Организации проводящие акустической эмиссией в татарии. Метод акустической эмиссии для диагностики сосудов давления на нефтеперерабатывающем заводе. Требования безопасности при выполнении контроля

Неразрушающий контроль (НК) - технологический контроль надежности параметров объета или его элементов. При его проведении исследуемый объект не выводится из работы, не демонтируется.

Неразрушающий контроль применяется для диагностики зданий и сооружений, а также для сложного технологического оборудования. Технология неразрушающего контроля безопасна и является важнейшим элементом экспертизы промышленной безопасности. Благодаря неразрушающему контролю обеспечивается техническая безопасность на любых объектах.

Метод Акустико-эмиссионного контроля

Акустико-эмиссионный метод (АЭ) - основан на явлении, называемом акустической эмиссией. При возникновении и распространении акустических волн при деформации напряжённого материала или истечении газов и других процессах возникают упругие колебания акустических волн, данные которых используются для определения образования дефектов на начальной стадии разрушения конструкции. Благодаря движению среды возможно использование АЭ для дигностики процессов и материалов, таких как критерий целостности материала.
Метод акустико-эмиссионного неразрушающего контроля — это контроль технического состояния объектов обследования. Основан он на принципах излучения и регистрации волн напряжений в материале, который подвергается нагрузке силой, давлением, температурой и тп. Выбор вида нагрузки определяется условиями работы обследуемого объекта, его конструкцией, характером испытаний.

Применение
Данный метод применим во время изготовления объектов контроля, в процессе их производственных испытаний, при техническом освидетельствовании, а также, непосредственно, в процессе экплуатации.

Зачем нужен метод АЭ контроля?

Цель акустико-эмиссионного НК — обнаружить, определить координаты и отследить источники акустической эмиссии, которые связанны с несплошностями на поверхности или в объеме стенки сосуда, сварного соединения и изготовленных частях и компонентах.
При наличии технических возможностей, необходимо оценить источники АЭ другими методами НК.
Акустико-эмиссионный метод НК может быть использован для того, чтобы оценить скорость развития дефекта. При этом есть возможность заблаговременно прекратить испытания и предотвратить разрушение объекта (изделия). Этот метод позволяет определить образование различных трещин, протечек и прочих неисправностей в уплотнениях, заглушках, арматуре.

Кто такой дефектоскопист?

Дефектоскопист — это специалист по неразрушающему контролю. В обязанности дефектоскописта входит диагностика объектов, а также их частей (узлов) на предмет выявления различных дефектов. Одно только название профессии говорит о том, что профессия дефектоскописта очень ответственная, многопрофильная, непростая. Специалист неразрушающего контроля должен уверенно работать с дорогостоящим и сложным оборудованием, обладать обширными техническими знаниями, знать стандарты, нормы дефектоскопистов, регламенты и различного рода документацию.

Аттестация дефектоскописта

Аттестация (сертификация) персонала на неразрушающие методы контроля на I, II и III уровни квалификации проходит в соответствии с требованиями .

Для точного расчета стоимости аттестации, необходимо выбрать методы и объекты, по которым Вам необходимо обучиться.

Основные методы и объекты неразрушающего контроля (НК)

Методы дефектоскопии:

- основан на явлении, называемом акустической эмиссией. При возникновении и распространении акустических волн при деформации напряжённого материала или истечении газов и других процессах возникают упругие колебания акустических волн, данные которых используются для определения образования дефектов на начальной стадии разрушения конструкции. Благодаря движению среды возможно использование АЭ для дигностики процессов и материалов, таких как критерий целостности материала;
- основанный на исследовании процесса распространения ультразвуковых колебаний с частотой 0,5 - 25 МГц в контролируемых изделиях с помощью специального оборудования - ультразвукового дефектоскопа;
Магнитный (МК) - основанный на анализе взаимодействия магнитного поля с контролируемым объектом;
Электрический (ЭК) - основанный на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с контролируемым объектом или возникающего в контролируемом объекте в результате внешнего воздействия;
Вихретоковый (ВК) - основанный на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте;
Радиоволновой (РВК) - основанный на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с контролируемым объектом;
Тепловой (ТК) - основанный на регистрации изменений тепловых или температурных полей контролируемых объектов, вызванных дефектами;
Оптический (ОК) - основанный на регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с контролируемым объектом;
— основанный на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом. Слово «радиационный» может заменяться словом, обозначающим конкретный вид ионизирующего излучения, например, рентгеновский, нейтронный и т. д.;
Проникающими веществами - основанный на проникновении веществ в полости дефектов контролируемого объекта. Существует несколько видов данного метода, например «капиллярный (ПВК)», или «течеискание (ПВТ)», который используется при выявлении сквозных дефектов;
— основанный на визуальном осмотре и контроле качества сварочных швов, подготовке и сборки заготовок под сварку. Цель данного осмотра — выявить вмятины, заусенцы, ржавчину, прожоги, наплыви и прочие видимые деффекты. Этот метод предшествует остальным методам дефектоскопии и является базовым;
Вибордиагностический (ВД ) – основанный на анализе параметров вибрации, возникающей при работе контролируемого объекта. Вибрационная диагностика нацелена на поиск неисправностей и оценку технического состояния объекта вибрационно-диагностического контроля.

Объекты дефектоскопии:

1. Объекты котлонадзора

1.1. Паровые и водогрейные котлы
1.2. Электрические котлы
1.3. Сосуды, работающие под давлением свыше 0,07 МПа
1.4. Трубопроводы пара и горячей воды с рабочим давлением пара более 0,07 МПа и температурой воды свыше 115°С
1.5. Барокамеры

2. Системы газоснабжения (газораспределения)

2.1. Наружные газопроводы
2.1.1. Наружные газопроводы стальные
2.1.2. Наружные газопроводы полиэтиленовые
2.2. Внутренние газопроводы стальные
2.3. Детали и узлы, газовое оборудование

3. Подъемные сооружения

3.1. Грузоподъемные краны
3.2. Подъемники (вышки)
3.3. Канатные дороги
3.4. Фуникулеры
3.5. Эскалаторы
3.6. Лифты
3.7. Краны-трубоукладчики
3.8. Краны-манипуляторы
3.9. Платформы подъемные для инвалидов
3.10. Крановые пути

4. Объекты горнорудной промышленности

4.1. Здания и сооружения поверхностных комплексов рудников, обогатительных фабрик, фабрик окомкования и аглофабрик
4.2. Шахтные подъемные машины
4.3. Горно-транспортное и горно-обогатительное оборудование

5. Объекты угольной промышленности

5.1. Шахтные подъемные машины
5.2. Вентиляторы главного проветривания
5.3. Горно-транспортное и углеобогатительное оборудование

6. Оборудование нефтяной и газовой промышленности

6.1. Оборудование для бурения скважин
6.2. Оборудование для эксплуатации скважин
6.3. Оборудование для освоения и ремонта скважин
6.4. Оборудование газонефтеперекачивающих станций
6.5. Газонефтепродуктопроводы
6.6. Резервуары для нефти и нефтепродуктов

7. Оборудование металлургической промышленности

7.1. Металлоконструкции технических устройств, зданий и сооружений
7.2. Газопроводы технологических газов
7.3. Цапфы чугуновозов, стальковшей, металлоразливочных ковшей

8. Оборудование взрывопожароопасных и химически опасных производств

8.1. Оборудование химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, работающих под давлением до 16 МПа
8.2. Оборудование химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, работающих под давлением свыше 16 МПа
8.3. Оборудование химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, работающих под вакуумом
8.4. Резервуары для хранения взрывопожароопасных и токсичных веществ
8.5. Изотермические хранилища
8.6. Криогенное оборудование
8.7. Оборудование аммиачных холодильных установок
8.8. Печи
8.9. Компрессорное и насосное оборудование
8.10. Центрифуги, сепараторы
8.11. Цистерны, контейнеры (бочки), баллоны для взрывопожароопасных токсичных веществ
8.12. Технологические трубопроводы, трубопроводы пара и горячей воды

9. Объекты железнодорожного транспорта:

9.1. Подвижной состав и контейнеры, предназначенные для транспортирования опасных
веществ.
9.2. Железнодорожные подъездные пути.

10. Объекты хранения и переработки зерна:

10.1. Воздуходувные машины (турбокомпрессоры воздушные, турбовоздуходувки).
10.2. Вентиляторы (центробежные, радиальные, ВВД).
10.3. Дробилки молотковые, вальцовые станки, энтолейторы.

11. Здания и сооружения (строительные объекты)

11.1. Металлические конструкции
11.2. Бетонные и железобетонные конструкции
11.3. Каменные и армокаменные конструкции

Выучиться на дефектоскописта

Конечно же труд дефектоскописта должен быть основан на обширных знаниях, которые можно получить, пройдя курсы дефектоскопистов. Обучение по профессии дефектоскопист акустико- эмиссионного метода НК в Москве проводят специальные независимые органы по аттестации персонала системы неразрушающего контроля. Получив образование, проводится аттестация дефектоскописта, по результатам которой выдается удостоверение инженера дефектоскописта. Наша компания поможет Вам и Вашим сотрудникам выучиться на дефектоскописта различных видов, в данном случае, дефектоскопист акустико-эмиссионного метода НК, без отрыва от производства .

Зачем нужна аттестация дефектоскописта?

Согласно , все специалисты неразрушающего контроля (дефектоскописты) должны проходить аттестацию, при проведении контроля методами установленными п.17 методами на объектах, установленных Приложением 1.

Аттестацией своих специалистов долнжы заниматься предприятия и организации, осуществляющие деятельность по неразрушающему контролю при технической диагностике, ремонте, реконструкции зданий и сооружений, а также их частей и технических устройств на производственных объектах связанных с повышенной опасностью. Также организации, занимающиеся аттестацией, повышением квалификации персонала должны пройти аттестацию в специальных независимых органах по аттестации персонала системы неразрушающего контроля.

3 уровня квалификации дефектоскописта :

I уровень квалификации — специалист НК, обладающий умениями, знаниями и навыками согласно п. 1.2 Приложения 4.

Специалист НК I уровня квалификации может выполнять работы по незразрущающему контролю определенным методом НК, определенных объектов, согласно инструкции, строго соблюдая технологию и методику НК и под контролем персонала уровня квалификации выше, чем у него.

В обязанности дефектоскописта I уровня входит:

настройка оборудования, которое используется для осуществления НК соответствующим методом;
выполнение НК методом, на который аттестован;
описание результатов наблюдения и контроля.

Специалист I уровня квалификации не может осуществлять самостоятельный выбор метода НК, оборудования, технологии и режима контроля, проводить оценку результатов контроля.

II уровень квалификации — специалист НК, обладающий знаниями, умениями и навыками согласно пп 2.2 и 2.3 Приложения 4.

Специалист НК II уровня квалификации может выполнять работы по незразрушающему контролю, обладает достаточной квалификацией для руководства НК в соответствии с нормативно-технической документацией, для выбора способа контроля, ограничения области применения метода. Производит настройку оборудования, проводит оценку качества объекта или элемента в соответствии с документами, документирует полученные результаты, разрабатывает инструкции и различные документы по конкретной продукции в области своей аттестации, подготавливает и руководит специалистами I уровня. Специалист II уровня квалификации НК производит выбор технологии и средств контроля, делает заключение по результатам контроля, который осуществляет он сам или специалист НК I уровня.

III уровень квалификации — специалист НК, обладающий знаниями, умениями и навыками согласно п.3 Приложения 4.

Специалист НК III уровня квалификации обладает квалификацией, необходимой для руководства любыми операциями по методу НК, по которому он аттестован, осуществляет самостоятельный выбор методов и способов НК, персонала и оборудования. Руководит работой персонала I и II уровней, и выполняет работы, которые входят в обязанности этих уровней. Контролирует и согласовывает технологическую документацию, которая разработана специалистами II уровня. Занимается разработкой методических документов и технических регламентов по НК, а также оценкой и интерпретацией результатов контроля. Участвует в подготовке, аттестации персонала на I, II, III уровни, если уполномочен Независимым органом. Инспектирует работы, которые выполнены персоналом I и уровней, занимается выбором технологии и средств контроля, делает заключение по его результатам, которое он выполнил сам, или же специалист I уровня под его наблюдением.

Существуют также различные разряды дефектоскопистов , которые они получают непосредственно на предприятиях, где они работают.

Вы можете пройти обучение независимо от того, какую квалификацию уже имеете на данный момент. Если у вас уже есть стаж работы по профессии, и вы хотите повысить свой статус до дефектоскописта 6 разряда, вам необходимо пройти повышение квалификации дефектоскопистов. Для специалистов с недостаточным стажем и знаниями существуют курсы, где проходит профессиональная подготовка дефектоскопистов, где вы сможете учиться на дефектоскописта «с нуля».

ВАЖНО

Для того, чтобы заниматься деятельностью по неразрушающему контролю акустико-эмиссионного метода НК работнику необходимо получить заключение врача терапевта и окулиста, о состоянии здоровья.

Срок действия аттестации дефектоскописта I, II уровней — 3 года, III уровня — 5 лет с момента аттестации.

Стоимость удостоверения дефектоскописта рассчитывается только по заявке, исходя из того, по каким работам и видам деятельности будет производится аттестация!

Лекция 17 АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ Физические основы акустико-эмиссионного контроля Явление акустической эмиссии (АЭ) известно с начала прошлого столетия как «крик олова» треск, возникающий при деформировании оловянных стерженьков и слышимый ухом. Долгое время это явление не находило практического применения. И только с середины прошлого столетия, когда выяснилось, что разрушению нагруженных конструкций предшествует излучение упругих волн широкого частотного диапазона, по регистрации которых можно предсказать и, главное, предотвратить катастрофические последствия разрушения нагруженных конструкций, начались систематические исследования АЭ. Явление АЭ и причины, его порождающие, оказались значительно более сложными, чем предполагали на начальном этапе изучения. Лишь к середине 70-х годов была разработана высокочувствительная аппаратура и собран экспериментальный материал, достаточный для решения практических задач. Нормативные документы ГОСТ 27655–88, определяет акустическую эмиссию АЭ как излучение материалом механических упругих волн, вызванное динамической локальной перестройкой его внутренней структуры. Со временем к АЭ стали относить высокочастотное акустическое излучение, источником которого является истечение жидкостей и газов через сквозные дефекты в сосудах и трубопроводах, а также акустические сигналы, сопровождающие трение твердых тел. В настоящее время полагают, что АЭ явление, сопровождающее едва ли не все физические процессы в твердых телах и на их поверхности, а возможность ее регистрации определяется лишь порогом чувствительности используемой аппаратуры.

АЭ возникает как при протекании процессов на микроуровне в твердых телах, так и при макроявлениях, связанных, например, с деформированием материалов и разрушением конструкций. Поэтому регистрация АЭ и анализ ее параметров предоставляют широкие возможности для исследования свойств материалов, их взаимодействия с жидкими и газообразными средами, а также диагностики состояния энергонапряженных конструкций. По сравнению с другими методами НК, например, методом ультразвуковой дефектоскопии, рентгеновским контролем и др., метод АЭ обладает рядом преимуществ. К ним в первую очередь относятся: обнаружение развивающихся в ходе эксплуатации и, следовательно, наиболее опасных дефектов в нагруженных компонентах реакторной установки; контроль в реальном масштабе времени возрастания поврежденности материала при испытаниях трубопроводов и сосудов давления, входящих в состав ЯЭУ; возможность проведения эксплуатационного контроля энергетической установки; возможность определения месторасположения дефектов трещин, зон пластической деформации, утечек и др., находящихся достаточно далеко от приемных преобразователей; возможность для отдельных сценариев развития аварий ЯЭУ предсказывать и заблаговременно предупреждать разрушение металлоконструкций и оборудования; быстрое обнаружение разрыва или течи в труднодоступных сосудах давления и трубопроводах при развитии аварийной ситуации; совместимость АЭ-метода с другими методами НК, что позволяет за счет использования нескольких независимых методов повысить надежность результатов контроля; возможность проведения дистанционного автоматизированного контроля в радиационно опасных помещениях атомной станции.

Практика показывает, что применение метода АЭ на объектах атомной энергетики позволяет: повысить безопасность эксплуатации энергетической установки, выявив потенциальные очаги разрушения конструкций; сократить время на проведение инспекционных и диагностических обследований конструкций и оборудования; обосновать увеличение коэффициента использование установленной мощности (КИУМ) энергоблоков за счет контроля и диагностики энергонапряженного оборудования; повысить безопасность и улучшить условия труда оперативного и ремонтного персонала АЭС. Разумеется, как и всякий метод неразрушающего контроля, АЭ-метод не лишен недостатков - это, прежде всего: необходимость создавать дополнительные нагрузки на диагностируемый объект, кроме случаев, когда эти нагрузки предусмотрены регламентами эксплуатации или обслуживания; отсутствие общепринятых соотношений, связывающих параметры АЭ-сигналов с поврежденность материала контролируемого объекта; трудности выделения АЭ-сигналов на фоне сильных шумовых помех, сопровождающих работу диагностируемого объекта.

Благодаря выше указанным достоинствам, возможности испытания больших и малых объектов при различных режимах нагружения, в том числе и термонагружении конструкций, метод АЭ нашел применение для контроля материалов и диагностики оборудования АЭС. Достаточно отметить следующий факт. Сварные соединения ответственных трубопроводов АЭС подвергаются сплошному рентгеновскому контролю. Однако, если достоверность выявления плоскостных дефектов этим методом составляет около 45 %, то при акустико-эмиссионном диагностировании достоверность существенно выше и достигает 85 %. Когда применение рентгеновского метода затруднено, акустико-эмиссионный контроль становится единственным для оценки трещинообразования в сварных соединениях элементов конструкций ЯЭУ.

Виды акустической эмиссии При акустико-эмиссионном контроле регистрируют колебания контролируемого объекта, источником которых являются разнообразные физические процессы в материале объекта. С помощью электромеханических преобразователей упругие колебания преобразуют в электрические сигналы и анализируют их параметры. АЭ является случайным процессом, то есть процессом, параметры которого случайным образом изменяются во времени. Методы обработки сигналов и их информативные параметры зависят от типа регистрируемой АЭ. Разделение акустической эмиссии на два типа связано со следующими обстоятельствами. В силу дискретной природы строения вещества дискретны и происходящие в них процессы. Непрерывность наблюдаемых процессов является следствие усреднения большого числа отдельных элементарных событий. Эти события приводят к микродеформированию твердого тела, как правило, столь незначительному, что оно не может быть зарегистрировано обычными измерительными средствами. Однако большое количество элементарных событий поток событий может привести к макроскопическим явлениям, заметно изменяющим энергетическое состояние тела. Например, пластическая деформация металлов в нормальных условиях в основном является результатом перемещения дислокаций линейных дефектов кристаллической решетки. Признаки движения отдельной дислокации зарегистрировать непросто. Однако перемещение под действием напряжений большого числа дислокаций на макроуровне проявляется как остаточная или пластическая деформация металла.

При изменении энергетического состояния тела часть энергии высвобождается в виде излучения упругих волн. Эти волны и есть акустическая эмиссия. Если количество элементарных событий, приводящих к излучению упругих волн, велико, а энергия, высвобождаемая при каждом событии, мала, то отдельные АЭ-сигналы, накладываясь друг на друга, воспринимаются как слабый непрерывный шум, называемый непрерывной АЭ. В этом случае из-за малости энергии, высвобождаемой при единичном событии, энергетическое состояние тела меняется незначительно. Поэтому вероятность осуществления следующего такого события практически не зависит от предыдущего. Вследствие этого характеристики непрерывной АЭ меняются во времени сравнительно медленно, рис. 1 а. Если в результате отдельных событий энергетическое состояние твердого тела меняется существенным образом, то за малый промежуток времени излучаются упругие волны, энергия которых может на много порядков превосходить энергию волн при непрерывной эмиссии. Излучение упругих волн при этом носит взрывной или импульсный характер. Число отдельных энергетических скачков существенно меньше, чем в случае излучения непрерывной эмиссии. Влияние каждого предыдущего события на последующее становится существенным, и процесс возникновения упругих волн уже нельзя рассматривать как стационарный. Общее количество импульсов АЭ сравнительно невелико, но они имеют большую амплитуду. Такая эмиссия получила название дискретной, рис. 1 б. Подобная эмиссия наблюдается, например, при докритическом подрастании трещин в металлах, обладающих малой пластичностью. Рис.1. Типы акустической эмиссии: а непрерывная; б дискретная. аб

Разделение АЭ на непрерывную и дискретную достаточно условно, поскольку возможность раздельной регистрации АЭ-импульсов зависит лишь от характеристик используемой аппаратуры ее разрешающей способности. Кроме того, увеличивая уровень дискриминации сигналов непрерывной акустической эмиссии, рис. 1 а, можно регистрировать только высокоамплитудные выбросы акустического сигнала, то есть формально перейти от регистрации непрерывной к регистрации дискретной АЭ, хотя очевидно, что сущность явления АЭ при этом не изменится. На практике, как правило, приходится иметь дело с эмиссией обоих типов. Например, докритическое подрастание трещин в металлах под действием внешних и внутренних факторов происходит скачкообразно. Продолжительные периоды стабильного состояния трещины, при некотором возможном возрастании пластической деформации в ее вершине, чередуются с моментами времени, когда трещина меняет свою длину с околозвуковой скоростью, переходя в новое равновесное состояние. Такой переход связан с изменением напряженного состояния разгрузкой материала в окрестности трещины и сопровождается излучением упругих волн, регистрируемых преобразователем как сигнал дискретной АЭ. В промежутках между скачками, при протекании пластической деформации в вершине трещины, наблюдается характерная для пластического деформирования непрерывная АЭ. Кроме того, в течение этого времени в зоне пластической деформации происходит образование и развитие микротрещин. Этим процессам также сопутствует излучение импульсов дискретной АЭ. На докритической стадии развития трещины ее средняя скорость продвижения мала, и она еще не представляет серьезной опасности для конструкции. Возникающая акустическая эмиссия служит предвестником разрушения задолго до его опасной стадии катастрофического роста трещины. Для прогнозирования разрушения используют дискретную составляющую эмиссии из-за простоты регистрации сигналов большой амплитуды. Заметим, что сходная картина имеет место и в процессе развития усталостных трещин.

Основные источники акустической эмиссии в металлах Согласно существующим на настоящий момент представлениям можно выделить следующие основные источники АЭ, действующие на разных структурных уровнях в металлах: 1. Механизмы, ответственные за пластическое деформирование: процессы, связанные с движением дислокаций консервативное скольжение и аннигиляция дислокаций, размножение дислокаций по механизму Франка-Рида; отрыв дислокационных петель от точек закрепления и др.; взаимодействие дислокаций с препятствиями примесными атомами, другими дислокациями, границами зерен; зернограничное скольжение; двойникование. 2. Механизмы, связанные с фазовыми превращениями и фазовыми переходами первого и второго рода: превращения полиморфного типа, в том числе мартенситные; образование частиц второй фазы при распаде пересыщенных твердых растворов; фазовые переходы в магнетиках и сверхпроводниках; магнитомеханические эффекты из-за смещения границ и переориентации магнитных доменов при изменении внешнего намагничивающего поля. Излучение непрерывной АЭ связывают с процессами пластического деформирования металлов и другими физическими процессами в твердых телах. Так ползучесть материала на первой (нестационарной) и второй (стационарной) стадиях сопровождается непрерывной АЭ. На третьей стадии, помимо непрерывной наблюдается также и дискретная эмиссия, обусловленная образованием и развитием микротрещин. Аналогичная ситуация имеет место при коррозии под напряжением, конечная стадия которой коррозионное растрескивание сопровождается акустическими вспышками дискретной АЭ.

Эффект Кайзера Для непрерывной акустической эмиссии характерно проявление эффекта Кайзера. Он заключается в отсутствии или существенном уменьшении эмиссии при повторном нагружении объекта вплоть до того момента времени, когда нагрузка при повторном нагружении не достигнет максимального значения, достигнутого в предыдущем цикле. Суть эффекта Кайзера поясняется на рис. 2, на котором сплошной линией показано изменение нагрузки в двух циклах нагружения материала; штриховой горизонтальной линией максимальное значение нагрузки в первом цикле нагружения. Вертикальные линии записанные с помощью самописца выбросы АЭ-сигнала. Видно, что при повторном нагружении эмиссия практически отсутствует вплоть до момента времени t 0, когда нагрузка при повторном нагружении достигнет максимального значения нагрузки первого цикла. При дальнейшем увеличении нагрузки эмиссия восстанавливается. Рис. 2. Пояснение эффекта Кайзера: изменение нагрузки во времени; максимальное значение нагрузки в первом цикле нагружения; момент времени достижения во втором цикле нагружения максимального значения нагрузки первого цикла

В поликристаллических металлических материалах появление непрерывной АЭ обычно связывают с пластической деформацией отдельных зерен поликристалла. Практически акустическая эмиссия при повторном нагружении начинает проявляться несколько раньше, чем достигается первоначальный максимальный уровень напряжений, а полностью восстанавливается несколько позже достижения этого уровня. Отжиг материала после первичного деформирования приводит к нарушению эффекта Кайзера, причем с возрастанием степени отжига увеличивается степень восстановления характеристик АЭ-сигналов. При полном отжиге материала акустическая эмиссия восстанавливается до первоначального уровня. Эффект Кайзера не наблюдается при появлении трещин. Это обусловлено тем, что средняя по объему материала деформация не характеризует деформацию отдельных его областей из-за наличия концентраторов напряжений в вершине трещин. При повторном нагружении деформация вблизи вершин трещин может превысить ранее достигнутую, что приводит к появлению акустической эмиссии.

Информативные параметры акустической эмиссии Следует различать параметры отдельных импульсов дискретной АЭ, потоков импульсов и параметры непрерывной АЭ. 1. Импульсы или сигналы АЭ в общем случае представляют собой суперпозицию всех типов упругих волн, способных распространяться в контролируемом объекте. Импульсы АЭ характеризуются 2.амплитудой; 3.длительностью; 4.формой; 5. частотным спектром; 6. временем появления. Форма импульса связана с его частотным спектром и зависит от ряда факторов. Она определяется физическим процессом, в результате которого появилось акустическое излучение, передаточными функциями элементов акустического тракта, по которому распространяется импульс от места возникновения до приемного преобразователя, частотной полосой приемного преобразователя. Форма импульса также зависит от затухания и дисперсии упругих волн. Поскольку затухание волн увеличивается с пройденным расстоянием и сильно возрастает с увеличением частоты, то в импульсе, прошедшим большое расстояние от источника к приемнику, будут преобладать низкочастотные составляющие спектра. Так как произведение ширины спектра импульса на его длительностью по порядку величины равно единице, то затухание высокочастотных составляющих спектра, и, следовательно, уменьшение его ширины приводят к увеличению длительности регистрируемого импульса. Импульс АЭ обладает широким частотным спектром, то есть представляет собой суперпозицию множества упругих гармонических волн разной частоты. Из-за дисперсии различные составляющие распространяются с разной скоростью. Это приводит к фазовому сдвигу между частотными составляющими импульса. Он возрастает с увеличением пройденного расстояния. В результате форма регистрируемого импульса искажается, причем искажение тем существенней, чем больше расстояние между источником и приемником упругих волн.

При небольших расстояниях между источником АЭ и приемником влияние дисперсии и затухания волн на форму импульса невелико. Если регистрация АЭ проводится преобразователем с узкой полосой пропускания, который, как правило, обладает более высокой чувствительностью по сравнению с широкополосным, то частота АЭ-сигнала определяется, главным образом, основной частотой преобразователя, рис. 3. После усиления и детектирования импульса определяется его огибающая, максимальное значение которой принимается за амплитуду АЭ-сигнала. t, с Рис. 3. Форма импульса АЭ, поступающего с первичного преобразователя, имеющего узкую полосу пропускания t, с Рис. 3. Форма импульса АЭ, поступающего с первичного преобразователя, имеющего узкую полосу пропускания Поскольку частотный спектр АЭ-импульсов зависит от трудно измеряемых в реальных ситуациях передаточных функций акустического тракта и приемного преобразователя, он практически не используется в качестве информативного параметра.

Потоком АЭ-сигналов называется последовательность импульсов, у которых случайными величинами является амплитуда и время появления. Поток сигналов можно характеризовать: 1. амплитудным распределением; 2.амплитудно-временным распределением; 3. средним значением амплитуды импульсов; 4. дисперсией амплитуды; 5. распределением временных интервалов между импульсами; 6. средней частотой их появления; 7. спектральной плотностью; 8. корреляционной функцией. Каждая из характеристик связана с порождающим АЭ физическим процессом и содержит информацию о его развитии. Для потока импульсов дискретной АЭ вводят следующие информативные параметры. Общее число импульсов число зарегистрированных импульсов дискретной АЭ за время наблюдения. Этот параметр используется для описания потоков неперекрывающихся импульсов, то есть импульсов, длительность которых меньше промежутков времени между ними. Общее число импульсов характеризует процессы, связанные с разрушением материалов, и указывает на число отдельных актов зарождения и распространения дефектов в конструкциях.

Активность АЭ общее число импульсов, отнесенное к единице времени. Информативность этого параметра такая же, как и предыдущего, но с большей детализацией во времени, что позволяет проследить динамику процесса разрушения. Суммарная АЭ число зарегистрированных превышений (выбросов) АЭ-сигналов установленного уровня в течение заданного интервала времени. Скорость счета число зарегистрированных превышений АЭ-сигналов установленного уровня в единицу времени. Эта характеристика является производной суммарной АЭ по времени. Иногда ее называют интенсивностью АЭ. Амплитудное распределение импульсов АЭ функция, указывающая количество импульсов АЭ, амплитуда которых заключена в малом интервале от A до, A+dA отнесенное к этому интервалу dA. Если за время наблюдения зарегистрировано N Σ импульсов, то

Анализ амплитудного распределения и изменение его во времени позволяет проследить развитие физических процессов, являющихся источником АЭ-сигналов, в частности, проследить рост поврежденности материала в будущем очаге разрушения. В качестве примера на рис. 4 показано изменение текущего амплитудного распределения АЭ-сигналов, регистрируемых при нагружении сварного стального образца с увеличением времени действия нагрузки Из рис. 4 видно, что по мере увеличения времени в амплитудном распределении возрастает доля импульсов АЭ с высокой амплитудой, что свидетельствует о формировании и развитии очага разрушения в сварном соединении. В дальнейшем в сварном шве появилась макротрещина, рост которой завершил разрушение образца. Рис. 4. Изменение амплитудного распределения АЭ-сигналов со временем при нагружении стальной образца со сварным соединением под действием постоянной растягивающей нагрузки

Из рис. 4 видно, что по мере увеличения времени в амплитудном распределении возрастает доля импульсов АЭ с высокой амплитудой, что свидетельствует о формировании и развитии очага разрушения в сварном соединении. В дальнейшем в сварном шве появилась макротрещина, рост которой завершил разрушение образца. Амплитуда, амплитудное и амплитудно-временное распределения являются важнейшими характеристиками акустического излучения. Амплитуда импульсов АЭ и, следовательно, параметры соответствующих амплитудных распределений зависят от многих факторов. Эти факторы можно разделить на две группы по характеру влияния на амплитуду импульсов АЭ, табл. 2. Эти сведения оказываются полезными при анализе и интерпретации данных контроля и позволяют предсказать, каким образом изменится амплитуда излучения при смене режимов или условий АЭ-диагностики. Спектральная плотность дискретной АЭ характеризует мощность процесса в единичной полосе частот. Спектральная плотность характеризует скорость протекания процесса, инициирующего сигналы АЭ.

Таблица 2. Факторы, оказывающие влияние на амплитуду импульсов АЭ Факторы, повышающие амплитуду АЭФакторы, понижающие амплитуду АЭ Высокая прочность материала и низкая пластичность Высокая скорость нагружения и деформирования Анизотропия свойств Неоднородность материала Большая толщина конструкции Низкая температура материала Повышенная дефектность структуры материала Крупнозернистая структура материала Высвобождение упругой энергии за счет трещинообразования Отсутствие текстуры материала Низкая прочность материала и высокая пластичность Низкая скорость нагружения и деформирования Изотропность структуры материала Однородность материала Малая толщина конструкции Высокая температура материала Бездефектность структуры материала Малый размер зерна Высвобождение упругой энергии за счет пластического деформирования Наличие текстуры материала

АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ КОНТРОЛЬ

Т.С. Никольская

На базе линейной механики разрушения обоснован неразрушающий экспресс-метод определения пороговой нагрузки и остаточного ресурса для металлов.

При зарождении микротрещин или при скачкообразном развитии магистральной трещины освобождается динамически потенциальная энергия деформации частично разгруженного объема, которая расходуется не только на образование новой поверхности, но и на пластическую деформацию перед вершиной трещины, на колебания вновь образовавшейся поверхности, а также на другие сопутствующие процессы. В частности, зарегистрирована эмиссия электронов с поверхности деформируемых металлов и излучение электромагнитных волн при нагружении силикатного стекла. Пластическая деформация перенапряженных объемов вызывает локальный разогрев и эмиссию тепла из зоны разрушения. Колебания вновь образовавшейся поверхности инициируют акустический импульс длительностью от десятых до десятков миллисекунд. Каждый импульс, многократно отражаясь от поверхностей изделия и постепенно рассеиваясь на неоднородностях материала, создает акустический сигнал, который в виде волн напряжений регистрируют на поверхности изделия как акустическую эмиссию.

Интенсивность этих эмиссий позволяет судить о фазе разрушения и о его кинетике, что используют для оценки прочности и остаточного ресурса изделия; причем точность этих оценок оказывается значительно выше, чем точность косвенных методов контроля прочности. Чувствительность эмиссионных методов также на порядок выше, чем у других неразрушающих методов, и позволяет обнаружить зарождение или развитие дефекта размером 1 мкм. Кроме того, эмиссионные методы позволяют локацией определить координаты слабого звена без сканирования изделия. В настоящее время в силу исторических причин наиболее разработаны методы регистрации акустической эмиссии (АЭ). Они же чаще других эмиссионных методов используются для контроля разрушения и прочности.

Обычно АЭ регистрируют с помощью пьезопреобразователя, установленного на поверхности изделия и имеющего с ним акустический контакт через слой смазки, жидкости или через волновод. Электрический сигнал преобразователя усиливается, регистрируется и анализируется акустико-электронной системой, которая сильно искажает параметры сигнала. С учетом этого более перспективным, хотя и менее разработанным, является способ регистрации АЭ оптически, т.е. с помощью лазера.

Основной показатель регистрирующей аппаратуры - уровень ее собственных шумов, приведенный к входу усилителя; у современных акустико-электронных систем этот уровень составляет 2-30 мкВ. От собственных шумов аппаратуры отстраиваются с помощью ее узла-дискриминатора, настраиваемого так, чтобы при свободно подвешенном преобразователе (без акустического контакта с твердым телом) аппаратура не регистрировала каких-либо сигналов, в том числе и электромагнитных наводок.

Акустико-электронная система регистрирует общее число N акустических сигналов, количество их в единицу времени - активность АЭ N, а также информацию об амплитудах сигналов и о вероятностном распределении этих амплитуд. При наличии нескольких каналов возможно определение координат источника АЭ по запаздыванию сигналов разных каналов. Амплитуда сигнала сильно зависит от расстояния между источником АЭ и датчиками. Активность же N АЭ определяется числом событий в единицу времени, в частности, интенсивностью микрорастрескивания или скоростью роста магистральной трещины и по этой причине содержит больше информации о процессе разрушения. К сожалению, N микрорастрескивания часто маскирует N наиболее

опасного дефекта, и частотный спектр сигнала АЭ зависит от модуля упругости материала и от частоты резонатора, т.е. от размеров микрополости, у границы которой инициирован сигнал. Материал с относительно крупными полостями (древесина, бетон и т.д.) при нагружении издает слышимый звук, а материал с более мелкими дефектами -ультразвук. При деформации керамики наибольшее количество сигналов регистрируют резонансные преобразователи с частотой 20-200 кГц, а при деформации сплавов - резонансные преобразователи с частотой 200-2000 кГц. Изменение размеров резонатора, например трещины, или разрыхление материала приводят к изменению частотного спектра АЭ сигнала.

Один из первых исследователей А.Э. Кайзер обратил внимание (1953 г.) на следующую особенность, получившую название эффекта Кайзера: при повторном нагружении изделия АЭ возникает лишь после превышения максимальной нагрузки Ь предыдущего нагружения. Обусловлено это тем, что микропластические деформации, необходимые для микрорастрескивания, рассредоточенного или в зоне с радиусом-вектором р перед вершиной трещины, возникают уже при первом нагружении, а при повторном нагружении не развиваются при Ь<Ьмакс. Однако, если за время разгрузки и повторного нагружения изделия трещина подросла, то вместе с ее вершиной переместится и зона с радиусом р, который к тому же увеличится. В результате уже при Ь<Ьмакс зона реализации разрушения перед вершиной трещины захватит новый объем материала, и АЭ появится при Ь<Ьмакс. Это отклонение от эффекта Кайзера используют как признак развития наиболее опасного дефекта в предшествующем нагружении.

Эффект Кайзера затрудняет оценку состояния изделия по АЭ после аварийной нагрузки Ьав, значительно превышающей эксплуатационную нагрузку Ьэк. В этом случае при контрольном нагружении АЭ отсутствует, пока Ь< Ьав. В то же время при Ь = Ьав возможно заметное развитие опасного дефекта, снижение прочности изделия, а иногда и его разрушение при контрольном нагружении. В частности, по этой причине для оценки состояния изделия по АЭ его целесообразно нагружать до Ь < Ьэк и регистрировать АЭ не при нагружении, а в процессе разгрузки, когда не развиваются микропластические или пластические деформации и нет АЭ микрорастрескивания или роста опасного дефекта. Однако при разгрузке с Ь « Ьо (где Ьо - пороговая или максимальная неразрушающая нагрузка) трещина перестает закрываться еще до полного снятия нагрузки. Этот эффект, обнаруженный Эльбером в 1978 г., получил название «закрытие трещины». Вызван он тем, что при Ь « Ьо старту трещины предшествуют микропластические деформации перед фронтом трещины, которые при разгрузке приводят к несовпадению микрорельефа поверхностей трещины у вершины. Это несовпадение вызывает шумы трения («зубной скрежет») перед окончанием разгрузки . Современная аппаратура позволяет регистрировать такие шумы и тем самым без разрушения изделия определять значение Ьо изделия, даже если при его нагружении АЭ отсутствовала, например, из-за эффекта Кайзера.

В общем случае долговечность изделия определяется как сумма времени формирования трещины, способной к дальнейшему развитию, и времени ее роста до фрагментации изделия. При циклическом нагружении перед стартом трещины наблюдается эффект Эльбера - соприкосновение поверхностей у вершины трещины еще до полной ее разгрузки, а точнее - перед окончанием нагрузки. Закрытие трещины сопровождается акустическими сигналами - предвестниками старта трещины; их и использовали для оценки времени формирования трещины в образах стали 3, 45, 40Х и 12Х18Н10Т при комнатной температуре в условиях стационарного циклического растяжения от нуля до максимального напряжения вмакс или изгиба. Эффект Эльбера позволяет определить также пороговую нагрузку Ь0, без превышения которой трещина не развивается, и соответствующее номинальное напряжение в0 . С этой целью образец нагружали и

полностью разгружали, регистрируя акустическую эмиссию (АЭ) и повышая максимальную нагрузку цикла на 3% до тех пор, пока при окончании нагрузки не появлялся АЭ. АЭ регистрировали с помощью прибора АФ-15, имеющего уровень собственных шумов 15 мкВ. Резонансный пьезокерамический преобразователь (600-1000 кГц) прижимали к образцу тарированной пружины через слой смазки, улучшающей акустический контакт.

Число циклов Nф, после которого первый раз была зарегистрирована АЭ при стационарном нагружении, принимали за оценку периода формирования трещины в стальном образце. Затем через каждые Nф циклов с помощью АЭ определяли пороговое напряжение о0, без превышения которого в процессе разгрузки АЭ не наблюдалась. Значение о0< омакс постепенно снижалось с увеличением числа циклов. За полную долговечность принимали число циклов N от начала испытания образца до его фрагментации. Число циклов роста трещины рассчитывали как N=N Щ.

°макс Кф N Кф/К tg

40Х: 300-1 502 226 4 185 220 0,120 0,79

300 904 400 6 029 370 0,150 0,77

002=800 400 150 938 1 006 250 0,150 0,75

600+ 17 683 98 240 0,180 0,73

Ов=1100 600-1 20 514 120 670 0,170 0,75

600 45 706 240 560 0,190 0,74

5=6% 850 2 281 11 234 0,203 0,72

950 120 629 0,191 0,73

45: 240+ 105 000 6 211 700 0,169 0,80

240-1 765 000 4 592 200 0,167 0,90

002=320 280+ 30 000 159 600 0,188 0,82

280-1 30 000 174 400 0,172 0,81

0в=400 280 45 000 241 600 0,186 0,81

300 15 000 75 300 0,199 0,80

5=9% 360 230 8 219 0,280 0,82

380 173 524 0,330 0,72

3: 120 765 000 5 112 000 0,148 1,11

002=200 160+ 30 000 212 100 0,141 1,01

160-1 30 000 200 800 0,149 1,03

ов=220 160 60 000 305 300 0,196 1,06

180 15 000 48 300 0,311 1,09

5=30% 200 2 040 6 000 0,345 1,06

210 117 300 0,392 1,07

12Х18Н10Т: 200-1 1 305 000 4 711 000 0,277 1,70

002=286 220+ 144 000 509 800 0,283 1,73

220-1 75 000 250 900 0,299 1,64

0в=588 220 105 000 316 307 0,338 1,67

250 30 000 88 333 0,340 1,67

5=78% 502 1 517 4 335 0,349 1,62

540 83 198 0,419 1,67

Таблица 1. Результаты циклических испытаний

Растяжение с омакс больше предела текучести от (или о02) осуществляли с периодом 18 с. При изгибе образцы испытывали с частотой 50 Гц; для определения ^ кон-

трольную разгрузку с омаКс за 10 с проводили через каждые 15000 циклов. Результаты испытаний приведены в табл. 1, где N, Щ и N$/N - средние значения по результатам испытаний 8 образцов; напряжения g даны в МПа, а 5 - относительное удлинение после разрыва при монотонном нагружении. Индекс "-1" у некоторых значений GMaKe указывает на то, что результаты получены при изгибе образцов-балочек силой посередине пролета в условиях симметричного цикла напряжения с характеристикой цикла r ^минМмакс=-1. Индексом "+" отмечены значения g,^ при симметричном изгибе кольцевым пуансоном соосной пластины, опертой на кольцо (плоское напряженное состояние), знакопостоянном циклом напряжения с r =0,05. Для каждого образца рассчитали несколько значений G0i Ммакс и соответствующие им значения N/Np , где Ni - остаточный ресурс образца после i-ой остановки для определения o0i. Экспериментальные точки, полученные таким образом для определенного режима нагружения какой-либо стали, группируются в координатах lg(Ni/Np) и ^(go/g,^) около прямой, тангенс угла к оси 1g(G0i/G макс) в таблице обозначен как tg. Для стали 40Х среднее значение этих тангенсов при различных режимах оказалось равным 1,0, для стали 45 - 0,71, для стали 3 -0,86, а для стали 12Х18Н10Т - 1,44.

Как видно из таблицы, для исследования сталей отношение Nф/N колеблется от 0,12 до 0,42, а для конкретной стали имеет тенденцию к уменьшению с увеличением числа циклов до разрушения. В силу этого, если после известной наработки с g,^, например, гарантированного ресурса, при контроле получено g^g,^, то можно повторять наработку без промежуточного контроля. Если же g^g,^, то за Nф целесообразно принять значение NH суммарной наработки, после которой еще было g^g,^. В этом случае можно считать N=Nн(N/Nф), Nр=N-Nн=Nн(N/Nф-1) и N=Nh(N/ ^-1)(G0 МмаксД значения Nф/Nи tg даны в табл. 1.

Литература

1. Бормоткин В.О., Никольский С.Г. О роли разгрузки в развитии трещин // Сб. докл. II Междунар. конф. "Научно-технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности...". СПб ГТУ,1997. С. 86-88.

2. Бормоткин В.О., Никольская Т.С., Никольский С.Г. Способ определения максимальной нагрузки, ещё не снижающей прочность изделия. // Сб. докл. II Междунар. конф. "Научно-технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности.". СПб ГТУ, 1997. С. 88-89.

Др. Адриан Поллок Physical Acoustics Corporation (РАС)

Акустическая эмиссия представляет собой явление генерации волн напряжений, вызванных внезапной перестройкой в структуре материала. Классическими источниками АЭ является процесс деформирования, связанный с ростом дефектов, например, трещины или зоны пластической деформации. Процесс генерации и обнаружения АЭ приведен на рис.1. Внезапное движение источника эмиссии вызывает возникновение волн напряжений, которые распространяются в структуре материала и достигают п-э преобразователь. По мере роста напряжений, активизируются многие из имеющихся в материале объекта источников эмиссии. Электрические сигналы эмиссии, полученные в результате преобразования датчиком волн напряжений, усиливаются, регистрируются аппаратурой и подвергаются дальнейшей обработке и интерпретации.

Рис.1 Основные принципы акустической эмиссии

Итак, источником акустико-эмиссионной энергии служит поле упругих напряжений в материале. Без напряжений нет и эмиссии, поэтому АЭ контроль обычно проводится путем нагружения контролируемого объекта. Это может быть проверочный контроль перед запуском объекта, контроль изменений нагрузки во время работы объекта, испытания на усталость, ползучесть или комплексное нагружение. Очень часто конструкция нагружается произвольным способом. В этом случае использование АЭ контроля позволяет получать дополнительную ценную информацию о поведении конструкции под действием нагрузки. В других случаях эмиссия используется по причинам экономичности и безопасности; для таких задач разрабатываются специальные процедуры нагружения и тестирования.

Взаимосвязь с Другими Методами Контроля

Акустическая эмиссия отличается от большинства методов неразрушающего контроля (МНК) в двух ключевых аспектах. Во-первых, источником сигнала служит сам материал, а не внешний источник, т.е. метод является пассивным (а не активным, как большинство других методов контроля). Во- вторых, в отличие от других методов АЭ обнаруживает движение дефекта, а не статические неоднородности, связанные с наличием дефектов, т.е. АЭ обнаруживает развивающиеся, а потому наиболее опасные дефекты. Перечень основных отличий приведен в таблице 1.

Как известно среди МНК не существует ни одного такого метода, который мог бы решить проблему оценки целостности объекта оптимально с учетом таких основных факторов, как получение наиболее низкой себестоимости работ и достижения технической адекватности результатов контроля. Лучшим решением проблемы является применение комбинации различных методов НК. Благодаря тому, что АЭ резко отличается по своим возможностям от традиционных методов контроля, на практике оказывается очень полезным совмещать АЭ с другими методами.

Таблица 1. Сравнение характеристик АЭ метода контроля с другими методами НК

Акустическая Эмиссия	Другие МНК
Обнаруживает движение дефектов	Обнаруживают геометрическую форму дефектов
Требует нагружения	Не требуют нагружения
Каждое нагружение уникально	Контроль воспроизводим
Чувствтьелен к структуре материала	Менее чувствительны к материалу
Менее чувствительны к геометрии	Более чувствительны к геометрии
Требует меньших усилий при проведении контроля продукции/процессов	Требуют больших усилий при проведении контроля продукции/процессов
Требует доступ только в местах установки датчиков	Требуют доступ ко всей поверхности объекта
Контролирует конструкцию за один цикл нагружения	Постепенное сканирование участков конструкции
Основные проблемы: сильное влияние шума	Основные проблемы: сильное влияние геометрии

Основное преимущество метода АЭ связано с возможностью проведения неразрушающего контроля всего объекта целиком за один цикл нагружения.

Данный метод является дистанционным, он не требует сканирования поверхности объекта для поиска локальных дефектов. Необходимо просто правильным образом расположить нужное число датчиков и использовать их для осуществления локации источника волн напряжений. Возможности, связанные с дистанционным использованием метода, дают большие преимущества по сравнению с другими методами контроля, которые требуют, например, удаления изоляционных оболочек, освобождения контейнеров контроля от внутреннего содержания или сканирования больших поверхностей.

Типичный пример использования АЭ заключается в определении местоположения дефектных участков, после чего для более точного определения природы дефектов используются другие МНК.

Диапазон Применения Метода

Явление акустической эмиссии наблюдается в широком диапазоне материалов, структур и процессов. Наиболее крупномасштабная АЭ связана с существованием сейсмический волн, в то время как наименьший масштабный уровень эмиссии вызывается дислокационным движением в нагруженных металлических структурах. Между этими двумя видами АЭ существует широкий диапазон масштабов эмиссии, от лабораторных испытаний до промышленного контроля.

При лабораторных испытаниях использование АЭ контроля ставит своей целью изучение процессов деформации и разрушения материала. Метод позволяет в реальном времени по сигналам эмиссии наблюдать за поведением материала при нагружении. Поскольку АЭ отклик зависит от структуры материала и режима деформирования, разные материала при различных способах нагружения в сильной степени отличаются друг от друга по своему акустико-эмиссионному поведению. Существует 2 основных фактора, приводящих к высокой эмиссивности - это хрупкость и гетерогенность материала. Вязкие механизмы разрушения, например, слияние пор в мягких сталях, напротив, приводят к низкой эмиссивности (по энергии и числу сигналов).

При тестировании продукции метод АЭ используется для проверки и контроля сварных соединений, термически сжатых бандажей. Метод также используется во время операций, связанных с формообразованием, таких как уплотнение или при прессовании. В целом АЭ контроль может применяться во всех случаях, когда имеют место процессы нагружения, приводящие к постоянному деформированию материалов.

При тестировании конструкций АЭ используется для контроля сосудов давления , хранилищ, труб и трубопроводов, авиационных и космических аппаратов , электрических заводов, мостов, железнодорожных цистерн и вагонов, грузовых транспортных средств, а также многих других типов объектов. АЭ контроль производится и на новом, и на бывшем в эксплуатации оборудованиии. Он включает обнаружение трещин, сварных дефектов и других.

Процедуры, связанные с использованием АЭ метода были опубликованы Американским Обществом Инженеров Механиков (American Society Mechanical Engineering - ASME), Американским Обществом Контроля и Материалов (American Society for Testing and Materials - ASTM) и другими организациями. Успешные результаты конструкционного тестирования можно наблюдать в тех случаях, когда возможности и достоинства метода АЭ правильно используются в контексте конкретных исследований и когда применяются корректные технические решения и специализированное оборудование АЭ .

Акустико-эмиссионная аппаратура является чрезвычайно чувствительной к любым видам структурных перемещений в широком частотном диапазоне работы (обычно от 20 кГц до 1200 кГц). Оборудование способно регистрировать не только рост трещин или развитие пластической деформации, но и процессы затвердевания, кристаллизации, трения, ударов, течеобразований и фазовых переходов. Ниже перечислены основные приложения, в которых используется АЭ метода контроля:

Контроль процесса сварки
Контроль износа и соприкосновения оборудования при автоматической механической обработке
Контроль износа и потерь смазки на объектах, связанных с вращением и трением компонент
Детектирование потерянных частей и частиц оборудования
Обнаружение и контроль течей, кавитации и потоков жидкости в объектах
Контроль химических реакторов, включающий контроль коррозионных процессов, жидко-твердого перехода, фазовых превращений .

Когда процессы типа ударов, трения, течей и другие возникают на фоне контроля развития трещин и коррозии, они становятся источниками нежелательных шумов. Было предложено множество различных технических решений с целью снижения и избавления от этих шумовых помех. Следует заметить, что шумы являются основной преградой на пути широкого использования АЭ в качестве метода контроля. Важной задачей является их исследование и по возможности устранение с целью повышения чувствительности метода.

Волны Акустической Эмиссии и их Распространение

Простейший тип волны от АЭ источника представлен на рис.2. Волновое смещение представляет собой функцию близкую к ступенчатой. Напряжение, соответствующее смещению, имеет форму импульса, ширина и высота которого зависят от динамики процесса излучения. Импульсы таких источников как проскок микротрещины или разрушение осажденных фракций имеют малую длительность (порядка микросекунд или долей микросекунд). Амплитуда и энергия первоначального импульса АЭ может меняться в широком диапазоне в зависимости от типа источника акустической эмиссии. Зародившаяся волна (импульс) распространяется от источника во всех направлениях, при этом распространение в соответствии с природой источника может носить ярко выраженный анизотропный характер, как показано на рис.3 (т.е. зависимость скорости распространения от направления).

Форма первоначальной волны претерпевает существенные изменения при распространении в среде материала и при преобразовании датчиком, поэтому сигнал, пришедший с датчика, весьма отдаленно напоминает исходный сигнал от источника. Такое изменение формы АЭ сигнала является важной проблемой, с которой приходится сталкиваться как при исследованиях функции источника, так и при решении практических задач неразрушающего контроля. Те исследователи, которые стремятся определить первоначальную форму сигнала, используют широкополосные датчики и производят подробный анализ начальной части зарегистрированного сигнала. Это важный, но вместе с тем очень непростой способ

Рис.2 Простейшая волна АЭ, возникающая

Рис.3 Угловая зависимость АЭ от растущей в источнике. По существу этоимпульс напряжения, трещины. Основная энергия распределена соответствующий смещению поверхности материала

Рис. 4 Смещение волны, возникшее в результате быстрого приложения нагрузки в точке А.

исследования, т.к. обработка одного сигнала может занимать длительное время. В связи с этим многие исследователи в области испытания материалов и НК в большей степени заинтересованы в получении статистических оценок параметров АЭ, чем в подробном изучении характеристик отдельных источников эмиссии. Они используют узкополосную аппаратуру, позволяющую измерять лишь некоторые параметры формы сигналов, но одновременно с этим - регистрировать большие потоки сигналов (сотни сигналов в секунду). Ниже обсуждаются основные факторы, оказывающие влияние на распространения волн, которые в большой степени различаются для двух упомянутых подходов исследования АЭ сигналов.

Основные Факторы при Анализе Функции АЭ Источника

Взаимосвязь между функцией источника и результирующим смещением поверхности материала в точке контроля интенсивно исследовалась на протяжении последних 10-15 лет. Исследователи из различных групп: Британского Харуэльского Центра НК , Американского Национального Бюро Стандартов , Корнуэльского и Токийского Университетов предприняли усилия для решения этой сложнейшей проблемы. Окончательной целью исследований ставилось решение задачи определения первоначальной формы сигнала по имеющейся информации на выходе датчика.

Сложность данной задачи проиллюстрирована на рис.4, на котором показана вертикальная компонента движения поверхности полубесконечного тела в точке В, получающаяся в результате резкого приложения вертикальной силы в точке А. Как следует из рисунка, даже при простой геометрии объекта и элементарного источника результирующая форма сигнала является достаточно сложной. Если же рассмотреть случай с пластиной, проблема существенно усложнится, поскольку вторая поверхность также будет влиять на упруго-динамический процесс распространения волны. В случае с пластинами движение поверхности в точке наблюдения сильно зависит от отношения расстояния до источника к толщине пластины.

Рис.5 Три возможные пути прохождения волныот источника до датчика в трубе, наполненной водой. 1- прямой путь, 2-отраженный, 3- по воде.

Кроме всего прочего, функция источника не является постоянной, она скорее представляет собой не точечный источник, а диполь и/или двойной диполь с неизвестной в общем случае ориентацией, у которого должны учитываться и горизонтальная, и вертикальная компоненты. В связи с перечисленными трудностями попытки создания математической теории, численных и экспериментальных методик оценки функции источника АЭ заняли многие годы.

В последние годы ведущие лаборатории добились значительных успехов при решении проблем количественной оценки величины прироста трещины, ее ориентации и временных характеристик сигналов АЭ для случаев простейшей геометрии объектов . Для этих целей используются высокочувствительные датчики и производится анализ лишь начальной части сигнала, которая записывается со всеми необходимыми подробностями с помощью высокоточной аппаратуры. Сегодня можно ожидать, что полученные научные результаты принесут свои плоды также и в прикладных областях использования метода АЭ.

Факторы, Влияющие на Точность Локации при Типичных Измерениях АЭ

В то время как анализ функции источника в большинстве случаев основывается на исследовании только начальной части сигнала, технология АЭ позволяет регистрировать сигнал целиком. Часть сигнала, следующая за начальной, состоит из многих волновых компонент, которые распространялись до датчика по различным путям. Рис.5 иллюстрирует это утверждение, однако на рисунке приведено только несколько возможных путей. Обычно максимум амплитуды сигнала формируется не первой дошедшей волновой компонентой, а в результате интерференции нескольких последующих компонент. Прежде, чем АЭ волна затухнет в среде, она много раз

возбуждает датчик. Процесс затухания волны может длиться порядка 100 мкс в сильно демпфированных неметаллических материалах или десятки секунд в слабо демпфированных металлических материалах, т.е. намного дольше, чем время, в течение которого возбуждается источник (равное обычно нескольким микросекундам или меньше).

Таким образом, необходимо понимать, что форма зарегистрированного сигнала является в значительной степени результатом волнового распространения. Другие важные аспекты распространения связаны с эффектом затухания, а также со скоростью распространения. Затухание определяется снижением амплитуды сигнала в результате геометрического расхождения волны и наличия диссипации энергии волны в материале . Затухание влияет на возможность регистрации и потому является важным фактором, который необходимо учитывать при выборе расстояний между приемными датчиками. Обычно, прежде чем проводить АЭ исследования, на контролируемом объекте измеряют функцию затухания, по которой определяют оптимальное расстояние между датчиками.

Скорость распространения волны является еще одним фактором, который необходимо учитывать при локации источника методом АЭ. Локация источника, являющаяся важной частью метода АЭ, широко используется как при лабораторных исследованиях, так и в промышленных испытаниях. Особую роль локация играет при контроле крупногабаритных объектов, в тех случаях, когда метод АЭ используется для обнаружения активных участков и их последующего исследования альтернативными МНК. При таком сочетании АЭ метода и других методов контроля экономятся значительные средства и ускоряется процесс контроля.

Существует несколько основных принципов локации. Прежде всего - это зонная локация, при которой источники относят к сравнительно большим по площади зонам (окружающим определенные датчики). Второй способ - точечная локация, при которой координаты источника рассчитываются достаточно точно с помощью разностей времен прихода (РВП) сигналов на различные датчики, объединенные в антенну. При расчетах в формулу локации в качестве параметра вводится скорость распространения волны. Достигаемая в расчетах точность контролируется этим параметром, который в свою очередь зависит от геометрии и толщины объекта, а также свойств вещества, наполняющего объект контроля. Именно эти факторы способствуют неточности в оценке скорости распространения волн, что в свою очередь приводит к ошибкам определения координат источника. В благоприятных случаях погрешность локации может достигать 1% от расстояния между датчиками, в неблагоприятных - 10%.Эффекты распространения волн, вызывающие такое различие точности определения координат рассмотрены в работе .

Акустико-Эмиссионные Датчики и Предварительны усилители*

Основным элементом АЭ резонансного датчика является пьезоэлектрический кристалл, преобразующий механическое движение в электрический сигнал. Кристалл помещается в специальный корпус с донышком в виде пластинки и разъемом (рис.6). Датчик возбуждается волнами напряжений, попадающими на его донышко, и преобразует их в электрические сигналы. Эти сигналы поступают на расположенный поблизости предусилитель, усиливаются и на конечном этапе регистрации поступают на основную измерительную и обрабатывающую аппаратуру. В последнее время с целью достижения больших удобств при установке и одновременно снижения чувствительности к электромагнитным наводкам, предусилители делают миниатюрными и размещают непосредственно в корпусе датчика, получая совмещенный датчик-предусилитель.

Рис.6 Типичная конструкция резонансного АЭ датчика

Отклик Датчика. Одним из основных требований к датчику является его высокая чувствительность. И хотя в целом высококачественными датчиками считаются датчики, обладающие плоской частотной характеристикой, однако в большинстве практических случаев наиболее чувствительными, а потому предпочтительными, являются резонансные датчики, которые, к тому же, являются более дешевыми, чем широкополосные. Эти датчики имеют сравнительно узкую полосу частот, в которой происходит преимущественное колебание. Частотная полоса определяется в основном размером и формой кристалла. Частоты, характеризующие датчик, являются доминирующими при образовании формы и спектра АЭ сигнала.

В конце 70-х годов существовала программа калибровки чувствительности датчиков, которая выполнялась в рамках исследовательских работ Национального Бюро Стандартов. С помощью этой программы были разработаны процедуры получения зависимости абсолютной чувствительности АЭ датчиков от частоты (в единицах вольт/скорость от частоты) .

Изменение Формы Акустико-Эмиссионного Сигнала. В дополнении к уже перечисленным факторам существенное влияние на форму сигнала оказывает сам датчик. Когда широкополосный сигнал эмиссии воздействует на резонансный датчик, в результате получается эффект колокольчика, звенящего на определенной частоте, независимо от способа своего возбуждения. Таким образом, на форму сигнала на выходе датчика одновременно влияют многие факторы: пути распространения волн, наличие различных мод, распространяющихся с разными скоростями и эффект преобразования входного сигнала датчиком. Типичный сигнал эмиссии на выходе резонансного датчика приведен на рис. 7; нельзя не увидеть огромного различия между этим наблюдаемым сигналом и простейшим сигналом, сгенерированным источником АЭ (рис.2).

Рис.7 Типичный импульсный сигнал АЭ

Частотный Отклик . Путем выбора резонансного датчика, обладающего заданными частотными свойствами, можно контролировать рабочую полосу частот. Регулирование полосы частот является полезным инструментом, с помощью которого можно с одной стороны настраивать прибор на полезную частоту, а с другой - увеличивать отношение сигнал/шум. На практике большинство измерений проводится с помощью датчиков, имеющих резонанс на 150 кГц.

Отклик Предусилителя. Сигнал с датчика поступает на предусилитель, предназначенный для усиления сигнала. Предусилитель расположен вблизи или даже внутри датчика с целью минимизации электромагнитных наводок. Предусилитель обладает широким динамическим диапазоном и, усиливая сигнал, создает возможность передачи его по длинным кабелям таким образом, что приемная аппаратура может располагаться на расстоянии в сотни метров от места проведения контроля.

Обычно предусилитель имеет усиление 100 раз (40 дБ) и включает ФНЧ или полосовой фильтр для снижения механический и акустических фоновых шумов, преобладающих на низких частотах. Наиболее часто используются полосовые фильтры от 100 до 300 кГц, пропускающие частоту самых распространенных резонансных датчиков, равную 150 кГц. Могут использоваться и другие частотные диапазоны, однако существуют определенные ограничения. На низких частотах появляются проблемы, связанные с ростом механических шумов, а высокие частоты сильнее затухают, что приводит к уменьшению расстояния между датчиками. Таким образом, выбор рабочей частоты ограничен сверху и снизу. Обычно низкие частоты используются при контроле трубопроводов, где критичным является выбор больших расстояний, а также при проведении геологических работ в связи с сильным затуханием волн в горных породах. Более высокие частоты используются в проводах электропередачи, где уровень фонового шума чрезвычайно высок.

Достижимая Чувствительность. Предусилители, как известно, сами являются источниками электронного шума, и именно этот шум определяет нижнюю границу применимости метода АЭ. Минимальный сигнал, который можно зарегистрировать аппаратурой, имеет порядок 10 мкВ на выходе датчика, что соответствует смещению поверхности в 10-6, микродюймов (при использовании типичного высокочувствительного датчика). Такая чувствительность является достаточной для большинства приложений области НК.

Установка Датчика. Обычно датчик устанавливается на объект контроля с помощью специальных бандажей, магнитных или других креплений, при этом поверхность соприкосновения с донышком смазывается жидкой смазкой. В некоторых приложениях АЭ датчик крепится к волноводу, как показано в 1 примере.

После установки датчика, прежде чем система будет запущена, ее работоспособность проверяется путем слома специального грифеля-имитатора АЭ и анализа акустического отклика на датчике. При правильной установке сигнал от слома должен напоминать сигнал от импульсного точечного воздействия, обсуждавшийся ранее в настоящей статье.

Пример 1: Акустические датчики-волноводы, использующиеся для мониторинга процесса охлаждения расплавленных застеклованных ядерных отходов.

АЭ мониторинг использовали для получения связи между процессом растрескивания и процедурой охлаждения. Потребность в таком методе контроля возникла в связи с необходимостью непрерывного мониторинга в сложных условиях высоких температур (около 900° С) и радиации (50 000рад/час) для обнаружения появления трещин в стекле. Для этих целей использовались датчики- волноводы длиной около 4.6 м; при контроле один конец каждого датчика погружался в стекло, в то время как чувствительный элемент датчика и предусилитель располагались на другом конце. Сигнал с выхода датчика передавался по коаксиальному кабелю на вход АЭ системы, находящейся за пределами горячей камеры, в которой производилась регистрация и дальнейший анализ сигналов. Несмотря на то, что в результате проведенных испытаний датчики находились в столь агрессивной среде в течение120 дней, а накопленная доза радиации составила 14х107, рад, датчики остались работоспособными.

Основные Принципы Работы Оборудования

Во время АЭ испытаний на выходе датчиков формируются переходные (импульсные) сигналы. Сигнал от единичного акта дискретной деформации известен как сигнал взрывного (импульсного) типа. Такой сигнал обладает резким передним фронтом и медленным затуханием, как это изображено на рис. 7. Импульсные сигналы варьируются в широких пределах по форме, размеру и скорости генерации в зависимости от типа структуры и условий испытаний. При большой скорости генерации сигналов, индивидуальные импульсные сигналы могут перекрываться и формировать так называемую непрерывную эмиссию. В некоторых случаях метод АЭ основывается на регистрации такой непрерывной эмиссии (см. разделы "Механизмы АЭ Источников" и "Контроль Течей" данной статьи).

Аппаратура, использующаяся при АЭ контроле, должна обеспечивать возможность регистрации непрерывной эмиссии или сигналов импульсного типа. Обычно оборудование должно удовлетворять следующим требованиям:

Обеспечивать измерение определенных количественных характеристик эмиссии для получения связи с параметрами времени/нагрузки с целью оценки условий проведения испытаний.
Обеспечивать проведение статистической обработки зарегистрированных сигналов для проведения более подробной диагностики механизмов излучения и оценки значимости сигналов.
Желательно, чтобы система имела возможность локации источников импульсных сигналов по разности времен приходов сигналов на различные датчики, т.к. локация является важнейшим элементом контроля как малых, так и больших конструкций.
Обладать средствами дискриминации полезных сигналов от акустических помех. К помехам относятся такие источники, как трение, удары и электромагнитные наводки и другие.

АЭ оборудование варьируется в широких пределах и по форме, и по функциональному назначению, и по цене. Некоторые типы оборудования разрабатываются с целью функционирования в автоматическом режиме в производственном цикле работы. Другие предназначаются для исследовательских целей и потому должны быть достаточно гибкими и обладать разнообразными средствами обработки информации. И, наконец, третья категория АЭ приборов разрабатывается для технических работников и инспекторов, работающих в области НК и проводящих стандартные (в соответствии с кодами ASME или стандартами ASTME) испытания.

Регистрация Сигналов Акустической Эмиссии. После того, как сигнал был принят датчиком и усилен предусилителем, он поступает в основную систему, где вновь усиливается и фильтруется. На следующем важном этапе происходит непосредственно выделение сигнала. Этап заканчивается тем, что когда сигнал превышает установленный порог, в компораторной цепи в цифровом виде генерируется выходной импульс. Связь между сигналом, порогом и импульсом с компаратора проиллюстрирована на рис. 8. Уровень порога обычно регулируется оператором; этот параметр является ключевой переменной, которая определяет чувствительность АЭ метода при испытании. Кроме того, в зависимости от типа АЭ оборудования, чувствительность можно контролировать путем регулирования усиления основного усилителя.

Наиболее простой и испытанный способ оценки активности эмиссии заключается в подсчете числа осцилляций (counts) - числа пересечений импульсом, выданным компаратором, установленного порога. (рис.8).

Рис.8 Принцип регистрации АЭ сигнала

Параметр осцилляций представляется в виде функции времени/нагрузки. Это представление может носить характер накопленного числа осцилляций от соответствующего аргумента, либо даваться в дифференциальном виде (гистограммы). Такой способ представления информации об АЭ испытании характерен и для 70-х годов и даже для более раннего периода. На рис.9 проиллюстрирована зависимость такого типа, дающая функцию кумулятивного распределения числа осцилляций от нагрузки и полученная в результате нагружения образца из прочной стали с пророщенной трещиной. Максимальное значение по вертикальной оси составляет 10 000 осцилляций. Ступеньки функции на начальной стадии графика представляют собой индивидуальные события эмиссии. Ступеньки при дальнейшем нагружении включают сотни событий каждая. К моменту достижения нагрузки 35 кН, было зарегистрировано 10 000 осцилляций, после чего перо упало до нуля по вертикальной оси (произошел сброс) и продолжило рисование с нулевой отметки. Как следует из представленного графика, по мере роста нагрузки, растет и скорость эмиссии, в результате чего отдельные события становятся неразличимыми. К моменту окончательного разрушения, произошло несколько сбросов пера, каждый из которых соответствовал достижению 10000 осцилляций, начиная с момента нулевой отметки графика.

Рис.9 АЭ, полученная при трехточечном изгибе сварного стального образца.

АЭ Системы Контроля Хитов. Вершины своего развития полностью аппаратные системы достигли в конце 70-х годов, однако впоследствии они были вытеснены системами, базирующимися на использовании компьютеров. Развитие АЭ технологии совпало с развитием компьютерной техники и следует отметить тот факт, что АЭ контроль был одним из первых методов НК, который начал использовать преимущества использования компьютеров. Сначала возможности компьютера использовались в многоканальных АЭ системах, для решения задачи локации источников сигналов, затем компьютеры стали применяться в более широких целях: хранение, анализ и отображение данных. Одновременно персонал, занимающийся проведением АЭ испытаний, начал интересоваться другими параметрами эмиссии, помимо осцилляций, которые позволяла получать АЭ аппаратура (см. раздел "Измеряемые Параметры Сигнала" данной статьи).

Это привело к появлению новых принципов разработки АЭ оборудования, которые до сих пор являются доминирующими в технологии. Эти принципы заключаются в измерении основных параметров каждого хита или каждого события, превышающего порог. После оцифровки информация передается в компьютерную систему, обеспечивающую хранение, графического представления и последующего анализа данных.

На рис.10 и 11 виде представлены блок-схема и внешний вид типичной современной системы, соответственно. В более крупных многоканальных системах происходит распределение задач обработки сигналов между несколькими микропроцессорами. Например, на рис.11 отдельный микропроцессор обслуживает пару измерительных акустических каналов. Наивысший приоритет относится к задаче считывания результатов измерения по каналам непосредственно после

Рис.10 Блок-схема четырехканальной АЭ системы

окончания каждого измерения таким образом, что измерительная система оказывается готовой к принятию следующего события. Оконечный микропроцессор позволяет быстро запоминать в своем буфере информацию о нескольких сотнях хитов, приступая к ожиданию дальнейшей обработки. В рамках такой архитектуры параллельной обработки, добавление каналов автоматически усиливает мощь системы обработки. С помощью использования оконечных буферов, дополненных и другими, еще большими буферами, система становится способной справляться с внезапным ростом АЭ активности и оптимально функционировать в условиях быстро меняющихся скоростей потоков данных .

Рис.11. Типичная АЭ аппаратура общего назначения.

Измеряемые Параметры Сигналов. Существует пять наиболее широко используемых параметров. К ним относятся число осцилляций (рис.8), амплитуда, длительность, время нарастания сигнала и площадь под огибающей сигнала (MARSE), представляющая собой аналог энергии (рис.12). В некоторых тестах используется меньшее количество параметров, в других - дополнительные параметры, например, реальная энергия, число осцилляций до пиковой амплитуды, средняя частота, спектральный момент. Однако 5 основных параметров, приведенных вначале, являются стандартными для АЭ контроля и применяются в этой области неразрушающего контроля на протяжении более 10 лет.

При описании хита помимо параметров сигнала в память компьютера записывается также время регистрации хита и информация о внешних параметрах процесса, например, текущее значение нагрузки (деформации), число циклов при усталостных испытаниях, текущий уровень фонового шума и другие. Описание одного хита обычно занимает от 20 до 40 байт.

Амплитуда (А) представляет собой максимальное значение напряжения сигнала измеряющееся в вольтах. Этот важнейший параметр определяет возможность регистрации АЭ события. Амплитуды сигналов прямо связаны с магнитудами событий в источнике и варьируются в широких пределах от микровольт до вольт. Среди других стандартных параметров, амплитуда является наиболее пригодной для проведения статистической обработки данных АЭ путем получения функций распределения процесса . Амплитуды АЭ принято выражать в децибельном (логарифмиче6ском) масштабе, при этом 1 мкВ на выходе датчика принимается за 0 дБ, 10мкВ - 20 дБ, 100мкВ - 40 дБ и т.д.

Число осцилляций представляет собой число превышений сигналом установленного порога. Измерение числа осцилляций представляет собой простейший способ количественной оценки сигнала. Этот параметр зависит от магнитуды источника сигналов, а также от акустических и резонансных свойств среды и датчика.

MARSE - параметр, известный также как число осцилляций энергии, вычисляется по площади под огибающей сигнала. Параметр MARSE является чувствительным и к амплитуде, и к длительности сигнала, поэтому в последнее время он стал очень распространенным. Кроме того, он менее зависим от установленного порога и рабочей частоты. Суммарная АЭ активность должна измеряться путем суммирования магнитуд всех зарегистрированных сигналов; среди всех измеряемых параметров, MARSE наилучшим образом подходит для этих целей.

Длительность (D) - это полное время, начиная от пересечения сигналом порога, заканчивая уходом его под порог. Измеряемый в микросекундах, этот параметр зависит от магнитуды источника, а также акустических и резонансных свойств среды и датчика (как и число осцилляций). Параметр используется при идентификации процессов, имеющих характерные большие длительности сигналов, например процессы расслаивания композитных материалов . Кроме того, данный параметр является полезным при отфильтровывании различных шумов (по длительности) или других типов источников.

Время нарастания сигнала (R) - это время от первого пересечения сигналом порога до достижения максимальной амплитуды сигналом. Данный параметр в сильной степени зависит от функции распространения и передаточных свойств датчика. Он может использоваться для определения типа некоторых источников сигналов и при отфильтровывании шумов.

Многоканальные системы. Измерение сигнала происходит одновременно на каждом канале, который его регистрирует. Акустико-эмиссионные системы могут включать в себя от 1 до более 100 каналов, в зависимости от потребностей проводимых испытаний. Обычно в лабораторных условиях используется 2 - 6 каналов, в то время как при контролировании конструкции задействуются 12 - 32 каналов.

В зависимости от мощности индивидуального сигнала, характеристик затухания волн и расстояния между датчиками, регистрация сигнала может привести к возникновению как одного хита, т.е. одного сигнала (на одном канале), так и нескольких хитов (на нескольких каналах). В связи с этим первой и основной задачей при использовании многоканальных систем является определение того, можно ли группу хитов, зафиксированных различными датчиками в течение малого промежутка времени, отнести к одному АЭ событию. В зависимости от типа системы, эта проблема решается либо на аппаратном уровне, либо средствами программного обеспечения. Второй, третий и последующие хиты, относящиеся к одному событию эмиссии, могут либо использоваться для решения задачи локации, либо вовсе не записываться системой. После выполнения задания определения события/хита, система работает с событиями аналогичным образом, как и с хитами. Описание события включает в себя информацию о каналах и времени прихода всех хитов, входящих в состав данного события, а также о параметрах хита, пришедшего на датчик первым (иногда включаются и параметры остальных хитов события).

Последовательность таких описаний сигналов поступает на центральный процессор, координирующий выполнение задач хранения, отображения и обработки данных. В сложных системах эти задачи могут выполняться несколькими процессорами. В большинстве систем такая последовательность описаний сигналов хранится на диске, что дает неограниченные возможности для проведения последующей обработки информации. Хранение всех данных, зарегистрированных во время испытаний, является одним из важнейших достоинств метода АЭ. Эта возможность снижает зависимость окончательных результатов от действий оператора, позволяя последнему сосредоточиться непосредственно на корректном выполнении задания по сбору данных .

Рис.12 Стандартный набор параметров, измеряемых системой

Отображение Данных. АЭ система контроля, основанная на использовании развитого программного обеспечения, позволяет получать большое число типов графиков. Оператор не ограничен в выборе способов графического отображения данных во время сбора, поскольку после проведения послетестовой обработки результаты экспрессной обработки могут быть пересмотрены, отфильтрованы и отображены в другом виде.

Приведем общую классификацию способов отображения:

"Исторический" график, отображающий весь процесс испытаний от начала до конца в зависимости от времени.
Функции распределения, предназначенные для демонстрации статистических свойств сигналов эмиссии.
Графики по отдельным каналам, показывающие распределения сигналов по каналам.
Графики локации для отображения расположения источников сигналов.
Точечные графики корреляции межу различными АЭ параметрами.
Диагностические диаграммы, демонстрирующие степень опасности различных частей конструкции (в соответствии с результатами АЭ анализа).

Некоторые из этих наиболее распространенных типов графиков проиллюстрированы на рис.13.

На рис.13.а и 13.b отображены соответственно кумулятивный и дифференциальный исторические графики АЭ - графики зависимости АЭ от времени. Кумулятивный график более удобен для оценки общей эмиссии (в количественном виде), в то время как дифференциальный график подчеркивает те изменения в активности, которые происходили в течение теста.

На рис.13.с представлен исторический график АЭ данных от нагрузки. Этот график считается наиболее фундаментальным, т.к. он непосредственно связывает причину со следствием при излучении эмиссии во время нагружения. Данный тип графиков является особенно полезным при отделении "хорошей" части графика от "плохой". Обычно "плохая" часть характеризуется началом генерации АЭ сигналов уже на малых уровнях нагружения и наличием большого количества эмиссии, связанного, как правило, с помехами от нагружающего устройства.

Часто невооруженным глазом можно обнаружить кластера событий, относящихся к наиболее активным источникам, обычно конструкционным дефектам.

На рис.13.g представлен точечный график числа осцилляций (или длительности) от амплитуды. Каждый хит на этом графике представлен в виде отдельной точки, положение которой несет информацию о размере и форме сигнала. Этот тип графиков используется для качественной оценки источника, в том числе для идентификации некоторых наиболее часто встречающихся типов нежелательных шумов . Обычно сигналы эмиссии от “полезных” источников формируют на данном графике кластер, вытянутый в диагональном направлении. Сигналы помехи (например, от электромагнитных наводок) располагаются ниже этого кластера (на рис.13.g они представлены в виде круглого участка в нижней правой части графика), поскольку они имеют малую длительность, не увеличивающуюся за счет отражений. Шумовые сигналы от таких источников как трение или течи, располагаются выше диагонального кластера (на рис.13.g они представлены в виде круглого участка в верхней левой части графика), поскольку они имеют малые амплитуды и большие длительности. Это лишь один из многих графиков, который демонстрирует широкие возможности АЭ метода диагностики.

рис.13 Типичное представление АЭ данных. (а) Исторический график кумулятивного счета или энергии.(b). Исторический график скорости счета(энергии).(с) Исторический график АЭ данных (от нагрузки) (d)Кумулятивное амплитудное распределение. (e) Дифференциальное амплитудное распределение (плотность распределения). (f) Локация источников на плоскости. (g) Точечный график корреляции - зависимости осцилляций (длительности сигнала) от амплитуды.

АЭ Системы Специального Назначения. Такая система АЭ контроля имеет архитектуру и ПО, позволяющие использовать ее и в лабораторных целях и в специальных приложениях. Однако не все задачи и соответственно используемые системы нуждаются в мощном ПО и разнообразии графиков. В связи с этим перед тем, как приступать к работе следует предварительно определить требования к системе, обусловленные предполагаемыми испытаниями, и лишь затем использовать подходящее и часто не очень сложное оборудование.

Тестирование продукции иногда может производиться на базовом чисто аппаратном оборудовании, позволяющем измерять простейшие параметры АЭ, например, энергию или число осцилляций и выдавать сигнал тревоги в случае, если эти параметры превышают предельные заранее установленные значения.

Автоматический самоконтроль качества установки датчика может быть включен в функционирование такого прибора.

Мониторинг сварки и контроль трения оборудования производится на полностью аппаратном оборудовании, оснащенном специальными вентилями, таймерами и интерфейсами, обеспечивающими синхронизацию АЭ мониторинга с аппаратурой контроля сварки. Существуют и другие типы АЭ оборудования для мониторинга процесса сварки, которые включают в себя программно реализованную опцию распознавания образов, предназначенную для автоматической классификации специфических типов сварных дефектов.

Контроль протечек представляет собой одно из важнейших приложений метода АЭ, которое легко реализуется на практике. (см. раздел "Структурные Приложения Контроля"). Контроль течей обеспечивается при помощи оборудования, которое измеряет только среднеквадратичное значение

(RMS) напряжения, связанное с непрерывной эмиссией течи. Возможность обнаружения течи возрастает при возникновении импульсной эмиссии, вызванной ударами частиц, присутствующих в вытекающих материалах, или непосредственно с деградацией вытекающих материалов.

Специальные Приложения. Производители оборудования, кроме всего прочего, разработали специальную аппаратуру, предназначенную для специфических и уже изученных унифицированных приложений, например, для контроля платформ и передвижных цистерн. Такого типа оборудование базируется на стандартных процедурах проведения испытаний и является сравнительно не дорогостоящим. Изготовленное по заказу программное обеспечение предоставляет оператору ограниченное, но необходимое число опций, обеспечивая, таким образом, надежное и экономичное проведение работ.

Шумы.

Одной из важнейших проблем АЭ технологии является предохранение от шумов. Огромный прогресс наблюдается с тех пор, когда в начале 70-х для избежания регистрации помех от уличного транспорта и работающего в дневное время технологического оборудования, АЭ эксперименты проводились по ночам в подземных лабораториях на малошумящих испытательных машинах. Использование современных технологий АЭ контроля сегодня позволяет проводить измерения также и на шумных объектах.

Первый шаг АЭ контроля заключается в выборе подходящего частотного диапазона тестирования. Акустический фоновый шум, как известно, является более высоким на низких частотах. Практически для 90% испытаний подходящий частотный диапазон заключен между 100 и 300 кГц. В шумящей среде (например, на электрических силовых станциях) для снижения шумов, исходящих от потоков жидкости, необходимо работать на более высоких частотах, в районе 500 кГц. Вследствие того, что использование высоких частот приводит к снижению диапазона обнаружения (расстояния между приемными датчиками уменьшается), между частотным диапазоном и ограничением шумов существует взаимооднозначная связь.

К источникам акустических шумов относятся потоки жидкости в насосах и задвижках; процессы трения, например, трение конструкций в местах опор; процессы, связанные с ударами, например, капли дождя или биение кабеля о конструкцию под воздействием порывов ветра. К источникам электрических и электромагнитных шумов можно отнести земляные контуры, включенные силовые цепи, радио и навигационные передатчики, а также электрические штормы.

Существуют различные пути решения проблемы снижения шумов. Во-первых, иногда шум можно снизить или даже прервать непосредственно в источнике. Во-вторых, воздействие акустического шума можно ограничить путем создания демпфирующих барьеров в стратегических точках конструкций. Проблема снижения электрических шумов, которая возникает в основном в связи с недостаточным заземлением и экранированием, решается при помощи использования правильных технологий, например, за счет применения дифференциальных датчиков или совмещенных датчиков со встроенными предусилителями. Если использование таких датчиков не позволяет окончательно решить данную проблему, ее приходится решать уже на программном и/или аппаратном уровне.

Для получения удовлетворительной чувствительности часто используется технология плавающего порога, которая является весьма эффективной при условии, что не происходит существенной потери АЭ данных. Развиваются методы выборочного отбора и записи данных, базирующиеся на факторах времени, нагрузки или местоположения в пространстве. Кроме того, в связи с тем, что источники шумов по характеристикам формы сигналов отличаются от настоящей эмиссии, связанной с дефектами, их отделяют путем реализации и использования математических методов дискриминации на компьютере . Такую машинную обработку можно проводить и сразу же после измерения, и во время процесса отображения информации (графического фильтрования), и уже после испытаний в процессе послетестовой обработки, используя программы послетестовой фильтрации или специального пакета, предназначенного для анализа формы сигналов.

Благодаря развитию и использованию этих методик, АЭ контроль внедрился в разнообразные сферы производства и в дальнейшем можно ожидать продолжение этого процесса. В качестве примеров приложений, в которых снижение шума являлось ключом к успешному использованию АЭ контроля,

можно назвать мониторинг в процессе сварки и обнаружение усталостных растущих трещин в конструкции летящего самолета .

Контроль Нагрузки и Повторные Нагружения

В связи с тем, что акустическая эмиссия возникает в результате изменения напряженно- деформировного состояния материала, на характеристики АЭ большое влияние оказывает история нагружения конструкции. Кроме того, графики эмиссия/напряжение от времени зависят от свойств материала и типа деформаций, приводящих к возникновению АЭ. Некоторые материалы практически немедленно реагируют на приложение напряжения, а затем быстро приходят в стабильное состояние. Другим же необходимо некоторое время для того, чтобы "успокоиться" после приложения нагрузки; такое поведение часто наблюдается в материалах, демонстрирующих упругопластические свойства, например, в композитах, имеющих резиновую матрицу. В некоторых случаях воздействие постоянной нагрузки приводит к тому, структура разрушается, так и не вернувшись в стабильное состояние. Примером может служить водородное растрескивание охрупченного материала, сопровождающееся излучением непрерывной эмиссией и приводящее к окончательному разрушению конструкции под воздействием постоянной нагрузки (при этом уровень нагрузки может быть не высоким).

Обычно акустико-эмиссионные испытания проводятся в условиях растущей нагрузки. Начальное приложение нагрузки обычно приводит к возникновению большей эмиссии, чем последующее нагружение. Хорошо известен тот факт, что сильно пластические материалы не генерируют никакой эмиссии до тех пор, пока ни будет превышен уровень предыдущей приложенной нагрузки. Такое поведение материалов впервые было отмечено Кайзером еще в 1950 году и оказало огромное влияние на развитие методики АЭ контроля. В работе Данеган показал, что материалы, для которых должен выполняться эффект Кайзера, факт появления эмиссии при приложении повторной нагрузки (до достижения предыдущего уровня нагрузки) должен свидетельствовать о наличии дефекта, проявляющегося между первым и вторым приложениями нагрузки. Этот вывод послужил основой для концепции промышленного использования метода АЭ в 70-х годах, когда были впервые проведены АЭ испытания сосудов давления и других промышленных конструкций.

В последних методических разработках АЭ испытаний большое внимание уделяется наличию эмиссии на повторных нагрузках (меньших, чем ранее достигнутых), а также существованию эмиссии, продолжающейся во время выдержки нагрузки. Логика анализа заключается в том, что такое поведение должно свидетельствовать о наличии существенных дефектов в конструкции, в то время как в отсутствии дефектов при выдержке должна происходить релаксация напряжений и через определенное время выдержки материал должен "замолкать" до тех пор, пока повторное нагружение ни превысит предыдущий максимальный уровень нагрузки.

Рис.14. иллюстрирует данные различные типы поведения материалов. При начальном нагружении (от точки А к точке В) наблюдается эмиссия, которая однако отсутствует при разгрузке (от В к С). При повторном нагружении эмиссия не возникает (горизонтальная линия) до тех пор, пока вновь ни достигается точка В; это и есть проявление эффекта Кайзера. Далее нагрузка растет до D, сопровождаясь при этом генерацией эмиссии, после чего вновь производится разгрузка. Теперь уже благодаря высоким уровням нагрузки в точке F (до достижения предыдущей максимальной нагрузки) начинают проявляться значительные дефекты, имеющиеся в материале. Такое поведение известно как эффект Фелисити, который количественно характеризуется коэффициентом Фелисити (FR) и равен отношению максимальной нагрузки нагружения к нагрузке повторного нагружения, при которой появилась АЭ.

Эффект Кайзера можно рассмотреть как частный случай эффекта Фелисити, коэффициент которого FR ≥ 1. Факт систематического снижения коэффициента по мере приближения к разрушению был подробно описан для фибропластиков . Кроме того, в соответствии с 11 Статьей Стандарта ASME принято, что если при проведении АЕ контроля сосудов давления или контейнеров Фелисити фактор составляет менее 0.95, необходимо производить отбраковку таких объектов. В соответствии со Статьей 12 Стандарта ASME в некоторых случаях при контроле сосудов давления допускается игнорировать информацию, получаемую при первом нагружении сосуда и учитывать лишь данные от повторного нагружения. Это положение основано на том, что при первом нагружении сигналы могут проявляться от незначительных источников, например, локального пластического течения материала, в то время как при повторном нагружении должны проявляться только серьезные дефекты (FR <1).

На рис.14 приведена графическая иллюстрация появления эмиссии при выдержке нагрузки (от G к H). Эффект Фелисити и проявление эмиссии при выдержке можно объяснить следующим: оба этих эффекта вызваны нестабильной природой значительных дефектов, имеющихся в материале объекта. Эмиссия при выдержке нагрузки известна, начиная с проведения первых работ по АЭ контролю . Данный эффект был включен в критерий оценки FRP в середине 1970-х годов, а в конце 1980-х эмиссия при выдержке нагрузки стала основой при создании методики Монсанто (Monsanto), которая представляет собой эффективную процедуру АЭ контроля железнодорожных платформ и цистерн . Эта методика является очень удобным и эффективным способом анализа данных, поскольку уровень фоновых шумов в период выдержки нагрузки намного ниже, чем в период роста нагрузки.

Для успешного проведения АЭ контроля необходимо уделять должное внимание графику нагружения. Обычно в процедурах АЭ контроля определяются уровни прилагаемых нагрузок (в соответствии с рабочими или расчетными нагрузками), а также минимальную и максимальную скорости нагружения. В соответствии с методикой проведения АЭ контроля сосуды и резервуары из фибропластика должны сначала выдерживаться при пониженных нагрузках. Процедура АЭ тестирования может оказаться нарушенной, если вдруг по небрежности персонала перед проведением нагружения сосуда последний будет подгружен. В связи с этим для успешного контроля необходимо правильно координировать работу всех подразделений, занимающихся проблемой безопасности конструкций.

Акустическая Эмиссия при Исследовании Материалов

Акустическая эмиссия является замечательным средством для изучения процессов деформирования материала, т.к. обеспечивает исследователей немедленной и подробной информацией о процессах. Благодаря чувствительности к микроструктуре материала и непосредственной связи с процессами разрушения АЭ способ контроля обладает уникальной способностью к реакции материала на приложенное напряжение. АЭ анализ особенно полезен в случае, когда он используется совместно с другими диагностическими методами, как, например, измерением напряженно-деформированного состояния материала, электронной микроскопией, измерением раскрытия и скачков трещины, измерением ультразвукового рассеяния (при исследовании дислокационных процессов). Метод акустической эмиссии дополняет эти традиционные методы диагностики и обеспечивает дополнительной информацией о динамике и взаимосвязях

Рис. 14 Основной исторический график, иллюстрирующий эффект Кайзера, эффект Фелисити, а также эмиссию на выдержке нагрузки

деформационных процессов, а также о переходе от одной стадии деформации к другой.

Многие АЭ исследования предусматривают развитие методик контроля, которые могли бы использоваться в промышленных условиях. Эта работа является весьма ценной, однако существует немало трудностей, связанных с имитацией промышленных дефектов в лабораторных условиях. Лабораторные испытания обычно проводятся путем приложения одноосных растягивающих нагрузок, в то время как при промышленной эксплуатации конструкции подвергаются воздействию сложных двух или трехосных нагрузок. В этих случаях результаты лабораторных акустико- эмиссионных испытаний образцов могут служить в качестве моделей для материалов, использующихся в промышленности.

Механизмы АЭ Источников

Нет необходимости напоминать о том, что акустическая эмиссия не возбуждается при повторном нагружении во время медленного монотонного изменения межатомных расстояний, при деформации. Акустическая эмиссия генерируется лишь в тех случаях, когда имеется резкое изменение состояния материала. Существуют следующие механизмы АЭ в металлах: ускоренное движение и размножение дислокаций, скольжение, двойникование, разрушение и отслоение осажденных частиц, включений и поверхностных частиц, некоторые коррозионные процессы, зарождение и рост микротрещин, скачки трещин и процессы трения при закрытии и открытии трещин. Количество высвобожденной эмиссии прежде всего зависит от размера дефекта и скорости локального процесса деформации. Например, несмотря на то, что движение одной дислокации сопровождается излучением АЭ волн напряжений, однако для регистрации этой энергии недостаточно. В то же время при одновременном движении миллионов дислокаций в период течения образца, сгенерированные волны напряжений накладываются и дают значительную так называемую непрерывную эмиссию. При малых скоростях деформации образца возбуждаемая эмиссия сравнима с фоновым шумом, однако по мере роста скорости деформации число сигналов и их амплитуды возрастают. АЭ при пластической деформации отличается от импульсной эмиссии тем, что в первом случае индивидуальные источники являются практически неразличимыми во времени. Непрерывную эмиссию лучше всего измерять в терминах среднеквадратичного значения или оценивать скорость изменения энергии АЭ процесса.

В результате подробных исследований непрерывной эмиссии, при пластической деформации сталей, алюминиевых сплавов и других металлов было получено много полезных соотношений, связывающих акустическую эмиссию с дислокационной активностью и влиянием осажденных частиц, с микроструктурой и свойствами материала . Такие исследования оказались весьма ценными при получении новых свойств материалов. Большинство исследований были прежде всего сориентированы на изучение непрерывной эмиссии во время и после периода пластического течения материала; в меньшей степени была изучена импульсная эмиссия, которая иногда наблюдается на макроскопически упругом участке кривой нагружение - деформация.

Следующий пример иллюстрирует микроструктурную зависимость АЭ, генерирующейся при разрушении перлитной фазы во время термической обработки материала.

Пример 2: Связь Акустической Эмиссии с Режимами Термической Обработки Ферритно- Перлитных Сталей.

На рис. 15 проиллюстрирована зависимость непрерывной эмиссии от микроструктуры ферритно- перлитной стали, полученная во время сфероидизирующей термообработки, которая проводилась с целью улучшения формуемости стали. Представленные данные получены в условиях недоотжига, оптимального отжига и переотжига. На рис. 15 приведена временная зависимость скорости энергии АЭ при испытании на растяжение образца в виде гантели. На всех графиках видны пики в районе области текучести; такое поведение является типичным для гладких образцов без надрезов. На рис. 15, кроме того, имеется второй пик, приходящийся на более высоких уровень деформаций.

Важным результатом является тот факт, что образцы, подвергшиеся оптимальному отжигу, демонстрируют значительно меньшую активность эмиссии (меньший пик кривой), чем другие образцы. Объяснение этому было найдено путем установления связи АЭ поведения с микроструктурными деформационными процессами, происходящими в материале. Известно, что при пластическом деформировании дислокации могут скапливаться на границе перлитных пластинок, вызывая при этом разрушение этих пластинок. Именно эти разрушения и являются причиной первого пика эмиссии на кривой нагружения, приведенной на рис. 15.

Ри.15 Графики зависимости скорости изменения энерии и нагрузки от времени.

(а) Недоотожженная сталь: 80% перлита 20% сферических зерен. (б):оптимально отожженная сталь -100%. (с) Переотожженная сталь: 30% сферических зерен.

При испытании недотожженного материала, как показывают результаты микроскопии, имеется множество нетрансформированных перлитных пластинок, на которых происходит накопление дислокаций, приводящее к повышению АЭ активности. При оптимальном отжиге, эти пластинки приобретают сферическую форму, дающие меньшее число границ и барьеров для скопления дислокаций. В результате этого вязкость материала при деформационных процессах увеличивается, а эмиссионная активность, напротив, существенно снижается.

В материале, подвергнутому переотжигу, под микроскопом можно увидеть излишки карбидов, выделившихся из раствора в процессе рекристаллизации, растущие сферические зерна и сформированные на границах зерен осажденные частицы.

Эти большие частицы испытывают сильное взаимодействие с дислокациями и при разрушении вызывают увеличение (по сравнению с оптимальным режимом) АЭ активности.

То, что оптимальный режим отжига приводит к минимальной эмиссии, является замечательным результатом, т.к. позволяет применять АЭ метод и в исследовательских целях, и для контроля качества материала.

Акустическая эмиссия от растущей трещины представляет огромный интерес не только с исследовательской, но и практической точки зрения. Благодаря концентрации напряжений в вершине дефектов, последние генерируют сигналы эмиссии во время роста нагрузки. В то же время бездефектный материал не звучит при нагружении (эффект Кайзера). Акустическая эмиссия, продуцируемая при зарождении и росте трещин, широко представлена в литературе. Многочисленные работы посвящены различным типам роста трещины, например, усталостному, коррозионному растрескиванию, водородному охрупчиванию и другим .

Полезно отличать сигналы, сгенерированные в АЭ в пластической зоне трещины, от сигналов от проскоков трещины. Рост пластической зоны вызывает довольно низкоамплитудную эмиссию. Эта эмиссия обычно относится к разрушению фаз и включений (например, сульфато-марганцевых включений в сталях) и для срабатывания таких источников требуется приложение трехосного поля напряжений.

АЭ от роста фронта трещины в сильной степени зависит от природы роста трещины. Микроскопически быстрые механизмы роста, как, например, хрупкое внутризеренное разрушение и межзеренный скол, легко регистрируются даже в тех случаях, когда под действием критических напряжений фронт продвигается всего на расстояние одного зерна. Медленные длительные механизмы роста трещины, такие как слияние микропор (вязкий механизм разрушения) и даже активно текущая коррозия практически не могут быть обнаружены сами по себе непосредственно, однако в случае отсутствия общей пластики, перечисленные механизмы могут регистрироваться посредством роста пластической зоны. Количественная теория, объясняющая, почему одни процессы могут быть обнаружены с помощью АЭ метода, а другие нет, была разработана Wodley и Scruby . Когда лабораторные исследования впервые показали, что в вязких материалах существует возможность бесшумного (без сопровождения АЭ) роста трещины, это вызвало определенный испуг в среде эмиссионщиков. Однако в условиях натурных испытаний наличие данного механизма не представляет реальной угрозы эффективности метода, поскольку при этом увеличивается доля других механизмов излучения волн напряжений, в том числе излучение охрупченных средой материалов, эмиссия от продуктов коррозии, эмиссия при трении берегов трещин или неметаллических соединений, попавших внутрь дефекта во время производственного процесса.

Чтобы связать АЭ с параметрами разрушения материала было разработано множество моделей. Один из первых подходов заключался в том, чтобы связать АЭ с размером пластической зоны и впоследствии с коэффициентом интенсивности напряжений (КИН) вокруг дефекта .В других моделях устанавливалась связь эмиссии с движением вершины трещины в условиях циклического нагружения и с коррозионным растрескиванием под напряжением для различных материалов. Эти модели в основном имеют виде степенных соотношений, причем базовым АЭ параметром выступает акустический счет N (общее число пересечений порога сигналами АЭ). Более поздние и сложные модели позволили получить абсолютную связь прироста трещины с формой начального участка зарегистрированной волны.

Неметаллические слои на металлических поверхностях также могут излучать АЭ, расширяя поле потенциальных приложений метода. Примерами излучения эмиссии неметаллическими слоями служат:

Акустическая эмиссия при высокотемпературном окислении ;
Акустическая эмиссия от процессов коррозии, протекающих при комнатной температуре;
Использование эмиссии для оптимизации технических характеристик керамического покрытия, использующегося в высокотемпературных компонентах .

Композиционный материал с металлической матрицей. Следующий пример иллюстрирует одно из приложений АЭ для контроля композитов с металлической матрицей.

Пример 3: Акустическая эмиссия при Микрорастрескивании Хрупких зон композитов с двойной металлической матрицей.

При испытании на растяжение композитов с двойной металлической матрицей задолго до того, как происходит окончательное разрушение вязкой матрицы, в результате микрорастрескивания хрупкой фазы между волокнами и матрицей в материале излучается значительная эмиссия. Это позволяет использовать АЭ для мониторинга такого типа структур, обеспечивая раннее обнаружение структурных изменений задолго до наступления полного разрушения материала.

Исследования проводились путем испытания композитов с титановой матрицей (Ti-6Al-4V), усиленной различными волокнами: карбида кремния большого диаметра (SiC, ≈0.142 мм в диаметре) и карбида бора, покрытого бором (B(B ,4 C), ≈ 0.145мм); объем волокон составлял 0.205 и 0.224 соответственно. Для испытаний использовались стандартные плоские отшлифованные образцы, вырезанные в продольном и поперечном направлениях по отношению к расположению волокон. Разрушение образцов при постоянной скорости деформации осуществляли с помощью разрывной машине с гидросервером. При каждом испытании на середину образца ставился один АЭ датчик, измеряли скорость акустического счета как функцию продольного смещения (деформации). После каждого испытания поверхность разрушенного образца изучали с помощью оптического и электронного сканирующего микроскопов.

Параметры разрушения материалов, полученных в результате горячего прессования и входящих в состав двух рассматриваемых композитов, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Механические свойства хрупкой фазы

Проведен сравнительный анализ их прочностных свойств с целью установления связи состава со скоростью АЭ счета. Как показано на рис. 16(а), при нагружении образцов, вырезанных в продольном направлении и имеющих состав (B(B ,4 C)/ (Ti-6Al-4V), наблюдался значительный рост скорости АЭ счета вблизи нагрузки разрушения диборида титана и пик АЭ вблизи нагрузки разрушения карбида бора. В образцах, вырезанных в поперечном направлении, рис. 16(b ,с), пик АЭ скорости счета наблюдался в районе нагрузки разрушения основного хрупкого компонента - диборида титана в композите (B(B ,4 C)/ (Ti-6Al-4V) и карбида титана в SiC /(Ti-6Al-4V), соответственно. Кроме того, наблюдались также пики вблизи нагрузок разрушения, характерных для других хрупких компонент.

Показано, что больший размер хрупкой зоны, полученный в композите (B(B ,4 C)/ (Ti-6Al-4V),

Рис. 16 Зависимость скорости счета от деформации.(а) Растяжение продольных образцов В(B ,4 C)/Ti-6Al-4V. (б) Растяжение поперечных образцов В(B ,4 C)/Ti-6Al-4V. (с) Растяжение поперечных

образцов SiC/Ti-6Al-4V.

соответствует большей площади под кривой АЭ счета на графике зависимости скорости счета от деформации. Окончательное разрушение поперечных образцов в основном заключалось в разрушении пластичной матрицы, и сопровождалось сравнительно малой скоростью АЭ счета.

Использование АЭ для контроля качества продукции

Небольшой, но важной областью приложения метода является использование АЭ во время производственного процесса для контроля качества продукции или ее компонент перед окончательной сборкой и/или поставкой этой продукции. Среди приложений метода, обсуждавшихся в параграфе ‘Области Применения’ одним из наиболее распространенных является АЭ мониторинг процессов сварки и степени упрочнения материалов. Кроме того, метод использовался также для контроля целостности интегральных схем. Например, в начале 1970-х в результате потери частиц в канале интегральной схеме, была провалена программа запуска космического спутника. В связи с этим в настоящее время для наиболее важных приложений производится шумовой (акустический) контроль, являющийся упрощенным и недорогим вариантом АЭ контроля, который позволяет услышать удары отвалившихся деталей в микросхеме, если таковые имеются. . Во время производственного процесса АЭ обследование позволяет выявлять и другие дефекты. В 1970-х годах компанией Вестерн Электрик были проведены АЭ исследования процессов металлизации и растрескивания керамической подложки. Полученные результаты использовались как критерии допуска/отбраковки деталей на автоматических сборочных линиях . АЭ контроль процессов сварки являлся частью технологии практически с самого раннего периода использования данного метода. Наиболее просто контролировать бесшлаковые автоматизированные сварочные технологии, такие как контактная электросварка, лазерная и электронно-лучевая сварки, вольфрамовая дуговая и газовая дуговая сварки. При контактной дуговой сварке АЭ мониторинг синхронизируется с циклом сварки, таким образом, что различные стадии процесса исследуются и обрабатываются по отдельности. Эмиссия при затвердевании и охлаждении коррелирует с размером ядра сварки, т.о. с прочностью сварки. При этом высокоамплитудные сигналы идущие при выгорании легирующих добавок при длительной выдержке металлов можно использовать для своевременного отключения сварочного тока, что позволяет избегать избыточного сваривания и продлевает жизнь сварочных электродов. Для процессов лазерной, электронно-лучевой и вольфрамовой дуговой сварок были разработаны алгоритмы, работающие в режиме реального времени, которые позволили распознавать АЭ признаки, соответствующие различным типам дефектов и обнаруживать эти дефекты уже на стадии самой сварки. Эти процедуры АЭ контроля являются эффективными даже в присутствии существенного производственного шума. Среди других сварных компонентов, которые подвергаются АЭ контролю, можно также назвать инъекционные трубки, полученные методом газовой дуговой сварки и предназначенные для использования в космических шаттлах.

Выпрямление стержней представляет собой еще один технологический процесс, для контроля которого применяется АЭ метод. Кованые стержни обычно выпрямляют, прикладывая изгибные силы для коррекции их формы. При этом используются специальные машины, которые обнаруживают любые неровности и отклонения от соосности. Окончательное качество продукции связано с микрорастрескиванием упрочненных поверхностей стержней в результате воздействия корректирующих изгибных нагрузок. АЭ обследование позволяет с хорошей эффективностью обнаруживать появление микротрещин и потому включается в технологических процесс выпрямления стержней, чтобы в случае начала микрорастрескивания иметь возможность предупредить персонал и приостановить процесс обработки продукции. .

В рассмотренных выше случаях напряжения, вызывающие возбуждение АЭ волн, возникают непосредственно во время процессов сварки и при спрямлении стержней (в случае сварки - это термические напряжения, во втором случае - механические). Во многих других случаях для возбуждения АЭ напряжения прикладывают искусственным образом. Это схоже с тем, как при АЭ обследованиях новых и отработавших конструкций, к ним прикладывают внешние нагрузки. В качестве примеров можно привести контроль паяных соединений , а также сварных соединений в стальных патронташах.

Применение АЭ при испытаниях конструкционных материалов.

Акустико-эмиссионное обследование успешно использовалось для испытаний конструкций в авиации, космосе, для контроля мостов, ковшовых грузовиков, зданий, шахт, военных транспортных средств, дамб, трубопроводов, сосудов давления, рельсных цистерн, резервуаров и многих других. Основная цель АЭ контроля заключается в поиске дефектов и гарантиях целостности объекта или оценке его состояния.

Суть конструкционного АЭ контроля заключается в том, что концентрация напряжений, возникающих в присутствии дефекта приводит генерации волн напряжений в ослабленных участках объекта, в то время как остальная бездефектная часть ведет себя “тихо”. Таким образом, АЭ обследование позволяет выявлять места конструкции, нарушающие его целостность. Будучи методом глобального контроля, акустическая эмиссия обычно сопровождается другими МНК, которые уточняют тип и опасность дефектов, найденных АЭ методом.

Основным преимуществом АЭ метода является отсутствие необходимости доступа ко всему контролируемому участку конструкции. Затраты на удаление внешних изоляционных покрытий или, например, внутреннего содержимого контейнеров, необходимые при использовании других штатных МНК, являются необязательными при АЭ контроле объектов. Заметим, что эта процедура оказывается излишней и в том случае, если результат АЭ контроля свидетельствует о хорошем состоянии конструкции.

Для АЭ обследования как метода глобального контроля требуется только обеспечить такое нагружение конструкции, чтобы все значительные дефекты могли бы прозвучать при нагружении. В некоторых случаях, например, для контроля самолетов или атомных реакторов, возможно также проведение длительного АЭ мониторинга. Такой подход возможен благодаря наличию подходящего для АЭ метода нагружения, однако осложняется необходимостью выделения полезных сигналов, идущих от дефектов, от шума. В связи с этим АЭ испытания обычно проводятся на ограниченном промежутке времени (от нескольких минут до нескольких часов), в течение которого производится управляемое нагружение объекта . В большинстве случаев для контроля сосудов давления без прерывания производственного процесса достаточно прикладывать нагрузку уровнем 110% относительно рабочей; или 200% от расчетной при опрессовках. Однако в некоторых случаях такой подход не работает. Например, если дефекты возникают в процессе эксплуатации в результате воздействия термических нагрузок, то приложение механических нагрузок может не дать соответствующего поля напряжений, требуемого для проявления дефектов. Для решения данной проблемы, специалисты, занимающиеся контролем паропроводов на электростанциях, проводят успешный АЭ мониторинг, обследуя объект в периоды перегрева и охлаждения.

Для успешного проведения АЭ испытаний особое внимание следует обращать на тип, уровень и скорость прикладываемой нагрузки. Как уже было отмечено, предварительные нагружения оказывают большое влияние на результаты испытаний. Должны быть приняты все необходимые меры предосторожности, чтобы случайно не нагрузить конструкцию до проведения АЭ контроля. Другими требованиями являются необходимость точного контроля нагружения и возможность выдержки постоянного уровня нагрузки.

Предыстория нагружения не столь важна в случае контроля течей, поскольку в этом случае основным источником сигналов является турбулентность потока при испускании жидкости или газа через отверстие в стенке конструкции. Основные приложения акустического контроля течей включают контроль плоских днищ резервуаров и компонентов атомных реакторов. Использование технологии АЭ обследования трубопроводов реакторов позволило сэкономить миллионы долларов .

Процедуры обработки и анализа данных в сильной степени зависят от типа АЭ испытаний. Для исследовательских работ наибольшее значение имеют опыт и навыки персонала. Эти факторы существенно затормозили широкое распространение метода до тех пор, пока в конце 70-х годов основные процедуры контроля не были стандартизованы. Развитие стандартных тестовых процедур привели к тому, что метод стал регулярно использоваться в качестве МНК, в то время как новые исследования в этой области расширили круг приложений АЭ. Наиболее развитые и стандартизованные приложения метода перечислены ниже.

Краны.

Впервые АЭ обследование крана было проведено автором данного отчета в 1967 г. для Силовой компании Джорждиа. Впоследствии процедура контроля была унифицирована и превратилась в обычную практику. Стандарты по практическому использованию метода были опубликованы в 1985 г. Комиссией ASTM F-18 по Электрическому Защитному Рабочему Оборудованию .

Впервые примененный для стекловолоконных секций стрелы крана, метод вскоре стал использоваться и для металлических элементов крана: пьедестала, креплений и т.д. Всего до 1988 г. было проведено порядка 100000 АЭ испытаний. Как известно, проблема накопления повреждений в кранах связана с перегрузками, авариями и усталостными нагружениями. Поэтому тщательное регулярное обследование такого типа объектов может обнаружить проблему задолго до наступления катастрофических разрушений .

АЭ обследование является важнейшей частью общего контроля целостности конструкции, дополняющей традиционные методы контроля. Среди всех остальных методов АЭ является наиболее эффективным для обнаружения дефектов в компонентах из стекловолокна. Применительно к контролю металлических частей и обшивки метод позволяет сэкономить средства путем указания предположительно дефектных участков конструкции. Обычно перед проведением АЭ контроля объект подвергают визуальному осмотру, а после - контролю методом магнитных частиц, проникающих красок или УЗК.

Для АЭ испытания крана обычно требуется от 12 до 16 датчиков. Мониторинг начинается с регистрации шумов, после чего производится 2 нагружения до определенной рассчитанной нагрузки. Во время теста записываются АЭ сигналы, сопровождающие рост, выдержку и падение нагрузки. Процедуру анализа данных невозможно сформулировать кратко, т.к. она зависит от многих факторов: наличия шумов, типа АЭ источников, конструкции крана. Обычно опытный инспектор использует свои знания конструкции и оценивает ситуацию, используя уровень сигналов, местоположение источников (номера каналов), последовательность прихода сигналов в различные периоды нагружения объекта.

Используя АЭ оборудование, опытная команда экспертов может выполнять от 5 до 10 испытаний кранов в течение одного дня. Если при этом использовать и другие штатные методы диагностики (после АЭ), то за один день можно проконтролировать 2-3 крана.

Крупногабаритные трубчатые трейлеры. Технология акустико-эмиссионного обследования трубчатых трейлеров была разработана Блэкборном и была узаконена Департаментом Транспорта в 1983г.. Эти огромные трубы перевозят по общественным магистралям большие объемы индустриального газа под давлением порядка 18200 кПа. Во время эксплуатации в этих трубах - цистернах могут возникать и развиваться усталостные трещины, однако гидротест не указывает на их наличие до тех пор, пока не возникает сильного разрушения материала труб. В то же время АЭ тест способен обнаружить субмикротрещины на ранней стадии процесса повреждаемости при приложении давления, всего на 10 % превышающего рабочее, делая данный метод гораздо более перспективным, чем обычная опрессовка. Кроме того, АЭ тест является более дешевым способом контроля и позволяет избегать опорожнения труб от наполнителя и очистки его внутренних стенок от загрязнений.

Обычно трейлер содержит 12 труб, которые контролируются одновременно. Для АЭ теста требуется по 2 датчика на каждые 10 м одной трубы; характеристики распространения и затухание волн на такой конструкции благоприятны для АЭ контроля. Если на длине, равной 200 мм удается зарегистрировать 10 или более полезных сигналов, в этом месте производится ультразвуковой контроль, по результатам которого принимается окончательное решение о состоянии трубы. Критерий отбраковки/допуска объекта контроля базируется на оценке традиционных усталостных параметрах механики разрушения. В период от 1983 до 1988 года методом АЭ было проконтролировано около 1700 крупногабаритных труб, после чего метод был распространен и на другие транспортные тары, использующиеся для перевозки сжатого газа, а также на другие промышленные трубы.

Стекловолоконные цистерны, сосуды давления и трубопроводы. В 1970-х годах химическая промышленность столкнулась с проблемой разрушения стекловолоконных цистерн и сосудов давления. Причины, вызвавшие такие разрушения, были связаны с многими факторами: и с неправильной их проектировкой и изготовлением, и с нарушением предписаний при транспортировке, и с неправильным использованием продукции, сделанной из тогда еще малоизученного материала. Ситуация особенно обострялась из-за отсутствия жизнеспособного метода контроля объектов такого типа.

Впервые метод АЭ был применен Монсанто, что положило конец проблемам, связанным с разрушением резервуаров-хранилищ, рис.17.

Широкое распространение метод получил после формирования Комиссии по АЭ в Армированных Пластиках (CARP), которая превратилась в один из филиалов Американского Общества по Неразрушающему Контролю. В 1982 г. CARP-ом была написана инструкция, опубликованная Обществом НК, она послужила основой того, что методика АЭ была введена в коды ASME для сосудов давления в 1983 г.. До 1988 г. с использованием данной процедуры было проведено около 5000 тестов. Впоследствии Комиссия CORP распространила данный метод также на стекловолоконные трубопроводы..

Рис.17 История разрушений стекловолоконых цистерн.

В зависимости от размеров сосуда или цистерны для АЭ тестирования обычно требуется от 8 до 30 датчиков. Высокочастотные акустические каналы (обычно 150 кГц) используют для установки на участках конструкций, где предполагается значительная концентрация напряжений, в том числе на участках перелома профиля, на патрубках, лазах. Низкочастотные каналы (обычно 30 кГц) устанавливаются на менее опасных участках для охвата всей поверхности конструкции. При контроле цистерн тест обычно проводят после заполнения их производственной жидкостью после того, как эти цистерны определенное время выдерживают с пониженным содержанием этой жидкости. Увеличение количества жидкости создает перегрузку, необходимую для АЭ контроля. При контроле сосудов давления в сосудах создается избыточное давление. Нагружение производится в несколько стадий: с выдержкой, оценкой коэффициента Фелисити и других критериев приема/отбраковки, которые обычно оцениваются для каждой стадии нагружения. Оценка работоспособности АЭ системы и фонового шума объекта является частью стандартной процедуры АЭ теста.

Металлические Сосуды Давления и Цистерны Хранения.

В 1970-х многие исследовательские и инженерные организации, а также компании, занимающиеся НК, активизировали свою деятельность в области АЭ обследования металлических сосудов давления. Оценки, сделанные в 1989 году, свидетельствуют, что к этому времени методом АЭ было освидетельствовано более 600 сосудов давления, работающих преимущественно в нефтехимической и ядерной промышленностях. (Несмотря на то, что контроль труб, теплообменников и разнообразных промышленных компонент являлся к тому времени более многочисленным, однако сосуды давления исторически привлекали к себе особое внимание метода АЭ контроля.) Большинство АЭ тестов было проведено без использования специальных задокументированных процедур и потому базировалось исключительно на опыте исполнителей. Основное внимания при контроле обращали на локацию источников сигналов, которая является наиболее технически привлекательной чертой метода. Источники дифференцировали по степени опасности в соответствии с их активностью/интенсивность, после чего принимали решение, о том, какой участок объекта следовало исследовать другими методами НК. Множество структурных дефектов было выявлено описанным выше способом.

Существенный прогресс в технологии АЭ контроля наблюдался после того, как с целью развития и стандартизации процедур обработки АЭ данных Фаулер и Монсанто провели систематические исследования накопившихся многочисленных результатов АЭ контроля. Начиная с 1979 года, эта программа включила в себя обработку данных, полученных при нагружении до разрушения списанных сосудов, испытаний во время эксплуатации многих сотен сосудов и резервуаров и развитие аналитической процедуры распознавания и уменьшения внешних шумов.. Программа снизила значение процедуры локации источника, для которой требуется как минимум 2 датчика (поскольку на практике АЭ сигнал зачастую доходит только до одного из датчиков). Вместо точечной локации стали использовать зонную локацию. Результатом внедрения этой программы стало появление понятной процедуры тестирования, получившей лицензию под маркой MONPAC. К 1988 г данная процедура была апробирована примерно на 2000 металлических сосудах и резервуарах . Типичный результат тестирования MONPAC приведен на рис.18. Эксперимент заключался в АЭ тестировании 30-и летнего резервуара для хранения этилена путем подъема давления компрессором. Результаты представлены в форме развернутой карты сосуда с зонами, раскрашенными различными цветами (на черно-белом рисунке, например, рис.18, увеличение степени опасности отображается большей интенсивностью серого цвета). В приведенном случае результат АЭ освидетельствования цистерны свидетельствовал об отсутствии ”значительной эмиссии”. Такое заключение означало, что необходимость в дальнейшем трудоемком внутреннем контроле сосуда отпадала .

Рис.18 Результаты тестирования резервуара-хранилища этилена с помощью методики MONPAC. Существенной эмиссии не зарегистрировано - незначительная эмиссия зафиксирована в зонах датчиков3, 6, 8.

Во время других тестов MONPAC были обнаружены многочисленные повреждения, в том числе, внешняя и внутренняя коррозия, коррозия под напряжением, трещины в сварных швах, утечки топлива, охрупчивание материала. Число аварийных остановов на заводах было существенно сокращено благодаря ранней диагностике повреждений. Экономия от использования АЭ метода (к 1988г) достигла отметки 10 млн. долларов.

Методика АЭ контроля металлических сосудов представлена в приложении к стандартам ASME по Котлам и Сосудам Давления . В ней устанавливаются требования для тестовой процедуры, квалификации персонала, оборудования, калибровки системы, предварительных измерений, уровня фонового шума, параметров нагружения объекта контроля. Приведена иллюстративная схема нагружения и размещения датчиков. К приложению следует добавить критерий оценки повреждений, который основан на таких параметрах эмиссии как АЭ счет, общее число сигналов, число сигналов большой амплитуды, энергия (MARSE) активность при выдержке и подъеме нагрузки. Появление этого приложения к кодам ASME представляет собой важную веху в создании и достижении зрелости АЭ технологии.

ГОСТ Р ИСО 22096-2015

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Контроль состояния и диагностика машин

МЕТОД АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Condition monitoring and diagnostics of machines. Acoustic emission method

ОКС 17.140.20
17.160

Дата введения 2016-12-01

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом "Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем" (АО "НИЦ КД") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 183 "Вибрация, удар и контроль технического состояния"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 20 октября 2015 г. N 1583-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 22096:2007* "Контроль состояния и диагностика машин. Акустическая эмиссия" (ISO 22096:2007 "Condition monitoring and diagnostics of machines - Acoustic emission", IDT).
________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей . - Примечание изготовителя базы данных.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с требованиями ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Март 2019 г.

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации" . Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

Введение

Метод акустической эмиссии может быть использован в целях контроля состояния машин и диагностирования как самостоятельно, так и в сочетаниях с другими методами, например, основанными на анализе сигналов вибрации или теплового излучения машин. Метод может быть реализован с использованием стационарных, полустационарных и переносных измерительных систем в зависимости от степени критичности обследуемых объектов. Обычно в состав измерительной системы входят преобразователи, усилители сигналов, фильтры и устройства сбора данных. В зависимости от целей применения метода могут быть использованы разные характеристики сигнала акустической эмиссии.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает общие принципы применения метода акустической эмиссии в целях контроля состояния и диагностирования машин, работающих в разных режимах и в разных условиях применения. Метод распространяется на все виды машин и основан на измерениях только тех сигналов, что распространяются по конструкции машины.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ISO 2041, Mechanical vibration, shock and condition monitoring - Vocabulary (Вибрация, удар и контроль состояния. Словарь)

ISO 12716, Non-destructive testing - Acoustic emission inspection - Vocabulary (Контроль неразрушающий. Метод акустической эмиссии. Словарь)

ISO 13372, Condition monitoring and diagnostics of machines - Vocabulary (Контроль состояния и диагностика машин. Словарь)

ISO 18436-6, Condition monitoring and diagnostics of machines - Requirements for qualification and assessment of personnel - Part 6: Acoustic emission (Контроль состояния и диагностика машин. Требования к квалификации и оценке персонала. Часть 6. Метод акустической эмиссии)

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ИСО 2041, ИСО 12716, ИСО 13372, а также следующие термины с соответствующими определениями.

3.1 акустическая эмиссия (контроль состояния машин) (acoustic emission): Класс явлений, приводящих к появлению распространяющихся по конструкции или в среде (жидкостях, газах) волн вследствие быстропротекающих процессов высвобождения энергии из локализованных источников внутри или на поверхности материала.

Примечание 1 - Высвобождение энергии может быть следствием таких процессов, как распространение трещины в материале, трение соприкасающихся частей машины, удары между частями машины или утечки материала.

Примечание 2 - Данное определение сформулировано в максимально общей форме с целью отразить различные возможности применения метода акустической эмиссии в целях контроля состояния машин разных видов.

3.2 акустико-эмиссионный контроль (контроль состояния машин) (acoustic emission monitoring): Обнаружение и сбор данных акустической эмиссии, позволяющих судить о состоянии машины.

Примечание - Данное определение применимо только в области контроля состояния машин.

3.3 акустико-эмиссионный преобразователь (acoustic emission sensor/receiver): Устройство, позволяющее преобразовать движение упругой волны в электрический сигнал.

3.4 сигнал акустической эмиссии (acoustic emission signal): Электрический сигнал на выходе акустико-эмиссионного преобразователя, связанный с акустической волной от источника акустической эмиссии.

3.5 акустико-эмиссионные характеристики (acoustic emission characteristics): Набор характеристик, описывающих акустическую эмиссию данной машины или источник акустической эмиссии.

Примечание - Описываемый волновой процесс, обусловленный акустической эмиссией, может быть импульсного или непрерывного типа.

3.6 акустико-эмиссионный волновод (acoustic emission waveguide): Устройство, по которому акустическая волна распространяется от источника к акустико-эмиссионному преобразователю.

3.7 фоновый шум (background noise): Ложная составляющая сигнала акустической эмиссии, не связанная с процессами акустической эмиссии в контролируемых узлах машины.

Примечание - Фоновый шум может представлять собой сигнал, обусловленный электрическими, температурными или механическими процессами.

3.8 контактная среда (couplant): Среда между объектом акустико-эмиссионного контроля и акустико-эмиссионным преобразователем, используемая для улучшения передачи акустической волны.

Примеры - Масло, смазка, клеевое соединение, водно-эмульсионная смазочно-охлаждающая паста, воск.

3.9 имитатор Су-Нильсена (Hsu-Nielsen source): Устройство для установки и излома графитового стержня карандаша с целью искусственного моделирования процесса акустической эмиссии и возбуждения акустической волны.

Примечание - Акустическая волна зависит от применяемого стержня. Обычно применяют стержень твердостью 2Н диаметром 0,5 мм (допускается 0,3 мм) и длиной (3,0±0,5) мм.

3.10 машина (machine): Механическая система, предназначенная для выполнения определенных задач (формирования материала, передачи и преобразования движения, силы или энергии).

3.11 машинный агрегат (machine system): Механическая система, основным элементом которой является отдельная машина (см. 3.10) и которая включает в себя также вспомогательные элементы, предназначенные для поддержания функционирования этой машины.

4 Принципы метода акустической эмиссии

4.1 Явление акустической эмиссии

Акустическая эмиссия может иметь место внутри или на поверхности материалов. Данное явление заключается в спонтанном высвобождении энергии, выражаемом в форме распространения упругих волн. Акустическая эмиссия внутри материала проявляет себя через упругие волны на поверхности материала в широком диапазоне частот (обычно от 20 кГц до 1 МГц).

Упругие волны, связанные с процессами акустической эмиссии, обнаруживают с помощью специальных преобразователей движения точек на поверхности материала в электрические сигналы. Эти сигналы затем подлежат соответствующему преобразованию и обработке для получения информации о состоянии контролируемого объекта и раннего обнаружения процессов потери механической и структурной целости объекта. Форма электрического сигнала зависит от путей распространения и форм акустических волн, генерируемых внутри и/или на поверхности материала. Поэтому сигналы акустической эмиссии от одних и тех же источников могут быть разными в зависимости от путей прохождения акустических волн.

4.2 Преимущества и ограничения метода

Преимуществами метода являются:

a) получение данных без вмешательства в конструкцию контролируемого объекта;

b) получение данных в реальном масштабе времени;

c) высокая чувствительность, позволяющая осуществлять более раннее (например, по сравнению с вибрационным методом) обнаружение;

d) возможность контроля динамического поведения объекта;

e) применимость в широком диапазоне скоростей вращения, позволяющая осуществлять контроль, в том числе, низкоскоростных машин (со скоростью вращения ротора менее 60 мин);

f) возможность обнаружения процессов износа и трения, например при ослаблении соединений соседних элементов машины или вследствие ухудшения состояния смазки.

Ограничения метода связаны с:

- быстрым ослаблением акустических волн при прохождении по конструкции машины;

- высокой зависимостью от фонового шума;

- невозможностью точного сопоставления акустико-эмиссионных характеристик с механизмом неисправности в машине.

5 Применение метода акустической эмиссии

5.1 Контроль состояния машин

Метод акустической эмиссии может быть применен к широкому классу машин при условии наличия пути передачи через элементы конструкции машины акустической волны от интересующего объекта контроля к акустико-эмиссионному преобразователю. В таблице 1 показаны некоторые примеры неисправностей для машин разных видов, которые могут быть выявлены с использованием данного метода. Оценка состояния осуществляется не по абсолютным значениям параметров сигнала акустической эмиссии, а по их изменениям в заданном режиме работы машины.

Таблица 1 - Примеры применения метода акустической эмиссии в целях контроля состояния машин


Тип машин	Неисправности
	Дефекты подши- пников	Исти- рание уплот- нений	Загряз- нение/ умень- шение смазки	Несоос- ность	Дефекты уста- новки	Процессы (утечки, изме- нения рабочих харак- теристик)
Насосы
Коробки передач
Электродвигатели
Паровые турбины
Газовые турбины
Электрогенераторы
Дизельные двигатели
Механообрабатывающие центры
Вентиляторы, воздуходувки
Низкоскоростные машины вращательного действия (менее 60 мин)
Узлы машин (кпапаны, теплообменники)
Компрессоры

Например, повышение общего уровня сигнала в установившемся режиме работы машины свидетельствует об ухудшении ее технического состояния. Модуляция сигнала одной из основных подшипниковых частот является признаком ранней стадии повреждения подшипника, которое может еще не быть обнаружено по наблюдениям вибрации и ударных импульсов. Следует отметить, что проявление акустико-эмиссионной активности может быть разным для разных машин, разных условий работы и разных нагрузок.

5.2 Влияющие факторы

Прежде чем проводить измерения акустической эмиссии важно убедиться в том, что на их результаты не повлияют сторонние шумы, такие как шум электронных устройств (электромагнитные поля радиочастотного диапазона), воздушный шум (от струй газа или ударов о машину мелких частиц, поднимаемых ветром), шум от рабочих процессов в машине (потоков жидкостей в трубах) и механический фоновый шум.

6 Сбор данных

6.1 Установка системы

Типичная схема системы сбора данных акустической эмиссии показана на рисунке 1. Обычно преобразователь устанавливают на обследуемой машине и соединяют с предусилителем, выход которого соединен с входом устройства сбора данных. Некоторые акустико-эмиссионные преобразователи имеют встроенные предусилители. Данные собирают во время работы машины. Их объем и глубина последующего анализа зависят от конкретного применения. Система может быть выполнена в стационарном, полустационарном или переносном вариантах.

Рисунок 1 - Схематичное изображение системы сбора данных

6.2 Средства измерений

Детектирование волны, порожденной акустической эмиссией, является наиболее критичной частью измерения, поэтому необходимо принять все меры для обеспечения хорошего пути ее прохождения, включая согласование импедансов на границах сред. Необходимо рассмотреть также последствия неправильного выбора частотных фильтров, преобразователей, частоты дискретизации и т.п. Требования к средствам измерений и их калибровке могут быть взяты из , , , . При выборе преобразователя следует учитывать его размеры, коэффициент преобразования, частотную характеристику и условия применения. В ряде случаев, например при обследовании крупных подшипников, для обнаружения источников акустической эмиссии может потребоваться использование нескольких преобразователей. Локализация источника акустической эмиссии может быть выполнена несколькими способами, в том числе на основе расчета времен прихода акустической волны к преобразователям.

6.3 Установка преобразователей и применение контактных сред

При использовании метода акустической эмиссии в целях контроля состояния машин важно убедиться, что преобразователь надежно установлен в месте крепления с использованием соответствующей контактной среды. Крепление может быть осуществлено с применением механических устройств (с созданием прижимной силы посредством магнита, механического зажима и т.д.) или клеящих материалов. В последнем случае клеящий материал является контактной средой.

Положение акустико-эмиссионного преобразователя должно обеспечить наличие пути прохождения к нему акустической волны по элементам конструкции машины. Этот путь может включать в себя разрывы (эти разрывы рассматриваются как границы между двумя элементами, например между головкой болта и зажимаемой деталью), однако между граничащими элементами должен быть обеспечен контакт - либо механический, либо через контактную среду (примером может быть путь распространения через подшипник скольжения, где смазка и охлаждающее масло в подшипнике выступают в качестве контактной среды). Место установки преобразователя должно быть чистым. Для улучшения прохождения акустической волны можно удалить в месте установки преобразователя все слои краски вплоть до поверхности металла, однако при этом следует убедиться, что данная операция не ухудшит техническое состояние машины. Следует принять все возможные меры к тому, чтобы контактная поверхность преобразователя плотно прилегала к поверхности установки, т.е. последняя должна быть ровной, чистой и не иметь трещин. Улучшение качества пути прохождения акустической волны улучшает повторяемость результатов измерений.

В определенных обстоятельствах преобразователь может быть установлен в акустико-эмиссионном волноводе. Обычно волновод применяют для обеспечения более прямого пути прохождения волны от источника акустической эмиссии в наблюдаемом объекте к преобразователю, а также с целью уменьшить температурное влияние на преобразователь. Волновод может изменять характеристики акустической волны (амплитуду, форму и т.п.).

При использовании контактной среды небольшое ее количество наносят в центр той области, где должен быть установлен преобразователь. Затем преобразователь плотно прижимают к поверхности, равномерно распределяют контактную среду по всей области контакта. От толщины контактной среды может зависеть коэффициент преобразования преобразователя.

Если использование контактной среды нецелесообразно по практическим соображениям, то применяют сухой контакт. Необходимую прижимную силу определяют экспериментально, например, с использованием имитатора Су-Нильсена. Следует убедиться, что между контактной поверхностью преобразователя и поверхностью установки отсутствуют пустоты.

При использовании клеящей контактной среды следует убедиться, что создаваемая связь между преобразователем и поверхностью установки не разрушится вследствие возможной деформации поверхности, температурных расширений или механических нагрузок. Должны быть известны свойства клеящей среды в конкретных условиях применения.

Примечание - Растрескивание клеящего слоя само приводит к появлению сигналов акустической эмиссии.

Для предотвращения фонового шума электрической природы преобразователь должен быть электрически изолирован.

7 Предварительные сведения

Приготовление к измерениям и их проведение требует знания:

- идентификационных данных машины (ее название и номер);

- режима работы (нагрузка, скорость, температура и т.д.);

- истории эксплуатации и технического обслуживания;

- конструкции машины;

- истории ее неисправностей или отказов;

- предыдущих данных измерений акустической эмиссии.

Для правильной интерпретации результатов измерений необходимо наличие соответствующей экспериментальной базы данных или знания базового уровня, соответствующего нормальным условиям применения машины. Базовый уровень представляет собой значения совокупности контролируемых параметров, получаемых, когда известно, что машина находится в хорошем техническом состоянии и работает в стабильном режиме. Результаты последующих измерений сравнивают с базовым уровнем для выявления возможных отклонений.

Для машин, работающих в нескольких режимах, может быть установлено несколько базовых уровней - по одному для каждого контролируемого режима. Для машин, вводимых в эксплуатацию после покупки или ремонта, может быть установлен период прирабатывания. В течение этого периода (нескольких дней или недель) могут наблюдаться изменения контролируемых параметров. Результаты измерений, проведенных в период прирабатывания, не следует использовать для формирования базового уровня. Базовый уровень может быть определен также для оборудования, уже длительное время находившегося в эксплуатации, но для которого только сейчас начинают применять метод акустико-эмиссионного контроля.

8 Анализ данных и представление результатов

Основная цель анализа состоит в установлении связи между акустико-эмиссионными характеристиками и условиями работы машины, измерении отклонений от базовой линии для идентификации состояния машины.

Критериями, применяемыми при контроле состояния машин методом акустической эмиссии, могут быть следующие:

a) повышение со временем активности источников акустической эмиссии;

b) значения акустико-эмиссионных характеристик в установившемся режиме работы машины;

c) появление в сигнале акустической эмиссии характерных особенностей, отсутствующих в случае хорошего технического состояния машины;

d) специальные инструментальные критерии, определяемые изготовителем средств измерений;

e) наличие амплитудной модуляции сигнала акустической эмиссии с частотой, характерной для данного дефекта.

9 Процедуры

Успешное применение метода акустической эмиссии невозможно без регулярных точных измерений контролируемых параметров. Это требует от персонала разработки, оценки качества и применения документированных процедур испытаний, а также понимания возможных ограничений этих процедур. Требования к компетентности персонала, использующего метод акустической эмиссии, установлены в ИСО 18436-6.

Приложение ДА (справочное). Сведения о соответствии ссылочных международных стандартов национальным стандартам

Приложение ДА
(справочное)

Таблица ДА.1

Обозначение ссылочного международного стандарта

Степень соответствия

Обозначение и наименование соответствующего национального стандарта
ГОСТ Р ИСО 18436-6-2012 "Контроль состояния и диагностика машин. Требования к квалификации и оценке персонала. Часть 6. Метод акустической эмиссии"

Примечание - В настоящей таблице использовано следующее условное обозначение степени соответствия стандартов:

IDT - идентичные стандарты.

Библиография


	ISO 17359, Condition monitoring and diagnostics of machines - General guidelines
	EN 13477-1, Non-destructive testing - Acoustic emission - Equipment characterisation - Part 1: Equipment description
	EN 13477-2, Non-destructive testing - Acoustic emission - Equipment characterisation - Part 2: Verification of operating characteristic
	EN 13554, Non-destructive testing - Acoustic emission - General principles
	ASTM E976-05, Standard Guide for Determining the Reproducibility of Acoustic Emission Sensor Response
	ASTM E1106-86, Standard Method for Primary Calibration of Acoustic Emission Sensors
	DSTU 4227, Guidelines on acoustic-emission diagnostics of critical objects


УДК 534.322.3.08:006.354

Ключевые слова: машины, акустическая эмиссия, источники, преобразователь, средства измерений, контроль состояния

Электронный текст документа
подготовлен АО "Кодекс" и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2019