Ультразвуковая дефектоскопия

Метод начали разрабатывать как методику оценки качества бе­тонных и железобетонных конструкций с начала 50-х годов специа­листы-строители (МИСИ, Н.Защук)

С середины 70-х годов им заинтересовались пожарные специалисты, как методом, потенциально пригодным для оценки степени термичес­ких поражений бетонных и железобетонных конструкций при пожаре и установления очага пожара (Н.Макагонов, М.Зайцев, Г.Павлов и др. Ленинградская СНИЛ ВНИИПО МВД СССР). По сути, это первый инструментальный метод выявления очаговых признаков в экспертизе пожаров.

Ультразвуковой импульсный метод исследования бетонных и железобетонных конструкций основан на измерении скорости прохождения ультраз­вуковых волн в поверхностном слое бетона. Прибор, который называется ультразвуковым дефектоскопом, имеет два выносных датчика. Первый дат­чик испускает ультразвуковые импульсы, другой принимает, при этом фик­сируется время, за которое ультразвуковая волна проходит расстояние между двумя датчиками, и рассчитывается ее скорость.

Скорость поверхностной ультразвуковой волны в ненагретом бетоне составляет около 2000-2500 м/сек. Разрушение бетона на пожаре приводит к последовательному ухудшению его акустических свойств (вспомним простукивание бетона и измене­ние тона звука, о котором шла речь выше). При этом скорость движения ультразвуковой волны последовательно снижается (см. рис.6.2.)

Рис.6.2. Зависимость относительной скорости поверхностных УЗ-волн от температуры и длительности нагрева бетона М-200.

Приборы для прозвучивания, так называемые "ультразвуковые дефектоскопы", выпускаются для исследования различных материалов – металлов и сплавов, бетонных и железобетонных конструкций. При исследовании по­жаров в настоящее время используются только дефектоскопы для бетонных и железобетонных конструкций типа УКБ, УК-10ПМ, УК-10ПМС, УК-14П, Бетон-12, Бетон-22. Кроме самого прибора, в его комплект входят так называемые электроа­кустические преобразователи (ЭАП, датчики) (рис.6.3.). Один из них является ис­точником ультразвуковых импульсов, другой - приемником. Для работы на пожаре должны иметь точечные контакты, не требующие смазки. Расстояние меж­ду датчиками (так называемая база прозвучивания) обычно сос­тавляет 60-100 мм. ЭАП полезно закрепить на специальной раздвижной штанге, чтобы на пожаре можно было легко дотянуться до потолка. Потолок в помещениях, сделанный из железобетонных плит перекрытия - самый распространенный объект исследования по данной методике. На по­жаре он, в отличие от стен, не загорожен мебелью и, как зеркало, от­ражает, фиксирует все, что происходит в комнате.

На месте пожара ультразвуковое исследование проводится обычно в следующем порядке:

- намечаются конструкции для обследования;

- составляется план конструкции (потолка, стены) в масштабе;

- на конструкции намечаются участки, в которых будет производиться прозвучивание. Обычно расстояние между участками (так называемый "шаг прозвучивания") составляет - 25-50-100 см. (в зависимости от размеров конструкции и конкретных обстоятельств).

Рис.6.3. Ультразвуковой дефектоскоп УК-10 ПМС.

(основной прибор и электроакустические преобразователи).

Далее включается дефектоскоп, шаблон с датчиками прижимается к конструкции на первом намеченном участке и производится измерение времени прохождения ультразвукового импульса от датчи­ка к датчику (в микросекундах) или скорость импульса. Измерение обычно производится в двух перпендикулярных направлениях и учитывается больший результат (t, мкс). Делается это из-за того, что наличие в конструкции железной арматуры, если она расположена по направлению движения ультразвуковой волны, увеличивает скорость последней; проводя измерение в двух перпендикулярных направлениях и, выбирая большее время прохождения импульса (или, соответственно, меньшую скорость) мы тем самым исключаем влияние арматуры на результат измерений.

Результаты измерений на всех намеченных участках - значения t или относительной скорости прохождения ультразвуковых волн Cr/Co, рассчитанной как отношение скорости на данном участке (Cr) к скорости в зоне, не подвергшейся нагреву (Co), наносятся на план обследуемой конструк­ции. На плане выделяются зоны с Cr/Co = 1,0-0,9; 0,9-0,8; 0,8-0,7 и т.д., либо зоны с различными значениями t. Это и будут зоны термичес­ких поражений исследованной конструкции. Зона наибольших термических поражений будет соответствовать зоне наибольших значений τ или наи­меньших значений Cr/Co.

Полученные данные по распределению зон термических поражений обязательно сопоставляются с распределением пожарной нагрузки и исполь­зуются в поисках очага пожара.

В качестве примера рассмотрим пожар, который произошел в девятиэтажном кирпичном жилом доме с железобетонными перекрытиями. Пожар слу­чился на третьем этаже в одной из комнат размером 4,0х2,8 м. трехкомнатной квартиры. Причина пожара - зароненный в шкаф огонь. В результа­те выгорело белье на деревянных полках, прогорели дверцы шкафа, и огонь распространился на комнату. Через неплотности в стене огонь вышел в соседнюю комнату, где загорелся платяной шкаф (рис.6.4).

Перекрытия прозвучивали через 15 дней после пожара. Шаг прозвучивания - 50 см.

Как видно из рисунка, - зона наибольших термических поражений бетона наблюдается вблизи встроенного шкафа. Внутри шкафа потолок был экранирован полками с бельем, поэтому температура там (на потолке), судя по скорости ультразвука, не превышала 100 ⁰С.

Рассмотренный выше ультразвуковой метод исследования после пожара бетонных и железобетонных конструкций имеет как свои явные положительные стороны, так и недостатки.

Преимущества метода:

а) это один из немногих инструментальных методов, применяемых непосредственно на месте пожара (полевой метод);

б) это метод достаточно быстрый и нетрудоемкий;

в) нет ограничений по времени применения - прозвучивать можно и через неделю, и через месяц после пожара. Термические поражения сохраняются. Даже произведенный ремонт (побелка потолка) не мешают последу­ющему ультразвуковому исследованию.

Рис.6.4. План места пожара

1 – секретер, 2 – стол, 3 – кресло, 4 – встроенные шкафы,
5 – шкаф, 6 – диван, 7 – стол, 8 – мебельная стенка.

Недостатки метода:

а) ультразвуковой метод выявления зон термических поражений - метод сравнительный (мы сравниваем акустические характеристики различных участков бетонной конструкции), поэтому исследуемые бетонные и железобетонные изделия должны быть с относительно равномерными исходными акустическими свойствами; таковыми же являются, как правило, только качественные бетонные и железобетонные изделия заводского производства.

б) нельзя проводить измерения в зонах значительных разрушений бетона, где температура превысила 700-800 ⁰С и где бетон рассыпается и отслаивается. А именно эти зоны часто оказываются наиболее интересными.