Измерение скорости ультразвука в металлах

Обновлено: 22.01.2025

СЕМЕРЕНКО Алексей Владимирович, Руководитель отдела средств НК и ТД, специалист III уровня по УЗК, ООО «Панатест», Москва.
БОГОМОЛОВ Иван Александрович, Научно-исследовательский университет «Московский энергетический институт», Москва.

Как известно, чугун – это сплав железа с углеродом. Различают белый чугун, в котором углерод входит в химическое соединение с железом (цементит), и чугун, в котором углерод содержится в виде графита различной формы. Последний чаще всего применяется в промышленности, но иногда используется также белый чугун, обладающий повышенной твердостью.

Форма графита, содержащегося в чугуне, оказывает непосредственное влияние на механические свойства отливок. Серый чугун (СЧ) содержит включения графита пластинчатой формы, и он является наименее прочным. Высокопрочный чугун (ВЧ) – наиболее прочный из чугунов, характеризуется шаровидной формой включений графита. Чугун с вермикулярной формой графита (ЧВГ) занимает промежуточное положение по прочности между СЧ и В.

Одной из основных проблем при производстве чугунного литья является идентификация отливок с нестандартной формой графита.

Методы УЗК, широко применяемые в последние годы в сталелитейной и сталеобрабатывающей промышленностях, не подходят для контроля чугунных отливок. Появление чугуна с включениями шаровидного и вермикулярного графита не только расширило масштабы производства и применения чугуна, но и вызвало необходимость совершенствования методов НК. Измерение характеристик и сравнительная оценка однородности формы графита, является одной из перспективных областей применения ультразвука.

Обычно высокопрочный чугун получается путем модифицирования магниевым модификатором высокоуглеродистого чугуна с добавлением графитизаторов перед заливкой в форму или в момент заливки. Если модификатор оказывается неоднородным, или же процесс заливки не был проведен должным образом, образуется литье с отклонениями в содержании шаровидного графита (и, соответственно, с нарушением механических свойств и твердости). Это может выражаться в наличии включений пластинчатого графита в отливке из чугуна с шаровидным графитом, что недопустимо. Из-за этих нарушений значительно изменяются механические свойства металла, что требует контроля чугуна с шаровидным графитом на однородность. При этом важную роль играет как распределение включений графита в отливке (они должны распределяться равномерно), так и форма этих включений (шаровидная, вермикулярная или пластинчатая, рис.1).

Рис. 1. Форма графита в отливках.

Для определения формы графита, содержащегося в чугуне, могут быть использованы стандартные лабораторные разрушающие методы контроля (визуально посредством микроскопа) и косвенные (механические) – проверка на прочность. Однако самые быстрые результаты, к тому же без разрушения объекта контроля, дает ультразвуковой метод.

Форма графита в чугуне оценивается по скорости и затуханию продольных ультразвуковых волн. Установлено, что в чугуне с выпавшим графитом скорость ультразвука увеличивается при:

Уменьшении содержания графита;
Уменьшении размеров графитовых включений;
Изменении их формы от пластинчатой к шаровидной;
Относительном увеличении количества шаровидных графитовых включений;
Увеличении содержания перлита, цементита в металлической матрице.

Экспериментально выбираются акустические характеристики, сильнее коррелирующие с исследуемыми параметрами чугуна. С учетом этого информацию о графите (содержание, форма, размер) обычно получают по скорости ультразвука, а информацию о металлической основе (матрице) – по его затуханию.

Так как скорость ультразвука в высокопрочном чугуне с шаровидным графитом и сером чугуне различается, по результатам ее измерения может быть сделан вывод о степени содержания шаровидного графита в контролируемой отливке. Точные значения скорости ультразвука зависят от композиции сплава, его зернистости и других технологических переменных. Значения скорости ультразвука должны всегда проверяться на стандартных образцах из материала объекта контроля. При этом рекомендуется, чтобы для каждого конкретного случая измерения пользователь составлял карту скорости ультразвука в зависимости от процентного содержания шаровидного графита.

Частным случаем применения УЗК является определение наличия включений пластинчатого графита в чугуне с шаровидным графитом. Так как скорость ультразвука в сером чугуне ниже, чем в чугуне с шаровидным графитом, время прохождения ультразвука через отливку, содержащую включения серого чугуна, будет больше, чем через отливку, выполненную полностью из чугуна с шаровидным графитом. Для получения данных о других факторах, влияющих на свойства реальных отливок, всегда рекомендуем пользователю проводить настройку приборов на стандартных образцах из чугуна с известной композицией.

Известно, что скорость ультразвука нелинейно зависит от процентного содержания шаровидного графита, и на нее влияет как процентное содержание графита, так и форма его включений. В любом случае, ожидается, что в двух отливках, идентичных по процентному содержанию графита, скорость ультразвука будет значительно различаться, если одна отливка содержит графит пластинчатой формы (серый чугун), а другая – шаровидный (высокопрочный чугун).

В качестве объекта контроля предоставлен набор образцов из чугуна различного вида. Геометрические размеры образов Ш×В×Г - 58×31×28 мм.

Рис. 2. Комплект образцов из чугуна для ультразвуковой структуроскопии.

Для проведения контроля структуры чугуна был выбран прецизионный ультразвуковой толщиномер Microgage III CDLW, производства Sonatest Ltd, Великобритания.

При проведении контроля в первую очередь проводится калибровка ультразвукового преобразователя для установки задержки сигнала ПЭП.

Далее толщиномер Microgage III устанавливается в режим измерения скорости. После этого устанавливаем преобразователь на объект контроля, предварительно задав толщину образца (Рис.3).

Рис. 3. Отображение значения скорости на дисплее толщиномера.

В процессе контроля можно изменять следующие параметры: начальное и конечное усиление, развертку, ВРЧ, задержку и затенение, что позволяет увеличить соотношение сигнал/шум.

Важной особенностью толщиномера является возможность ввода значения толщины в процессе измерения.

Рис. 4. Изображение экрана толщиномера в режиме настройки.

Рис. 5. Изображение экрана толщиномера в режиме измерения.

Ультразвуковой контроль – самый универсальный метод НК

Вся технология ультразвукового контроля (УЗК) построена на простом физическом законе: траектория движения звуковых волн в однородной среде остаётся неизменной. Подповерхностные дефекты являются отражателями УЗ-волн. При помощи дефектоскопа и пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) в материал вводятся упругие колебания с частотой более 20 кГц (чаще всего - от 0,5 до 10 МГц). Они исходят от излучателя, преломляются в призме (в наклонных ПЭП), входят в объект контроля (ОК), преломляясь ещё раз на границе раздела, и дальше отражаются от дефектов (если таковые имеются) либо донной поверхности (если таковых нет). По амплитуде и времени прихода эхо-сигнала можно судить о размерах и глубине залегания отражателя. Конечно, это очень грубое, упрощённое описание технологии. На деле возникают тысячи нюансов. Среди опытных дефектоскопистов есть даже такое выражение: чем больше знаешь УЗК, тем меньше знаешь УЗК.

Ультразвуковой метод контроля предполагает использование продольных, поперечных, нормальных, подповерхностных и головных волн. У первых - самая высокая скорость. Они генерируются прямыми и, реже, наклонными ПЭП. Поперечные волны могут создавать только наклонные искатели - совмещённые и раздельно-совмещённые. Они же могут применяться для контроля нормальными волнами (преимущественно для УЗК листов и прутков), поверхностными (контроль такими волнами подходит в качестве альтернативы ПВК и МПД) или головными (для выявления подповерхностных дефектов в основном металле и наплавках на глубине 2-8 мм).

Другая важная характеристика упругих колебаний – длина волны. Чем она выше, тем выше разрешающая способность и, следовательно, чувствительность. Правда, пропорционально ей растёт и затухание (уменьшение энергии колебаний). Чем меньше длина волны - тем выше частота. Чем выше частота - тем выше чувствительность. При работе с толстостенными и крупнозернистыми материалами это чревато увеличением затухания, но об этом позже.

Для чего проводят ультразвуковой контроль

обнаруживать подповерхностные дефекты – поры, пустоты, расслоения в наплавленном металле, трещины, шлаковые и иные включения;
выявлять очаги коррозионного поражения;
определять неоднородность структуры материалов;
оценивать качество сварных, паяных, клееных соединений практически любых типов (тавровых, нахлёсточных, кольцевых, стыковых, угловых), в том числе – соединений разных материалов;
измерять глубину залегания дефектов и их размеры.

В силу всех этих факторов ультразвуковой контроль всё чаще противопоставляют радиографическому. В пользу первого говорит ещё и то, что он безвреден для человеческого здоровья. Приборы для УЗК хороши своей портативностью, удобство работы в полевых условиях, большим многообразием датчиков, призм, сканеров и прочих принадлежностей для самых разных задач дефектоскопии.

существенные ограничения при сканировании материалов с крупнозернистой структурой и высоким коэффициентом затухания. Это объясняется слишком интенсивным рассеиванием колебаний. К таким «проблемным» материалам относятся, например, аустенитная сталь, титан, чугун и сплавы с повышенным содержанием никеля;
сложность при проведении контроля соединений разнородных материалов;
ограниченная пригодность к дефектоскопии объектов сложной конфигурации;
относительно низкая точность при оценке реальных размеров дефектов. Условная протяжённость, как правила, равна фактической протяжённости или, чаще всего, превышает её. С измерениями условной ширины и высоты сложнее - они коррелируют с реальными значениями ещё хуже. Именно поэтому ряд НТД не предусматривают определение условной ширины и высоты (тем не менее, данные результаты могут пригодиться для определения типа дефекта по коэффициенту отношения условной ширины к высоте и для классификации дефектов на развитые и не развитые по высоте). Данная проблема успешнее решена в технологиях ФР и TOFD, о которых написано ниже.

Ультразвуковой контроль сварных соединений: последовательность действий

1) зачистку металлической поверхности – сварного шва и околошовной зоны – от краски, ржавчины, окалины, загрязнений. После этого наносится разметка. При использовании мерительного пояса - обозначение начала и направление отсчёта координат. При его отсутствии - разделение на участки по 300-500 мм (если на ОК заложен РК - то лучше делать разметку сообразно с размером рентгеновской плёнки);

2) настройку чувствительности, амплитудной и временной шкалы дефектоскопа. Для начала - необходимо проверить (и при необходимости - скорректировать) точку выхода, стрелу, угол ввода, мёртвую зону, задержку в призме ПЭП. Затем необходимо правильно задать дефектоскопу параметры ОК - толщину, скорость распространения УЗ-волны, поправку на шероховатость и на затухание, выбрать единицу измерений для горизонтальной шкалы (обычно - в мм глубины). Далее - настроить временную регулировку чувствительности (для "выравнивания" эхо-сигналов от одинаковых отражателей на разной глубине) либо АРД-диаграммы (для определения эквивалентной площади отражателей). Задать опорный (браковочный уровень), поправку чувствительности (если таковая предусмотрена - в зависимости от того, по какому искусственному отражателю выполнялась настройка), выставить поисковое усиление, контрольный уровень (уровень фиксации) и браковочный уровень. Наконец, необходимо выставить усиление и масштаб развёртки, чтобы эхо-сигнал от опорного отражателя достигал 50-80% высоты экрана - кому как удобнее;

3) непосредственное прозвучивание объекта. Прижимая датчик к поверхности, оператор выполняет возвратно-поступательные поперечно-продольные либо продольно-поперечные движения с поворотом датчика на 10-15 градусов (для наклонного ПЭП) или вращением (для прямого ПЭП). В процессе прозвучивания нужно следить за тем, чтобы шаг перемещения пьезоэлектрического преобразователя не превышал 2-3 мм и не осталось пропущенных участков. Важно следить за осцилляциями сигналов на экране дефектоскопа - чтобы не пропустить эхо-сигналы, которые достигли контрольного уровня. Здесь-то и подтверждает свою полезность звуковая и световая АСД;

4) сохранение результатов, передача на ПК. Современные дефектоскопы позволяют "замораживать" изображение развёртки для последующего анализа. Либо - можно сразу наносить разметку мелом или маркером на поверхности ОК в местах выявленных дефектов;

5) расшифровку данных, оформление заключения. Обычно дефекты классифицируются на допустимые и недопустимые по амплитуде, протяжённые и непротяжённые, поперечные, в корне и в сечении шва. Формат заключения/протокола/акта по результатам УЗК утверждается в нормативно-технической документации на контроль и согласовывается с заказчиком. Запись дефектов осуществляется с использованием условных обозначений, указанием глубины залегания, координат относительно начала отсчёта, амплитуды, протяжённости и пр. Чтобы упростить выборку дефекта и ремонт ОК, рекомендуется указывать начальные и конечные координаты каждого дефекта. В зависимости от того, какие дефекты обнаружены и какими параметрами они обладают, объект контроля относят к категории "годен", "ремонтировать" или "вырезать".

На каких объектах практикуется ультразвуковой контроль

магистральные и технологические трубопроводы газа, пара, нефти, нефтепродуктов и прочих рабочих сред;
оболочки реакторных установок;
рельсы, стрелочные переводы, колёсные пары, боковые рамы;
литые детали тележек грузовых вагонов;
обшивка сосудов, работающих под давлением;
корпуса насосов и многое-многое другое.

Виды ультразвукового контроля

теневой. По обе стороны ОК, перпендикулярно к его поверхности устанавливаются два преобразователя, один выполняет функцию излучателя, второй служит приёмником. При наличии инородной среды (несплошности) образуется глухая зона, что позволяет судить о наличии дефекта;
эхо-импульсный. Самый популярный метод. Повсеместно применяется для ультразвукового контроля сварных соединений. Система "дефектоскоп-преобразователь" одновременно и возбуждает, и принимает упругие колебания. Если они беспрепятственно проходят через материал и отражаются только от донной поверхности, значит, дефектов нет. Если есть - то возникает эхо-сигнал (впрочем, он может быть и ложным либо возникнуть вследствие структурных помех, но речь не об этом). Способ привлекателен тем, что подходит для объектов с односторонним доступом, может проводиться даже без снятия усиления, но требует зачистку поверхности, а в контактном варианте - ещё и нанесения контактной жидкости (хотя есть щелевой и иммерсионный способы акустического контакта);
эхо-зеркальный. Излучатель и приёмник разделены и расположены по одну сторону от исследуемого объекта. Волны излучаются под углом и, отражаясь от дефектов, фиксируются приёмником. «Тандем» как метод ультразвукового контроля особенно эффективен для выявления вертикальных дефектов, перпендикулярных сканируемой поверхности. Чаще всего к таковым относятся трещины и непровары в корневой зоне сварного шва;
зеркальной-теневой. Аналогичен обычному теневому, но отличается от него тем, что излучатель и приёмник располагаются по одну сторону сварного соединения. Признаком дефекта также является уменьшение амплитуды прошедшего сигнала;
дельта-метод. Данный вид ультразвукового контроля применяется редко – когда к качеству сварных соединений предъявляются особо жёсткие требования. Технология предполагает трудоёмкую, очень тонкую настройку дефектоскопа. Расшифровка результатов требует от специалиста особой подготовки. При всех недостатках у этого метода есть очень важное преимущество – повышенная чувствительность к вертикально-ориентированным трещинам, не всегда доступным для выявления стандартным эхо-методом. Дельта-метод основан на регистрации дифрагированных волн, переизлучённых "блестящими точками" - краями несплошности;
велосиметрический. Основан на том, чтобы зафиксировать и проанализировать изменение скорости колебаний в дефектной зоне. Обычно применяется для композиционных материалов;
ревербационно-сквозной. Также используется для ультразвукового контроля композитных, полимерных и многослойных материалов. Излучатель и приёмник располагаются по одну сторону объекта, на небольшой дистанции друг от друга. Волны посылаются в материал и после многократных отражений «добираются» до приёмника. Стабильные отражённые сигналы свидетельствуют об отсутствии дефекта. В противном случае наблюдается изменение амплитуды и спектра принятых сигналов.

Заканчивая этот блок, нельзя не сказать и об ультразвуковой толщинометрии (УЗТ). Измерение толщины металла – один из ключевых способов коррозионного мониторинга. По результатам УЗТ можно судить об остаточном ресурсе конструкции (механизма, оборудования и пр.).

Как и в ультразвуковом контроле, принцип построен на использовании импульсов, которые излучает преобразователь. Прибор измеряет скорость, за которую они проходят через стенку. Если конкретнее, то известно 3 основных режима:

1) однократного эхо-сигнала. Измеряется время, которое проходит между начальным импульсом возбуждения и первым эхо-сигналом. Значение корректируется с учётом толщины протектора ПЭП, компенсации степени изнашивания и слоя контактной среды;

2) однократного эхо-сигнала линии задержки. Измеряется время от конца линии задержки до первого донного эхо-сигнала;

Дефектоскопы и другое оборудование для ультразвукового метода контроля

Современные дефектоскопы хороши не только своей портативностью, удобством применения в полевых условиях и на большой высоте. Гораздо важнее – обширный набор функций и многообразие индивидуальных пользовательских настроек. В зависимости от модификации УЗК-дефектоскоп может отображать на своём дисплее А-, В-, С-, D-, S-, L-сканы (последние два - в дефектоскопах на фазированных решётках), вплоть до построения 3D-моделей профиля изделий.

фазированных решётках (ФР). Имеются в виду особые датчики (кристаллы), на поверхности которых с определённым шагом расположены 16, 32, 64 или 128 элементов. Каждый из них излучает волны с определённой задержкой. Корректируя этот «сдвиг по фазе», можно получить фронт волны с определённым углом. В этом и заключается принцип секторного сканирования. Оператору не нужно водить датчиком по поверхности – он и без этого «видит» все дефекты, расположенные в заданной зоне. По сравнению с одноэлементными ПЭП фазированные решётки могут генерировать пучок волн точно в зоне дефекта. В режиме реального времени на экране многоканального дефектоскопа выстраиваются наглядные А-сканы, на основе которых формируются детализированные, информативные отчёты. Мёртвая зона минимальна. Производительность ультразвукового контроля с ФР примерно в 3–4 раза выше, чем у традиционного УЗК;
дифракционно-временном методе (Time of Flight Diffraction, сокращённо – TOFD). Суть технологии – регистрация поперечных и продольных (боковых) волн, дифрагированных на краях несплошностей. Метод предполагает использование двух наклонных датчиков для излучения и приёма волн, расположенные по обе стороны сварного шва. «Натыкаясь» на дефект, волны изменяют своё направление и время прохода. Последний показатель в режиме TOFD считается ключевым. Дифракционно-временной метод эффективно выявляет точечные дефекты, выходящие на поверхность трещины, вогнутость, непровары в корне, расслоения, питтинговую коррозию и пр. Точность измерений достигает ±1 мм. Повторяемость результатов приближается к 100%. По своей информативности и достоверности линейное сканирование – полноценная замена радиографическому методу, особенно для дефектоскопии низколегированных и нелегированных углеродистых сталей.

совмещённые, раздельные и раздельно-совмещённые;
прямые, наклонные, комбинированные и с переменным углом ввода;
хордовые, фокусирующие и нефокусирующие;
притёртые и непритёртые;
контактные, иммерсионные, бесконтактные, щелевые и т.д.

Помимо этого, в УЗК активно применяются различные призмы, координатные устройства и сканеры. Для настройки и калибровки не обойтись без стандартных образцов (СОП, СО) и настроечных мер. Для улучшения акустического контакта на поверхность объекта предварительно наносят контактную жидкость/гель.

Для проведения УЗТ требуется толщиномер. Такой прибор технически проще, компактнее, дешевле классического дефектоскопа.

Обучение и аттестация специалистов по ультразвуковому методу контроля

введение в классификацию видов и методов неразрушающего контроля;
физические основы – теория колебаний, типы упругих волн, их свойства, критические углы ввода, дифракция, интерференция, закон Снеллиуса;
блок по ультразвуковым колебаниям (что собой представляет акустическое поле, в чём разница между прямым и обратным пьезоэффектом, устройство ПЭП, мёртвая и ближняя зона, дальняя зона, реверберационно-шумовая характеристика преобразователя, резерв усиления);
методы УЗК;
технология проведения акустической дефектоскопии прямыми и наклонными совмещёнными и раздельно-совмещёнными ПЭП;
приборы и дополнительные принадлежности для УЗК.

По завершении обучения необходимо сдать квалификационный экзамен, состоящий из теоретической и практической части.

Разумеется, в каждом учебном центре есть своя библиотека методической и образовательной литературы. Дополнительно к этому можно почитать «классику» учебников по УЗК – труды И.Н. Ермолова, В.Г. Щербинского, В.В. Клюева, А.Х. Вопилкина и др. Посмотреть информацию об изданиях можно в специальном разделе «Библиофонд» онлайн-библиотеки «Архиус».

Для тех, кто открыт для новых знаний и обмена опытом, на форуме «Дефектоскопист.ру» предусмотрен свой раздел. Начать рекомендуем с веток «Изучение УЗ-контроля» и «Обучение УЗК».

Измерение скорости ультразвука в металлах

Посмотреть видео-версию можно на официальном YouTube-канале "Дефектоскопист.ру". Текстовая версия доступна ниже.

В ходе одного из наших занятий с ультразвуковым толщиномером «Булат 3» мы получили вполне корректные результаты измерения, просто выбрав значение скорости распространения ультразвука из предустановленной таблицы в настройках прибора. В отличие от первого образца, про который было заранее известно, что он изготовлен из стали 12Х18, материалы остальных образцов установлены не были. Следовательно, задать точное значение скорости или выбрать его из предустановленной таблицы не представлялось возможным. На этот случай в «Булат 3», как и в любом другом толщиномере, предусмотрена калибровка по скорости ультразвука по образцу.

И вот тут мы столкнулись с некоторой проблемой. Возможно, у кого-то из наших зрителей тоже такое было: выполняем калибровку скорости на одной ступеньке, переставляем преобразователь на другую ступеньку того же образца, но другой толщины. И при том же значении скорости результат измерения не бьётся, требуется дополнительная корректировка значения скорости. Такая картина у нас наблюдалась на всех трёх оставшихся образцах. В итоге что я делал – я попытался найти «золотую середину», то есть некое значение скорости ультразвука, при котором результат изменения толщины на всех ступеньках того или иного образца укладывался бы в пределы допускаемой абсолютной погрешности, которую мы высчитывали индивидуально для каждой толщины. Делали мы это по формулам, которые приведены в руководстве по эксплуатации и в паспорте на толщиномер «Булат 3». Самый большой допуск у нас получился на ступеньке толщиной 30.5 мм – для неё предельно допустимая абсолютная погрешность составила ±0,2 мм. По факту нам удалось укладываться в допуски с запасом, так что даже на той же 30-миллиметровой ступеньке отклонение было не более 0,15 мм.

И для начала – сразу обозначим, почему результат калибровки скорости для одной толщины, может оказаться непригодным для другой толщины. Во-первых, случайные субъективные ошибки, например, из-за смещения датчика при повторной установке в ту или иную точку, или неравномерного прижима к поверхности. Во-вторых, дискретность задания скорости в приборе – не сотые и не десятые доли, что тоже сказывается на том, как высчитывается значение скорости в процессе калибровки.

Тут я должен сказать «спасибо» редакторам журнала «Дефектоскопия». Это главный научный журнал в российском неразрушающем контроле. Издаётся с 1965 года. Честно говоря, и сам не ожидал, поскольку это большое серьёзное издание – и с чего бы им помогать админу форума, но нет – очень оперативно прислали скан статьи [7], которую я запросил, за что, повторюсь, им огромное спасибо. Значит, статья была написана была в 1988 году и посвящена погрешности измерений ультразвуковыми толщиномерами, обусловленной варьированием скорости распространения ультразвука в конструкционных сталях, высоколегированных сплавах, а также в алюминиевых, медных, чугунных и других сплавов. Главный вывод авторов заключается в том, что в реальных изделиях имеют место существенные вариации скорости в разных направлениях прозвучивания, обусловленные анизотропией металлов, режимом термообработки, текстурой материала, волокнистостью, внутренними напряжениями, температурой объекта контроля и другими причинами. Это, в свою очередь, приводит к дополнительной погрешности измерения толщины. И дальше приводятся результаты многочисленных исследований, проведённых в 1983-1984 гг. Так, среднее значение групповой скорости распространения продольных ультразвуковых колебаний в углеродистых сталях (Ст3, Ст10, Ст25, Ст40 и др.) может быть принято равным 5925 м/с при возможном значении вариации ±50 м/с. Соответственно, при юстировке ультразвукового толщиномера на скорость распространения ультразвука 5925 м/с для данной группы материалов предельная погрешность, обусловленная вариациями скорости, оценивается значением ≈1–1,5%. Высоколегированные стали на основе железа типа 40Х13 и 12Х18Н10Т – вариации скорости могут достигать ±3,5% от среднего значения скорости для данной группы, равного 5850 м/с. Титановые сплавы (ВТ3-1, ВТ5-1, ВТ6, ВТ8 и др.): вариации скорости от среднего значения 6175 м/с уже могут достигать ±1,2%. И так далее – для каких-то материалов вариации больше, для каких-то меньше. Так что я теперь точно знаю, что на образцах, непонятно кем, как и из чего изготовленных, результаты измерений и скорости, и толщины могут оказаться непредсказуемыми по вполне объективным причинам.

К слову сказать, похожий порядок измерения скорости УЗК описан в [19, с. 140].

Изначально двухточечная калибровка скорости распространения ультразвука в материале нужна для случаев, когда нам предстоит контроль толщин в некотором диапазоне. Либо – когда требуется выполнять высокоточные измерения с дискретностью 0.01 мм, причём на объектах с очень хорошо подготовленными поверхностями [12, с. 56-58]. Такая калибровка выполняется на двух образцах либо на одном образце с двумя ступеньками, которые соответствуют меньшему и большему значению толщины. При этом требуется, чтобы такие калибровочные тест-блоки были не просто известной толщины, но изготовленными из того же материала, что и объект контроля [12, с. 58]. Для их механических измерений надобно использовать даже не штангенциркуль, а микрометр. Плоскопараллельные тест-образцы для двухточечной калибровки, судя по всему, должны быть практически идеальными. Просто для понимания, насколько идеальный – в [12, с. 59] в качестве примера указаны толщины тест-блоков с точностью до ±0,01 мм.

Двухточечная калибровка скорости распространения ультразвука реализована, например, в таких приборах, как T-Mike E, 45MG, DM5E, в российских UT-4DL, В7-237 и некоторых других. Если же смотреть на отечественных производителей – лидеров («Кропус», АКС, «КОНСТАНТА»), то они отказались от этой технологии, оставив в своих толщиномерах только одноточечную калибровку. Разумеется, вряд ли это сделано просто так, едва ли наши ведущие разработчики не могли бы реализовать такую вещь в своих приборах.

Дело в том, что по факту технология двухточечной калибровки (2POINT) состоит из двух этапов – на тонком образце мы выполняем компенсацию нуля преобразователя, а непосредственно измерение скорости распространения ультразвука производится на образце большей толщины. При этом – надо признать, что для расчёта скорости УЗК, по крайней мере, в толщиномере UT-4DL используются оба временных интервала и оба значения толщины – полученные и на тонком, и на толстом образце. Дальше в дело вступает математика и софт. В это мы углубляться не будем (да и не сможем, поскольку формулы являются предметом промышленной тайны и раскрывать их нельзя). Главный вывод из материалов, которые мне были любезно предоставлены техническим директором компании «Ультратех», такой: между понятиями «двухточечная калибровка скорости» и «компенсация нуля с последующей одноточечной калибровкой» всё ж таки нельзя поставить знака равенства. Не будем судить, в каком случае математика будет более продвинутой и точной. Просто констатируем тот факт, что при двухточечной и при одноточечной калибровке скорости она будет разной.

Вообще, в ряде источников даже рекомендуется, чтобы толщина образца для измерения скорости составляла 40–50 мм [19, с. 139] или даже 20–90 [12, с. 58]. Что касается малых толщин, то двухточечная, или «удвоенная» калибровка помогает решать проблему, описанную в [6, с. 695], а именно – фиксация не первого донного сигнала, который сливается с зондирующим импульсом, а второго донного. Как указано в [13, с. 63-64], такое случается при измерении толщины ниже минимального диапазона преобразователя, либо при его износе и снижении чувствительности. Но в реальности – для решения этой проблемы в том же толщиномере «Булат 3», во-первых, есть режим «А-скан». Во-вторых, метод «Эхо-Эхо-Эхо», который имеет ряд естественных ограничений при контроле толстостенных изделий из материалов с большим затуханием или корродированной обратной поверхностью, но на малых толщинах показывает себя очень хорошо. В-третьих, если посмотреть на преобразователи П112-10-6/2-А01 и П112-5-10/2-Е, которые входят в базовый комплект поставки толщиномера, то при работе методом «Зонд-Эхо» диапазон измерения начинается от 0,6 мм и от 1,5 мм соответственно. Если и этого недостаточно, то можно взять преобразователь П111-15-Л6 с линией акустической задержки, который и вовсе способен выполнять измерения на толщинах от 0,25 мм. Так что решений для контроля тонкостенных изделий вполне может хватить, даже и без двухточечной калибровки.

Таким образом. Наличие двухточечной калибровки может оказаться полезным при контроле толщин в некотором диапазоне и/или при контроле с точностью до 0,01 мм. Опять же – при наличии надлежащих калибровочных тест-образцов, к которым предъявляются довольно жёсткие требования. Ориентируясь на них, давайте предположим, что речь идёт об измерениях в диапазоне, при котором отношение меньшей и большей толщины составляет от 1:2 до 1:5 [12, с. 58]. При контроле же объектов какой-то одной номинальной толщины, тоже с разрешением до 0,01 мм и уж не говоря про 0,1 мм, легко можно обойтись одноточечной калибровкой. Опять-таки, повторюсь, многое зависит от качества исполнения настроечных образцов. Всё-таки требования к образцам для двухточечной калибровки очень строгие. И если уж такие образцы удалось закупить или изготовить, то, предположу, и с одноточечной калибровкой особых проблем бы не возникло. Но это уже просто мои догадки, пока не подтверждённые практикой.

Как бы то ни было, реализованные в современных российских приборах (УДТ-20, УДТ-40, «Булат 3») режимы работы и технические возможности ведущих производителей пьезоэлектрических преобразователей позволяют подобрать решения даже для весьма специфических задач, будь то контроль тонкостенных изделий или даже контроль изделий под покрытиями. В том же «Булат 3» можно вообще откалибровать отдельно скорость распространения ультразвука в материале покрытия, например, и проводить измерения в режиме «Зонд-Эхо-Покрытие», наблюдая на экране отдельно значение толщины стенки и отдельно – значение толщины покрытия.

Какие выводы из всего этого мы сделали лично для себя? Впредь для того, чтобы повысить свои шансы на более точную калибровку скорости ультразвука при настройке, будем уделять больше внимания деталям.

Во-первых, внимательнее следить за тем, чтобы усилие прижатия датчика было более равномерным, одинаковым. Прежде чем считывать показания с экрана – быть чуть терпеливее, вращать датчик в разные стороны, проводить повторные измерения и добиваться стабильности показаний в каждой точке. Для себя мы решили ориентироваться на получение повторяющихся результатов измерения толщины с отклонением не более ±0,2 мм [16, с. 11; 17, с. 18]. По поводу повторных измерений – ориентируемся на 3-7 повторных замеров в каждой точке с вычислением среднего арифметического [3, с. 298; 19, с. 426]. Интересным мне показался подход в статье, соавтором которой выступил другой наш давний форумчанин Николай Михайлович Ксенофонтов. Статья посвящена измерению остаточной толщины металла элементов ворот и затворов судоходных шлюзов. В ней, в частности, упоминаются измерения на разных этапах коррозионного процесса, и количество повторных замеров в каждой контролируемой точке там составляло три (если разница между результатами не превышала 0.5 мм) или семь (если разница между показаниями превышала 0.5 мм) [4, с. 43].

Во-вторых, уж коль скоро мы в последующем будем пользоваться одноточечной калибровкой скорости, для каждой задачи будем стараться обеспечивать себя таким образцом, который:

а) изготовлен из того же материала, что и объект контроля, и по той же технологии, что и объект контроля. Ну либо, как принято говорить, из материала, «аналогичного по акустическим свойствам». Насколько «аналогичного» – полагаю, в разных отраслях, на разных объектах будет по-разному. В качестве лишь примерного ориентира – отклонение скорости ультразвука не более ±1% [19, с. 137]. Но опять же в этом источнике речь шла о дефектоскопии. Для каких-нибудь прецизионных измерений толщины, вероятно, понадобилось бы что-нибудь поточнее;

б) имеет ту же толщину, что и номинальная толщина объекта контроля. Конечно, и здесь есть некий допуск. Например, в [2, п. 4.4] для плоских образцов разрешается отклонение от номинальной толщины изделий не более ±1.0 мм (для диапазона толщин до 10 мм) или не более ±20% (для диапазона толщин более 10 мм). Также в ряде источников встречается допуск ±0,05 мм [5, приложение А; 8, п. 6.7.8.1-6.7.8.6].

в) имеет ту же шероховатость поверхности ввода, что и у объекта контроля;

г) имеет тот же радиус кривизны, что и объект контроля [6, с. 709]. Если же говорить про объекты с плоскопараллельными лицевой и обратной поверхностью и про настроечные образцы к ним [13, с. 63], то для получения погрешности измерения скорости не более 5% отклонение от параллельности не должно превышать 5% [19, с. 139]. А вообще, основной стандарт по толщинометрии требует, чтобы противоположные стенки изделия (то есть поверхность ввода и донная поверхность) были параллельны в пределах ±10˚, иначе проведение измерений будет затруднено, а вероятность ошибок увеличится [1, п. 8.1.5.1].

Ряд источников допускают производить настройку толщиномера непосредственно на объекте контроля – в месте, где есть двусторонний доступ для механических измерений толщины, например, при помощи штангенциркуля или микрометра. В одном из документов даже даётся допустимая погрешность для таких случаев, которая составляет ±0,02 мм [2, п. 4.6]. Толщину участка изделия при этом лучше знать с точностью до ±0,1% [17, с. 22]. Но даже если с контроледоступностью для мерительного инструмента есть проблемы – опять же, можно заказать настроечный образец, который в точности будет имитировать стенку объекта контроля. Производством образцов для ультразвуковой толщинометрии, например, давно и успешно занимается компания «Константа УЗК».

В-третьих, не стоит пренебрегать теми возможностями, которые заложены в толщиномере «Булат 3», и производить калибровку скорости в режиме А-скан. Он здесь есть, и его большой плюс в том, что он позволяет отслеживать, на какой именно полуволне происходит фиксация результата измерения толщины.

Ну и конечно, для настройки толщиномера надо использовать ту же контактную жидкость, что и для последующего контроля. И само собой, выполнять калибровку скорости следует при той же температуре, при которой будут выполняться измерения [3, с. 295; 5, п. 9.2; 6, с. 209, 697; 13, с. 63].

Такой вот получился опыт, много новых вещей мы узнали, кое в чём стали разбираться получше, хотя, конечно, непонятых моментов тоже хватает. Мы ведь совсем не затронули, например, такую интереснейшую тему, как толщинометрия биметаллов и антикоррозионных покрытий. Было бы очень интересно поиграться с образцами ТБ1, ТН1, ТН3. Почитать технологические карты для объектов атомной энергетики. Что касается легендарной книги братьев Крауткремер, то я, честно признаться, так и не смог понять разобрать изложенный в ней способ измерения скорости [18, с. 637]. Как-нибудь в другой раз вернусь к этому.

Теория УЗК

Объем применения УЗК как во многих отраслях промышленности нашей страны (энергетическое машиностроение, железнодорожный транспорт, судостроение, химическое машиностроение), так и за рубежом за последние годы достиг 70-80% по отношению к другим методам НК. Это объясняется более высокой чувствительностью (по раскрытию на 5 порядков) и лучшей выявляемостью трещиноподобных дефектов, более высокой оперативностью (15-20 раз) и производительностью (2-4 раза), меньшей стоимостью (2-6 раз) и безопасностью в работе по сравнению с традиционными методами радиографического контроля.

Ультразвуковая дефектоскопия как самостоятельная область науки зародилась в СССР. Датой рождения акустических методов контроля считается 2 февраля 1928г. В этот день Комитет по делам изобретений получил заявку преподавателя ЛЭТИ С.Я.Соколова на способ и устройство для испытания материалов. С середины 1950-х годов этот прогрессивный метод НК материалов активно применяется для оценки качества продукции.

Ультразвуковая толщинометрия

Принцип ультразвуковой толщинометрии основан на измерении времени прохождения ультразвукового импульса в изделии и умножении измеренного времени на коэффициент, учитывающий скорость звука в материале изделия.

Рассмотрим данный процесс по этапам:

1. Прибор генерирует ультразвуковой импульс.
2. Ультразвуковой импульс, излучаемый преобразователем, передаётся к поверхности объекта контроля.
3. Импульс проникает в объект контроля.
4. Импульс проходит до противоположной поверхности и отражается от неё.
5. После этого импульс возвращается обратно к преобразователю через материал объекта контроля.
6. Ультразвуковой импульс передаётся от поверхности объекта контроля в преобразователь.
7. Принятый отражённый импульс измеряется прибором.

Для получения достоверных результатов при рассмотрении представленных этапов необходимо следующее:

1. Создание ультразвукового импульса. Пьезоэлемент, возбуждаемый очень коротким ( 2. Ввод ультразвукового импульса в металл объекта контроля. Поверхность металла должна быть в достаточной степени гладкой и чистой. На поверхности не должны присутствовать препятствия мешающие прохождению ультразвуковой волны, такие как рыхлые продукты коррозии и отслоившееся ЛКП, которые подлежат удалению. Не допускается наличие воздушного зазора между излучающей поверхностью ПЭП и поверхностью объекта контроля. Ультразвук плохо распространяется по воздуху в связи с чем применяется контактная жидкость, такая как минеральное масло, вода или гель, которые обеспечивают хороший акустический контакт.
3. Ультразвуковой импульс распространяется в структуре объекта контроля. Большинство металлов являются хорошими проводниками звука. При УЗК высококачественного металлопроката и стальных поковок с мелкозернистой структурой ультразвук распространяется на расстояние в несколько метров. Контроль некоторых материалов, однако, не является столь простой задачей. Литейный чугун имеет крупнозернистую структуру, которая не очень хорошо проводит ультразвук. Неоднородные материалы, такие как пластмасса, армированная стекловолокном, могут создавать трудности при УЗК. Отдельные пористые материалы не дают отражения ультразвука, в то время как другие могут многократно отражаться в структуре материала, давая ложные показания толщины. Для толщинометрии сложных материалов следует использовать низкочастотные преобразователи несмотря на их низкую чувствительность. Большое значение имеет также постоянство скорости распространения УЗК в материале. Если данная скорость варьируется, то точность измерения расстояния будет соответствующим образом уменьшена.
4. Ультразвуковой импульс отражается от дальней стенки объекта. Плоские параллельные поверхности обеспечивают хорошее отражение ультразвука. Непараллельные поверхности могут отражать ультразвук в сторону от рабочей поверхности ПЭП (см. рисунок). Шероховатые поверхности рассеивают ультразвук и лишь часть его возвращается назад к ПЭП, что в результате ослабляет сигнал.
5. Принятие отражённого ультразвукового сигнала и его измерение. Другой (а иногда и тот же самый) пьезоэлектрический кристалл используется для приёма ультразвука, который преобразуется в электрический импульс с последующим измерением времени. При наличии достаточно сильного отражённого сигнала главной проблемой являются помехи от передавемого импульса. Как правило, результатом этого является время задержки после отправки зондирующего импульса. Для обхода данного ограничения выполняется задержка принимаемого сигнала с учётом толщины пластмассовой линии задержки.

Прочие факторы влияющие на результаты ультразвуковой толщинометрии

Температура. Чем выше температура, тем ниже скорость распространения ультразвука в материале. Поскольку скорость ультразвука меняется вместе с температурой большое значение имеет калибровка толщиномера при той же самой температуре, что и температура измеряемого материала.

Высокая температура может привести к повреждению ПЭП и создаёт проблемы с использованием различных контактных жидкостей. В основном типовые ПЭП способны работать при температуре около 80°С. При измерениях выше данной температуры необходимо использовать специальные ПЭП оснащённые линиями задержки изготовленные из жаропрочных материалов. В зависимости от величины температуры требуется периодическое охлаждение ПЭП.

Стандартный ультразвуковой контактный гель на водной основе будет быстро высыхать при высокой температуре и станет непригодным при той же самой температуре, что и типовые ПЭП. Выпускается ассортимент контактных жидкостей для выполнения измерений при высокой температуре.

Поправка на V-схему хода лучей раздельно/совмещенного ПЭП

Измерение толщины на изогнутых поверхностях. При измерении толщины на крутоизогнутых поверхностях (например, на трубном прокате) раздельно-совмещённым преобразователем его рабочая поверхность должна располагаться так, чтобы акустический экран был поперек продольной оси трубы.

Измерение толщины через покрытия в режиме эхо-эхо. При измерении толщины изделий с поверхностными покрытиями следует с осторожностью оценивать полученные показания. Отслоившиеся или неравномерные покрытия могут значительно ослаблять ультразвуковой сигнал и обычно они подлежат удалению. Даже покрытия с хорошей адгезией, которые не препятствуют распространению ультразвука, создают дополнительную задержку. Обычно скорость распространения ультразвука в слое ЛКП составляет от трети до половины значения скорости в стали. Типовой слой ЛКП толщиной 200 мкм даст увеличенное на 0,5 мм показание толщины. Если требуемый уровень точности не слишком высок, а толщина слоя ЛКП равномерна, то можно просто вычесть соответствующую поправку, но данное решение редко является удовлетворительным.

Наилучшим подходом к решению данной задачи является измерение положения первого и второго эхосигналов. Поскольку ультразвук один раз проходит через слой ЛКП и отражается внутри изделия из стали, то оба эхосигнала будут иметь одинаковую задержку, т.е. путём измерения разности времени между двумя эхосигналами можно получить точное значение толщины металла, на которое не влияют изменения толщины слоя ЛКП (см. рисунок). Однако следует заметить, что в случае сильно корродированной задней стенки отсутствует возможность измерить второй эхосигнал по причине его значительного ослабления.

Типы ПЭП используемых для толщинометрии

Необходимо заметить, что ПЭП общего назначения используемые для оценки степени коррозионного разрушения являются раздельно-совмещёнными. Толщиномеры используемые для точного измерения толщины используют с прямыми совмещёнными ПЭП, обычно оснащёнными линией задержки. Большинство специализированных толщиномеров работают как с совмещёнными, так и с раздельно-совмещёнными ПЭП, но лишь немногие модели рассчитаны на работу с ПЭП обоих типов.

Раздельно-совмещённые ПЭП

Возможность работы с простой элементной базой прибора. Разделены функции излучения и приёма сигнала, могут использоваться простые усилители без перегрузки генератора импульсов. Управляемое изменение параметров контроля в соответствии с расстоянием, достаточно простая автоматическая регулировка усиления (АРУ).
Хорошо подходят для контроля изделий с шероховатой поверхностью, а также для поиска язвенной коррозии, пористости и небольших дефектов.
Требуется внесение поправки на V-схему хода лучей. Разделение элементов значительно снижает чувствительность при контроле тонкостенных материалов. Практически измеряемая минимальная толщина составляет около 1 мм.

Совмещённые ПЭП с линией задержки

Прямой путь хода ультразвукового луча – не требуется внесение поправки на V-схему хода лучей. Пригодны для контроля тонкостенных материалов (вплоть до толщины около 0,2 мм).
Внутреннее переотражение сигнала ограничивает максимально полезную измеряемую толщину материала временем равным длине линии задержки, которая обычно равна 25 мм.
Стандартно поставляются со сменными призмами, могут комплектоваться притертыми призмами для контроля искривлённых поверхностей.

Совмещённые ПЭП

Прямой путь хода ультразвукового луча.
Низкая околоповерхностная чувствительность из-за времени задержки после зондирующего импульса. Могут использоваться для контроля изделий с минимальной толщиной стенки около 3 мм.
Отсутствие задержки отражённого сигнала позволяет использовать ПЭП в широком диапазоне частот.
Сила ультразвукового импульса значительно ослабляется при контроле с большого расстояния, что зачастую требует ручной настройки усиления и применения стробирования.
Стандартно выпускаются с твёрдой рабочей поверхностью стойкой к износу.
Обыкновенно используются с одноэлементными толщиномерами для контроля толстостенных материалов.

Ультразвуковая дефектоскопия

Дефектоскоп предназначен для поиска, определения координат и оценки размеров различных нарушений сплошности и однородности материала в изделиях из металлов и композитов. Дефектоскоп обеспечивает реализацию типовых и специализированных методик УЗ НК сварных швов, позволяет выполнять УЗ толщинометрию и дефектоскопию широкого класса изделий, вести поиск мест коррозии, трещин, внутренних расслоений и других типов дефектов.

Типовыми областями применения прибора является НК сварных швов трубопроводов, котлов, металлических конструкций при производственном, сборочном и эксплуатационном контроле на предприятиях нефтегазового комплекса, в энергетике, транспорте, судостроении, авиакосмической отрасли и т.д.

Реализуемые методы контроля

Дефектоскоп поддерживает следующие методы ультразвукового контроля:

Эхоимпульсный метод
Теневой метод
Контактный или иммерсионный методы
Контроль наклонным преобразователем (поперечная волна)
Контроль наклонным преобразователем (поверхностная волна)
Методы TOFD, основанные на дифракции УЗ волны на трещине
Измерение координат дефекта
Толщинометрия совмещенным преобразователем
Толщинометрия раздельно-совмещенным преобразователем
Измерение скорости ультразвука в материале
Измерение времени распространения в микросекундах
Методы, основанные на изменении фазы радиосигнала
Контроль по методу «тандем»

Для точной дефектоскопии требуется соблюдение трех условий:

Выбор подходящего преобразователя.
Хороший эталонный образец, изготовленный из того же материала, что и объект контроля, и имеющий искусственные дефекты различной ориентации, имитирующие при заданной чувствительности реальные дефекты.
Правильная настройка рабочих параметров дефектоскопа.

Преобразователи, используемые для дефектоскопии, обычно бывают узкополосными для обеспечения наилучшей чувствительности к несплошностям. В некоторых случаях используются широкополосные преобразователи для оптимизации разрешения у ближней или дальней поверхности объекта и, как следствие, наличия возможности различать, из какой зоны получен эхосигнал. Выбор частоты осуществляется таким образом, чтобы длина волны в материале была оптимальной для выявления дефектов требуемого размера и ориентации. В основном, применяются прямые совмещённые, а также наклонные преобразователи для выявления дефектов в сварных швах. Имеются также специальные раздельно-совмещенные преобразователи и преобразователи поверхностной волны.

Следующим важным условием для точной дефектоскопии является стандартный образец. Данный образец изготавливается из материала ОК и должен иметь ту же скорость ультразвуковой волны и характеристики затухания. Поверхность стандартного образца должна имитировать поверхность объекта контроля, чтобы характеристики затухания и чувствительности были сходными. Стандартный образец должен иметь ряд искусственных дефектов, эквивалентных по размеру и ориентации тем, которые должны быть выявлены в процессе контроля. Это могут быть плоскодонные отверстия, просверленные перпендикулярно или параллельно поверхности, пропилы, зарубки. Должны также иметься искусственные дефекты, расположенные у ближней и дальней поверхности образца для определения разрешающей способности комбинации параметров преобразователя и дефектоскопа.

Для качественной дефектоскопии, необходимо выполнить точную настройку рабочих параметров (калибровку) дефектоскопа. Необходимо выполнить настройку генератора, усилителя и параметров строба таким образом, чтобы обеспечить необходимую чувствительность и разрешающую способность.

Контроль сварных швов

Прибор определяет координаты дефектов в сварных соединениях с помощью наклонных преобразователей. Используется возможность дефектоскопа рассчитывать расстояние до дефекта по поверхности и глубину дефекта, исходя из измеренной удаленности по лучу. Точность измерений достигается путем точного задания угла ввода ультразвука в материал. Дополнительно, в случае контроля отраженным лучом, требуется ввести общую толщину объекта контроля. Измерения выполняются по приведённой ниже схеме.

Значения измерений отображаются в нижней части экрана:

Расстояние по лучу B от точки ввода преобразователя до дефекта, равное сумме В1 и В2 при контроле отраженным лучом. Расстояние S от точки излучения преобразователя до проекции дефекта на поверхность объекта контроля. При вводе расстояния от передней грани преобразователя до точки излучения (осуществляется в меню ДАТЧИК (PROBE)), на дисплее в качестве расстояния S отображается укороченное расстояние от передней грани ПЭП до проекции дефекта на поверхность. Глубина D залегания дефекта.

Пример отображения информации на дисплее.

Информация о размере дефектов отображается с правой стороны строки в %, Дб, или значения эквивалентного диаметра отражателя. В приведённом выше примере амплитуда эхосигнала представлена в виде процентной величины от полной высоты экрана и составляет 85%. При запуске функции ДАК (DAC) оператор может включить индикацию в дБ, в % от полной высоты экрана или от уровня кривой ДАК. При использовании метода АРД (DGS/AVG) с правой стороны отображаются значения эквивалентного диаметра отражателя.

На примере эквивалентный диаметр дефекта составляет 4,2 мм.

Важно помнить, что дефекты в сварных соединениях могут быть как точечными, так и протяженными. Поэтому хорошие результаты контроля могут быть достигнуты, если прибор тщательно настроен, и оператор внимательно следит за пиком эхосигнала на дисплее.

Толщинометрия

Для правильного измерения толщины требуется соблюдение трех условий:

а) Правильный выбор преобразователей.
б) Стандартный образец, изготовленный из материала объекта контроля.
в) Точная настройка дефектоскопа.

Для измерения толщины используются три типа прямых преобразователей, излучающих продольную волну. Контактные совмещенные преобразователи используются для измерений, когда ожидаемая толщина объекта контроля превышает 2,5 мм. Преобразователи с линией задержки используются для измерений толщины тонких объектов с толщиной от 0,5 мм, при этом поверхности должны быть чистыми и параллельными.

Раздельно-совмещенные преобразователи могут быть использованы для измерения толщины достаточно тонких объектов (от 1 мм), при этом поверхности объекта контроля могут быть шероховатыми и не обязательно параллельными. Раздельно-совмещенные преобразователи широко используются для измерения толщины корродированных объектов. Однако излучающий и принимающий элементы раздельно-совмещенных преобразователей расположены под небольшим углом друг к другу, что вызывает небольшую нелинейность измерений. В связи с этим требуется калибровать и использовать их в ограниченном диапазоне измерений.

Вне зависимости от типа используемого преобразователя, важно, чтобы он был разработан специально для толщинометрии. Это означает, что они должны быть широкополосными или сильно-демпфированными, иными словами, должны иметь короткий передний фронт. В противном случае, амплитудные вариации сигналов могут вызвать полуволновые ошибки.

Следующим требованием для точного измерения толщины является калибровка или наличие стандартного образца. Этот образец изготавливается из материала объекта контроля. Другими словами, он должен иметь ту же скорость и характеристики затухания, что и объект контроля. Стандартный образец должен иметь как минимум две параллельные поверхности, расположенные на расстояниях, соответствующих минимальной и максимальной толщине объекта контроля. Желательно, чтобы образец имел четыре секции с различной толщиной, находящейся в диапазоне контроля.

Допускается проведение настройки дефектоскопа по одной точке, используя стандартный образец только с одним известным значением толщины. Это менее желательная методика, так как она не дает возможности в варьировании настройки. При настройке по этой методике сначала определяется ноль преобразователя на образце из другого материала, имеющего три или четыре секции с известной толщиной, а затем значение скорости, установленное в дефектоскопе, регулируется в процессе измерения известной толщины контрольного образца. Таким образом, выставляется точная скорость ультразвука.

И, наконец, требуется провести настройку прибора для выполнения точных измерений толщины. Для этого требуется установить параметры генератора и усилителя таким образом, чтобы эхоимпульсы имели острый передний фронт.

Читайте также: