страны, стимулировали рост судостроения в нашей стране: в Петербурге, Архангельске, Кронштадте было построено около 90 кораблей, 40 фрегатов; в Черном море — 14 кораблей и 50 фрегатов, масса речных и озерных судов [21, с. 181]. Правительство Екатерины II принимало особые меры для обеспечения качества судостроительных материалов и судов. По одному из положений «Устава купеческого водоходства», изданного в 1781 г., «повелевалось суда строить из пиленого леса и по постройке свидетельствовать на верфи, причем, судам не освидетельствованным запрещено было выдавать флаг на плавание» [17, с. 19]. Помимо, уже упоминавшихся ходовых испытаний, герметичность корпуса судна определялась при помощи промазывания его конопляным маслом или водой. Если после такой «пробы» на обратной стороне изделия не выступало масло, то изделие считалось годным к использованию.
Наблюдение за качеством материалов и работ по постройке корабля, как правило, осуществлялась экипажем, который прибывал на верфь сразу же после закладки судна. А в приемочных испытаниях принимали участие офицеры того порта, где стоился корабль. Например, Ф.Ф. Ушаков (1745-1817) участвовал в освидетельствовании фрегатов «Проворный» и «Св. Марк» в 1782 г. [5, с. 11]. Для общего надзора за кораблестроением был назначен один из выдающихся кораблестроителей этого времени генерал-лейтенант А.С. Катасанов, под руководством которого было построено 40 линейных кораблей и 24 фрегата. В 1781 г. Катасанов ввел в русском флоте медную обшивку подводной части военных кораблей для защиты от водорослей. «В конструкцию кораблей было введено обязательное железное болтовое крепление частей корпуса, покрытие подводной-, части корабля медными листами, хотя и введенное ранее, но применявшееся редко» [20, с.289].
В конце XVIII века в Петербурге была основана новая судостроительная верфь - "Новое адмиралтейство", на которой стали закладываться большие военные суда. Но, несмотря на интенсивное развитие судостроения, верфи оставались ремесленными предприятиями, а строительные методы, основанные на применении ручного труда, немногим отличались от примитивных методов предыдущих столетий. В конце XVIII- начале XIX вв. с увеличением числа перевозок по внутренним водным путям, связывавшим центр страны с периферийными областями, назрела необходимость создания специального правительственного органа для управления путями сообщения. В 1798 г. был учрежден Департамент водяных коммуникаций, главным директором которого стал граф Я. Е. Сивере (1731-1808). В 1800 г. к Департаменту была присоединена Экспедиция устроения дорог в государстве. Эта структура функционировала под руководством Н.П. Румянцева (1754-1826) до 1809 г. В первую очередь Н.П.Румянцев развернул большие работы по строительству каналов, портов, пристаней и других гидротехнических сооружений. Так, к концу первого десятилетия XIX в. вступила в, строй Мариинская водная система, ставшая главной водной артерией, соединившей Волгу и Неву, была построена торговая Биржа в Петербурге на стрелке Васильевского острова, произведены крупные работы по строительству Одесского порта, Мытищинского водопровода в Москве и Обводного канала в Петербурге. Департамент занимался также и устройством рельсовых путей: В 1809 г. Департамент водяных коммуникаций и Экспедиция устроения дорог при нем были преобразованы в Главное управление водяными и сухопутными путями сообщения, корпус и Институт Корпуса инженеров путей сообщения. В состав Управления входило три отдела: водяных, сухопутных сообщений и торговых портов [22, ее. 17-18]. Корпусу инженеров путей сообщения поручалось строительство и эксплуатация всех видов путей сообщения.
Контроль качества судостроительных материалов и изделий
К началу Крымской войны на вооружении русского флота стояло лишь 63 паровых колесных корабля (Приложение, Таблица 1). Ни одного винтового судна Россия не имела, и лишь 8 винтовых кораблей находилось на стапелях отечественных адмиралтейств. Единственное винтовое судно «Архимед» построенное в 1848 г., разбилось в 1850 г. Лишь в 1854 г. в составе Балтийского флота появился винтовой фрегат «Полкан», построенный под наблюдением кораблестроителя СО. Бурачека: В то время как в Англии и Франции паровые суда составляли значительный процент каждой эскадры. Как уже отмечалось, большинство «пароходо-фрегатов», состоящих на вооружении в России, были сделаны, в Англии . Паровые машины тоже изготавливались за, границей. Крымская война показала необходимость перехода от паруса и весел к паровому двигателю и гребному винту, от деревянного корпуса судна — к металлическому. Так» в отчете по морскому ведомству за 1855 г. говорилось, «что вследствие переворота, произведенного во флотах всех наций введением винтового двигателя, все прежния парусныя суда наши должны быть заменены судами паровыми, и что морскому управлению предстоит уже не прежний флот поддерживать..., носоздать новый винтовой флот...» [48, с. 1]. Только с заключением мира в 1856 г. эта задача стала разрешимой. К концу 1855 г. паровой флот состоял из: 1 корабля («Выборг»), 1 фрегата («Полкан»), 10 колесных «пароходо-фрегатов», 43 пароходов, 1 шхуны, 40 винтовых канонерских лодок, а к концу 1858 г. на вооружении военного флота стояло уже 183 паровых судна [48; с. 3]. Уже с 60-х гг. XIX в, большинство винтовых фрегатов и корветов были отечественного производства и изготовлены по отечественным чертежам и из русских материалов. Так в период с 1856 г. по 1863 г. было построено 26 военных паровых судов, из них только 5 иностранного производства. Но поспешность, с которой в период войны изготовляли корабли и механизмы, новизна дела для заводов, недостаток механических средств и хорошего материала, отсутствие необходимого числа частных судостроительных и механических заводов не способствовали качеству судов и их механизмов; Кроме того, суда и механизмы, построенные на своих заводах, обходились дороже, строились медленно, требовали переделок. При описании достоинств и недостатков отечественных паровых судов в уже упомянутом отчете говорится, что «машины русския, высокого давления, весьма удовлетворительны, но котлы, не надежны и весьма не долговечны» [48, с ПО]. Поэтому перед Морским ведомством стояла задача обеспечения производства качественных механизмов-и разработки, технологии контроля качества в процессе их эксплуатации. Эта задача была возложена на Морской технический комитет, который осуществлял научно-техническое руководство «по созданию кораблей, механизмов, портов, судостроительных заводов; занимался рассмотрением проектові и предложений по этим направлениям; наблюдал за их исполнением; следил за техническим состоянием флота и его развитием. Одной из функций МТК было утверждение технических условий! на поставку и испытание котельной, судостроительной, заклепочной стали; инструкций и правил по освидетельствованию котлов и корпуса судна.
Однако, несмотря?на постепенное внедрение металла в судостроение, основным судостроительным материалом вплоть до третьей четверти XIX в. оставалось дерево. Для постройки корпусов, использовались дорогие иностранные леса: итальянский дуб, американский дуб, африканский дуб, красное дерево и тик, поскольку их древесина прочна и крепка, а по своим свойствам и «погиби» являлась лучшей для употребления на набор. Особое внимание при приеме судостроительных лесов уделялось качеству древесины, идущей на набор «крепость которого зависит от кривизны лесов на него употребленных». Помимо строгого визуального осмотра, деревянные образцы подвергались испытанию статической нагрузкой. За проведением освидетельствования- корабельных лесов были ответственны эксперты по лесу [40, с. 336]. Перед спуском судов на воду, с целью проверки их герметичности, как и в предыдущий период, корпуса были «опробованы конопляным маслом» [40, с. 261]. При постройке4 судов; Кораблестроительный технический комитет производил установленные контрактом освидетельствования исполненных подрядчиком работ not построению корпусов.
ВJ речном судоходстве преобладание дерева, как судостроительного материала над металлом наблюдается вплоть до первой трети XX в. Причем в конце XIX в. 99 % деревянных судов не были оснащены паровыми двигателями. В Таблице 2.1.1. приведены сведения о постройке корпусов паровых и «непаровых» судов за 1897 г. и предшествующее пятилетие.
Интересно рассмотреть статистику о количестве деревянных судов, плававших по внутренним водам европейской части России: в период с 1890 по 1895 гг. строилось по 5454 судна в год, а ежегодная убыль составляла 5363 судна-[18,с.348].
Это свидетельствует о недолговечности службы речных деревянных судов. Частично это можно объяснить неудовлетворительными методами контроля качества материалов, применяемых в деревянном судостроении, которые практически не изменялись с начала XIX в. Здесь можно отметить, что согласно Кондициям на поставку лесов для Кронштадского и С.Петербургского портов и Ижорских заводов, действовавших в конце XIX в., помимо визуального осмотра «достоинство, дерев узнавалось тем, что щепа от дерева должна иметь в достаточной степени гибкость и упругость, что доказывается волокнистым и хрупким разрывом волокон, с стружки должны свиваться и развиваться без перелома» [А. 14, л. 2 оборот]. Однако применение в судостроении «силы пара», новых способов выделки стали, проката различного профиля, позволило обеспечить массовый выпуск речных и морских судов. По данным Таблицы 2.2.2. можно увидеть динамику численности пароходов, плававших по внутренним водам европейской части России.
Физические основы методов неразрушающего контроля
Началом становления радиационных методов неразрушающего контроля можно считать 1895 г., когда было открыто рентгеновское излучение и его воздействие на вещество. Например, уже через несколько месяцев после открытия был опубликован снимок сварного шва, полученный с помощью рентгеновского излучения. Рентгеновские лучи в отличие от световых лучей видимого участка спектра и ультрафиолетовых лучей имеют гораздо меньшую длину волны (от 0,004 нм; до 12 нм). Согласно формуле Планка, (7) с уменьшением длины волны- энергия кванта излучения увеличивается, что обеспечивает большую проникающую способность рентгеновских лучей.
Рентгеновские и гамма-лучи нашли много- важных практических применений, среди которых не последнее место - занимает дефектоскопия изделий производства, основанная на радиационных методах контроля. Несмотря на то, что открытие этих видов излучения относится к концу XIX -началу XX вв., основы радиационного контроля были разработаны лишь в конце 30-х годов XX в.
Методы радиационного контроля позволяют обнаруживать с высокой достоверностью, как поверхностные, так и внутренние дефекты конструкций и сварных швов, расположенных вдоль распространения излучения. В основе метода — способность вещества контролируемого изделия ослаблять энергию ионизирующего излучения в результате таких процессов как образование фотоэлектронов, образование пары электрон-позитрон, рассеяние. Ослабление происходит по закону
Область применения методов радиационного контроля очень широка. Это паяные и сварные соединения, клепаные, кованые, штампованные, литые изделия, изделия из металла, его сплавов, керамики, пластмассы [80, с.267]. Радиационный контроль также используется для определения толщины стальных- листов. Из формулы (11) видно, что на обнаружение дефектов оказывает внимание их расположение относительно излучения, но не глубина расположения в веществе. Поэтому с помощью методов радиационной дефектоскопии могут быть обнаружены дефекты, распространяющиеся по толщине изделия, но чувствительность метода падает при выявлении горизонтальных дефектов и недостатков в угловых, тавровых и крестовых соединениях.
Основу классификации этих методов составляет тип используемого детектора (приемника для регистрации излучения). Если для регистрации излучения используется радиографическая пленка или заряженные полупроводниковые пластины, то метод называется радиографическим, а если в качестве детектора применяются счетчики, ионизационные камеры, то радиометрическим. Для радиоскопическогсь метода используются, радиационно-оптические преобразователи, основанные на. люминесценции материала под действием- излучения. Необходимо отметить, что использование полупроводников, как приемника для регистрации излучения впервые было предложено изобретателем Е.Е. Рориным в 1916 г., однако. систематическое использование такого» детектора на практике в нашей стране стало проводиться лишь с 1959 г [84].
Становление рентгеновского приборостроения в нашей стране относится ко второй половине 20-х гг., а его использование в промышленности - к концу 30-х гг. XX в. Но1 рентгеновские аппараты, применявшиеся в промышленности вплоть до 50-х гг. прошлого векабылив. основном «несколько измененными1 рентгеновскими- установками медицинского назначения» [84, с. 211]. К середине XX в.. наибольшее распространение получили рентгенографические и рентгеноскопические методы контроля с использованием1 в качестве детектора фотоэмульсии и флуоресцирующих экранов. Рентгеноскопический метод с использованием экрана, светящегося под действием рентгеновских лучей является визуальным методом. На таком экране, помещенном за облучаемым, изделием, получалось теневое изображение предмета, причем внутренние-и наружные полости отображались на экране в виде относительно ярких пятен на более темном фоне. Однако, если толщина объекта контроля превышала 10-12 мм, то ослабление рентгеновских лучей было настолько сильным, что проходящие лучи не могли вызвать свечение экрана. В этом случае 114 применялась рентгенофотопленка, где темные пятна означали наличие в изделии полостей[85]. Таким образом удавалось исследовать стальные изделия толщиной до 80 мм.
Становление применения гамма-лучей для обнаружения дефектов можно отнести к 30-м гг. XX в., когда при, помощи циклотронов были получены первые искусственные радиоактивные изотопы. При этом к середине прошлого столетия осуществлялось просвечивание изделий толщиной до 150-ЗООмм. Изобретение ядерных реакторов 1942 г. в США, 1946 г. СССР) позволило значительно увеличить число искусственных радиоизотопов И использовать их как источник гамма-лучей для просвечивания изделий толщиной-до 500 мм [86], [87].
Чувствительность радиационных методов определяется минимальным» размером дефекта, обнаруживаемого данным методом, по лучу к толщине просвечиваемого изделия в этом сечении и для различных материалов лежит в пределах от 1% до 10%.
Электрические методы контроля качества металлических изделий основаны на явлении изменения сопротивления проводника при. наличии, в нем дефектов. Согласно формуле (12) на- участке изделия, содержащего дефект будет наблюдаться падение напряжения Аи [В] на- исследуемом участке:
Au = pil (12)
где р - удельное сопротивление металла,[Ом-м] ; і - плотность тока [А/м ]; 1 — длина исследуемого участка проводника [м]. Поскольку дефект в изделии непроницаем для тока, то он вызывает изменение распределения линий тока в металле, окружающем дефект, что отражается на падении напряжения на участке, содержащем дефект [88,сс. 10-11]. Следует отметить, что наряду с такими достоинствами этого метода как простота и точность, он обладает и рядом существенных недостатков. Так, для получения точной информации о наличии дефекта необходимо измерять падение напряжения на небольших участках (1 в формуле (12)). А значит, величина падения напряжения будет очень маленькой и для её регистрации необходимо использовать ламповые усилители. По этой же причине очень трудно определить наличие мелких дефектов. Помимо этого, необходимо было обеспечить хороший контакт между объектом и искателем, что являлось затруднительным при исследованиях вг полевых условиях. Такие неудобства практического характера привели к тому, что этот метод не получил широкого распространения, несмотря на то, что к середине 201х гг. Сперрш сконструировал и успешно проверил на практике дефектоскоп- для» обнаружения поперечных трещин в рельсах [89; с. 17]1
Поэтому среди различных методов неразрушающего контроля к концу 30-х. гг. XX в. главенствующее место занимали магнитные методы. Эти методы позволяют определять, наличие дефектов в. ферромагнитных материалах, контролировать нарушение сплошности, качество термической обработки, измерять, толщину покрытий. Магнитные методы основаньъ на явлении перераспределения, магнитных силовых линий, в изделии и над- его поверхностью, вызванных наличием дефекта. Дефект (внутренний, илш наружный), в изделии представляет собой участок с резко пониженной магнитной проводимостью, что ведет к нарушению однородности магнитного поля в. «дефектной- области». Магнитные методьг контроля классифицируются по тому же- принципу что и радиационные (магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый, вихревых токов,, индукционные) в зависимости от способа, с помощью которого. обнаруживаются поля рассеяния, или изменения электромагнитных свойств исследуемого объекта.
Современное состояние проблемы контроля качества
Во второй половине XX века наибольшее развитие и практическое применение на железных дорогах получили дефектоскопы, основанные на магнитных и электромагнитных методах неразрушающего контроля, в судостроении и котлостроении - на капиллярных, радиационных, магнитных методах и методах течеискания.
Традиционно дефектоскопия изделий металлургической промышленности, применяемых в транспортном строительстве, включала в себя несколько этапов: выявление дефекта, оценку его опасности, принятие решения относительно дефектного изделия.
Сконструированные в первой половине XX века дефектоскопьг имели ряд недостатков. Это являлось следствием не только неполной теоретической разработки применяемых методов но и недостатками в методике выявления и оценки опасности обнаруженных дефектов. Перед ведущими НИИ и лабораториями, работавшими в области дефектоскопии, были поставлены следующие задачи:
- достижение высоких показателей надежности при минимальной их стоимости и трудоемкости;
- разработка новых методов контроля, качества И конструкций средств осуществления этого контроля;
- выбор оптимальных систем контроля;
- автоматизация процесса контроля, для уменьшения субъективных факторов .при выявлении и определении степени опасности дефектов;
- разработка комплексного применения дефектоскопов, основанных на разных методах неразрушающего контроля.
Такие разработки велись в Центральном научно-исследовательском институте путей сообщения, Научно-исследовательском институте мостов (НИИ мостов, с 2005 г. - Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии. федерального агентства железнодорожного транспорта») при Ленинградском институте инженеров железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ, с 1993 Петербургский государственный университет путей сообщения (ЕГУПС)), Институте физики металлов АН СССР, Сибирском физико-техническим институте, ГНЦ ЦНИИ им. А.Н. Крылова, Центральном научно 156 исследовательском институте конструкционных материалов «Прометей» (ЦНИИ КМ «Прометей»), Балтийском государственном техническом университете, и др.
В основу разработки новых средств дефектоскопии были заложены концепция применения новых технических решений.
Развитие железнодорожного строительства, совершенствование элементов верхнего строения пути в связи с введением высокоскоростного транспорта требовало от железнодорожников постоянного улучшения методов контроля качества.
Главным недостатком первых рельсовых дефектоскопов было то, что они обнаруживали, в основном, поперечные и лишь некоторые продольные трещины и пороки в головке и частично в шейке рельса. Однако-значительное число дефектов рельсов находятся в подошве рельса и под накладками в зоне стыка. Большую проблему составляла также низкая скорость движения вагонов-дефектоскопов (5-10 км/ч), что препятствовало нормальному режиму эксплуатации железных дорог. Поэтому параллельно с разработкой новых конструкций вагонов-дефектоскопов, активное развитие получили исследования в области создания съемных дефектоскопов (передвигаемых специалистом-дефектоскопистом по рельсам).
Начиная со второй половины XX века, исследования ведущих научно-исследовательских институтов в области радиотехники и радиолокации привели к широкому использованию импульсной ультразвуковой аппаратуры, что явилось качественно новым направлением в развитии импульсной ультразвуковой дефектоскопии как на железных дорогах, так и в судостроении.
В- 1952 г. впервые в мировой практике было начато применение зеркально-теневых ультразвуковых дефектоскопов УРД-52 для массового контроля рельсов в зоне болтовых стыков, а уже к концу 50-х гг. были созданы съемные рельсовые дефектоскопы УРД-56 и УРД-58 для контроля рельсов по всей длине, основанные на зеркально-теневом методе.
Важным направлением в развитии рельсовой дефектоскопии было создание высокоскоростных дефектоскопов для сплошной проверки рельсов уложенных в путь. Работы в этой области были начаты с конца 30-х гг. XX века в НИИПС. Институтом физики металлов АН СССР и Сибирским физико-техническим институтом разрабатывались методы скоростной дефектоскопии- при продольном намагничивании рельсов. Аналогичные исследования проводились в ЦНИИ МПС. Это привело к созданиюв 1953г. первых магнитных вагонов-дефектоскопов с фотозаписью показаний для контроля рельсов со скоростью до 70 км/ч. В 60-х гг. были, начаты исследования по скоростному ультразвуковому контролю рельсов в?ЦНИИ МПС [126, с. 3].
Дальнейший рост интенсивности движения на, железных дорогах требовал введения высокоскоростных дефектоскопов, позволяющих автоматизировать контроль рельсов в пути. Активная» работа в. этом направлении была проведена,ЦНИИ МПС. К концу 60-х гг. прошлого века повышение производительности и качества скоростной электромагнитной дефектоскопии, рельсов. была достигнута при помощи автоматизации, процесса расшифровки показаний скоростных магнитных дефектоскопов при наличии надежных способов, разделения сигналов с целью отсева помех [127]:
Следует отметить, что большой вклад в развитие ультразвуковых методов контроля качества на железных дорогах, в том числе и. рельсов; принадлежал ЛИИЖТу (ПГУПС) и образованному при нем в 1946 г. НИИ мостов.
В 1947 - 1950 гг. на кафедре «Физика» ЛИИЖТа и в лаборатории контроля НИИ мостов проводились работы по освоению методов рентгего-, а затем гаммаграфирования: А с 1960-х гг. при обследовании сварных пролетных мостов исследовались возможности и перспективы применения методов ультразвуковой дефектоскопии вместо или в дополнение к методам гаммаграфирования.
С 1953 г. в НИИ мостов начались исследования по применению метода ультразвуковой дефектоскопии для выявления дефектов в сварных соединениях. В результате был разработан способ ультразвукового контроля сварных швов по слоям, на основе которого создана методика ультразвуковой дефектоскопии стыковых и- тавровых соединений. Сотрудниками лаборатории ультразвуковой дефектоскопии НИИ мостов во главе с А.К. Гурвичем прорабатывались теория и принципы автоматизированного контроля сварных соединений, создавались действующие макеты и образцы установок для автоматизированного контроля швов;
Впоследствии эти разработки применялись к контролю качества рельсов. На основе исследований НИИ мостов в 1961 г. МПС была утверждена первая в мировой практике методика и инструкция по ультразвуковому контролю стыков контактной сварки рельсов на рельсосварочных предприятиях.
По результатам исследований А. К. Гурвича и Л. И. Кузьминой был обоснован перечень основных параметров ультразвукового контроля, разработаны теоретические основы эталонирования этих параметров.
При разработке методик ультразвукового контроля особое место отводилось теоретико-экспериментальным исследованиям измеряемых характеристик, идентификации дефектов по классам с учетом их потенциальной опасности. Были обоснованы факторы, определяющие системы дефектоскоп-оператор-среда, интегральный критерий эффективности неразрушающего контроля, введены признаки дефектов, базирующихся на условных линейных и угловых размерах дефектов, используемых для идентификации образа дефекта в практике контроля [128, ее. 237-251].
В судостроении с усложнением конструкций судов, а также с требованиями сокращения сроков постройки, обеспечения прочности и эксплуатационной надежности строящихся судов особо остро стояла проблема проверки качества сварных швов, решаемая с применением радиографических и ультразвуковых методов. С 60-х гг. XX в. контроль качества всех видов сварных швов в судостроении и котлостроении осуществлялся только при помощи гаммаграфирования. Одним из важных недостатков этого метода является его радиационная опасность, сильно возросшая с середины 80-х годов, когда появились источники более высокой радиоактивности. Поэтому, одновременно- с совершенствованием радиационных методов; значительное внимание стало уделяться безопасным методам, имеющим высокую-чувствительность. К таким методам, относится-ультразвуковая дефектоскопия: Для; получения надежной- информации о наличии дефектов в сварном шве, в. 70-х годах была разработана методика параллельного использованияд рентгенографического и ультразвукового контроля. Она включила в себя 100% ультразвуковой контроль и 20 % рентгенографический для участков, в которых по результатам ультразвукового контроля дефекты выявлены не были [129,- с 27]". Эта методика, внедренная в. производство в .конце 80-х гг., значительно снизила трудоемкость, стоимость и радиационную опасность контроля качества сварных швов? и повысила его надежность. Хорошие результаты показало-применение этой методики для контроля- сварных швов, выполненных, при помощи электронно-лучевой сварки (такие швы характеризуются малой шириной при большой толщине свариваемых элементов):
Однако ультразвуковые методы контроля качества сварных швов в судостроении не были автоматизированы, несмотря на то, что над этой проблемой работали ведущие НИИ. и лаборатории: ЛИИЖТ (дефектоскоп УЗД НИИМ-17), ЦНИИ КМ «Прометей» (дефектоскопы Прометей-6; Прометей-7) и др. Поэтому основную роль вплоть до конца XX века играли ручные средства ультразвукового контроля сварных швов.
