Ультразвукова товщинометрія в машинобудуванні
Як правило, ультразвуковий метод вимірювання товщини застосовують в таких місцях металоконструкцій, які недоступні або важкодоступні для вимірювання механічних вимірювальним інструментом. Особливо широко цей метод використовують для визначення товщини стінок труб, котлів, посудин, тобто об'єктів замкнутого типу або з одностороннім доступом. Зазвичай вимірювання проводять на еквідистантних (рівновіддалених один від одного) поверхнях або ділянках поверхні, хоча принципово можливі вимірювання і в інших випадках.
За фізичним принципам, використовуваним для вимірювання товщини, акустичні толщиномери ділять на ехо-імпульсні та резонансні. Принцип ультразвукової товщинометрії імпульсними приладами заснований на вимірюванні часу проходження ультразвукового імпульсу в виробі або в шарі і множенні виміряного часу на коефіцієнт, що враховує швидкість звуку в матеріалі вироби. У резонансних приладах для вимірювання товщини використовується локальний резонансний метод або локальний метод вільних коливань, а також інтерференційні явища, що виникають при поширенні акустичних хвиль у виробі.
Резонансний метод дозволяє вимірювати товщину від мінімального значення
де с - швидкість звуку в матеріалі вироби; fmax - максимальна частота приладу [1].
При підвищенні частоти до 30 МГц можна вимірювати товщини сталевих виробів, починаючи з 0,1 мм. Вимірювання таких товщин луна-методом виконати не вдається. Використання иммерсионного варіанту методу забезпечує безперервний контроль труб діаметром 3 - ^ 4 мм і більше, що також важко забезпечити іншими методами; похибка становить при цьому 1 - ^ 2%. Резонансний метод застосовують для контролю виробів з гладкими поверхнями. Зміна товщини в зоні вимірювання не повинна перевищувати 8%, при цьому вимірюється середня товщина, а не найменше її значення. Цими можливостями визначена область переважного використання резонансних товщиномірів для вимірювання товщини при автоматичному контролі тонкостінних труб малого діаметра в імерсійному варіанті. У решти населених пунктів області повсюдно застосовують ультразвукові ехо-імпульсні товщиноміри - прості в управлінні і компактні прилади, що дозволяють з хорошою точністю вимірювати товщину> 0,5 мм.
У стандартах наголошується, що толщинометрія способом одноразових вимірювань застосовується в місцях, недоступних для вимірювання механічних вимірювальним інструментом. Її виконують при виготовленні виробів, їх експлуатації, технічного діагностування та експертному обстеженні. Вимірювання виконують дискретно в запланованих точках на ОК. Необхідність проведення вимірювань товщини ультразвуковим методом, обсяг вимірювань, конкретні точки для вимірювань і критерії оцінки результатів повинні бути обумовлені в виробничо-конструкторської документації.
Сучасні толщиномери дозволяють виробляти суцільне (безперервне) вимірювання товщини з сигналізацією (або реєстрацією) виходу вимірюваної товщини за вказані межі. Однак технологія такого контролю в розглянутих документах не передбачена.
ОСТ і ПНАЕ не обмежують діапазон вимірюваних товщин. РД обмежує вимірювані товщини діапазоном 2,5 - 60,0 мм. Це обмеження пов'язане з товщиною реально існуючих елементів вантажопідіймальних машин.
Мал. 1. Стандартний зразок підприємства для настройки дефектоскопа при вимірюванні товщини антикорозійного наплавлення
ОСТ і РД РОСЕК регламентують вимірювання товщини монометалевих елементів, область застосування ПНАЕ поширюється додатково на біметалічні вироби, а також на антикорозійні покриття з сталей аустенітного класу на виробах із сталей перлітного класу.
До роботи з вимірювання товщини допускаються дефектоскописти, атестовані за правилами, що діють у відповідній галузі, і вивчили галузевий стандарт по товщині-метрії. Керівництво роботами по вимірюванню товщини, періодична перевірка якості його виконання і оформлення висновків за його результатами покладається на інженерно-технічних працівників відповідно до правил, що діють в галузі.
РД РОСЕК регламентує для цілей товщинометрії застосування ультразвукових товщиномірів з цифровою або стрілочної індикацією результатів. Як відомо, у функціональній схемі толщиномера реалізуються додаткові щодо дефектоскопа блоки, що дозволяють підвищити точність вимірювань (наприклад, автоматичне регулювання посилення для стабілізації амплітуди першого донного сигналу) або додаткові вимоги до блоків (короткий і крутий зондує імпульс, широкополосность) [5]. Тому застосування товщиномірів при контролі товщини приблизно до 100 мм більш виправдано, ніж дефектоскопів. Однак при товщині елементів понад 100 мм, які зустрічаються в суднових конструкціях і характерні для обладнання атомних електростанцій (АЕС), чутливості товщиномірів не завжди достатньо, а вимірювання товщини антикорозійного покриття взагалі можливо тільки дефектоскопом. Тому ультразвукові дефектоскопи включені до складу засобів вимірювання товщини в методиках ОСТ і ПНАЕ.
При використанні товщиномірів слід застосовувати п'єзоелектричні перетворювачі (ПЕП), які входять в комплект толщиномера. Найчастіше це прямі роздільно-суміщені (PC) ПЕП, іноді застосовують прямі суміщені ПЕП сзадержкой. В залежності від вимірюваної товщини використовують ПЕП з частотою з діапазону 2,0 - 10,0 МГц. При вимірюванні товщини монометалу і біметалів дефектоскопами використовують прямі суміщені ПЕП з жорстким протектором. Товщину антикорозійного покриття вимірюють прямими суміщеними (з боку основного металу) або PC ПЕП (з боку покриття). Використовують частоти 2,0 - 5,0 МГц.
Для настройки приладу застосовують стандартні зразки підприємства (СОП), виготовлені з матеріалу ОК. Основні вимоги до СОП: відтворення швидкості звуку, форми і стану поверхні відповідним параметрам ОК. Так, наприклад, якщо ставиться завдання вимірювання товщини об'єкта з лакофарбовим покриттям, зразок повинен мати покриття, виконане за такою ж технологією. У тих випадках, коли ОК має малий радіус кривизни (менше 50 мм), складну криволінійну форму поверхні (гібитруб), необхідно застосовувати СОП у вигляді фрагментів відповідних виробів. Зазвичай рекомендують мати СОП зі ступенями мінімально і максимально допустимої товщини. Приклад СОП для вимірювання товщини антикорозійного наплавлення наведено на рис. 1.
Засоби контролю повинні бути паспортизовані і проходити повірку в установленому порядку.
Підготовка до контролю
Перед проведенням вимірів необхідно провести настроювання приладу. Конкретні способи настройки для кожного приладу визначені інструкцією по експлуатації, проте вони завжди містять дві операції: настройка нуля (тобто моменту входу ультразвукового імпульсу в ОК) і настройка на швидкість звуку в ОК. Налаштування нуля в сучасних товщиномірів може бути виконана без застосування зовнішніх зразків. Налаштування на швидкість звуку в ОК здійснюють по СОП. Точність настройки перевіряють по нижній і верхній границь діапазону вимірювань.
Для вимірювання товщини монометалу або біметалу готують майданчик розміром 30 x 30 мм 2 з центром в точці вимірювання. У разі вимірювання товщини наплавлення готують майданчик розміром 50 x 50 мм 2. Більший розмір площадки пов'язаний з тим, що не в кожній точці ОК можна отримати виразний луна-сигнал від зони сплаву основного металу з наплавленням. Іноді для цього потрібно зробити невеликі переміщення ПЕП близько наміченої точки вимірювання. Підготовлена майданчик повинна бути вільна від забруднень, що відшаровується окалини або фарби. Шорсткість поверхні з боку введення ультразвукових коливань повинна бути R <6,3 мкм по ГОСТ 2789-73.
Чим точніше необхідно провести вимірювання, тим жорсткіші вимоги пред'являються до стану обох поверхонь ОК. Нетсмисла вимагати похибка вимірювання 8 <0,1 мм на объекте с корродированной поверхностью.
При вимірюванні товщини на ділянках видалення поверхневих дефектів для установки ПЕП повинна бути підготовлена майданчик діаметром 15 мм, паралельна поверхні виробу. Преобразовательдолжен щільно прилягати до поверхні виробу. У деяких випадках вимір може бути виконано з боку, протилежного вибірці. Якщо вибірка має крутий профіль, який дозволить забезпечити плоску площадку для установки ПЕП, вимірюють товщину в точках навколо вибірки. Глибину вибірки вимірюють мікрометричним або індикаторним глибиноміром. Товщину в місці вибірки знаходять як різницю між мінімальною товщиною в околиці вибірки і глибиною вибірки.
Відповідно до ПНАЕ температура навколишнього повітря і ОК повинна знаходитися в межах 5 - 40 "С. ОСТ і РД РОСЕК дозволяють виконувати вимірювання в діапазоні температур, дозволеному інструкцією по експлуатації застосовуваного толщиномера. За даними американської специфікації SE -797 кожне збільшення температури на 55 ° З тягне за собою зменшення швидкості звуку в стали на 1% [6].
Перед початком вимірювань необхідно ознайомитися з документацією на вимірюваний об'єкт і, якщо можливо, скласти уявлення про очікуваний стані донної поверхні.
На кожен розмічений ділянку наносять контактну рідину, встановлюють ПЕП і ретельно притирають до поверхні ОК, домагаючись мінімального сталого свідчення. При вимірюванні товщини трубопроводів екран PC ПЕП повинен бути орієнтований перпендикулярно твірної труби. Причиною відсутності показань можуть бути поганий акустичний контакт (наприклад, через погану якість контактної поверхні), виразкова корозія донної поверхні, відсутність еквідистантним поверхонь, наявність елемента, привареного до донної поверхні, наявність внутрішнього дефекту матеріалу в місці вимірювання та ін.
При вимірюванні товщини ультразвуковими дефектоскопами слід проводити і настройку, і вимір в режимі «по фронту». Для зменшення похибки настройку і вимір необхідно виконувати при однаковій висоті луна-сигналу.
При вимірюванні товщини в місцях виразкової і плямистої поверхні корозії внутрішньої поверхні прилад фіксує окремі Язвін сферичної форми розміром більше 2,5 ч-3,0 мм. Для визначення ділянки найменшою товщини доводиться виконувати вимірювання з малим кроком (до З мм і менше). Про наявність плямистої або виразкової корозії кажуть скачуть показання приладу на невеликій ділянці вимірювань.
Зчитування результату вимірювання проводять після отримання стійкого і достовірного свідчення. Для цифрового приладу воно характеризується або одним значенням, або двома, що змінюються в межах дискретності приладу. В останньому випадку записують значення, найближче до межі допуску на розмір. Якщо виникає сумнів щодо правильності показань толщиномера, ділянку вимірювання доцільно перевірити дефектоскопом.
Можливість вимірювання товщини антикорозійного наплавлення заснована на тому, що акустичні опору основного металу і антикорозійного наплавлення дещо відрізняються (z1 = 4,6 × 10 7 кг - м
2 / с), отже, на кордоні сплаву утворюється відображена ультразвукова хвиля, яка реєструється ультразвуковим дефектоскопом. При изме рении з боку основного металу товщина наплавлення розраховується як різниця показань повної товщини об'єкта і товщини основного металу (рис. 2).
Мал. 2. Схема вимірювання товщини антикорозійного наплавлення з боку основного металу
Вимірювання з боку наплавлення ускладнюється тим, що матеріал наплавки є литу аустенитную грубозернисту структуру. Оскільки коефіцієнт відбиття від кордону розділу наплавка-основний метал досить малий (розрахунковий коеффіціентбез обліку дифузного розсіяння Rp = 0,035), потрібно встановити високу чутливість для отримання сигналу від кордону сплаву. При цьому може виявитися, що структурний шум з обсягу наплавлення не дозволить виявити сигнал від зони сплаву. Для оптимізації вимірювання в цьому випадку вибирають такий PC ПЕП, у якого фокусна відстань більше товщини наплавлення (рис. 3).
Мал. 3. Схема до вибору PC ПЕП для вимірювання товщини наплавлення з боку наплавлення: А -амплітуда сигналу від відбивача у вигляді площині; r - відстань від поверхні введення до відбивача
При цьому виявляється, що чутливість ПЕП в області зони сплаву завжди вище, ніж в матеріалі наплавки, отже, можна очікувати, що рівень структурних шумів дозволить виділити сигнал від зони сплаву.
При вимірах можуть виникати помилки трьох видів.
Систематичні - це такі помилки, величина яких однакова або закономірно змінюється в усіх вимірах, що проводяться одним і тим же методом за допомогою одних і техже приладів. При ультразвукової товщинометрії така помилка виникає при неправильному налаштуванні затримки нуля або швидкості ультразвуку.
Зазначені два види помилок можна мінімізувати шляхом ретельного налаштування приладу і уважному і акуратному проведенні вимірювань і запису результатів. Найбільш складно зменшувати величину випадкових помилок, які змінюються випадковим чином при повторних вимірах однієї і тієї ж величини. Випадкові помилки виникають через:
- коливань технічних параметрів в допустимих межах;
- зміщення ПЕП при повторних його установках в точку вимірювання;
- коливання товщини прошарку контактної рідини через нерівномірне притиску ПЕП до виробу;
- спрацьовування приладу по різних періодів коливань в радіоімпульс;
Величину випадкової помилки можна зменшити шляхом проведення багаторазових (3 - 5) вимірювань в одній точці. Похибка вимірювань визначається переважно випадковими помилками. Експериментальне визначення похибки вимірювань засноване на статистичній обробці багаторазових вимірювань в декількох точках і порівнянні результатів вимірювань з дійсною товщиною [2]. У загальному випадку похибка вимірів в машинобудуванні приймають рівною + (-) 0,2 мм при вимірюваної товщині Н до 20 мм і 0,01н при товщині більше 20 мм. Для подальшого зменшення похибки вимірювань слід:
- проводити вимірювання при відносно максимального до мінімального значення товщини не більше 2;
- використовувати для настройки два ступені СОП з матеріалу ОК: одну - з максимальною, другу - з мінімальної допустимої товщиною;
- робити настроювання приладу по точці ОК, в якій відомо точне значення товщини.
При цих умовах можна домогтися похибки вимірювань, що дорівнює дискретності показань приладу.
Похибка вимірювання товщини антикорозійного наплавлення пов'язана не з технічними параметрами приладу або технологічними особливостями процесу вимірювання, а з коливаннями положення зони сплаву в межах падаючого на неї пучка ультразвукових коливань, іншими словами - з технологією виконання самої наплавлення. Встановлена похибка вимірювань товщини антикорозійного наплавлення, виконаною стрічковими електродами, становить + (-) 1,0 мм [3].
Форма запису результату вимірів
Результат вимірювань повинен бути представлений у вигляді:
x. d від dн до d в; Р. де х. мм - номінальне значення результату вимірювання; dн. d в - нижній і верхній межі похибки вимірювання; Р - ймовірність, з якою похибка знаходиться в цих межах.
Приклад: 22,3 мм + (-) 0,2 мм; Р = 0,972.
Значення довірчої ймовірності допускається не вказувати, якщо Р = 0,95.
При оформленні результатів декількох вимірювань, виконаних в однакових умовах і мають однакові показники точності (d і Р), їх вказують один раз для всіх результатів вимірювань.
1. Єрмолов І. Н. Ланге Ю. В. Ультразвуковий контроль. - В кн. Неруйнівний контроль / Довідник // За заг. ред. В. В. Клюєва. Т. 3.
2. ОСТ 5Р.5550-85. Галузевий стандарт. Контроль неруйнівний. Напівфабрикати і вироби металеві. Ультразвуковий метод вимірювання товщини. - М. Изд-во стандартов, 1985.
4. РД РОСЕК-006-97. М. Машини вантажопідіймальні. Конструкції металеві. Товщина-метрія ультразвукова. Основні положення.
5. Альошин Н. П. та ін. Методи акустичного контролю металів. - М. Машинобудування, 1989. - 456 с.