Файл: Учебнометодическое пособие к лабораторной работе по дисциплине Диагностика технического состояния объектов нефтяных и газовых промыслов.pdf

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА
С.С. Пекин, А.И. Ходырев, И.С. Куликова
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ
Москва, 2019

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА
Кафедра машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности
С.С. Пекин, А.И. Ходырев, И.С. Куликова
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТОЛЩИНОМЕТРИЯ
Учебно-методическое пособие к лабораторной работе по дисциплине «Диагностика технического состояния объектов нефтяных и газовых промыслов» для студентов, обучающихся по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование»
Москва, 2019

УДК 620.179.16
Пекин С. С., Ходырев А. И., Куликова И.С. Ультразвуковая толщинометрия.
Учебно-методическое пособие к лабораторной работе по дисциплине
«Диагностика технического состояния объектов нефтяных и газовых промыслов» для студентов, обучающихся по направлению 151000
«Технологические машины и оборудование» - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2019. – 28 с.
Освещены вопросы применения ультразвукового метода диагностики для определения толщины стенки изделия. Рассмотрены теоретические основы метода, приведено описание работы прибора ультразвукового толщиномера марки А1209, описан порядок проведения лабораторной работы. Представлены материалы справочного характера.
Рекомендуется для студентов и преподавателей технических вузов при проведении лабораторных работ по дисциплине «Диагностика технического состояния объектов нефтяных и газовых промыслов».
© Пекин С.С., Ходырев А.И.,
Куликова И.С., 2019
© Издательский центр РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2019

4
ОГЛАВЛЕНИЕ
Цели и задачи ....................................................................................................... 5
Приборы и оборудование ................................................................................... 5
Теоретические основы определения толщины изделия .................................. 5
Описание ультразвукового толщиномера А1209........................................... 12
Порядок проведения работы толщиномером ................................................. 18
Порядок выполнения лабораторной работы .................................................. 23
Требования к отчету по работе ........................................................................ 25
Контрольные вопросы ...................................................................................... 25
Список литературы ........................................................................................... 26
Приложение 1. Скорость распространения ультразвуковых волн ............... 27
Приложение 2. Погрешности штангенциркулей ........................................... 28

5
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Цель работы - ознакомление с методикой измерения толщины образцов из различных материалов (сталь, алюминий, стеклопластик и др.) и изучение основ работы с ультразвуковым толщиномером
Задачи работы
1.Ознакомление с теоретическими основами ультразвуковой толщинометрии.
2. Изучение принципа работы ультразвукового толщиномера А1209.
3. Проведение замеров толщины образцов из разных материалов ультразвуковым толщиномером А 1209.
4. Сопоставление результатов замеров толщины образов, полученных с помощью ультразвукового толщиномера А1209, с результатами замеров толщины образцов, полученных с помощью штангенциркуля. Расчет абсолютной и относительной погрешности измерений.
ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Штангенциркуль, ультразвуковой толщиномер А1209, линейка, раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь, контактная жидкость (масло).
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ИЗДЕЛИЯ
Толщинометрия– это процесс измерения толщины и целостности материала при помощи специального аппарата – толщиномера. Работа данного прибора основывается на отражении ультразвукового импульса от противоположной поверхности объекта контроля.
Достоинством толщинометрии является высокая точность измерения без разрушения обследуемого объекта.
Различают следующие задачи при измерении толщины:

6
• ручной контроль изделий с гладкими равноотстоящими поверхностями, например, изделий после их изготовления;
• ручной контроль изделий с грубыми непараллельными поверхностями, например изделий, внутренняя поверхность которых поражена коррозией;
• автоматический контроль в потоке (обычно труб, листов).
Ультразвуковой контроль относится к акустическим методам контроля и заключается в использовании упругих колебаний и волн с частотами 0,5 … 25 МГц. Ультразвуковые толщиномеры измеряют время, которое затрачивает ультразвуковой импульс на прохождение до противоположной поверхности объекта контроля, отражение от нее и возвращение на преобразователь. Для проведения таких измерений доступ к противоположной поверхности объекта контроля не требуется.
Благодаря этому, если противоположная поверхность объекта контроля является труднодоступной или полностью недоступной, то нет необходимости разрезать объект контроля, в отличие от измерения толщины с использованием микрометра или штангенциркуля. С помощью ультразвуковых толщиномеров может быть измерена толщина изделий из различных конструкционных материалов, таких как металлы, пластики, керамика, композиты, эпоксидная смола и стекло, а также толщина слоя жидкости или биологических образцов.
Так как ультразвук плохо передается через воздух, между преобразователем и поверхностью объекта контроля наносится небольшое количество контактной жидкости. Обычно для этого применяется глицерин, пропиленгликоль, вода или масло.
ГОСТ Р ИСО 16809-2015 [3] устанавливает следующие режимы измерения толщины эхо-импульсным ультразвуковым толщиномером
(рисунок 1).

7
Рисунок 1 – Режимы измерения [3]:
А - передающий/принимающий преобразователь; А
1
- передающий преобразователь; А
2
- принимающий преобразователь; А
3
- раздельно- совмещенный преобразователь; В - испытуемый объект; С - время прохождения акустического пути; D - отметка импульса передачи; Е
1
– Е
3
- донные эхо-сигналы; F - эхо-сигнал от границы раздела; G - задержка; Н - принятый импульс

8
Режим 1. Измерение времени прохождения от начального импульса возбуждения до первого эхо-сигнала, минус коррекция нуля для учета толщины протектора преобразователя, компенсации износа и слоя контактной среды (режим однократного эхо-сигнала).
Режим 2. Измерение времени прохождения от конца линии задержки до первого донного эхо-сигнала (режим однократного эхо- сигнала линии задержки).
Режим 3. Измерение времени прохождения между донными эхо- сигналами (многократные эхо-сигналы).
Режим 4. Измерение времени прохождения импульса от излучателя до приемника в контакте с донной поверхностью (теневой метод).
Если необходимо измерить материал с сильным затуханием и большой толщиной, то нельзя использовать эхо-метод, т.е. применим только теневой метод (режим 4).
Необходимо использовать два преобразователя с противоположных сторон испытуемого объекта. Следовательно, прибор должен обеспечивать работу с отдельными излучателем и приемником. В большинстве случаев частота должна быть ниже 1 МГц. Необходимо использовать специальные низкочастотные приборы из 5.1 с) с низкочастотными преобразователями
[3].
Для проведения измерений может потребоваться настройка параметра, называемого временем задержки, необходимая для компенсации времени аппаратной задержки импульса в самом толщиномере и преобразователе. Полученный временной интервал толщиномер делит на два, получая время прохождения ультразвука в одну сторону. Это значение умножается на скорость распространения ультразвука в данном материале. Таким образом, рассчитывается толщина объекта контроля.

9
В случае, когда измерение выполняют в контактном варианте, по первому донному сигналу толщину h определяют согласно формуле:
(
)
,
2
з
c t
t
h
 −
=
где c – скорость распространения ультразвука в материале объекта, которая считается известной или она учитывается при настройке; t – измеряемое при контроле время прохождения ультразвукового импульса от пьезоэлемента излучающего преобразователя до дна образца и затем к приемнику; t
з
– время прохождения импульса в прямом и обратном направлениях через акустические задержки: призмы или протекторы плюс через слой контактной жидкости. Это время обычно учитывают при настройке толщиномера путем введения задержки начала отсчета времени.
При любом измерении толщины выбор толщиномера и преобразователя зависит от материала, из которого выполнен объектконтроля, диапазона измеряемой толщины и требуемой точности измерений. Кроме этого, необходимо учитывать форму объекта контроля, его температуру и другие специальные условия.
Так, в зависимости от толщины материала, следует использовать частоты от 100 кГц при прохождении через материалы с сильным затуханием до 50 МГц для тонких металлических листов [3].
С повышением температуры скорость распространения звука падает в большинстве металлов и пластмасс, в то время как в стекле и керамике наблюдают ее увеличение.
Влияние температуры на скорость распространения звука в металлах обычно незначительное. Скорость продольных волн (волн сжатия) в большинстве сталей уменьшается приблизительно на 0,8 м/с на каждый градус.

10
Влияние температуры на пластмассы значительно.
Для полиакрилата, который обычно используют в призмах или протекторах, коэффициент равен 2,5 м/(с∙К). В этом случае применяют временную компенсацию (компенсацию "нуля").
Противоположные стенки испытуемого объекта (детали) должны быть параллельными в пределах ±10°, в противном случае измерение будет трудно выполнить, или оно будет ошибочным. Это обусловлено деформацией или отсутствием донных эхо-сигналов из-за "пространственного интегрирования".
На объектах с криволинейной поверхностью диаметр участка контакта преобразователя должен быть значительно меньше диаметра испытуемого объекта.
Точное измерение зависит от однородности материала по его толщине. Локальные или общие изменения состава приводят к изменениям скорости по сравнению со скоростью распространения звука в материале настроечных образцов и, следовательно, к последующим погрешностям измерения.
Чистота испытуемого объекта влияет на измерение толщины.
Недостаточная подготовка поверхности может привести к несостоятельным результатам.
Шероховатость искажает (завышает) оценку толщины и изменяет коэффициент отражения и пропускания на границе раздела.
При сканировании неровной поверхности с помощью контактного преобразователя приходится использовать толстый слой контактной среды. Это может привести к искажению пучка.
При наличии сильной шероховатости акустический путь увеличивается, а контактная поверхность уменьшается. С уменьшением толщины погрешность измерения возрастает.

11
При наличии металлического покрытия можно наблюдать кажущееся увеличение толщины материала (или даже кажущееся уменьшение в случае термообработанного материала).
При измерении через покрытие будут возникать погрешности из-за различных скоростей распространения звука в покрытии и испытуемом объекте.
Возможно также, что будет трудно получить требуемое измерение, если материал покрытия подобен по акустическим свойствам материалу испытуемого объекта или имеет значительную толщину по сравнению с толщиной испытуемого объекта.
Кованые или катаные металлы обычно характеризуются слабым затуханием и постоянной, четко определенной скоростью распространения звука. Эти материалы легко измерить с помощью стандартных процедур.
Состав материала, в том числе легирующие элементы и примеси, а также процесс его изготовления влияет на зернистую структуру, ориентацию зерен и, следовательно, на однородность.
Это может вызвать локальные изменения скорости распространения звука и затухания в материале, приводя к ошибочным измерениям или, в крайних случаях, к потере показаний.
В анизотропных материалах скорость распространения звука неодинакова в различных плоскостях, а структура может вызвать изменения в направлениях пучка. Это приведет к ошибочным показаниям.
Примерами таких материалов являются катаные или прессованные выдавливанием материалы, в частности аустенитная сталь, медь и ее сплавы, свинец, а также все пластмассы, армированные стекловолокном.
Чтобы свести к минимуму риск ошибок, настройку прибора выполняют в той же плоскости, что и при измерении.
Акустическое затухание может быть вызвано потерей энергии вследствие поглощения (например, резиной) и рассеянием (например, на

12 крупных зернах). Этот эффект может привести к уменьшению амплитуды сигнала или искажению сигнала.
Отливки обычно имеют затухание за счет поглощения и рассеяния, что приводит к потере показаний или ошибочным показаниям.
Сильное затухание наблюдается в пластмассах.
Настройка ультразвукового толщиномера на правильную скорость ультразвука в материале, из которого выполнен объект контроля, является очень важной. Для этого используются опорные образцы известной толщины.
ОПИСАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ТОЛЩИНОМЕРА А1209
Назначение и область применения
Ультразвуковой толщиномер А1209 предназначен для измерений толщины стенок труб (включая изгибы), котлов, баллонов, сосудов, работающих под давлением, обшивок и других изделий из черных и цветных металлов, с гладкими или грубыми и корродированными поверхностями, а также изделий из пластмасс и других материалов с высоким затуханием ультразвука при одностороннем доступе к поверхности этих изделий.
Прибор может применяться в лабораторных, полевых, цеховых условиях в различных отраслях промышленности при обязательной предварительной подготовке поверхности и использовании контактной смазки, которой могут служить различные масла, вода, глицерин, специальные контактные жидкости и гели для ультразвукового контроля.
Условия эксплуатации
Прибор предназначен для эксплуатации при следующих условиях окружающей среды:
• температура от - 20 до + 50°С;
• относительнаявлажностьвоздухадо85 %при температуре +25 °С.

13
Таблица 1–Технические характеристикиультразвукового толщиномера
А1209
Наименование параметра
Значение
Диапазон измерений толщины (постали) преобразователем D1771 4.0A0D12CL, мм
0,7 – 300,0
Основная погрешность измерений толщины Х, мм, не более: при толщинах от 0,7 до 3,0 мм
±(0,01Х+0,1)
Продолжение таблицы 1
Наименование параметра
Значение при толщинах от 3,01 до 99,99 мм
±(0,01Х+0,05) при толщинах от 100,0 до 300,0 мм
±(0,01Х+0,1)
Дискретность индикации толщины, мм: при толщинах до 99,99 мм
0,01; 0,1 при толщинах от 100,0 мм
0,1
Диапазон настроек скоростей ультразвука, м/с
1 000 – 19 999
Номинальное напряжение питания, В
3,7
Продолжительность работы от аккумулятора, ч, не менее
9
Габаритные размеры электронного блока, мм
157×70×23
Масса электронного блока, г, не более
250
Средняя наработка на отказ, ч
35 000
Установленный срок службы, лет
5 при толщинах от 0,7 до 3,0 мм
±(0,01Х+0,1) при толщинах от 3,01 до 99,99 мм
±(0,01Х+0,05) при толщинах от 100,0 до 300,0 мм
±(0,01Х+0,1)
Дополнительная погрешность при измерениях изделий с шероховатостью поверхности Rz=160, мм, не более
± 0,1
Дискретность индикации толщины, мм: при толщинах до 99,99 мм
0,01; 0,1 при толщинах от 100,0 мм
0,1
Диапазон настроек скоростей ультразвука, м/с
1 000 – 19 999
Номинальное напряжение питания, В
3,7
Продолжительность работы от аккумулятора, ч, не менее
9
Габаритные размеры электронного блока, мм
157×70×23
Масса электронного блока, г, не более
250
Средняя наработка на отказ, ч
35 000
Установленный срок службы, лет
5
Устройство прибора
Толщиномер представляет собой электронный блок (рисунок 2), к которому с помощью кабелей подключаются сменные пьезоэлектрические преобразователи.
В верхней части лицевой панели электронного блока расположен цветной TFT дисплей, на котором отображаются результаты измерений и служебная информация, необходимая для управления толщиномером.
Дисплей обеспечивает полный визуальный контроль процесса измерений при помощи цветовой индикации.