Тест-драйв высокотемпературных ПЭП и контактных сред​

На YouTube-канале "Дефектоскопист.ру" вышел новый сюжет, посвящённый эксперименту по измерению толщины стальных образцов, нагретых до 180–200 ˚С, при помощи высокотемпературных ПЭП и контактных сред производства компании «Константа УЗК» (Санкт-Петербург): П112-2,5-12/2-Т-01, П112-W1,8E, кабеля №3Т с разъёмами 2 Lemo 00 – 2 Lemo 00, геля «УЗК Термо» для температур до +250 ˚С и контактной смазки-пасты для температур до +350 ˚С. Настройке ультразвукового дефектоскопа УСД-60ФР (НПЦ "Кропус") посвящено отдельное видео. Текстовая версия обоих сюжетов доступна ниже.

1. Аппаратура для толщинометрии при повышенных температурах​

В качестве образцов мы брали те же самые пластины номинальной толщиной 10 и 20 мм, которые мы чистили от ржавчины в одном из предыдущих видео. Кстати, там мы выполняли на них калибровку скорости ультразвука с толщиномером «Булат 3» и раздельно-совмещённым преобразователем П112-10-6/2-А-01. Результат тогда составил 5 992 м/с. К этому мы ещё вернёмся. Но в этот раз мы располагали высокотемпературными преобразователями производства компании «Константа УЗК».

Во-первых, это прямой раздельно-совмещённый преобразователь П112-2,5-12/2 серии Т-01. Рабочая частота – 2,5 МГц. Диапазон измерений от 2 до 300 мм. При кратковременном контакте (до 5 секунд) датчик выдерживает температуру контролируемого материала до 350 градусов. Яркий красный корпус выполнен из алюминиевого сплава, призмы – из кварцевого стекла. Разъёмы Lemo00, как можно видеть, расположены на верхней части корпуса. Для подключения датчика к ультразвуковому толщиномеру «Булат 3» мы использовали кабель №3Т, опять же высокотемпературный, способный выдерживать до 200 градусов. Длина больше метра, устойчив к маслам и разным химикатам.

Во-вторых, компанией «Константа УЗК» был любезно предоставлен преобразователь П112-W1,8E с рабочей частотой 1,8 МГц. В глаза сразу бросается встроенный кабель, «одетый» в такой внушительный бронерукав. Сам датчик является его органичным продолжением, в металлическом корпусе, выдерживает температуру до 500 градусов. Диапазон контроля – от 1,2 до 200 мм. На корпусе можно закрепить теплоотводящую оснастку – так называемую «юбку», что мы сразу и сделали.

Поскольку мы имели дело с повышенными температурами, то и контактная среда нам понадобилась специальная. В нашем случае это был гель «УЗК Термо», рассчитанный на температуру до 250 градусов, а также контактная смазка-паста для температур до 350 градусов.

2. Измерение толщины холодных образцов​

Для начала мы взяли преобразователь П112-W1,8E с ультразвуковым дефектоскопом УСД-60ФР. Чтобы подготовить прибор к проведению измерений, мы произвели несколько процедур.

1. Подключили преобразователь: разъём с синим кембриком – у разъёму генератора (справа), разъём на кабеле с красным кембриком – к разъёму усилителя на дефектоскопе (слева).
2. В меню Основные – в параметре Скорость – пока указали скорость продольной волны в настроечном образце, 5 920 м/с.
3. В меню Датчик – в параметре Тип выбрали вариант Раздельно-совмещённый.
4. В том же подменю параметры Угол и Стрела обнуляем. Параметр Протектор можно не трогать – в последующем, после автоматической калибровки, значение обновится автоматически.
5. Также в меню Датчик – подменю Генератор – в параметре Частота указали значение, наиболее близкое к рабочей частоте преобразователя. В нашем случае это 1,79 либо 1,82 МГц. Чтобы повысить разрешающую способность и точность измерений, длительность возбуждения импульсов указали пол-периода (параметр Периодов – вариант 0.5).
6. В том же меню Датчик, но уже в подменю Приёмник, параметр Детектор перевели в режим Радио, чтобы визуально сделать развёртку более близкой к привычному А-скану в толщиномерах.
7. Далее перешли в меню Зона – подменю а-Зона и в параметре а-Время выбрали вариант По переходу через ноль, более подходящий для толщинометрии, нежели вариант По пику, который обычно используется для дефектоскопии. Поскольку нам были важны в том числе и прежде всего отрицательные периоды, то а-Зону мы выставили на -10%. Также сразу включили б-Зону – она нам понадобилась для измерения толщины по двум донным сигналам.
8. Далее мы перешли в меню Измерение – подменю Показания – и выбрали величины Ya и Sab.
9. Вернулись в меню Основные – подменю Калибровка – в параметре Толщина указали толщину 20,0 мм настроечного образца, по которому мы выполняли калибровку задержки в призмах и который, кстати, также был изготовлен компанией «Константа УЗК».
10. В том же подменю Калибровка, в параметре Протектор выбрали вариант По толщине и запустили автоматическую калибровку задержки в призмах.
11. Установили преобразователь на образец, подкорректировали параметры Усиление, а-Начало и б-Начало – и зафиксировали максимумы двух донных эхо-сигналов. Контактный гель мы наносили на рабочую поверхность датчика. Вообще, эта рекомендация будет актуальна позже, когда пластины нагреются, но мы стали следовать ей сразу, пока образцы были холодные. Задержка в призмах составила 10,76 мкс.
12. Далее мы попробовали определить скорость продольной ультразвуковой волны в пластине на участке, толщину которого мы предварительно измерили при помощи штангенциркуля. Она составила ровно 20,0 мм. Установили преобразователь на пластину, поправили длительность и задержку развёртки, подвинули стробы – и зафиксировали два донных сигнала. Затем перешли в меню Основные – подменю Калибровка – параметр Скорость. Скорость составила 5 979 м/с. После выхода из режима автоматической калибровки мы ещё немного подправили скорость в меню Основные, чтобы результат измерения толщины в поле Sab составлял ровно 20,0 мм, и провели несколько замеров для перепроверки. В поле Ya результат чаще всего равняли 19,9 мм, но погрешность в +/- 0,1 мм допустима по большинству нормативно-технических документов, да и результат измерения по двум эхо-сигналам для нас представлялся важнее. Из какого сплава были изготовлены данные пластины – нам доподлинно не было известно, но судя по тому, что они магнитятся, это не алюминий. Уверенности в плоскопараллельности тоже не было. В общем, нас такие показания устроили. Скорость по итогу составила 6 019 м/с.
13. На пластине толщиной 10,0 мм наблюдалась похожая ситуация. Результат измерения по первому эхо-сигналу чаще составлял 9,9 мм, но по двум эхо-сигналам – было ровно 10,0 мм. Это всё с тем же значением скорости ультразвука, 6 019 м/с.
14. Далее в целях эксперимента мы взяли толщиномер «Булат 3». Подключили к нему П112-2,5-12/2-Т01. «Булат 3» сразу идентифицировал датчик, однако в информационном сообщении был указан немного другой преобразователь – П112-2,5-12,2-А. Но на самом деле ошибки нет: как следует из сопроводительного письма, при записи градуировочной характеристики преобразователя П112-2,5-12/2-Т-01 использовалось название П112-2,5-12-А, которое указано в описании типа к толщиномеру «Булат 3». Поскольку для записи градуировочной характеристики допускается использование только тех обозначений, которые были приведены в утверждённом списке при внесении прибора в Госреестр СИ РФ, то в данном случае это просто формальность. То есть фактически датчик был идентифицирован верно.
15. Далее мы перешли в меню Настройки измерения – пункт Дискретность – и выбрали вариант 0,1 мм. Затем снова в Меню – подменю Настройки измерения – пункт Установка нуля. Задали скорость продольной волны 5 920 м/с, указали толщину юстировочного образца 6,00 мм и в режиме Зонд-Эхо выполнили на нём измерение. Закончили с калибровкой задержки в призмах и произвели ещё несколько замеров для перепроверки, после чего задали скорость ультразвука 6 019 м/с и перешли на пластину. В настройках толщиномера был выбран режим Цифры и техника контроля Скан, поскольку именно она предусматривает наибольшую скорость проведения измерений.
16. Результаты измерения на толстой и тонкой пластине составили 20,1 мм и 10,1 мм соответственно. Погрешность +/- 0,1 мм, повторюсь, нас устроила.
17. Кстати. В ходе подготовки к данному сюжету мы узнали, что для калибровки скорости ультразвука лучше может подойти не раздельно-совмещённый, а обычный прямой совмещённый преобразователь. Делать это, конечно же, лучше всего в режиме «эхо-эхо». Просто ради любопытства мы попробовали проделать это с датчиком SF5010, у которого рабочая частота 5,0 МГц. Так вот если калибровать скорость ультразвука с ним, то она составила 6 024 м/с. То есть разница составила 5 м/с (6 024 - 6 019), то есть 0,08%. В сравнении с предыдущим сюжетом разница получилась уже существеннее, 27 м/с (6 019 - 5 992), или 0,45%. Для нашего эксперимента такой разбег показался допустимым.
18. Температура «холодных» образцов, судя по термограмме, составила 23,0–23,7 градусов Цельсия.

В общем, после всех этих подготовительных процедур мы наконец-то перешли к нагреву образцов на электроплитке. И пока пластины греются, давайте хотя бы вкратце обозначим, почему толщинометрия горячих стенок считается нетривиальной задачей.

3. Трудности измерения толщины при повышенных температурах​

Вообще, согласно ГОСТ Р ИСО 16809-2015, под «горячими» имеются в виду объекты контроля с температурой выше 60 градусов Цельсия. То есть это может быть и 200, 300, 400, а то и все 500 градусов Цельсия.

Первая проблема с такими температурами – это их влияние на задержку в призмах раздельно-совмещённого преобразователя. По идее, по мере нагрева – скорость ультразвука в кварцевом стекле должна меняться. Но это ещё полбеды: поскольку рекомендуется, чтобы время контакта с горячей поверхностью не превышало 1,5–5,0 секунд, то предполагается, что за это время скорость УЗК в кварцевом стекле не успевает сильно измениться. Другой вариант решения этой проблемы – проводить измерения по двум или даже трём донным сигналам, и тогда задержка в призмах или протекторе вообще не играет роли. В толщиномере «Булат 3», например, это называется режим «эхо-эхо-эхо». Правда, считается, что этот режим не лучшим образом подходит для изделий с малым радиусом кривизны и толстостенных объектов с большим затуханием.

Другая важная проблема – неопределённость отклонения скорости ультразвука в материале объекта контроля по мере изменения его температуры. В теории, по мере того, как температура увеличивается, скорость должна уменьшаться. Как быстро и насколько сильно уменьшаться – зависит от конкретного сплава. То есть, по идее, для толщинометрии горячего объекта неплохо бы знать, как меняется скорость в материале в зависимости от температуры. Имеется в виду некая корреляционная зависимость, по которой можно было бы корректировать скорость в настройках прибора, ориентируясь на температуру материала. Если такого графика под рукой нет, то, в теории, могла бы выручить калибровка скорости ультразвука на участке объекта известной толщины. На «холодном» образце проблем этим не возникает: можно спокойно установить датчик на участок известной толщины и подгонять скорость в настройках прибора. Но после нагрева пластины такой трюк уже выполнить сложнее, поскольку, как мы отметили ранее, датчик можно прикладывать всего на 1,5–5,0 секунд. В этом случае может спасти разве что заморозка экрана, как это рекомендуется и в ГОСТ Р ИСО 16809-2015 (п. 6.6.3). Идея в том, чтобы на горячем образце, где точно известна фактическая толщина, установить датчик, зафиксировать максимум эхо-сигнала и «заморозить» развёртку. По идее, надо управиться за 3–4 секунды, после чего можно убирать датчик с горячей поверхности и уже с заморожённой развёрткой корректировать скорость, пока результат не будет достигать требуемого значения. Но опять же – всё это возможно лишь при условии, что у прибора в принципе есть такая опция, как заморозка экрана.

С измерениями при высоких температурах могут возникнуть и другие проблемы. Например, увеличение затухания по мере повышения температуры (том №3, с. 344), а также её неравномерность в разных слоях металла. Наконец, для температур выше 60 градусов нужны высокотемпературные преобразователи и специальные контактные жидкости. Призмы таких датчиков должны быть достаточно термостойкими для того, чтобы по возможности, скажем так, стабилизировать воздействие температуры на акустические свойства задержки и чтобы она могла служить ещё и тепловым барьером (ГОСТ Р ИСО 16809-2015, п. 6.3).

Тут важно оговориться, что ультразвуковая толщинометрия должна выполняться в соответствии с операционной технологической картой и нормативно-технической документацией. В этом сюжете речь мы всего лишь провели небольшой эксперимент, причём для нас это был первый опыт работы с такими температурами. И вот как это было.

4. Измерение толщины горячих пластин​

Мы начали с нагрева 20-миллиметровой пластины и ориентировались на температуру свыше 150 градусов Цельсия. По факту температура в разных точках отличалась на 20, 30, а то и 40 градусов, но и это был не предел. Что характерно, по мере нагрева металл довольно сильно почернел. Важно, что на горячей поверхности может возникать тонкая плёнка, которая мешает прохождению ультразвука в объект контроля. Поэтому перед установкой датчика мы зачищали поверхность образца при помощи мелкозернистой наждачной бумаги - «нулёвки» (Р800, Р1500).

Но прежде нам нужно скорректировать скорость ультразвука в настройках прибора с учётом её изменения в пластине. И есть 2 варианта, как мы можем это сделать. Первый способ – это установить датчик в том же месте известной толщины, на котором мы калибровались ранее, зафиксировать максимум донного эхо-сигнала и, убедившись, что он застробирован, заморозить экран. Далее можно перейти в меню Основные и подкорректировать скорость, пока значение в поле показаний Sab не составит 20,0±0,1 мм. После этого можно размораживать экран – и переходить непосредственно к измерениям. В нашем случае, в результате такой подгонки, скорость составила 5 929 м/с.

Второй вариант – попытаться рассчитать изменение скорости по формуле, которая приведена, например, в легендарном справочнике (Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 3, с. 31). Будем считать, что пластина нагрелась до 180 градусов. Попробуем произвести расчёты:

с = с0 + Kc * (t - t0), где c0 – скорость при исходной температуре t0, Кс – температурный коэффициент скорости (мы взяли значение «0,7»).

И получаем: c = 6 019 - 0,7 * (180,0-23,0) = 6 019 - 110 = 5 909 м/с.








Это грубый расчёт, разумеется, но он позволил нам хотя бы примерно понять, какой должна быть скорость в нагретой пластине, и оценить, насколько наши результаты вообще релевантны. Так что, резюмируя, могу сказать, что по факту нам пригодились оба способа определения скорости ультразвука в горячем металле.

В настойках ультразвукового толщиномера «Булат 3» мы указывали скорость 6 019 м/с – и с таким значением на 20-миллиметровой пластине погрешность составила 0,2–0,3 мм. На 10-миллиметровой пластине погрешность была уже 0,3–0,4 мм. Однако у нас не было возможности заморозить экран толщиномера или долго удерживать датчик для более точной калибровки скорости. Не знаю, насколько эта разница была бы критичной с точки зрения реальной практики контроля. Возможно, что с учётом неконтролируемого изменения времени задержки в призмах и в контактной среде, с учётом ограниченного времени акустического контакта, с учётом различий в работе дефектоскопа и толщиномера – это не так уж плохо.

6. Выводы​

Выводов для себя мы сделали несколько. Во-первых, для высокотемпературной толщинометрии нужен прибор не просто с А-сканом, а с возможностью его замораживать и корректировать настройки, ту же скорость ультразвука, например. Либо – нужно заведомо располагать проверенной корреляционной зависимостью между температурой материала и скоростью ультразвука в нём. Если ни того, ни другого нет, то тогда не совсем понятно, как вообще настраиваться и работать.

В-вторых, конечно, для такого контроля не обойтись без специализированных датчиков и контактной среды. В процессе измерений я очень переживал за сохранность датчиков – и потому постоянно боялся передержать их на поверхности. Они рассчитаны на время контакта до 5 секунд, фактически я старался укладываться в 2, 3, максимум 4 секунды, и делать побольше пауз между замерами. Кстати, теплоотводящая оснастка у преобразователя П112-W1,8Е, конечно, решает – благодаря ей корпус самого датчика нагревается намного меньше, чем второй датчик П112-2,5-12/2-Т-01, без защитной «юбки». Чтобы не обжечь пальцы, для верности я работал в огнеупорных перчатках.

В режиме «эхо-эхо» крайне важно корректно выставить стробы на развёртке дефектоскопа таким образом, чтобы измерения проводились по одному и тому же периоду. Например, мы выставляли а-Зону и б-Зону таким образом, чтобы измерительный тракт срабатывал на третьей полуволне. С УСД-60ФР проверить это очень легко в меню Экран – подменю Лупа, где можно легко масштабировать развёртку.

Затухание в пластинах по мере нагрева, судя по всему, действительно увеличилось. Тем более что времени вращать датчик и дожидаться максимума у нас особо не было. В общем, для верности, усиление пришлось поднять аж на 16 дБ.

Что касается контактных сред, то гель – при нагреве становится более жидким, его проще удалять с поверхности ввода и с рабочей одежды. Перед нанесением геля его необходимо тщательно взболтать. Смазка-паста – в меру густая, ну то есть её довольно легко выдавить из тюбика, но при этом она не такая жидкая, как гель. Почему-то в процессе работы мне казалось, что из неё получается более эффективный тепловой барьер и что она лучше защищает датчик, нежели гель. Ранее я уже сказал, что мне пришлось поднимать усиление – так вот, полагаю, отчасти это было связано с тем, что на рабочую поверхность преобразователей я наносил слишком толстый слой контактной среды. Кстати, обратите внимание на термограмму: на участках с остатками геля температура получалась выше, чем у остального металла.

Таким вот получился наш первый опыт проведения толщинометрии образцов, нагретых до температуры 200 градусов Цельсия. Благодарим компанию «Константа УЗК» и научно-производственный центр «Кропус» за предоставленные средства контроля и помощь с подготовкой данного материала.