Ультразвуковой контроль эхо-методом и его основные параметры​

Ультразвуковой контроль (УЗК) - вид неразрушающего контроля, включающий в себя ультразвуковую дефектоскопию (УЗД) и толщинометрию (УЗТ). Основан на прозвучивании объекта контроля (ОК) продольными, поперечными (вертикально-поляризованными и горизонтально-поляризованными), головными, поверхностными либо нормальными волнами (или их сочетанием) с целью обнаружения внутренних дефектов. Ультразвуковой контроль позволяет обнаруживать непровары, несплавления, трещины, поры, шлаковые включения, расслоения и иные подповерхностные дефекты - как одиночные, так и их скопления. УЗК с использованием поверхностных волн в ряде случаев может рассматриваться как альтернатива капиллярному и магнитопорошковому методу для обнаружения выходящих на поверхность несплошностей. Ультразвуковой контроль сварных соединений и основного металла активно практикуется при строительстве, ремонте, реконструкции, эксплуатации, техническом диагностировании (ТД), техническом освидетельствовании (ТО), ревизии и экспертизе промышленной безопасности (ЭПБ) технических устройств (ТУ), зданий и сооружений на опасных производственных объектах (ОПО), подведомственных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзору). В соответствии с Федеральными нормами и правилами по НК (Приказ Ростехнадзора от 01.12.2020 года №478), к проведению ультразвукового контроля допускаются только аттестованные лаборатории и дефектоскописты, например, по правилам СДАНК-01-2020 и СДАНК-02-2020, соответственно, в Единой системе оценки соответствия в области промышленной безопасности, экологической безопасности, безопасности в энергетике и строительстве (ЕС ОС) - либо в иной системе аттестации, аккредитации и/или сертификации. Для ультразвукового контроля используется специальная аппаратура: ультразвуковые дефектоскопы, прямые и наклонные совмещённые, раздельно-совмещённые и раздельные, поворотные пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), контактные жидкости, калибровочные и настроечные образцы, сканирующие устройства, ультразвуковые толщиномеры и др. В зависимости от способа проведения ультразвуковой контроль может быть ручным (РУЗК), механизированным (МУЗК) или автоматизированным (АУЗК). По способу акустического контакта УЗК подразделяется на контактный (толщина слоя контактной жидкости меньше половины длины волны), щелевой (толщина слоя контактной жидкости примерно равна длине волны), иммерсионный (ОК полностью погружён в контактную жидкость, так что толщина слоя составляет 3-4 длины волны и более). По состоянию на июль 2023 года всё активнее внедряются электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМАП) для бесконтактного ввода акустических колебаний в ОК. Ультразвуковой контроль включает в себя множество методов: эхо-импульсный (эхо-метод), теневой, зеркально-теневой, эхо-зеркальный, дельта-метод, диффракционно-временной и т.д. И это - только если говорить об УЗК металлов. Данный вид НК также успешно применяется также для углепластиков, композитов, полимеров, многослойных конструкций и даже бетонов. Для УЗК полимерных композиционных материалов практикуются свои методы - велосиметрический, реверберационно-сквозной, импедансный и т.п. В данном тексте речь пойдёт о наиболее распространённом варианте - об ультразвуковом контроле основного металла и сварных соединений эхо-импульсным методом с использованием контактных ПЭП.

Содержание:​

Задачи ультразвукового контроля
Объекты ультразвукового неразрушающего контроля
Типы ультразвуковых волн
Общий порядок выполнения УЗК сварных соединений
Ультразвуковая толщинометрия
Параметры ультразвукового контроля
Дефектоскописты ультразвукового контроля

Технология ультразвукового контроля (УЗК) эхо-методом построена на простом физическом законе: траектория движения звуковых волн в однородной среде остаётся неизменной. Внутренние (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 20 МГц). Они исходят от излучателя (пьезопластины), преломляются в призме (актуально для 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). В случае с прямыми совмещёнными и раздельно-совмещёнными ПЭП ультразвуковой пучок вводится в объект под прямым углом (в действительности случаются небольшие отклонения, в пределах 15 градусов). По амплитуде и времени прихода эхо-сигналов можно судить о размерах и глубине залегания отражателей. Отражателями могут быть донная поверхность, боковые стенки либо, например, неровности валика усиления сварного шва, подкладное кольцо или кромки соединяемых деталей, собранных со смещением. Во всех этих случаях, кроме первого (донный сигнал), эхо-сигналы считаются ложными. Если же акустические сигналы отражаются от несплошностей, то это уже полезные сигналы - их фиксируют и по ним измеряют характеристики дефектов. Те, в свою очередь, сопоставляют с нормами отбраковки, изложенными в нормативной технической документации (НТД) и операционной технологической карте (ОТК). Собственно, сам термин "дефект" означает "каждое отдельное несоответствие продукции установленным требованиям" (ГОСТ Р 55724-2013 "Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые"), поэтому без руководящих НТД, в которых эти самые требования приведены, представить себе представить никакую дефектоскопию, не только ультразвуковую. 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".

Для чего проводят ультразвуковой контроль​

В зависимости от типа ПЭП, возбуждаемой УЗ-волны и способа контроля УЗК стыковых, угловых, тавровых, нахлесточных сварных соединений и основного металла эхо-методом позволяет:

• выявлять внутренние дефекты – поры, расслоения, трещины, непровары, несплавления, шлаковые включения;
• выявлять поверхностные дефекты (при прозвучивании поверхностными волнами, которые распространяются вдоль свободной границы раздела твёрдого тела и отражаться от выходящих на поверхность несплошностей);
• измерять условные размеры (протяжённость, ширину, высоту), эквивалентную площадь дефектов;
• определять местоположение дефектов и глубину их залегания;
• определять тип дефектов (например, при использовании коэффициента формы, фазированных решёток с B-, D-, C-, S-сканами или TOFD-метода);
• измерять фактическую толщину стенки и выявлять недопустимые утонения.

Ультразвуковой контроль сварных соединений и основного металла не предполагает нарушения целостности объекта. Даже остановки эксплуатации, при определённых условиях, не требуется. Это особенно важно, например, для НК трубопроводов, когда нет возможности их дренировать. Правда, если речь идёт об ультразвуковом контроле трубопровода, заполненного рабочей средой, однократно (или двукратно) отражённым лучом, то её всё же лучше удалить. Ну либо при настройке глубиномера и чувствительности погружать нижнюю грань настроечного образца в ту же жидкость.

Современные технологии механизированного и автоматизированного ультразвукового контроля делают его всё более реальной альтернативой контролю радиографическому. Считается, что УЗК более чувствителен к плоскостным дефектам, хотя это не мешает выявлению и объёмных дефектов, особенно при использовании фазированных решёток, дифракционно-временного метода и других продвинутых технологий. При этом УЗК безвреден для здоровья дефектоскопистов, аппаратура для него дешевле, отсутствует химико-фотографическая обработка плёнок (если сравнивать с плёночной радиографией), времени в среднем уходит меньше, возводить рентгенозащитную камеру не нужно (для работы в цеху, например), оформлять лицензию в Санитарно-эпидемиологической службе либо Ростехнадзоре - тоже не требуется.

Есть у ультразвукового контроля и свои недостатки и ограничения.

• Помехоустойчивость. Высокий уровень шумов и помехов может наблюдаться при УЗК материалов с крупнозернистой структурой и высоким коэффициентом затухания. Это объясняется слишком интенсивным рассеиванием колебаний. К таким «проблемным» материалам относятся, например, аустенитная сталь, бета-титан (с альфа-титаном другая проблема - сильное влияние анизотропии акустических свойств), чугун (особенно с пластинчатым графитом), сплавы с повышенным содержанием никеля и т.д.
• Неоднородность акустических свойств. Частный случай - анизотропия, то есть различие свойств в зависимости от кристаллографических направлений. Анизотропия упругих свойств сильно влияет на скорость и затухание ультразвука в материале и может приводить к отклонению пучка от прямолинейного распространения (в том числе - к рефракции). Такая проблема встречается, например, при УЗК стальных труб большого диаметра, когда из-за анизотропии, причиной которой могут стать особенности термомеханической обработки металла, скорость звука неоднородна по толщине стенки и зависит от глубины залегания прозвучиваемого слоя. Один из вариантов защиты от помех и шумов в таком случае - послойный ультразвуковой контроль.
• Сложность интерпретации сигналов, сильная зависимость от квалификации персонала. Контролируемый объект прозвучивается не тонким лучом, а объёмным пучком, звуковое давление в котором распределено неравномерно и который расширяется с расстоянием. При ультразвуковом контроле сварных соединений, особенно тонкостенных, и центральный луч, и боковые лучи могут "цеплять" тот же валик усиления - что может вводить оператора в заблуждение. Дефектоскопист УК должен иметь достаточно знаний и опыта, чтобы верно интерпретировать сигналы на развёртке и не допускать ни недобраковки, ни перебраковки. Поэтому в лабораториях неразрушающего контроля часто практикуется 100%-ный либо выборочный дубль-контроль. Результаты, получаемые двумя разными дефектоскопистами, считаются сопоставимыми, если разница при оценке эквивалентной площади одной и той же несплошности составляет не более чем 1,4 раза (+/- 3 дБ). Соответствующий "допуск" есть, например, в РД 34.17.302-97 (ОП 501 ЦД-97) "Котлы паровые и водогрейные. Трубопроводы пара и горячей воды, сосуды. Сварные соединения. Контроль качества. Ультразвуковой контроль. Основные положения".
• 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. Во многом 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. Более точному и достоверному определению координат дефектов и измерению величины дефектов посвящено направление дефектометрии.
• Необходимость зачищать поверхность ввода в зоне перемещения ПЭП. Она должна быть очищена от коррозии, брызг металла, лакокрасочных и иных изоляционных покрытий. Как правило, для проведения ультразвукового контроля требуется шероховатость поверхности не более Ra 6,3 мкм (Rz 40 мкм), волнистость не более 0,015. Некоторые НТД содержат требования к донной поверхности - для неё достаточно шероховатости в пределах Rz 160 мкм и волнистость не более 0,025. Зачистка не входит в обязанности дефектоскописта УК. Для некоторых задач, правда, успешно внедряются ЭМАП, которые позволяют обойтись без этого. Благодаря новым технологиям удаётся уменьшать их габариты и повышать чувствительность, так что электромагнитно-акустические преобразователи, в которых возбуждение и приём ультразвуковых колебаний основаны на явлениях магнитострикции и магнитоупругости, всё чаще используются не только для толщинометрии, но и для дефектоскопии.
• Необходимость использования контактной жидкости (КЖ). Для обеспечения акустического контакта с объектом контроля используются разные КЖ - моторное масло, глицерин, пропиленгликоль, спирт, вода, солидол, обойный клей, жидкое мыло, медицинский либо специальный дефектоскопический гель. Выбор КЖ определяется положениями НТД. На практике это может создавать массу хлопот. Контактную жидкость нужно всегда иметь при себе и удалять её с поверхности ввода по завершении ультразвукового контроля. Кроме того, у каждой КЖ можно обнаружить свои недостатки. Моторное масло - дешёвое, но очень жирное, пачкает одежду и всё вокруг, оставляет после себя на поверхности ввода плёнку, которую сложно полностью удалить. У глицерина при отрицательной температуре ухудшается смачиваемость, плюс после него тоже остаётся плёнка. Солидол на морозе дубеет, вода замерзает. Гель - обеспечивает хороший акустический контакт, подходит для наклонных и вертикальных поверхностей, легко удаляется с поверхности ввода и со спецодежды. Но - стоит денег. Для УЗТ при повышенных температурах - нужны специальные высокотемпературные гели и смазки, способные выдерживать до +250, а то и до +350 градусов Цельсия.

УЗК металлов и сварных соединений эхо-методом применяется ежедневно в самых разных отраслях промышленности.

На каких объектах практикуется ультразвуковой контроль​

Вот лишь несколько примеров объектов, на которых применяется эхо-импульсный метод УЗК:

• технологические, промысловые и магистральные трубопроводы газа, нефти, нефтепродуктов, пара и прочих рабочих сред;
• соединительные детали и узлы газопроводов и нефтепроводов;
• бурильные трубы;
• резервуары вертикальные стальные (РВС) и горизонтальные;
• котлы - водогрейные, пароводогрейные, электрокотлы, котлы-утилизаторы, бойлеры;
• рельсы, стрелочные переводы, колёсные пары, боковые рамы, литые детали тележек грузовых вагонов;
• грузоподъёмные краны и крановые пути;
• всевозможное ёмкостное оборудование - сосуды и аппараты, работающие под давлением пара, газа и жидкостей;
• оборудование взрывопожароопасных и химически опасных производств, например, изотермические хранилища, фильтры, сепараторы, теплообменники, ректификационные колонны;
• металлоконструкции ТУ, зданий и сооружений на ОПО;
• мостовые строения;
• корпуса насосов и многое-многое другое.

Ультразвуковой контроль сварных соединений и основного металла эффективен для выявления развивающихся дефектов, возникших в результате эксплуатации. Именно поэтому его проводят не только для входного и выходного контроля, но и для последующего технического технического диагностирования и экспертизы промышленной безопасности ОПО. Результаты измерения остаточной толщины стенки - один из важнейших параметров для расчёта рабочего ресурса технических устройств.

Типы волны, используемых в ультразвуковом контроле​

Под "ультразвуковой волной" понимается процесс распространения упругих колебаний ультразвуковой частоты (свыше 20 кГц). В УЗК применяются следующие типы волн.

• Продольные. Направление колебательного движения частиц совпадает с направлением волны. Чаще всего возбуждаются прямым совмещёнными и раздельно-совмещёнными преобразователями, например, для поиска дефектов (трещин, расслоения, растянутых включений, пор и других) и для измерения толщины стенки. Скорость продольной волны в углеродистых (мягких) сталях в зависимости от конкретного сплава варьируется от 5 900 до 5 940 м/с. Для стали 20, например, "каноничным" значением считается 5 920 м/с. Длина продольной волны в такой стали зависит от частоты - для частоты 2,5 МГц, например, она будет 2,4 мм. Для 5,0 МГц - 1,2 мм. Скорость продольной волны в нержавеющих (аустенитных) сталях - от 5 770 до 6 140 м/с.
• Поперечные (сдвиговые). Колебательное движение частиц перпендикулярно направлению волны. Распространение поперечных волн может сопровождаться поляризацией - нарушением симметрии распределения смещений и скоростей в упругой волне относительно направления распространения. Поперечные волны подразделяются на вертикально-поляризованные (частицы колеблются в плоскости падения волны) и горизонтально-поляризованные (частицы колеблются перпендикулярно плоскости падения волны и вдоль границы раздела сред). Вертикально-поляризованные волны возбуждаются обычными совмещёнными наклонными преобразователями. Для ультразвукового контроля с горизонтально-поляризованными волнами применяются электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМАП). Вертикально-поляризованные, горизонтально-поляризованные поперечные волны и продольные волны ещё объединяют термином "объёмные". Скорость поперечной волны в углеродистых сталях составляет от 3 220 до 3 250 м/с, в нержавеющих - от 3 200 до 3 310 м/с. Длина поперечной волны в углеродистой стали зависит от частоты - для частоты 2,5 МГц, например, она будет 1,3 мм. Для 5,0 МГц - 0,6 мм.
• Головные. К таковым относят целую группу ультразвуковых волн. Во-первых, это продольно-поверхностная (вытекающая, ползущая) волна, которая распространяется вдоль поверхности ввода (на глубине порядка длины волны) и довольно быстро затухает: на расстоянии всего 1,75 * λ (λ - длина волны) уменьшается в 2,7 раза. Во-вторых, к головным волнам относятся боковые волны, возникающие в каждой точке границы раздела сред вследствие падения на неё поперечной волны под третьим критическим углом (для стали он равняется 33,5 градусам). В-третьих, в группе головных волн выделяют продольные подповерхностные волны, максимальная амплитуда которого достигается вдоль луча с углом ввода 78 градусов, и одновременно с ней - обратная продольно-поверхностная волна, с амплитудой примерно в 100 раз меньше. Головные волны активно используются для ультразвукового контроля металлов и наплавок с целью обнаружения приповерхностных дефектов на глубине от 2 до 8 мм (по другим данным - до 15 мм). Ввиду особенностей распространения они отлично подходят, например, для шпилек с наружной резьбой, которая им не мешает. Для возбуждения головных волн используются раздельно-совмещённые наклонные ПЭП. Первым в России специалистом, предложившим использовать головные волны для ультразвуковой дефектоскопии, является Николай Павлович Разыграев, кандидат технических наук и один из ведущих сотрудников Института сварки и неразрушающего контроля АО "НПО "ЦНИИТМАШ".
• Поверхностные (волны Рэлея). Формируются вдоль свободной либо слабо нагруженной границы твердого тела и представляют собой комбинацию продольной и поперечной волны. Очень быстро затухают с глубиной - обычно зона их локализации не превышает полторы длины волна (1,5 * λ мм). Поверхностные волны, как ещё говорят, "облизывают" поверхность и распространяются как по плоским, так и по изогнутым поверхностям. На вогнутых поверхностях скорость волн Рэлея уменьшается, на выпуклых - наоборот, увеличивается. Поверхностные волны могут применяться для обнаружения выходящих на поверхность несплошностей, в том числе - в качестве альтернативы проведению ПВК и МПК.
• Нормальные. Формируются в твёрдых пластинах и слоях со свободными или слабонагруженными границами. Как и в случае с поперечными волнами, нормальные волны в пластинах могут быть вертикально-поляризованными (волны Лэмба) и горизонтально-поляризованными. Также выделяют волны в стержнях - волны Похгаммера (крутильные, торсионные). Нормальные волны используются для ультразвукового контроля арматурных прутков, листов, труб, проволок, рельсов и пр.

Преобразователи подбираются с учётом того, какой тип волны предполагается для УЗК. В частности, от этого зависят требования к углу ввода, количеству пьезоэлементов, их форме и размерам, типу используемой пьезокерамики, способ установления акустического контакта, тип контактной жидкости и пр. Тип используемых волн, в свою очередь, влияет на чувствительность, мёртвую зону, протяжённость ближней зоны, тип выявляемых дефектов, доступную для их обнаружения глубину залегания, расстояние по поверхности ввода, подбор настроечных образцов, настройку развёртки и т.д.

Для ультразвукового контроля многих объектов одновременно применяются два и более типа волн. Например, для УЗК сварных соединений используются как продольные волны (с прямыми ПЭП, особенно для сварных швов толщиной 60 мм и более со снятым усилением, а также для угловых и тавровых швов), так и поперечные (также для прозвучивания сварных швов наклонными ПЭП). А на особо ответственных изделиях (например, в атомной энергетике) к ним добавляется УЗК с использованием головных волн.

Кроме того, при излучении поперечной волны, например, наклонными, или "призматическими" ПЭП - в призме распространяется продольная плоская волна, но с некоторым расхождением лучей. Так что в объект контроля фактически вводится не только поперечная, но и продольная волна. Чем ближе угол падения к первому критическому (для границы оргстекло-сталь - 27 градусов), тем эта продольная волна интенсивнее. Распространение, отражение, преломление, трансформация ультразвуковых волн - отдельная большая тема, поэтому исследованию акустики уделяют очень большое внимание при подготовке специалистов УК, например, в Петербургском государственном университете путей сообщения Императора Александра I (ПГУПС) или в Томском политехническом университете (ТПУ).

Ручной ультразвуковой контроль сварных соединений эхо-импульсным методом: общий порядок действий​

Рассмотрим на примере стыковых сварных соединений основные процедуры при проведении РУЗК.

1. Осмотр объекта контроля, оценка его контроледоступности и разметка. Сварной шов и околошовная зона должны быть зачищены от краски, ржавчины, окалины, загрязнений. Шероховатость чаще всего должна составлять не более Ra 6,3 мкм (Rz 40 мкм) - проверяют это при помощи аттестованных образцов шероховатости поверхности сравнения (ОШС) либо - реже - профилометра или профилографа. При использовании мерительного пояса - обозначение начала и направление отсчёта координат. Поскольку обычно проведению УЗК предшествует, как минимум, ВИК, то для всех видов неразрушающего контроля точку начала отсчёта координат берут одну и ту же. При его отсутствии мерительного пояса - может выполняться разметка периметра шва, например, при помощи маркера по металлу на участки по 300-500 мм. Если на ОК заложен РК с использованием форматной радиографической плёнки - то НТД и операционная технологическая карта могут требовать размечать стык с учётом размера плёнки.
2. Определение параметров пьезоэлектрического преобразователя. У прямых ПЭП к таковым относится задержка в протекторе (у РС ПЭП - в призмах), лучевая разрешающая способность, мёртвая зона. У наклонных ПЭП - точка выхода, стрела, задержка в призме, угол ввода, лучевая разрешающая способность, мёртвая зона. Параметры определяют на калибровочных образцах - мерах типа СО-3, СО-2, V1, V2, СО-3Р и др. Какие именно параметры ПЭП нужно проверять - оговаривается в НТД и операционной технологической карте ультразвукового контроля.
3. Настройка глубиномера. Собственно, определение задержки в призмах (протекторе) у прямых ПЭП и задержки в призме, угла ввода и стрелы у наклонных ПЭП - также относится и к настройке глубиномера. Она также включает в себя выбор шкалы развёртки (например, в мм глубины или в мм пути по лучу), её задержки и длительности (зоны контроля), скорости ультразвука в материале, выставление стробов и пр. От этого зависит точность определения координат дефектов - глубины залегания, расстояния до него по поверхности ввода, а также его условных размеров - протяжённость, ширины, высоты.
4. Настройка чувствительности. Здесь всё зависит от того, в каком режиме будет проводиться ультразвуковой контроль. Так, для работы в режиме временной регулировки чувствительности (ВРЧ) необходимо на настроечном образце, по опорному отражателю (зарубка, боковое цилиндрическое отверстие, плоскодонное отверстие, сегменте, двугранный угол, бесконечная плоскость - в зависимости от требований НТД) необходимо задать дефектоскопу опорные точки (как минимум, две, но можно и больше), по которым прибор будет "выравнивать" чувствительность для одинаковых отражателей, расположенных на разной глубине. В режиме ВРЧ эхо-сигналы от двух одинаковых отражателей, расположенных на разной глубине, имеют на развёртке одинаковую высоту (и одинаковую амплитуду). В качестве опорных точек часто берётся максимум эхо-сигнала от зарубки при прозвучивании прямым и при прозвучивании отражённым лучом. Полученные таким образом опорные точки образуют так называемую кривую ВРЧ, которая также отображается на развёртке. Для работы в режиме ВРЧ требуются настроечные образцы, соответствующие номинальной толщине объекта контроля, с искусственными отражателями установленного типа и размера. Другой режим - АРД-диаграммы. В отличие от ВРЧ, режим АРД позволяет измерять эквивалентную площадь отражателя, не требует настроечных образцов (при использовании предустановленных АРД-диаграмм, записанных в памяти дефектоскопа для конкретного ПЭП). При этом - режим АРД-диаграмм не годится для работы с РС ПЭП и для объектов с номинальной толщиной стенки меньше 12 мм (в некоторых источниках минимальная толщина и вовсе составляет 20 мм) и малым радиусом кривизны (например, для труб с наружным диаметром 150 мм и меньше). АРД-диаграммы - это кривые, устанавливающие зависимость между амплитудой сигнала эхо-сигнала от плоскодонного дискового отражателя (ПДО), ориентированного перпендикулярно акустической оси ПЭП и отражающего 100% падающей энергии, расстоянием от излучателя до ПДО и его эквивалентной площадью. Под ней подразумевается площадь ПДО, расположенного в образце с теми же акустическими свойствами, что и ОК, перпендикулярно акустической оси ПЭП и на том же расстоянии, что и дефект, и дающего ту же амплитуду эхо-сигнала, что и дефект. Рабочие АРД-диаграммы рассчитываются индивидуально для каждого ПЭП с учётом его рабочей частоты, угла ввода, размера и формы пьезоэлемента. В режиме АРД-диаграмм выравнивания чувствительности не происходит - с режимом ВРЧ они считаются взаимоисключающими. Ещё один вариант проведения ультразвукового контроля называется по-разному, но суть одна. Режим АРК (кривая амплитуда-расстояние) или DAC (дистанционно-амплитудная коррекция), как и ВРЧ, предполагает построение некой кривой, которая показывала бы зависимость между амплитудой эхо-сигнала и расстоянием до отражателя. От ВРЧ режим АРК отличается тем, что никакого "выравнивания" амплитуд, получаемых от одинаковых отражателей на разной глубине, не происходит - то есть влияние затухания ультразвука здесь сохраняется. От АРД-диаграмм же режим АРК отличается тем, что не предполагает измерение эквивалентной площади дефектов и что нуждается в использовании настроечных образцов. Руководящая нормативная техническая документация и операционная технологическая карта должна содержать чёткие указания по выбору режима проведения ультразвукового контроля и по настройке чувствительности. В частности, это касается требований к размерам и эквивалентной площади опорного отражателя, уровней чувствительности, поправок чувствительности (например, с учётом шероховатости и категории объекта). Для УЗК чаще всего настраивают, как минимум, два уровня чувствительности. Во-первых, браковочный - при нём оценивается допустимость дефекта по амплитуде эхо-сигнала (и/или эквивалентной площади). Другими словами, это максимальная эквивалентная площадь или амплитуда сигнала от максимального отражателя (несплошности, дефекта,) допустимого в соответствии с НТД. Дефекты, эхо-сигналы от которых достигают браковочного уровня чувствительности, однозначно считаются браком. Во-вторых, для ультразвукового контроля сварных соединений эхо-методом понадобится контрольный уровень, на котором регистрируют несплошности для последующей оценки по условным размерам, суммарной условной протяжённости на длине оценочного участка, типу, расположению в сечении шва и пр. Также ОТК и НТД могут предусматривать настройку поискового уровня чувствительности (поискового усиления). Потребность в этом связана с тем, что при перемещении ПЭП акустический контакт может быть нестабильным. Плюс акустическая ось ПЭП может не попасть по центру дефекта. Поэтому в процессе сканирования максимальная амплитуда эхо-сигналов может быть не достигнута, и чтобы не пропустить опасные дефекты - чувствительность повышают. Указания по настройке усиления для браковочного, контрольного и поискового уровня зависят от конкретной ОТК и НТД. Часто поисковый уровень ниже контрольного на 6 дБ и ниже браковочного - на 12 дБ. Важно, чтобы определение параметров ПЭП, настройка глубиномера и чувствительности выполнялись при той же температуре, при которой будет проводиться ультразвуковой контроль. НТД и ОТК может предусматривать сохранение сканов развёртки с указанием параметров настроек - например, для последующей инспекции или сверки с результатами дубль-контроля.
5. Прозвучивание объекта. Прижимая датчик к поверхности, на которую нанесена контактная жидкость, 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 достигают контрольного уровня. В помощь оператору в современных дефектоскопа реализована звуковая и световая АСД. Границы зоны перемещения ПЭП рассчитываются с учётом толщины объекта, угла ввода ультразвука, длины контактной поверхности ПЭП, длины околошовной зоны.
6. Измерение максимальной амплитуды эхо-сигналов от дефектов (в режимах ВРЧ, АРК) и/или их эквивалентной площади (в режиме АРД), а также измерение условных размеров дефектов. Погрешность определения координат указывается в НТД и ОТК. Часто требуется, чтобы она не превышала +/- 1,0 мм.
7. Сохранение результатов. Современные дефектоскопы позволяют "замораживать" изображение развёртки для последующего анализа. Места выявленных дефектов также могут сразу обозначать мелом или маркером непосредственно на поверхности ОК.
8. Периодическая проверка настроек чувствительности. В зависимости от НТД и ОТК, такую проверку нужно проводить каждый час, либо каждые 3 часа, либо после УЗК каждого стыка и т.д. Сканы с настройками также сохраняются в памяти прибора.
9. Оформление результатов ультразвукового контроля. Обычно дефекты классифицируются на допустимые и недопустимые по амплитуде, протяжённые и непротяжённые, расположенные в корне или в сечении шва. Трещины недопустимы любых размеров, в любом месте. Для остальных дефектов могут быть свои допуски, оговоренные в НТД и ОТК. Формат заключения/протокола/акта по результатам УЗК утверждается в нормативно-технической документации 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".

Немного иначе выглядит ультразвуковой контроль с использованием фазированных решёток (ФР), которые заслуживают отдельного большого текста. 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 или вовсе отсутствует. Производительность ультразвукового контроля с ФР примерно в 3–4 раза выше, чем у ручного УЗК.

Также в отечественном ультразвуковом контроле широко практикуется дифракционно-временной метод (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 измерения условных размеров отражателей (даже высоты) достигает ±1 мм. По своей информативности и достоверности линейное сканирование – полноценная замена радиографическому методу, особенно для дефектоскопии низколегированных и нелегированных углеродистых сталей.

Ультразвуковая толщинометрия​

Её выполняют для измерения толщины стенок объектов, на которых механические измерительные инструменты (штангенциркули, микрометры, механические стенкомеры и другие) применять невозможно либо нецелесообразно. Для ультразвуковой толщинометрии эхо-методом достаточно одностороннего доступа к ОК, при этом поверхности стенки должны быть параллельными и эквидистантными.

Ультразвуковая толщинометрия наряду с ультразвуковой дефектоскопией относятся к ультразвуковому виду неразрушающего контроля, предусмотренному в области аттестации лабораторий и персонала НК по правилам Единой системы оценки соответствия и Системы НК на ОПО РОНКТД. Одним из основных нормативных документов по УЗТ в России является ГОСТ Р ИСО 16809-2015 "Контроль неразрушающий. Контроль ультразвуковой. Измерение толщины".

Для УЗТ применяются прямые совмещённые и раздельно-совмещённые пьезоэлектрические преобразователи - как универсальные (те же, что предназначаются и для дефектоскопии), так и специализированные (например, с линией акустической задержки, миниатюрные, широкодиапазонные и пр.). В июле 2023 года на "Дефектоскопист.ру" вышел материал о работе со специализированными высокотемпературными ПЭП для ультразвуковой толщинометрии производства компании "Константа УЗК". Подробнее о прямых ПЭП для УЗД и УЗТ можно также почитать здесь и здесь.

В ультразвуковой толщинометрии много специфичных нюансов. Так, если для дефектоскопии чаще выбирает способ измерения времени прихода эхо-сигналов по пику (для фиксации максимальной амплитуды сигналов от дефектов), для УЗТ зачастую более предпочтительным является способ измерения по переходу через ноль. На тонкостенных объектах - может подойти вариант по фронту. Для УЗД зачищают поверхность ОК в зонах перемещения ПЭП - для УЗТ же зачастую достаточно подготовить лишь отдельные точки ("пятаки") размером не менее двукратного диаметра контактной поверхности датчика. К слову, у преобразователей для толщинометрии она часто сильно меньше, чем у стандартных ПЭП для дефектоскопии. Делается это для более стабильного акустического контакта на изогнутых и вогнутых поверхностях малого диаметра. Ещё одна особенность УЗТ состоит в том, что по её результатам часто оформляют не заключение (с выводами о годности/негодности объекта ультразвукового контроля), а протокол либо акт, в котором просто приводятся данные замеров.

Многие цифровые ультразвуковые толщиномеры отображают результаты измерений лишь в виде простых чисел. В более продвинутых моделях реализованы А- и/или В-сканы. Также в УЗТ гораздо шире, чем в УЗД, применяются ЭМА-преобразователи.

Параметры ультразвукового контроля​

Параметрами УЗК называют те параметры (характеристики) метода и аппаратуры, которые предопределяют достоверность контроля, то есть воспроизводимость и сходимость результатов, соответствие пределам допустимой погрешности и наличие реальных дефектов именно в тех местах, где фиксируются отражённые сигналы от несплошностей.

К параметрам метода относятся:

• длина волны. Чем она меньше, тем меньше размер дефектов, доступных для обнаружения. Длина волны влияет также на протяжённость мёртвой зоны и ближней зоны (зоны Френеля, в которой амплитуда изменяется непропорционально расстоянию и акустическое поле изменяется немонотонно), в пределах которой, как правило, оценка сигналов не выполняется. Также длина волны связана с рабочей частотой ПЭП: чем больше вторая, тем меньше первая. И наоборот. В свою очередь, частота влияет также на уровень структурных помех - чем она выше, тем больше шумов наблюдается на развёртке, особенно при ультразвуковом контроле крупнозернистых материалов. Также с увеличением частоты сужается диаграмма направленности, что, в свою очередь, приводит к улучшению лучевой и фронтальной разрешающей способности. Это, к слову, тоже важные параметры УЗК: лучевая разрешающая способность - минимальное расстояние между двумя одинаковыми отражателями, расположенными вдоль направления акустической оси ПЭП, при котором они распознаются раздельно. Фронтальная разрешающая способность - кратчайшее расстояние между двумя одинаковыми отражателями, расположенными перпендикулярно направления акустической оси, при котором они также распознаются системой "дефектоскоп-преобразователь" отдельно. Критерием разрешения считается также минимальным интервалом времени между двумя пиками эхо-сигналов, которые одновременно наблюдаются на развёртке и между которыми есть "провал" на уровне -6 дБ и более относительно амплитуды меньшего сигнала;
• предельная, эквивалентная и реальная чувствительность. Предельная чувствительность - минимальная эквивалентная площадь плоскодонного дискового отражателя, ориентированного перпендикулярно акустической оси ПЭП, которая ещё обнаруживается в объекте контроля на заданной глубине и при определённой настройке ультразвукового дефектоскопа. Эквивалентная чувствительность - минимальный размер искусственного отражателя (не обязательно ПДО - это может быть БЦО или зарубка, например) определённой формы и ориентации, которая ещё обнаруживается в ОК на заданной глубине и при определённой настройке УЗ-дефектоскопа. Что касается реальной чувствительности, то под ней подразумеваются минимальные размеры реальных несплошностей того или иного типа, которые выявляются на заданной глубине при определённых настройках и схеме прозвучивания. Представления о реальной чувствительности формируются вследствие статистической обработки и металлографических исследований большого количества результатов ультразвукового контроля;
• угол ввода. Рекомендовано проверять по БЦО, например, в СО-2, V1, V2 или СО-3Р. Углом ввода называют угол между линией, соединяющей точку выхода ПЭП и центр бокового цилиндрического отверстия, и нормалью к поверхности, на которой установлен ПЭП в таком положении, при котором амплитуда эхо-сигнала максимальная. В ГОСТ Р ИСО 5577-2009 "Контроль неразрушающий. Ультразвуковой контроль. Словарь" разграничиваются понятия "угол падения" (угол призмы), "угол преломления" (угол между акустической осью преломлённого пучка и нормалью к границе раздела сред) и "номинальный угол ввод" (номинальное значение угла ввода для заданного материала и температуры);
• погрешность измерения координат отражателей. Как мы отметили выше, предельно допустимая погрешность прописывается в руководящей нормативной технической документации на ультразвуковой контроль. Часто она составляет +/- 1,0 мм, но встречаются НТД, где вместо абсолютных значений даны формулы - поэтому допустимая погрешность рассчитывается в зависимости от толщины стенки, например;
• мёртвая зона. Имеется в виду область вблизи поверхности ввода со стороны установки ПЭП, в пределах которой не представляется возможным выявление дефектов заданного размера при заданной настройке дефектоскопа. Мёртвую зону можно проверить по мере СО-2 после настройки чувствительности и выставления поискового усиления (если таковое предусмотрено), правда, не все НТД этого требуют. У совмещённых прямых ПЭП мёртвая зона достигает 5-10 мм, у РС ПЭП - от 0,5 до 1,0 мм, у наклонных хорошим показателем считается мёртвая зона в пределах 2,5 длин волны (2,5 * λ мм);
• минимальный условный размер фиксируемой несплошности. Условные размеры (протяжённость, ширина, высота) определяются двумя основными способами. Первый - относительный: границы несплошности определяются по положениям ПЭП, при котором амплитуда отражённого сигнала уменьшается на заданную величину (например, на 6 дБ) . Второй способ определения условных границ дефектов - абсолютный: им соответствует такое положение ПЭП, при котором эхо-сигнал снижается до заданного уровня чувствительности (чаще всего - контрольного уровня, или уровня фиксации). При проведении ультразвукового контроля сварных соединений и определении условных границ ПЭП исходят из того, что центральный луч соответствует середине ширины ПЭП, хотя в действительности может иметь место угловое отклонение и параллельно смещение луча относительно оси корпуса преобразователя;
• стабильность акустическая контакта. Меры по её поддержанию могут зависеть от конкретного типа ПЭП. Так, при ультразвуковом контроле объектов цилиндрической формы с РС ПЭП его стараются ориентировать таким образом, чтобы акустический экран между пьезоэлементами располагался перпендикулярно образующей ОК.

К параметрам аппаратуры для ультразвукового контроля относятся:

• рабочая частота ПЭП;
• условная чувствительность. Имеется в виду разность между показаниями аттенюатора при заданной настройке дефектоскопа и показанием, при котором сигнал от БЦО диаметром 6 мм на глубине 44 мм в мере СО-2 фиксируется на развёртке.
• Некоторые НТД, например, в железнодорожной отрасли, сохранили такой подход к настройке чувствительности, как простое и универсальное решение для самых разных дефектоскопов;
• угол призмы (угол падения, о котором мы упомянули выше). Добавим также, что фактическое положение точки выхода и стрела ПЭП - тоже важные параметры, поскольку от этого, например, зависит полнота прозвучивания сварного шва и, в частности, возможность прозвучивания корня прямым лучом при ультразвуковом контроле сварных соединений;
• погрешность глубиномера дефектоскопа (см. выше);
• длительность зондирующего импульса. В ультразвуковом дефектоскопе, например, можно корректировать частоту посылок зондирующих импульсов. Для многих задач достаточно частоты посылок 400 Гц, хотя ОТК может предусматривать иные значения, чаще всего до 1000 Гц;
• размер и форма пьезоэлемента преобразователя. Чем больше площадь пьезоэлемента, тем "острее" диаграмма направленности (меньше её ширина) в дальней зоне (зоне Фраунгофера), тем больше ближняя зона и тем выше фронтальная разрешающая способность. При этом большая пьезопластина означает и большую контактную поверхность датчика - а значит, на криволинейных поверхностях могут возникнуть трудности с акустическим контактом, например, при ультразвуковом контроле труб малого диаметра. Принято считать, что ПЭП с прямоугольной пьезопластиной лучше подходят для поиска несплошностей, а с круглой - для более точного определения их условных границ. Сюжет на эту тему доступен на YouTube-канале "Дефектоскопист.ру";
• параметры сканирования. Опять же, об этом мы говорили выше - имеется в виду выбор траектории перемещения ПЭП (поперечно-продольная либо продольно-поперечная), шаг сканирования, частота следования ЗИ;
• зазор между контактной ("рабочей") поверхностью ПЭП и наличие в нём контактной жидкости. КЖ должна обладать хорошей смачиваемостью. От качества и количества КЖ зависит количество акустической энергии, которая проходит через неё - а значит, зависят и амплитуды эхо-сигналов на развёртке. Как мы отметили выше, выбор контактных жидкостей довольно большой - главное, чтобы при настройке и непосредственно при проведении УЗК использовалась одна и та же КЖ.

И конечно, достоверность ультразвукового контроля сильно зависит от квалификации персонала, который его проводит.

Обучение и аттестация специалистов по ультразвуковому методу контроля​

Пройти подготовку и аттестацию на дефектоскописта УЗК можно в специализированных научно-учебных центрах. Всего предусмотрено 3 квалификационных уровня – I, II и III. Продолжительность программы обучения обычно составляет 40–196 часов. В стандартный курс входят следующие дисциплины:

• физические основы – теория колебаний, типы упругих волн, критические углы, отражение, преломление, трансформация, дифракция, интерференция, закон Снеллиуса, акустические свойства сред, акустическое поле ПЭП, анизотропия и прочее;
• аппаратура для УЗК, её основные параметры, подбор под конкретные задачи, метрологическое обеспечение, техническое обслуживание, порядок настройки и технология контроля;
• методы ультразвукового контроля;
• определение параметров прямых и наклонных совмещённых и раздельно-совмещённых ПЭП, проверка их работоспособности, подбор ПЭП по конкретным требованиям НТД и ОТК;
• сканирование, позиционирование ПЭП, траектории его перемещения для обеспечения полноты прозвучивания ОК, усилие прижима датчика, измерение условных размеров несплошностей;
• оценка результатов ультразвукового контроля по нормам отбраковки, оформление результатов по типовым формам, предусмотренным НТД;
• составление технологических карт и др.

Специалистов III уровня дополнительно обучают разработке методик проведения ультразвукового контроля. Изучаются типовые требования к их наполнению и оформлению. По завершении обучения необходимо сдать квалификационный экзамен, состоящий из теоретической и практической части.

Часто в учебном центре можно запросить обучение ультразвуковому контролю конкретных объектов, по конкретным нормативным техническим документам, с конкретной аппаратурой. Возможность такой специализации и корректировки учебной программы повышает эффективность профессиональной подготовки дефектоскопистов и более полно отвечает требованиям работодателей.

Дополнительное обучение и сертификация по ISO 9712 необходимы для работы с фазированными решётками и методом TOFD.

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, Н.П. Разыграева, А.Х. Вопилкина и др.

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».

Если вы присоединитесь к сообществу «Дефектоскопист.ру» – надеемся, это поможет вам стать настоящим профессионалом ультразвукового контроля!

Больше информации по теме:
Что такое ультразвуковая дефектоскопия
Что такое ультразвуковой дефектоскоп
Что такое ультразвуковой толщиномер
Что должен знать каждый специалист УЗК о пьезоэлектрических преобразователях
Настроечные образцы – основа правильной подготовки к ультразвуковому контролю
Наклонные преобразователи для УЗК сварных соединений
Прямые преобразователи для УЗД и УЗТ
Контактные жидкости для УЗК
Ультразвуковой контроль сварных соединений