Ультразвуковой толщиномер: назначение, принцип работы, типы, параметры подбора​

Портативный ультразвуковой толщиномер - цифровой прибор для измерения толщины стенки эхо-импульсным, теневым либо иным акустическим методом. Это основной инструмент ультразвуковой толщинометрии (УЗТ), которая вместе с ультразвуковой дефектоскопией (УЗД) относится к ультразвуковому контролю (УЗК), предусмотренному в области аттестации специалистов неразрушающего контроля (НК) и лабораторий неразрушающего контроля (ЛНК) по правилам СДАНК-01-2020 и СДАНК-02-2020 (Единая система оценки соответствия в области промышленной безопасности, экологической безопасности, безопасности в энергетике и строительстве - ЕС ОС), либо по СНК ОПО РОНКТД-02-2021 и СНК ОПО РОНКТД-03-2021 (Система неразрушающего контроля на опасных производственных объектах Российского общества по неразрушающему контролю и технической диагностике). Ультразвуковой толщиномер - средство измерения (СИ), подлежащее утверждению типа в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии. К работе на опасных производственных объектах (ОПО), подведомственных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзору), допускаются приборы с действующей поверкой (стандартный межповерочный интервал - 1 год), внесённые в Государственный реестр СИ РФ. Ультразвуковой толщиномер представляет собой компактный электронный блок с подключенным при помощи кабеля выносным пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП), реже - со встроенным датчиком (пример - А1207). Для работы с такими приборами чаще всего используются прямые совмещённые и раздельно-совмещённые ПЭП, причём как специализированные для УЗТ, так и универсальные для УЗД и УЗТ. О разнице между ними мы рассказывали здесь. Большинство портативных ультразвуковых толщиномеров рассчитаны на работу с контактными ПЭП, но есть приборы и с поддержкой электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП). Среди последних - также есть модели со встроенным ЭМАП (пример - Kropus AIR). Также на рынке представлены УЗ-толщиномеры с поддержкой и классических контактных ПЭП, и ЭМАП (пример - УДТ-40).

Содержание:​

Принцип работы УЗ-толщиномеров
Типы ультразвуковых толщиномеров
УЗ-толщиномер - это СИ
Порядок выполнения измерений
Как выбрать УЗ-толщиномер
Где купить хороший ультразвуковой толщиномер

Ультразвуковые толщиномеры широко используются в промышленности при изготовлении, строительстве, эксплуатации, ремонте, реконструкции, техническом диагностировании (ТД), техническом освидетельствовании (ТО) и экспертизе промышленной безопасности (ЭПБ) самых разных ОПО из металла, полиэтилена и иных материалов. В их числе - объекты котлонадзора (котлы, печи, трубопроводы пара и горячей воды), объекты газоснабжения и газораспределения (газопроводы, газовое оборудование, их детали и узлы), строительные металлоконструкции, подъёмные сооружения, объекты нефтяной и газовой отрасли (технологические, промысловые и магистральные трубопроводы, резервуары, оборудование для бурения), материалы и компоненты для авиакосмической отрасли, судостроения, судоремонта и многое-многое другое. Портативные ультразвуковые толщиномеры особенно востребованы при выполнении работ по ТД, ТО и ЭПБ, поскольку помогают решать множество задач:

• измерять остаточную толщину стенки;
• проводить коррозионный мониторинг;
• оценивать степень усталостного разрушения и проводить расчёты на прочность;
• в рамках входного и выходного контроля проверять соответствие материалов, полуфабрикатов, сборочных единиц и прочих изделий паспортным значениям;
• выявлять недопустимые утонения;
• определять толщину покрытий.

Последнее, правда, относится больше к электромагнитным толщиномерам покрытий, хотя с этой задачей может справиться и ультразвуковой толщиномер, особенно если в нём предусмотрен режим А-скана. Дополнительно к этому в приборе "Булат 3", например, доступен специальный режим "Зонд-Эхо-Покрытие", позволяющий калибровать скорость УЗК и основного металла, и покрытия для более точного измерения обеих толщин.

Как ультразвуковые толщиномеры измеряют толщину стенки​

Принцип работы ультразвуковых толщиномеров основан на том, чтобы измерять время, за которое короткий ультразвуковой импульс от преобразователя проходит через толщину материала. Узнав время, электронный блок производит математическую операцию: перемножает его на известную скорость распространения УЗК в материале и делит на количество прохождений импульса через стенку (1, 2 либо несколько раз), вычитая время пробега в плоскопараллельной задержке (протекторе ПЭП, слое контактной жидкости). В зависимости от модификации ультразвуковой толщиномер может реализовать другие способы измерений и обработки данных. Как бы то ни было, в результате расчётов на дисплей выводится фактическое значение толщины в мм (или в дюймах). Точность результатов может достигать 0.1, 0.01 или даже 0.001 мм. Справедливости ради стоит отметить, что для большинства промышленных задач на ОПО дискретность показаний 0.001 мм является избыточной - 0.1 мм вполне достаточно. Тем не менее, благодаря современным цифровым технологиям многие приборы вполне могут демонстрировать повышенную дискретность показаний.

В ГОСТ Р ИСО 16809-2015 "Контроль неразрушающий. Контроль ультразвуковой. Измерение толщины" описано четыре основных метода измерения толщины при помощи ультразвуковых толщиномеров.
1) Режим однократного эхо-сигнала. Заключается в том, чтобы измерять время прохождения от начального импульса возбуждения до первого эхо-сигнала, за вычетом коррекции нуля для учёта толщины протектора ПЭП, компенсации его износа и слоя контактной среды.
2) Режим однократного эхо-сигнала линии задержки. Ультразвуковой толщиномер измеряет время прохождения от конца линии задержки до первого донного эхо-сигнала.
3) Режим многократных эхо-сигналов. Состоит в том, чтобы измерять время прохождения между донными эхо-сигналами.
4) Теневой метод. Заключается в том, чтобы измерять время прохождения импульса от излучателя до приёмника при контакте с донной поверхностью.

Выбор между ними зависит от затухания, диапазона толщины исследуемых материалов, области применения (в процессе производства или в процессе эксплуатации), контроледоступности объекта, наличия покрытия, температуры, радиуса кривизны и пр.

Типы ультразвуковых толщиномеров​

В зависимости от того, какой признак берётся за основу, данные приборы можно классифицировать на несколько групп.

• По способы проведения измерений - для ручного и автоматизированного контроля. В первом случае речь идёт о портативных приборах, во втором – о стационарных промышленных системах. Переносные устройства могут применяться как в полевых, так и в цеховых условиях. Толщиномеры автоматизированного контроля рассчитаны на пошаговое или сплошное сканирование, чаще всего – при поточном производстве. Например, при изготовлении труб, листового проката, лент и прочей металлопродукции. Ручные измерения предполагают активное участие оператора. При автоматизированном подходе человеческий фактор сведён к минимуму – все показания передаются на единый диспетчерский пункт. В этом тексте речь идёт о портативных приборах для ручного проведения УЗТ.
• По назначению - общего назначения и специализированные. Первые могут использоваться на самых разных объектах, вторые же «заточены» под конкретные, узкопрофильные задачи.
• Для контроля объектов с шероховатостью поверхностью менее 40 мкм (Rz) или, наоборот, более 40 мкм. Такая градация содержится в ГОСТ 28702-90. В зависимости от того, к какой из этих двух категорий относится прибор, он допускается или не допускается к обследованию корродированных, эродированных, грубо обработанных поверхностей. Хотя здесь, конечно, многое зависит от параметров ПЭП, износостойкости протектора (призм - у РС ПЭП), коэффициента акустического динамического контакта и пр.
• По диапазону измерений. Одно дело – ультразвуковой толщиномер для нефте- и газопроводов, сосудов в нефтехимической промышленности. Другое – для производства листового проката в металлургии. Третье – приборы для атомной промышленности с большим количеством толстостенных объектов. Тут, конечно, многое зависит от того, какой выбран преобразователь. Многое, но не всё, так как сам электронный блок изначально может быть спроектирован под конкретный диапазон. Правда, у большинства современных моделей он достаточно широкий, что позволяет справляться практически с любыми типовыми задачами контроля. У толщиномера "Булат 3", например, 0,5–300 мм (если взять ПЭП с линией задержки, то минимальный порог уменьшается до 0,25 мм), УДТ-40 – от 0 до 400 мм, УТ-111 – от 0,6 до 500 мм, UDT-RF – от 0,7 до 300 мм. И так далее. К слову, реальный диапазон прозвучивания и приёма эхо-сигналов у современных цифровых ультразвуковых толщиномеров достигает несколько сот мм, однако для их поверки используются преимущественно наборы КУСОТ-180, самый толстый образец в котором - толщиной 300 мм. Поэтому диапазон измерений у многих приборов, согласно паспорту и описанию типа, ограничен именно этим числом.
• По способу отображения результатов. Самый простой вариант – числовое значение. У наиболее продвинутых ультразвуковых толщиномеров дополнительно предусмотрена поддержка А- и/или Б-сканов. Последний вариант считается более наглядным для измерения остаточной толщины стенки в процессе эксплуатации и выявления коррозионных поражений, поскольку позволяет увидеть поперечный профиль объекта. Расшифровка результатов, особенно при сплошном сканировании, становится проще. Преимущество А-сканов в том, что позволяют проводить контроль, избегая неточностей, связанных с имеющимися неоднородностями в материале и наличием покрытий. Другой вопрос – стоимость таких устройств и целесообразность этих затрат, учитывая, что далеко не во всех методиках требуются такие инструменты.
• По дискретности (точности) показаний. Чаще всего она указывается в абсолютных значениях – 0.1, 0.01 или даже 0.001 мм – и может выбираться пользователем в зависимости от методики. Другое дело – погрешность измерений. Её обычно указывают в виде формулы, где в качестве переменного значения фигурирует фактическая толщина. То есть в зависимости от диапазона контроля погрешность может варьироваться. Требования к точности результатов зависят от руководящей нормативной технической документации (НТД) и операционной технологической карты (ОТК). На практике во многих отраслях вполне достаточно дискретности 0,1 мм, реже - 0,01 мм.
• По типу доступных преобразователей. Одни ультразвуковые толщиномеры могут работать с одноэлементными (совмещёнными) и с двухэлементными (раздельно-совмещёнными) пьезоэлектрическими преобразователями. Другие - позволяют использовать ЭМАП. Для работы с ПЭП нужна зачистка поверхности от покрытий, ржавчины и загрязнений. Упомянутый выше ГОСТ Р ИСО 16809-2015, например, предусматривает зачистку точек измерений размеров не менее двух диаметров контактной поверхности ПЭП (в разных НТД могут быть другие указания на этот счёт). Нужна шероховатость не более Ra 6,3 мкм (Rz 40 мкм). При УЗТ объектов цилиндрической формы и использовании РС ПЭП - следить за тем, чтобы его акустический экран был ориентирован перпендикулярно образующей ОК. К тому же пьезоэлектрические датчики нуждаются в нанесении на поверхность ввода контактной жидкости, а сами они склонны к изнашиванию - так что ко многим ПЭП предусматривается сменный протектор или защитная мембрана. Электромагнитно-акустические преобразователи не нуждаются в зачистке, не требуют контактной жидкости и, как предполагается, живут дольше. Но и стоят дороже.

Что касается конкретных марок ультразвуковых толщиномеров, то на российском рынке широко представлена продукция отечественных и импортных производителей. В их числе – НПЦ «Кропус», «АКС», НПК «ЛУЧ», Olympus, НПГ «Алтек», «Константа», GE (Krautkramer), Karl Deutsch, «Физприбор», SIUI, "Октанта", "Восток-7" и многие другие. Так, среди популярных моделей – УДТ-40, "Булат 3", УДТ-08, УДТ-20, "Булат 1М", А1208, А1209, DM5E, "ТЭМП", УТ-111, DMS Go, ТУЗ-2, 27MG, 45MG, 38 DL PLUS, UDT-RF и пр. Что касается систем для автоматизированного контроля, то зачастую они проектируются индивидуально под конкретные условия производства.

Поверка ультразвуковых толщиномеров​

Как и многие другие средства для неразрушающего контроля, ультразвуковые толщиномеры по сути своей – это средства измерения. Как и другие типы СИ, они подлежат регистрации в Государственном реестре и нуждаются в регулярном подтверждении своих метрологических характеристик. Эксплуатация прибора разрешена лишь при наличии соответствующего свидетельства о первичной и/или периодической поверке. Для этого ультразвуковой толщиномер нужно время от времени (стандартный межповерочный интервал - 1 год) отправлять в аккредитованный метрологический центр. В соответствии с ГОСТ Р 8.862-2013 процедура поверки состоит из четырёх основных этапов:
1) внешнего осмотра. Включает проверку маркировки электронного блока и датчиков, отсутствия механических повреждений, целостности клейма, состояния разъёмов, кабелей и так далее;
2) опробования. Предполагает проведение серии измерений на эталонных мерах толщины, которые подбираются в зависимости от рабочего диапазона. Процедура направлена на то, чтобы убедиться, что ультразвуковой толщиномер можно настроить на нормированные значения скорости УЗК;
3) определения основной абсолютной погрешности. Причём – для всех диапазонов заявленных измерений и для всех работоспособных преобразователей, которые идут в комплекте с прибором;
4) определения абсолютной погрешности для влияющих величин (там сложно, и нужно знать формулы).

Помимо мер толщины из стали либо алюминия, дополнительно используются меры радиуса кривизны, шероховатости, диаметра искусственного отражателя, не-параллельности рабочей и отражающей поверхностей. По завершении поверки оформляется протокол. Если ультразвуковой толщиномер успешно прошёл все процедуры, выдаётся свидетельство, в котором перечисляются номера преобразователей, использованных при измерениях (не исключая те, что были забракованы). На электронный блок наносят клеймо – для защиты от несанкционированного доступа внутрь прибора.

Если же он не прошёл поверку, то все клейма гасят, а вместо свидетельства на руки выдают извещение о непригодности. Дальше – либо ремонт, либо утилизация.

Выполнение ручных измерений при помощи ультразвукового толщиномера​

В наиболее общем виде процесс проведения УЗ-толщинометрии включает в себя следующие этапы и процедуры.

• Подготовка к выполнению замеров. Для начала – нужно собраться на объект: зарядить аккумуляторы, взять необходимые ПЭП, кабели, контактную жидкость. Особое внимание уделяется зачистке поверхности ОК – от грязи, ржавчины, шелушащейся краски и иных отслаивающихся покрытий. Участок под контроль должен минимум в 2 раза превышать по площади диаметр преобразователя. Тщательная очистка является необходимым условием для стабильного контакта, защиты от искажений сигнала и потери энергии. Режим (точечные замеры либо непрерывное сканирование), способ (см. выше) и порядок измерений (количество и расположение контрольных точек) прописывается в технологической карте – в зависимости от площади контроля, габаритов ОК, толщины стенки, затухания материала, шероховатости поверхности, радиуса кривизны, марки сплава и прочих факторов.
• Настройка. Для подготовки ультразвукового толщиномера к работе необходимо выбрать режим (метод) измерения, единицу измерения (мм или дюймы), дискретность измерений (чаще всего 0,1 либо 0,01 мм). Далее - на юстировочном образце выполнить установку нуля (откалибровать задержку в протекторе или призме) и выставить скорость продольной ультразвуковой волны в материале объекта контроля. Для ультразвуковой толщинометрии может потребоваться одно- или двухточечная калибровки скорости УЗК, поскольку использование для настройки справочного значения скорости для того или иного материала может привести к дополнительной погрешности.

• Собственно, проведение измерений при помощи ультразвукового толщиномера. В зависимости от требований НТД и ОТК, в каждой точке выполняется по несколько замеров (часто - 3 шт.) с вычислением среднестатистического значения либо фиксацией наименьшего значения. Современные ультразвуковые толщиномеры также отслеживают наличие акустического контакта - за это отвечает специальный индикатор на экране. Для проведения УЗТ также важен правильный подбор контактной жидкости, в соответствии с НТД и ОТК и с учётом свойств объекта контроля. Так, для горячих поверхностей (температурой более 60 градусов Цельсия) понадобятся специализированные высокотемпературные гели. Результаты можно сохранять в памяти прибора, плюс оператор может вносить значения с привязкой к конкретным точкам на рабочем чертеже (эскизе).
• Оформление результатов. В протоколе/акте/заключении должны быть указаны ФИО специалиста УЗТ, сведения о его квалификации, тип и серийный номер прибора, сведения о настройках, методе измерений. Должна содержаться информация об объекте, состоянии поверхности, контактной среде, допусках. Типовая форма заключения, акта или протокола определяется руководящим нормативным техническим документом на контроль. Результаты измерений могут оформляться в виде таблицы и/или диаграммы. Попутно могут содержаться отметки о начальной толщине, её фактическом или процентном уменьшении. Протокол также снабжается чертежами и эскизами для обозначения несплошностей, замечаний по визуальному осмотру и так далее. Как и положено в неразрушающем контроле, специалист УЗТ ставит свою подпись под протоколом и несёт ответственность за достоверность результатов.

Как выбрать ультразвуковой толщиномер для ручных измерений​

Главное - требования НТД, по которой будет выполняться ультразвуковая толщинометрия. Также в помощь дефектоскопистам УЗК и руководителям ЛНК можем рекомендовать ознакомиться с итогами опроса, проведённого среди форумчан "Дефектоскопист.ру" в 2021 году и посвящённого тому, какими характеристиками должен обладать хороший портативный УЗ-толщиномер.

Помимо вышеперечисленных параметров, прежде чем купить ультразвуковой толщиномер, рекомендуем обращать внимание на следующие характеристики и опции.

• Доступные способы измерения. По умолчанию измерение толщины осуществляется по первому донному эхо-сигналу. Для определения толщины стенки под лакокрасочным покрытием может потребоваться режим измерений между двумя максимальными сигналами в стробах (режим "эхо-эхо" или даже по "эхо-эхо-эхо", как в "Булат 3").
• Способы отображения результатов измерений. Базовый вариант - отображение результата просто в виде чисел (цифровой режим). У более продвинутых вариантов доступен А-скан (А-развёртка) и/или В-скан (графическое изображение поперечного сечения, или профиля дна объекта контроля). Благодаря А-развёртке дефектоскописту может быть проще следить за тем, чтобы измерение выполнялось на нужной полуволне и не цеплять ложные сигналы. В-скан позволяет наглядно визуализировать отклонение толщины стенки, например, вследствие недопустимого утонения из-за коррозионного поражения. Для УЗТ хорошо подготовленных ОК, с тщательно зачищенной поверхностью ввода и донной поверхностью, без покрытий - вполне можно обойтись ультразвуковым толщиномером с отображением только цифрового результата. Для УЗТ эксплуатируемых ОК, например, в ходе ТД и ЭПБ, более подходящим может оказаться прибор с А- и/или В-сканом.
• Наличие цветовой и/или звуковой автоматической сигнализации брака (либо виброотклика) – при получении показаний (недопустимых утонений), которые не укладываются в заданный пользователем диапазон. Оператор может ввести пороговые значения (минимум и максимум), которые будут, по сути, являться уровнем отбраковки. Некоторые ультразвуковые толщиномеры (например, УДТ-08) могут сразу в % показывать величину отклонения результата измерения от номинального значения толщины, введённое оператором. Кроме того, в некоторых приборах есть такая удобная опция, как вычисление в % остаточной толщины – по сравнению с предварительно указанным исходным значением. У многих приборов с цветным дисплеем реализовано цветовое выделение результатов замеров. Так, в "Булат 3" результаты, которые укладываются в нижний и верхний порог, окрашиваются в белый цвет. Значения ниже и выше порога - в красный.
• Удобство подключения преобразователей. В одних ультразвуковых толщиномерах предусмотрена автоматическая калибровка «нуля», коррекция V-образности и другие полезные опции, благодаря которым можно быстро сменять ПЭП без лишней мороки. Особенно это касается использования "родных" ПЭП, изготовленных тем же производителем, что и сам ультразвуковой толщиномер. Во многих современных приборах предусмотрена автоматическая идентификация датчика и загрузка его предустановленных настроек. Так, для большинства датчиков производства "Константа УЗК" при подключении к ультразвуковым толщиномерам "Булат" реализована автоматическая установка нуля, не требующая участия оператора. Но и для подключения "чужих" датчиков алгоритм настройки должен быть удобным.
• Объём внутренней памяти, возможность группировать, перезаписывать данные. Современные ультразвуковые толщиномеры позволяют записывать тысячи результатов замеров, группировать их и передавать на персональный компьютер (ПК) для последующей обработки. К тому же "Булат 3", например, предусмотрена программа для ПК, в которой можно экспортировать данные с прибора, в том числе - сохранённые сканы А- и В-развёртки.
• Ёмкость и скорость подзарядки аккумулятора. На рынке представлены ультразвуковые толщиномеры, работающие от встроенного литий-ионного аккумулятора либо от сменных батареек типа АА. У каждого из этих вариантов есть свои "приверженцы", есть свои плюсы и минусы. Li-ion аккумулятор можно подзаряжать, но если он "сел" - то придётся тратить время на подзарядку. Батареи типа АА можно легко заменить при необходимости - при условии, конечно, что они имеются при себе.
• Дисплей. Цветной экран – стал нормой для современных моделей. Но если к визуализации результатов нет особых требований, то можно обойтись более бюджетным вариантом с небольшим чёрно-белым экраном. У многих сверхкомпактных и миниатюрных приборов со встроенным датчиком дисплей тоже монохромный. Вполне адекватный вариант для точечных измерений. Для работы с А-сканом и В-сканом, разумеется, нужен цветной экран такого размера, чтобы, с одной стороны, удобно было разглядывать развёртку, а с другой - не навредить компактности прибора.
• Удобство и прочность чехла, кейса, ремней для закрепления на руках, на груди, поясе. Чем эргономичнее эти аксессуары, тем больше удовольствия от работы.
• Исполнение юстировочной пластины. У многих ультразвуковых толщиномеров (УДТ-08, УДТ-20, А1210, В7-237, "Булат-1М" и другие) юстировочная пластина встроена в корпус, но есть и модели, к которым она прилагается отдельно, в виде так называемой "таблетки" ("Булат 3", УДТ-40, CTS-30B и др). Фактически, для калибровки задержки в призме может подойти любой другой плоскопараллельный образец известной толщины. Например, тот же СО-2, перевёрнутый на бок СО-2, любой другой аттестованный настроечный образец для ультразвуковой дефектоскопии.
• Техническая поддержка производителя. В этом плане наиболее предпочтительным вариантом являются отечественные разработчики с хорошо налаженной сервисной службой и успехами в "импортозамещении". Возможность получить оперативную обратную связь от производителя - важно не только для быстрого ремонта, но и для нормального прохождения поверки в метрологических службах.

На форуме «Дефектоскопист.ру» зарегистрированы тысячи специалистов УЗТ. В разделе «Ультразвуковой контроль» вы можете прямо сейчас задать вопрос по выбору ультразвукового толщиномера, репутации разных производителей, ценам на новые и б/у приборы.

Где купить ультразвуковой толщиномер​

Вы можете обратиться к проверенным производителям и официальным дистрибьюторам – спонсорам форума «Дефектоскопист.ру».