Ультразвуковое обследование зданий и конструкций

Два разных ультразвука в обследовании здания

Под «ультразвуковым обследованием» на практике скрываются две несмежные задачи, и путать их дорого.

Прочность бетона. Метод установлен ГОСТ 17624-2021 «Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности» и распространяется на конструкционные тяжёлые, мелкозернистые, лёгкие и самонапрягающие бетоны монолитных, сборных и сборно-монолитных изделий, конструкций и сооружений. Прибор измеряет скорость прохождения ультразвукового импульса, а прочность получается пересчётом.

Дефекты и толщина металла. Здесь ультразвук работает как дефектоскопия сварных соединений и толщинометрия: ищет несплошности в швах и измеряет, сколько металла осталось в стенке трубы, резервуара или элемента каркаса.

Физика общая — распространение упругих колебаний в материале и их отражение от границ и неоднородностей. Приборы, методики, протоколы и квалификация оператора — разные. В программе обследования эти работы планируются отдельно.

Прочность бетона: цифра стоит ровно столько, сколько её привязка

Ключевой момент, на котором «горят» отчёты, сделанные наспех: ультразвуковой прибор измеряет не прочность, а скорость ультразвука. Перевод скорости в мегапаскали выполняется по градуировочной зависимости, и она обязана быть привязана к конкретному бетону конструкции.

ГОСТ 17624-2021 предусматривает для этого прямые способы: параллельные испытания одних и тех же участков конструкции ультразвуковым методом и отрывом со скалыванием по ГОСТ 22690; ультразвуком и испытанием кернов, отобранных из этих же участков и испытанных по ГОСТ 28570; ультразвуком и испытанием стандартных образцов по ГОСТ 10180. Контроль ведётся сквозным прозвучиванием — когда датчики устанавливаются на противоположные грани элемента — или поверхностным, когда доступ есть только с одной стороны.

Отсюда практический порядок работ: сначала выбираются участки для параллельных испытаний и строится зависимость, потом ультразвуком закрывается весь объём конструкций. Такой подход даёт сплошной контроль при минимуме вскрытий: локальные отрывы со скалыванием или отбор кернов выполняются на единичных участках, остальное — неразрушающе. Заявленная без этой привязки прочность в экспертизе не защищается — и это самая частая причина, по которой отчёт возвращают на доработку.

Что именно требует ГОСТ 17624-2021

Общий принцип «нужна градуировочная зависимость» знают все. Отчёты возвращают из-за конкретных требований стандарта, которые в них не выполнены.

Число участков. При построении зависимости по результатам испытаний прочности бетона в конструкциях число единичных значений следует принимать не менее 12 (п. 6.2.2), причём участки выбирают так, чтобы среди них были с максимальным, минимальным и промежуточными значениями косвенного показателя (п. 6.2.3). Если зависимость строится по контрольным образцам — используют не менее 15 серий образцов-кубов по ГОСТ 10180 или не менее 30 отдельных образцов-кубов, изготовленных в разные смены в течение не менее 3 суток из бетона одного номинального состава при том же режиме твердения, что и контролируемая конструкция (п. 6.3.2). После отбраковки выпадающих результатов участков должно остаться не менее 12 (п. Б.2).

Качество зависимости. Стандарт прямо запрещает использовать зависимости, у которых остаточное среднеквадратическое отклонение превышает 15 %, а коэффициент корреляции меньше 0,7 (п. 6.1.5). Зависимость линейная, вида R = a·V + b. Одну зависимость допускается применять для бетонов одного вида, различающихся составом и нормируемой прочностью, но не более чем на три соседних нормированных класса основного параметрического ряда по ГОСТ 26633 — и промежуточные классы В22,5 и В27,5 в число соседних не входят (п. 6.1.4). Корректировать зависимость следует не реже одного раза в месяц, добавляя не менее трёх новых результатов (пп. 6.1.8, Б.4).

Способ прозвучивания. Здесь распространено заблуждение, что сквозное прозвучивание «точнее и лучше». Стандарт говорит иначе: определение прочности бетона монолитных конструкций проводят, как правило, способом поверхностного прозвучивания, а сквозное допускается при возможности измерить базу прозвучивания с нужной точностью (п. 4.2). Монолитные конструкции, а также сборные, для которых сквозное прозвучивание затруднено — плоские, ребристые и многопустотные панели перекрытий, стеновые панели, трубы, — испытывают поверхностным способом (п. 7.3). Наборы способов построения зависимости у них тоже разные: для поверхностного прозвучивания допустимы отрыв со скалыванием по ГОСТ 22690, образцы-керны по ГОСТ 28570 и стандартные образцы по ГОСТ 10180, а для сквозного отрыв со скалыванием в перечне отсутствует — только керны и стандартные образцы (пп. 6.1.2, 6.1.3).

Границы применимости результата. Прочность на участке определяют по градуировочной зависимости только при условии, что измеренное значение косвенного показателя находится между наименьшим и наибольшим значениями, полученными при её построении (п. 7.7). Иными словами, экстраполяция за пределы диапазона запрещена: если скорость на участке вышла за границы, зависимость нужно достраивать, а не «дотягивать» формулой. Прибор, градуированный сразу в единицах прочности, использовать для непосредственного определения прочности не допускается — его показания рассматривают как косвенный показатель (п. 5.6). А если применяется не построенная заново, а привязанная ранее установленная зависимость, статистический контроль не допускается вовсе: класс бетона оценивают по схеме Г ГОСТ 18105-2018 (п. 7.8).

Условия испытаний. Прочность определяют на участках, не имеющих видимых повреждений — отслоений защитного слоя, трещин, каверн (п. 4.9). Приборы при построении зависимости и при контроле должны быть одной марки одного производителя и работать с одинаковой базой прозвучивания (пп. 4.4, 7.4). Градуировочные зависимости, установленные при температуре бетона ниже 0 °C, не допускается применять при положительных температурах (п. 4.7). Возраст бетона контролируемого участка должен быть близок к возрасту, при котором строилась зависимость; при возрасте участка два месяца и более это условие допускается не учитывать (пп. 4.5, 4.6).

База, поверхность, арматура: разметка точек — половина результата

База прозвучивания — наименьшее расстояние между излучателем и приёмником — задана числами. При поверхностном прозвучивании база прибора должна быть не менее 120 мм и оставаться постоянной и при построении зависимости, и при испытаниях (пп. 5.4, 6.3.4). База сквозного прозвучивания — не менее 100 мм; снизить её до 70 мм допускается только при контроле мелкозернистых бетонов и бетона на ранних стадиях твердения, когда скорость ультразвука менее 2000 м/с (п. 6.3.4). Относительная погрешность измерения самой базы не должна превышать 0,5 % (п. 6.3.8) — отсюда и оговорка стандарта, что сквозное прозвучивание применимо, когда базу вообще есть чем корректно измерить.

Требования к площадке контакта столь же конкретны: в зоне контакта преобразователей с бетоном не должно быть раковин и воздушных пор глубиной более 3 мм и диаметром более 6 мм, а также выступов более 0,5 мм; поверхность должна быть очищена от пыли (п. 6.3.7). Отклонение отдельного результата измерения от среднего арифметического по образцу не должно превышать 2 % — результаты, не удовлетворяющие условию, в среднее не включают, а при двух таких образцах в серии результаты серии бракуют (п. 6.3.6); то же требование действует и при поверхностном прозвучивании конструкций (п. 7.7). Если в работе несколько однотипных приборов, их показания перед установлением зависимости тарируют на одном эталоне так, чтобы расхождение не превышало 0,5 % (п. 5.3).

Арматура — отдельная тема, и стандарт описывает её процедурно. На каждом участке сначала определяют положение арматуры, и только затем выполняют не менее двух измерений косвенного показателя в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Прозвучивание проводят под углом около 45° к арматурным стержням, параллельно или перпендикулярно им, а при прозвучивании параллельно арматуре линию прозвучивания располагают между стержнями (п. 6.2.3). При сквозном прозвучивании измерение ведут в направлении, перпендикулярном рабочей арматуре (п. 7.6). Практический вывод простой: разметка точек ультразвукового контроля выполняется после того, как схема армирования определена электромагнитным методом, а не до того.

Металл: сварные швы и остаточная толщина

Методы ультразвукового контроля сварных соединений установлены ГОСТ Р 55724-2013: контролируются стыковые, угловые, нахлёсточные и тавровые соединения с полным проваром корня шва, выполненные различными видами сварки, а выявляются трещины, непровары, поры, неметаллические и металлические включения. Для существующего здания это единственный способ проверить швы стального каркаса, ферм, балок и закладных деталей, не разрушая конструкцию и не разворачивая радиационное просвечивание.

Толщинометрия отвечает на другой вопрос — сколько металла осталось. ГОСТ Р 55614-2013 распространяется на ультразвуковые толщиномеры для измерения толщин от 0,1 до 1000 мм в материалах со скоростью распространения колебаний от 1500 до 12000 м/с; применяемые нами приборы перекрывают диапазон 0,08–635 мм. Задача типовая для трубопроводов, резервуаров, металлических опор и элементов, потерявших сечение из-за коррозии: фактическая толщина стенки подставляется в поверочный расчёт несущей способности, и именно она определяет, подлежит элемент усилению, замене или остаётся в работе.

Контроль ведётся по сетке точек: не более двух-трёх секунд на точку, значение сразу выводится на экран. За смену один специалист закрывает сотни точек — поэтому метод и применяют там, где нужен сплошной, а не выборочный контроль.

Четыре уровня чувствительности и подготовка шва

У ультразвукового контроля сварных соединений есть терминология, за которой стоит порядок работы. Распространённая неточность — говорить о трёх уровнях чувствительности; на деле п. 9.4 ГОСТ Р 55724-2013 называет четыре: «опорный уровень; контрольный уровень; браковочный уровень; поисковый уровень», и «количественная разница между уровнями чувствительности должна быть регламентирована технологической документацией на контроль». Опорный — это точка отсчёта: уровень чувствительности, при котором опорный сигнал имеет заданную высоту на экране дефектоскопа (п. 3.1.24); именно от него, а не от абстрактного нуля, в децибелах отсчитываются остальные три. Поисковый — тот, на котором ведут поиск несплошностей; контрольный, он же уровень фиксации, — при котором несплошности регистрируют и оценивают их допустимость по условным размерам и количеству; браковочный — при котором принимается решение об отнесении выявленной несплошности к классу «дефект». Протокол, где указан один уровень «чувствительность прибора», а не эта четвёрка, к нормативному контролю отношения не имеет.

Сама браковка тоже сформулирована стандартом без места для трактовки: не соответствуют требованиям УЗК сварные соединения, в которых измеренное значение хотя бы одной характеристики выявленного дефекта больше браковочного значения этой характеристики, заданного в технологической документации (п. 10.6). То есть решение принимается по цифре из технологической документации на контроль, а не по субъективному впечатлению дефектоскописта.

Подготовка соединения к контролю тоже нормирована. Шов подготавливают к контролю при отсутствии в соединении наружных дефектов, а форма и размеры околошовной зоны должны позволять перемещать преобразователь в пределах, обусловленных степенью контролепригодности соединения (п. 8.1). Поверхность, по которой перемещают преобразователь, не должна иметь вмятин и неровностей; с неё удаляют брызги металла, отслаивающиеся окалину и краску, загрязнения, а при механической обработке, предусмотренной технологическим процессом, шероховатость должна быть не хуже Rz 40 мкм по ГОСТ 2789 (п. 8.2). Соединение маркируют и разделяют на участки так, чтобы однозначно устанавливать место расположения дефекта по длине шва (п. 8.4), а трубы и резервуары перед контролем отражённым лучом освобождают от жидкости (п. 8.5).

Настраивают и проверяют перед работой девять основных параметров: частоту ультразвуковых колебаний, чувствительность, положение точки выхода луча (стрелу) преобразователя, угол ввода луча в металл, погрешность измерения координат или погрешность глубиномера, мёртвую зону, разрешающую способность, угол раскрытия диаграммы направленности в плоскости падения волны и шаг сканирования (п. 8.6). Всё это, включая требования к квалификации персонала, выполняющего контроль и оценку качества, должно быть прописано в технологической документации на контроль (п. 5.6) — то есть до выезда на объект, а не по ходу дела.

Трещины: не только ширина, но и глубина

Раскрытие трещины меряется линейкой или микроскопом, а вот её глубина без вскрытия видна только приборно. Ультразвуковой импульс огибает трещину, и по увеличению времени прохождения сигнала при разных базах прозвучивания оценивается глубина. Разница принципиальная для решения по конструкции: поверхностная усадочная трещина и трещина, дошедшая до арматуры и открывшая ей доступ влаги, внешне могут выглядеть одинаково, но означают разное — от косметической заделки до усиления элемента.

Ограничения: где ультразвук не даст ответа

Метод не универсален, и честнее знать его границы заранее:

• дефектоскопия по бетону не применяется — структура материала неоднородна, и отражения от заполнителя не позволяют трактовать сигнал как дефект; по бетону ультразвук работает на прочность и глубину трещин;
• дерево, бумага, пенопласт — не контролируются ультразвуком; состояние древесины оценивается визуально-инструментально и микологическим обследованием;
• качество контакта решает всё — нужна зачищенная площадка и контактная среда между преобразователем и поверхностью; сильная шероховатость, раковины, наплывы и отделочные слои с воздушными полостями искажают результат;
• при контроле бетона попадание арматуры на линию прозвучивания и повышенная влажность материала смещают результат, поэтому точки контроля размечаются с учётом армирования, а расположение стержней определяется электромагнитным методом;
• сплошность железобетона на всю толщину массивных элементов надёжнее оценивать радиационным просвечиванием.

Поэтому в программе обследования ультразвуковой контроль почти всегда сочетается с другими методами обследования: механическими методами контроля прочности, электромагнитным определением защитного слоя и армирования, вскрытиями на единичных участках.

Что получает заказчик

Протокол ультразвукового контроля с цифровым значением по каждой точке, схему расположения точек на конструкции, перечень применённых приборов со сведениями о поверке, а для бетона — принятую градуировочную зависимость. Протоколы входят в технический отчёт по обследованию как доказательная часть выводов о состоянии конструкций: именно на них опираются оценка категории технического состояния, поверочные расчёты и решения по усилению.