Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ МЕТОД



Источники акустической эмиссии

При разрушении почти все материалы издают звук, т. е. испускают акустические волны, воспринимаемые на слух. Большинство конструкционных материалов начинают при нагружении испускать акустические колебания в ультразвуковой части спектра еще задолго до разрушения.

Под акустической эмиссией понимается возникновение в среде упругих волн, вызванных изменением ее состояния под действием внешних или внутренних факторов. Акустико-эмиссионный метод основан на анализе этих волн и является одним из пассивных методов акустического контроля. механизмом возбуждения акустической эмиссии (АЭ) является совокупность физических и (или) химических процессов, происходящих в объекте контроля. В зависимости от типа процесса АЭ разделяют на следующие виды:

· АЭ материала, вызываемая динамической локальной перестройкой его структуры;

· АЭ трения, вызываемая трением поверхностей твердых тел в местах приложения нагрузки и в соединениях, где имеет место податливость сопрягаемых элементов;

· АЭ утечки, вызванная результатом взаимодействия протекающей через течь жидкости или газа со стенками течи и окружающим воздухом;

· АЭ при химических или электрических реакциях, возникающих в результате протекания соответствующих реакций;

· магнитная и радиационная АЭ, возникающая соответственно при перемагничивании материалов или при взаимодействии с ним ионизирующего излучения;

· АЭ, вызываемая фазовыми превращениями в веществах и материалах.

Возможности регистрации ряда видов АЭ вследствие их малости, особенно АЭ, возникающих на молекулярном уровне, при движении дефектов кристаллической решетки, ограничивается чувствительностью аппаратуры, поэтому в практике АЭ контроля чаще используют первые три вида АЭ. При этом необходимо иметь в виду, что АЭ трения создает шум, приводит к образованию ложных дефектов и является одним из основных факторов, усложняющих применение АЭ метода. Кроме того, из АЭ первого вида регистрируются только наиболее сильные сигналы от развивающихся дефектов: при росте трещин и при пластическом деформировании материала.

Целью АЭ контроля является обнаружение, определение координат и слежение за источниками акустической эмиссии, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки объекта контроля, сварного соединения и изготовляемых частей и компонентов.

Виды сигналов АЭ

Регистрируемую промышленной серийной аппаратурой АЭ разделяют на непрерывную и дискретную. Непрерывная АЭ регистрируется как непрерывное волновое поле с большой частотой следования сигналов, а дискретная состоит из раздельных различимых импульсов с амплитудой, превышающей уровень шума. Непрерывная соответствует пластическому деформированию металла или истечению жидкости или газа через течи, дискретная ‑ скачкообразному росту трещин.

Размер источника излучения дискретной АЭ невелик и сопоставим с длиной излучаемых волн. При взаимодействии волн с поверхностью происходит их отражение и трансформация. Волны, распространяющиеся внутри объемов материала, быстро слабнут из-за затухания. Поверхностные волны затухают с расстоянием значительно меньше объемных, поэтому они преимущественно и регистрируются приемниками АЭ.

Регистрация сигнала от источника АЭ осуществляется одновременно с шумом постоянного или переменного уровня. Шумы являются одним из основных факторов, снижающих эффективность АЭ контроля. Ввиду разнообразия причин, вызывающих их появление, шумы классифицируются в зависимости от:

· механизма генерации - акустические и электромагнитные;

· вида сигнала шумов - импульсные и непрерывные;

· расположения источника - внешние и внутренние.

Основными источниками шумов при АЭ контроле объектов являются:

· разбрызгивание жидкости в емкости, сосуде или трубопроводе при его наполнении;

· гидродинамические турбулентные явления при высокой скорости нагружения;

· трение в точках контакта объекта с опорами или подвеской, а также в соединениях, обладающих податливостью;

· работа насосов, моторов и других механических устройств;

· действие электромагнитных наводок;

· воздействие окружающей среды (дождя, ветра и пр.);

· собственные тепловые шумы преобразователя АЭ и шум входных каскадов усилителя (предусилителя).

Для подавления шумов и выделения полезного сигнала обычно применяют два метода: амплитудный и частотный. Амплитудный заключается в установлении фиксированного или плавающего уровня дискриминационного порога ниже которого сигналы АЭ аппаратура не регистрирует. Фиксированный порог устанавливается при наличии шумов постоянного уровня, плавающий - переменного.

Частотный метод подавления шумов заключается в фильтрации сигнала, принимаемого приемниками АЭ, с помощью низко- и высокочастотных фильтров (ФНЧ/ФВЧ). В этом случае для настройки фильтров перед проведением контроля предварительно оценивают частоту и уровень соответствующих шумов.

Оценка результатов АЭ контроля.

После обработки принятых сигналов результаты контроля представляют в виде идентифицированных и классифицированных источников АЭ. Классификацию выполняют, используя следующие основные параметры АЭ сигналов:

· суммарный счет акустической эмиссии - число зарегистрированных импульсов АЭ выше установленного уровня дискриминации за интервал времени наблюдения;

· активность акустической эмиссии - число зарегистрированных импульсов АЭ за единицу времени;

· скорость счета акустической эмиссии - отношение суммарного счета акустической эмиссии к интервалу времени наблюдения;

· энергия акустической эмиссии - энергия, выделяемая источником АЭ и переносимая волнами, возникающими в материале;

· амплитуда сигналов акустической эмиссии, длительность импульса, время нарастания события АЭ.

Выявленные и идентифицированные источники АЭ рекомендуется разделять на четыре класса:

· первый - пассивный источник, регистрируемый для анализа динамики его развития;

· второй - активный источник, требующий дополнительного контроля с использованием других методов;

· третий - критически активный источник, требующий контроля за развитием ситуации и принятия мер по подготовке возможного сброса нагрузки;

· четвертый - катастрофически активный источник, требующий немедленного уменьшения нагрузки до нуля либо до величины, при которой активность источника снижается до уровня второго или третьего класса.

По критериям непрерывной АЭ, контролируемой обычно при течеискании, ситуация классифицируется следующим образом:

· класс 1 - отсутствие непрерывной АЭ;

· класс 4 - регистрация непрерывной АЭ.

Для возникновения эффекта АЭ необходимо высвобождение энергии. Закономерности излучения АЭ материала, вызываемые динамической локальной перестройкой его структуры, включая как пластическое деформирование, так и образование и рост трещин, исследуют при механическом растяжении соответствующих образцов.

Как правило, АЭ при пластической деформации является эмиссией непрерывного типа, имеющей вид непрерывного радиосигнала, сходного с шумовым.

Максимум активности АЭ в зоне площадки текучести объясняется массовым образованием и перемещением дефектов кристаллической решетки при переходе к пластической деформации и накоплении необратимых изменений структуры. Затем активность снижается из-за того, что движение вновь образующихся дислокаций ограничивается уже существующими.

Наибольшую опасность представляют трещиноподобные дефекты, развитие которых в большинстве случаев приводит к авариям и разрушениям конструкции. Образование и рост трещины происходят скачкообразно и сопровождаются различными раздельными импульсами соответствующей амплитуды. В материалах как с естественными трещинами, так и с искусственными надрезами происходит концентрация напряжений в вершине дефекта при нагружении объекта рабочими или испытательными нагрузками.

При положительной оценке технического состояния объекта по результатам АЭ контроля или отсутствии зарегистрированных источников АЭ применение дополнительных видов контроля не требуется. При обнаружении источников АЭ второго, третьего классов используют дополнительные виды неразрушающего контроля с целью оценки допустимости выявленных источников АЭ.

Аппаратура АЭ контроля

Структура аппаратуры АЭ контроля определяется следующими основными задачами: прием и идентификация сигналов АЭ, их усиление и обработка, определение значений параметров сигналов, фиксация результатов и выдача информации. Наибольшее распространение нашла многоканальная аппаратура, позволяющая наряду с параметрами АЭ определять координаты источников сигналов.

Преобразователь акустической эмиссии служит для преобразования упругих акустических колебаний в электрические сигналы. Наибольшее распространение нашли пьезоэлектрические ПАЭ, схема которых мало отличается от пьезопреобразователей (ПЭП), используемых при проведении ультразвукового контроля.

По конструкции различают следующие виды ПАЭ:

· однополюсный и дифференциальный;

· резонансный, широкополосный или полосовой;

· совмещенный с предусилителем или несовмещенный.

По уровню чувствительности ПАЭ разделяются на четыре класса (1-4-й), по частотным диапазонам - на низкочастотные (до 50 кГц), стандартные промышленные (50..200 кГц), спец-е промышленные (200..500 кГц) и высокочастотные (более 500 кГц).

В зависимости от амплитудно-частотной характеристики различают ПАЭ резонансные (полоса пропускания 0,2 , где - рабочая частота ПАЭ), полосовые (полоса пропускания 0,2..0,8 ) и широкополосные (полоса пропускания более 0,8 ).

Основное отличие ПАЭ от прямых ПЭП заключается в особенностях демпфирования, необходимого для гашения свободных собственных колебаний пьезопластины, а также в толщине самой пьезопластины. Тыльная сторона пьезопластины ПАЭ может оставаться свободной или частично или полностью задемпфированной.

Закрепление ПАЭ на поверхности объекта контроля осуществляется различными способами: с помощью клея, хомутами, струбцинами, магнитными держателями, с помощью стационарно установленных кронштейнов и т. п.

Преобразователь акустической эмиссии соединяется коротким кабелем с предварительным усилителем. Наряду с усилением предусилитель улучшает соотношение сигнал-шум при передаче сигнала по кабельной линии к блоку основной аппаратуры.

Фильтром устанавливают спектр пропускания частот. Фильтр настраивается таким образом, чтобы по возможности максимально отсечь шумы различных частот.

Основной усилитель предназначен для усиления ослабленного после прохождения по кабельной линии сигнала.

Для подавления электромагнитных помех весь канал, включая ПАЭ, предусилитель, основной блок и соединительные кабельные линии, экранируют. Часто используют также дифференциальный способ подавления электромагнитных помех, основанный на том, что пьезопластинку ПАЭ разрезают на две части и одну половинку переворачивают, меняя таким образом ее поляризацию. Далее сигналы от каждой половинки усиливают отдельно, изменяют фазу сигналов на одной из половинок складывают оба сигнала. В результате электромагнитные помехи оказываются в противофазе и подавляются.

При контроле линейного объекта достаточно иметь два ПАЭ; для планарных объектов, имеющих сопоставимые габаритные размеры и большую площадь поверхности - не менее трех ПАЭ.

Сигналы от источника АЭ типа трещины характеризуются тем, что их испускает один источник, они кратковременны, а время их поступления на ПАЭ отражает расстояние до трещины. Положение источника АЭ на плоскости находят методами триангуляции. По скорости распространения волны в материале и разности времен прихода сигнала на разные ПАЭ рассчитывают местоположение множества точек для источника АЭ, которые будут находиться на окружностях радиусами , и от соответствующих ПАЭ.

Метод АЭ позволяет контролировать всю поверхность объекта контроля. Для проведения контроля должен быть обеспечен непосредственный доступ к участкам поверхности объекта контроля для установки ПАЭ. При отсутствии такой возможности, например при проведении периодического или постоянного контроля подземных магистральных трубопроводов без освобождения их от грунта и изоляции, могут быть использованы волноводы, укрепленные постоянно на контролируемом объекте.

Точность локации должна быть не меньше величины, равной двум толщинам стенки или 5 % расстояния между ПАЭ в зависимости от того, какая величина больше. Погрешности вычисления координат определяются погрешностями измерения времени поступления сигнала на преобразователи. Источниками погрешностей являются:

· погрешность измерения временных интервалов;

· отличие реальных путей распространения от теоретически принятых;

· наличие анизотропии скорости распространения сигналов;

· изменение формы сигнала в результате распространения по конструкции;

· наложение по времени сигналов, а также действие нескольких источников;

· регистрация преобразователями волн различных типов;

· погрешность измерения (задания) скорости звука;

· погрешность задания координат ПАЭ и использование волноводов.

До нагружения объекта проверяют работоспособность аппаратуры и оценивают погрешность определения координат с помощью имитатора.

Рассмотренный выше метод определения местоположения источников АЭ, основанный на измерении разности времени прихода сигналов, может быть использован только для дискретной АЭ. В случае непрерывной АЭ определить время задержки сигналов становится невозможно. В этом случае координаты источника АЭ можно определить, используя так называемый амплитудный метод, основанный на измерении амплитуды сигнала разными ПАЭ. В практике диагностирования этот метод применяют для обнаружения течей через сквозные отверстия контролируемого изделия. Он заключается в построении столбчатой гистограммы амплитуды сигнала источника, принимаемого различными ПАЭ. Анализ такой гистограммы позволяет выявить зону расположения течи.

На каждый объект разрабатывается соответствующая технология контроля. Работы по АЭ контролю начинаются с установки ПАЭ на объект. Установка осуществляется непосредственно на зачищенную поверхность объекта либо должен быть использован соответствующий волновод. На линейном объекте в каждой группе используют по два ПАЭ. Размещение ПАЭ и количество антенных групп определяется конфигурацией объекта и оптимальным размещением ПАЭ, связанным с затуханием сигнала и точностью определения координат источника АЭ.

В зависимости от конфигурации объект делят на отдельные элементарные участки: линейные, плоские, цилиндрические, сферические. Для каждого участка выбирают соответствующую схему расположения преобразователей. Расстояние между ПАЭ выбирают таким образом, чтобы сигнал имитатора АЭ , расположенного в любом месте контролируемой зоны, обнаруживался минимальным количеством преобразователей.

После установки ПАЭ на контролируемый объект выполняют проверку работоспособности АЭ системы с помощью имитатора АЭ, расположенного на определенном расстоянии от каждого ПАЭ. Отклонение зарегистрированной амплитуды сигнала АЭ не должно превышать ± 3 дБ средней величины для всех каналов.

АЭ контроль технического состояния обследуемых объектов проводится только при создании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу источников АЭ. Для этого после выполнения подготовительных и настроечных работ объект подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т.д.

Максимальное значение внутреннего давления должно превышать разрешенное рабочее давление не менее чем на 5..10%.

Время выдержки при максимальном давлении зависит от толщины и типа стенки и составляет 5...60 мин.

При АЭ контроле резервуаров для хранения нефти, нефтепродуктов и других жидкостей используют максимальную величину нагрузки . Время их выдержки при максимально допустимом уровне заполнения должно быть не менее 2 ч.

Испытания объекта подразделяют на предварительные и рабочие.

Предварительные испытания имеют целью проверку работоспособности всей аппаратуры; уточнение уровня шумов и корректировку порога аппаратуры; опрессовку заглушек и сальниковых уплотнений; выявление источников акустического излучения, связанных с трением в точках подвески (крепления) объектов, опор, конструкционных элементов жесткости и пр. Предварительные испытания проводят при циклическом нагружении в диапазоне .

Рекомендуется нагружение при рабочем испытании проводить ступенями, с выдержками давления на уровне ; ; и . Время выдержки на промежуточных ступенях должно составлять не менее 10 мин. Нагружение объектов должно производиться плавно со скоростью, при которой не возникают интенсивные помехи Скорость подъема давления обычно составляет 0,1 МПа/мин. Полностью исключить влияние шумов, возникающих при работе насоса, создающего давление, позволяет регистрация сигналов AЭ при фиксированной нагрузке на каждой ступени нагружения. АЭ контроль резервуаров большого объема и хранилищ проводят в режиме мониторинга либо по специальной программе. В качестве нагружающей среды могут быть использованы вода, масло, рабочее тело объекта в виде жидких сред, а также газообразные среды. В случае проведения гидравлических испытаний подача нагружающей жидкости должна производиться через патрубок, расположенный в нижней части сосуда, ниже уровня жидкости, заполняющей сосуд.

Некоторые виды дефектов проявляют себя в период сброса давления. В процессе нагружения рекомендуется непрерывно наблюдать на экране монитора обзорную картину АЭ излучения испытуемого объекта. Испытания прекращаются досрочно в случаях, когда регистрируемый источник АЭ относится к четвертому классу. Объект должен быть разгружен, испытание либо прекращено, либо выяснен источник АЭ и оценена безопасность продолжения испытаний.

Особенностями метода АЭ контроля, определяющими его возможности и область применения, являются следующие:

· метод АЭ контроля обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности. При этом большие по размерам дефекты могут попасть в класс неопасных, что значительно снижает потери из-за перебраковки;

· чувствительность метода АЭ контроля весьма высока. Он позволяет выявить приращение трещины порядка долей миллиметра, что превышает чувствительность других методов;

· свойство интегральности метода АЭ контроля обеспечивает контроль всего объекта с использованием одного или нескольких преобразователей АЭ контроля, неподвижно установленных на поверхности объекта;

· метод АЭ контроля обеспечивает возможность проведения контроля объектов без удаления их гидро- или теплоизоляции. Достаточно вскрыть изоляцию только в местах установки преобразователей, что многократно снижает объем восстановительных работ;

· метод обеспечивает возможность проведения дистанционного контроля недоступных объектов, таких, как подземные и подводные трубопроводы и т.п.;

· метод позволяет проводить контроль различных технологических процессов и процессов изменения свойств и состояния материалов и имеет меньше ограничений, связанных с их свойствами и структурой;

· при контроле промышленных объектов метод во многих случаях обладает максимальным значением отношения эффективность/стоимость.

Существенным недостатком метода является сложность выделения полезного сигнала из помех, когда дефект мал. Вероятность выявления сигнала АЭ высока только при резком развитии дефекта, поэтому метод АЭ контроля рекомендуется применять в сочетании с другими методами неразрушающего контроля. Другим существенным недостатком метода наряду с высокой стоимостью аппаратуры является необходимость высокой квалификации оператора АЭ контроля.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.