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

Наравне с дефектоскопами при выполнении контроля методом УЗК широко применяются ультразвуковые толщиномеры. С их помощью решают обширный спектр задач при проведении технического диагностирования и экспертизы промышленной безопасности:

• измеряют остаточную толщину стенки трубопроводов, отводов, сосудов, РВС и прочего ёмкостного оборудования, начиная фильтрами и заканчивая сепараторами;
• проводят коррозионный мониторинг;
• оценивают степень усталостного разрушения. Ультразвуковой толщиномер – один из основных инструментов обследования металлоконструкций, механизмов и узлов в процессе их эксплуатации. В том числе – для расчёта прочности;
• в рамках входного и выходного контроля проверяют соответствие изделий паспортным значениям;
• выявляют недопустимые утонения;
• определяют толщину покрытий.

Последнее, правда, относится больше к толщиномерам покрытий. Это отдельная категория приборов, которая заслуживает своего обзора. В этом же тексте мы сосредоточимся на тех устройствах, которые измеряют толщину самой стенки основного металла и сварных соединений.

Принцип их работы основывается 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.

Как и в случае с дефектоскопом, под ультразвуковым толщиномером чаще всего понимается электронный блок с подключённым при помощи кабеля и разъёмного соединения преобразователем. Хотя, конечно, встречаются модели (к примеру, электромагнитно-акустический толщиномер KROPUS AIR), у которых датчик встроен в корпус. Как правило, это сверхкомпактные модели для экспресс-контроля. В остальных случаях речь именно о выносных преобразователях (П111, П112 и др.). Сами же приборы в обязательном порядке имеют дисплей, клавиатуру, автономное питание от встроенного аккумулятора. У некоторых устройств также предусмотрена беспроводная связь по Bluetooth, WLAN или даже Wi-Fi. Ещё один важный элемент, о котором нельзя не сказать, – это специальные чехлы, которые обеспечивают комфортное закрепление прибора на поясе, на руке, груди и пр. Но подробнее об этом чуть позже.

Типы ультразвуковых толщиномеров​

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

• 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;
• ультразвуковые толщиномеры общего назначения и специализированные приборы. 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;
• 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 достаточно широкий диапазон, 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;
• по способу отображения результатов. Самый простой вариант – числовое значение. У наиболее продвинутых ультразвуковых толщиномеров дополнительно предусмотрена поддержка А- и Б-сканов. Последний вариант, пожалуй, самый наглядный, 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, 0.001 – 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;
• по типу доступных преобразователей. Одни ультразвуковые толщиномеры могут работать только с одноэлементными совмещёнными, другие – ещё и с двухэлементными раздельно-совмещёнными датчиками.

Ещё один важный параметр – это режим/метод измерений. В ГОСТ Р ИСО 16809-2015 описано четыре основных режима:
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 и толщины исследуемых материалов.

Что касается марок ультразвуковых толщиномеров, то на российском рынке широко представлена продукция отечественных и импортных производителей. В их числе – НПЦ «Кропус», НПК «ЛУЧ», Olympus, НПГ «Алтек», «Константа», GE (Krautkramer), Karl Deutsch, «Физприбор» и многие другие. Так, среди популярных моделей – УДТ-40, "Булат 3", УДТ-08, УДТ-20, "Булат 1М", DM5E, 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 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:

• подготовку. Для начала – нужно собраться на объект: зарядить аккумуляторы, взять необходимые ПЭП, кабели, контактную жидкость (гель). Сам прибор – подключить к нему нужный датчик, откалибровать его на юстировочной пластине (у многих приборов она встроена в электронный блок), проверить на настроечном образце. 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;

• собственно, проведение измерений при помощи ультразвукового толщиномера. Результаты сохраняются в памяти прибора, плюс оператор может вносить значения с привязкой к конкретным точкам на рабочем чертеже (эскизе);
• оформление результатов. В протоколе 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. Результаты измерений оформляются 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​

Начнём с главного – с документации на контроль. В каждой методике, инструкции, карте есть требования к аппаратуре. Кроме того, предпочтение стоит отдавать тем приборам, которые внесены в Госреестр средств измерений и к которым прилагается копия свидетельства об утверждении типа СИ. Это особенно важно, если лаборатория хочет выполнять подряды в рамках технического диагностирования, освидетельствования и экспертизы промышленной безопасности. Кроме того, есть реестры ОАО «РЖД», «Газпрома», «Транснефти», в которых тоже может быть информация о допущенных к эксплуатации средствах толщинометрии.
Помимо вышеперечисленных параметров, прежде чем купить ультразвуковой толщиномер, рекомендуем обращать внимание на следующие характеристики и опции:

• доступные способы измерения. Так, для определения толщины стенки под лакокрасочным покрытием может потребоваться режим измерений между двумя максимальными сигналами в стробах. Для наибольшей точности результатов в некоторых моделях доступны измерения по переходу через «ноль», измерение времени между сигналами «эхо-эхо». Как уже отмечалось выше, цифровые микропроцессорные технологии вкупе с возможностями современного софта позволяют приборостроителям выпускать всё более совершенные ультразвуковые толщиномеры, с более «ветвистым» функционалом, с лёгким переключением между режимами и мощным интерфейсом по визуализации процесса измерений;
• шероховатость и температура поверхности объекта контроля. В ряде случаев может задержка – для создания дополнительного теплового барьера. Для измерений при температуре ниже -20 градусов могут и вовсе потребоваться специализированные преобразователи. Для грязных, корродированных, плохо зачищенных и окрашенных поверхностей наиболее эффективными могут оказаться ЭМА-преобразователи. С электромагнитно-акустическими датчиками работают, к примеру, ультразвуковые толщиномеры УДТ-40 и А1270;
• площадь контроля. Или – требования к производительности. Чем крупнее объекты контроля, тем разумнее выбирать прибор с поддержкой А- и Б-сканов;
• доступные для измерения материалы. Одни приборы могут работать только по стали, другие подходят для толщинометрии объектов из чугуна, пластика, полиэтилена, керамики, алюминиевых и других сплавов;
• 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 браковочным уровнем. Кроме того, в некоторых приборах есть такая удобная опция, как вычисление в % остаточной толщины – по сравнению с предварительно указанным исходным значением;
• удобство подключения разных 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;
• объём внутренней памяти, возможность группировать, перезаписывать данные;
• ёмкость и скорость подзарядки аккумулятора;
• размер дисплея. Цветной экран – стал нормой для современных моделей. Но если к визуализации результатов нет особых требований, то можно обойтись более бюджетным вариантом. У большинства сверхкомпактных и миниатюрных приборов со встроенным датчиком дисплей тоже монохромный. Вполне адекватный вариант для точечных измерений;
• удобство и прочность чехла, кейса, ремней для закрепления на руках, на груди, поясе. Чем эргономичнее эти аксессуары, тем больше удовольствия от работы.

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 – партнёрам форума «Дефектоскопист.ру».