Преобразователи для УЗТ и УЗД: важные отличия​

В своё время на «Дефектоскопист.ру» активно обсуждали, есть ли какая-то разница между контактными прямыми раздельно-совмещёнными преобразователями для ультразвуковой дефектоскопии и специализированными преобразователя для ультразвуковой толщинометрии. Довольно бурные дискуссии вокруг этого в своё время развернулись, например, здесь и здесь. Поскольку единогласия в этих обсуждениях так и не было достигнуто, наша редакция совместно со специалистами компании «Константа УЗК» и научно-производственного центра «Кропус» попробовала расставить точки над «и» в этом вопросе. Что из этого получилось – читайте в нашем обзоре.
Но для начала – две важные оговорки.
Во-первых, для многих типовых задач толщинометрии вполне можно использовать обычные прямые раздельно-совмещённые или совмещённые пьезоэлектрические преобразователи. Это видно хотя бы по каталогам отечественных производителей, где в описаниях к ПЭП часто говорится о том, что они применяются и для определения остаточной толщины стенки, и для поиска дефектов. У большинства производителей и вовсе нет как такового раздела с ПЭП именно для УЗТ. То есть во многих ситуациях ПЭП для УЗД вполне подходят и для УЗТ. Однако, как мы уже однажды отметили, в ряде случаев желательно всё-таки использовать специализированные ПЭП для УЗТ, особенно есть речь идёт о толщинометрии тонкостенных изделий, но не только. И вот для таких задач – отличия между двумя рассматриваемыми нами типами датчиков приобретают большое значение.
Во-вторых, в данном тексте будут рассматриваться датчики только для контактного эхо-метода, но не для резонансного, теневого и иных метода.

В чём разница между ПЭП для дефектоскопии (УЗД) и толщинометрии (УЗТ)​

Отличия между двумя типами датчиков прослеживаются по ряду параметров.

• Форма и размер пьезоэлемента. У ПЭП для УЗД пьезопластины могут быть как квадратными (прямоугольными), так и круглыми. В последнем случае диаметр, как правило, составляет 6/2, 10/2 или 12/2 мм и подбирается более удобным для расчёта шага сканирования, диаграммы направленности и других параметров. У специализированных ПЭП для УЗТ пьезоэлемент почти всегда круглой формы, но есть и исключения (примеры вот и вот). Многие специализированные датчики для УЗТ можно узнать по сравнительно маленькому размеру пьезоэлемента (6/2, 4/2 мм и др.), что позволяет их применять на изогнутых поверхностях с малым радиусом кривизны и уменьшать размеры зачищаемых площадок для измерений.
• Диаграмма направленности. У ПЭП для УЗТ она гораздо острее, чем у ПЭП для УЗД. Тем самым обеспечивается необходимая локальность измерения толщины непосредственно под местом установки датчика. В случае с ПЭП для дефектоскопии узкая диаграмма направленности – это хорошо (выше фронтальная разрешающая способность), но в меру (иначе прозвучиваемый объём будет слишком маленьким). В ряде источников можно встретить рекомендацию о том, что для УЗТ объектов толщиной до 20 мм с язвенной коррозией диаметром до 2 мм целесообразнее использовать дефектоскоп и высокочастотные ПЭП (со стороны, противоположной той, что подвергнута коррозии). И даже при работе с дефектоскопом – для коррозионного мониторинга более предпочтительным решением зачастую будет применение сканирующих устройств, а не ручная перестановка датчика.
• Призмы и протекторы. Призмы для УЗД в подавляющем большинстве случаев выполняются из оргстекла. Если же говорить про ПЭП для УЗТ, то оргстекло может оказаться не самым удачным вариантом, в зависимости от частоты. На 10 МГц, например, из-за большого затухания вероятно уменьшение фактической рабочей частоты до 7 МГц и ухудшение чувствительности. По этой причине призмы ко многим РС ПЭП для УЗТ делаются из кварцевого стекла и, реже, из полиакрилата. Протекторы у совмещённых ПЭП для УЗТ делается по возможности более жёстким, чтобы результат измерения времени распространения импульса как можно меньше зависел от силы прижатия преобразователя к поверхности ввода.
• Мёртвая зона. В случае с ПЭП для УЗД технологическая документация на контроль зачастую предусматривает проверку мёртвой зоны, например, на СО-2. В случае с ПЭП для УЗТ такого обычно не требуется. У РС ПЭП мёртвая зона меньше, чем у совмещённых. Для контроля объектов с неровными поверхностями (не параллельными и/или поражённых коррозией либо с большим количеством отложений с внутренней стороны) рекомендуются именно РС ПЭП. Из недостатков – возможное ложное срабатывание из-за мешающего сигнала между излучателем и приёмником, для исключения которого понадобится толщиномер с А-сканом (Булат 3, УДТ-20, УДТ-40). РС ПЭП желательно подбирать таким образом, чтобы его фокусное расстояние соответствовало толщине объекта. При контроле изделий цилиндрической формы РС ПЭП нужно ориентировать таким образом, чтобы экран был ориентирован перпендикулярно к образующей. Кроме того, РС ПЭП более склонны к изнашиванию, особенно в режиме быстрого сканирования. В связи с этим некоторые ПЭП оснащаются защитной латунной втулкой или комплектуются корпусом из нержавеющей стали.

Для измерения общей коррозии при толщине стенки более 10 мм ГОСТ Р 16809-2015 рекомендует совмещённые ПЭП с плоскопараллельной твердотельной линией задержки для уменьшения мёртвой зоны (примеры здесь). Это как раз таки один из примеров специализированных ПЭП для УЗТ. Линии задержки могут быть сменными и изготавливаются из полимеров – полиамида, рексолита (полистерена), полиимида и иных материалов. И в зависимости от этого акустическая задержка может также служить дополнительным тепловым барьером при контроле нагретых поверхностей. Такие датчики отличаются жёстким демпфированием и наличием просветляющих слоёв для чёткого выделения сигналов от поверхности ввода, что позволяет использовать их и для контроля тонкостенных объектов. Применение прямых совмещённых ПЭП с линией задержки в ряде случаев эффективнее при контроле толщин до 1,5 мм (а то и меньше – например, с таким или таким ПЭП), поскольку изготовить РС ПЭП с соответствующим диапазоном фокусировки очень сложно. При этом – совмещённые ПЭП с линией задержки используются для УЗТ объектов с плоскопараллельными поверхностями. При контроле трубопроводов малого диаметра такие датчики не нуждаются в том, чтобы их как-то определённо ориентировали по отношению к образующей. И кроме того, такие преобразователи в сравнении с РС ПЭП менее чувствительны к уменьшению площади акустического контакта, а потому они хорошо себя зарекомендовали при УЗТ изогнутых объектов со сложной геометрией. Что касается просветляющих слоёв, то они нужны для согласования акустических импедансов пьезопластины и призмы (линии задержки). Такие слои выполняются из керамики или, например, стали с «промежуточными характеристиками» относительно пьезоэлемента и акустической задержки.
Наконец, в ряде справочников можно встретить упоминание так называемых «высокодемпфированных» преобразователей для УЗТ, которые отличаются тем, что позволяют эхо-сигналы второго, третьего отражения и тем самым вести измерения не от начала зондирующего импульса, а между двумя эхо-сигналами.

• Полоса пропускания. В случае с ПЭП для УЗД важно, чтобы она была достаточно широкой. Чем она шире, тем более короткие импульсы преобразователь может излучать и принимать и тем выше его лучевая разрешающая способность. По этой же причине при изготовлении ПЭП для УЗД особое внимание уделяется качеству демпфера – его волновое сопротивление должно быть как можно ближе к волновому сопротивлению пьезоэлемента. Последний, желательно, должен обладать низкой добротностью (чтобы сократить длительность колебания после возбуждения). Другое дело – ПЭП для УЗТ, которым, наоборот, важна как можно более чёткая резонансная частота, без лишних гармонических колебаний. Особенно это актуально для приборов предыдущих поколений, которые выполняли измерения в режиме однократного эхо-сигнала и однократного эхо-сигнала линии задержки измеряют по фронту первого периода колебания или по фронту второго полупериода. Современные толщиномеры в большинстве своём измеряют по переходу через ноль. Для УЗД важнее, чтобы для повышения разрешающей способности и уменьшения мёртвой зоны ширина полосы частот ∆f/f составляла не менее 0,4–0,5 (f – резонансная частота ненагруженного пьезоэлемента, ∆f – разница между частотами больше и меньше f, при которых чувствительность уменьшается до уровня 0,7 от максимальной). Однако для контроля тонкостенных листов и покрытий, а также для УЗТ материалов с большим затуханием также могут оказаться эффективнее как раз широкополосные преобразователи, поскольку они обеспечивают более короткие импульсы и более устойчивый сигнал. Если для УЗД важно зафиксировать максимальную амплитуду эхо-сигнала (чтобы не пропустить дефект), то для УЗТ важнее острый и чёткий фронт импульса для более высокой разрешающей способности. При этом – при проведении УЗТ с особо широкополосными преобразователями возможно снижение чувствительности, из-за чего могут возникнуть трудности с регистрацией эхо-сигналов малой амплитуды от локальных коррозионных повреждений на донной поверхности. С другой стороны, из-за сильного затухания высокочастотных составляющих фронт импульсов становится более пологим, что на толстостенных объектах с большим затуханиям может привести к большой погрешности.
• Исполнение корпуса. ПЭП для УЗД спроектированы таким образом, чтобы при смене датчика кабель оставался тот же. Вообще, при проведении дефектоскопии потребность в замене преобразователя возникает чаще, чем при толщинометрии. Поэтому для УЗТ кабели зачастую делаются встроенными в корпус датчика. Эта же особенность позволяет делать ПЭП для УЗТ более компактными, для измерения в труднодоступных местах. По этим же соображениям некоторые датчики для толщинометрии делают очень необычных форм – например, такие или даже такие. Кроме того, для УЗТ встречаются специализированные ПЭП других типов – например, для подводной толщинометрии (пример) или высокотемпературных объектов (примеры здесь и здесь). В последнем случае такие преобразователи комплектуются термостойким кабелем и теплоотводящей оснасткой.

На «Дефектоскопист.ру» уже есть материал о том, почему для УЗТ лучше использовать «родные», «штатные» оригинальные датчики. Добавим к этому лишь то, что для толщинометрии это особенно важно – поскольку у большинства современных толщиномеров записаны параметры коррекции V-образности именно для оригинальных датчиков. А наиболее продвинутые приборы (типа того же «Булат 3») и вовсе автоматически выполняют коррекцию нуля, без какого-либо участия оператора. В случае с дефектоскопией всё это имеет гораздо меньшее значение (если вынести за скобки ситуацию с поверкой, конечно же): параметры ПЭП в любом случае проверяются оператором «вручную» перед контролем и в процессе его проведения. Даже если они записаны в памяти дефектоскопа – это лишь экономит время, и то преимущественно при первом подключении нового датчика. В случае же с ПЭП для УЗТ, повторимся, польза от оригинальных датчиков со встроенной энергонезависимой памятью проявляется гораздо объёмнее.

За помощь с подготовкой материала благодарим:
- компанию «Константа УЗК» – производителя настроечных образцов, пьезоэлектрических преобразователей для УЗТ и УЗД, а также контактных жидкостей для ультразвукового метода НК;
- научно-производственный центр «Кропус» – одного из самых крупных в РФ приборостроительных предприятий в области НК, производителя переносных ультразвуковых дефектоскопов, толщиномеров, собственной линейки ПЭП для УЗТ и УЗД марки АМКРО.