АКУСТИКО-ЕМІСІЙНИЙ КОНТРОЛЬ
Мета роботи.Вивчення основних фізичних засад акустико-емісійного контролю. Застосування методу акустичної емісіїдля обстеження резервуарів без виведення з експлуатації. Ознайомлення із засобами збору та обробки інформації при діагностиці об'єктів.
Під акустичною емісією (АЭ) розуміється виникнення серед пружних хвиль, викликаних зміною її стану під впливом зовнішніх чи внутрішніх чинників. Акустико-емісійний метод ґрунтується на аналізі цих хвиль. Метою АЕ контролю є виявлення, визначення координат та стеження (моніторинг) за джерелами акустичної емісії.
Метод акустичної емісії (АЕ) є чутливим до будь-яких видів структурних змін у широкому частотному діапазоні роботи (зазвичай від 10 до 1000 кГц). Обладнання здатне реєструвати як крихке зростання тріщин, але й процеси розвитку локальної пластичної деформації, затвердіння, кристалізації, тертя, ударів, течеобразований і фазових переходів.
Принципова схема АЕ контролю наведено малюнку 1.
Малюнок 1 – Схема АЕ контролю на трубопроводі:
1-перетворювач АЕ (приймач); 2-блок посилення; 3-блок фільтрації; 4- центральний блок збору та обробки інформації на базі індустріального комп'ютера; 5-об'єкт контролю; 6 - джерело АЕ; t1 – час приходу сигналу перший приймач; t2 – час надходження сигналу на другий приймач
Основні програми, в яких використовують АЕ метод контролю:
періодичний контроль цілісності конструкцій;
Контроль цілісності конструкції під час опресування;
Контроль працездатності об'єкта під час пневмовипробування;
Моніторинг (тривалий контроль з одночасною обробкою результатів у режимі реального часу) цілісності об'єкта;
Контроль процесу зварювання;
Контроль зношування та зіткнення обладнання при автоматичній механічній обробці;
Контроль зносу та втрат мастила на об'єктах;
Виявлення втрачених частин та частинок обладнання;
Виявлення та контроль течій, кавітації та потоків рідини в об'єктах;
Контроль хімічних реакцій, Що включає контроль корозійних процесів, а також процесів рідко-твердого переходу, фазових перетворень
Більшість конструкційних матеріалів починають при навантаженні опускати акустичні коливання в ультразвуковій частині спектру ще задовго до руйнування.
Вивчення та реєстрація цих хвиль стала можливою із створенням спеціальної апаратури.
Реєстрація сигналу від джерела АЕ здійснюється одночасно з шумом постійного та змінного рівня (рисунок 2). Шуми є одним із основних факторів, що знижують ефективність АЕ контролю.
Для придушення шумів та виділення корисного сигналу зазвичай застосовують два методи: амплітудний та частотний.
Малюнок 2 – Загальна схемареєстрованого сигналу АЕ на тлі шумів:
1 – осциляції; 2 – плаваючий поріг;
3 – осциляції без урахування плаваючого порога; 4 – шум
Амплітуднийполягає у встановленні фіксованого та плаваючого рівня дискримінаційного порога UП, нижче якого сигнали АЕ апаратура не реєструє. Фіксований поріг встановлюється за наявності шумів постійного рівня, що плаває – змінного.
ЧастотнийМетод придушення шумів полягає у фільтрації сигналу, прийнятого приймачами АЕ, за допомогою низько- та високочастотного фільтрів (ФНЧ/ФВЧ). У цьому випадку для налаштування фільтрів перед проведенням контролю попередньо оцінюють частоту та рівень відповідних шумів.
Сигнали від джерела АЕ типу тріщини характеризуються тим, що їх випускає одне джерело, вони короткочасні, а час надходження на перетворювачі акустичної емісії (ПАЕ) відображає відстань до тріщини. Положення джерела АЕ на площині знаходять методами тріангуляції. За швидкістю поширення хвилі в матеріалі та різниці часів приходу сигналу на різні ПАЕ розраховують місце розташування безлічі точок для джерела АЕ, які будуть знаходитися на околицях радіусами R1, R2і R3від відповідних ПАЕ (рисунок 3).
Рисунок 3 – Схема локації джерела АЕ на площині
Характерними особливостями методу АЕ контролю, що визначають його можливості та сферу застосування, є наступні:
Метод АЕ контролю забезпечує виявлення та реєстрацію тільки дефектів, що розвиваються, що дозволяє класифікувати дефекти не за розмірами, а за ступенем їх небезпеки;
Чутливість методу АЕ контролю дуже висока. Він дозволяє виявити в робочих умовах збільшення тріщини порядку часток міліметра, що значно перевищує чутливість інших методів;
Властивість інтегральності методу контролю АЕ забезпечує контроль всього об'єкта з використанням одного або декількох перетворювачів АЕ контролю, нерухомо встановлених на поверхні об'єкта;
Метод АЕ контролю забезпечує можливість проведення контролю об'єктів без видалення їх гідро- або теплоізоляції. Для проведення контролю достатньо розкрити ізоляцію лише в місцях встановлення перетворювачів, що багато разів знижує обсяг відновлювальних робіт;
Метод забезпечує можливість проведення дистанційного контролю недоступних об'єктів, таких як підземні та підводні трубопроводи, апарати закритих конструкцій тощо;
Метод дозволяє проводити контроль різних технологічних процесів та процесів зміни властивостей та стану матеріалів та має менше обмежень, пов'язаних з їх властивостями та структурою;
АЕ метод може бути використаний також для оцінки швидкості розвитку дефекту та, відповідно, оцінки залишкового ресурсу контрольованого об'єкта. Реєстрація АЕ дозволяє визначити утворення свищів, наскрізних тріщин, протікання в ущільненнях, заглушках та фланцевих з'єднаннях.
Істотним недоліком методу є складність виділення корисного сигналу із перешкод, коли дефект малий. Імовірність виявлення сигналу АЕ висока лише за різкого розвитку дефекту, тому метод АЭ контролю рекомендується застосовувати разом із іншими методами неруйнівного контролю.
Акустико-емісійний контроль резервуарів
АЕК проводиться для виявлення дефектів зварних з'єднань, що розвиваються, і основного металу стінки і днища резервуара.
Для проведення АЕ контролю резервуарів використовується багатоканальна АЕ система, що забезпечує реєстрацію сигналів акустичної емісії від дефектів у зварних з'єднаннях та основному металі трьох нижніх поясів стінки резервуара за один цикл проведення контролю.
Перед проведенням робіт з АЕ контролю слідує:
- максимально усунути джерела акустичних перешкод;
- відкалібрувати АЕ апаратуру;
- визначити рівень шуму та радіус зони прийому датчиків.
При проведенні АЕ контролю проводиться безперервне спостереження за даними, що надходять. Якщо в ході навантаження буде відмічено аномальне збільшення активності АЕ – джерела АЕ IV (Е) класу небезпеки, то для запобігання виникненню аварії (аварійного витоку), випробування припиняються до з'ясування причин виявленого явища.
На основі отриманих та оброблених даних джерела АЕ у зварних з'єднаннях та основному металі стінки резервуара оцінюються за ступенем небезпеки:
I – пасивний;
II – активний;
III – критично активний;
IV – катастрофічно активний.
На основі отриманих та оброблених даних АЕ контролю днища джерела сигналу оцінюються за ступенем небезпеки:
А – дуже слабка корозія;
B – рання стадія розвитку корозії;
С – локальна корозія;
D – сильна корозія днища;
E - дуже сильна корозія днища, виявлено витік.
У разі оцінки стану днища за категорією Е необхідно негайно вивести резервуар з експлуатації та провести повну технічну діагностику.
У разі виявлення джерел АЕ II, III або IV класів або у разі коли інтерпретація АЕ джерел утруднена, проводиться УЗ контроль ділянок стінки резервуара в місцях виявлення джерел АЕ. Остаточна оцінка виявлених джерел АЕ здійснюється за результатами УЗК. Дефекти, що є джерелами АЕ III чи IV класів, неприпустимі.
Апаратура АЕ контролю
Акустико-емісійні прилади і системи, що випускаються, використовуються для контролю та діагностики різних промислових об'єктів: магістральних і технологічних трубопроводів, балонів, судин тиску, резервуарів нафтопродуктів, вантажопідйомного обладнання і т.д.
Рисунок 4 – Перетворювачі акустичної емісії
Перетворювачі акустичної емісії, крім моделей у вибухозахищеному виконанні, мають режим автоматичного тестування самого датчика, який завдяки випромінюванню хвиль дозволяє проводити перевірку працездатності сусідніх датчиків і акустико-емісійної системи в цілому.
Чутлива п'єзоелектрична система герметизована спеціальним еластичним герметиком. Весь об'єм корпусу, включаючи електронну схему, залитий епоксидним компаундом із підвищеною адгезією до нержавіючої сталі. Перетворювачі мають зносостійкий керамічний протектор або протектор із нержавіючої сталі.
Моделі перетворювачів розрізняються по робочій смузі частот, напрузі живлення, коефіцієнту посилення попереднього підсилювача, виконання (звичайне герметичне або вибухозахищене герметичне), матеріалу протектора.
Перетворювачі акустичної емісії кріпляться на контрольований об'єкт з допомогою магнітних притисків.
Малюнок 5 – Магнітні притиски
Управління системою, збирання та аналіз даних забезпечується спеціальними програмами. Наприклад, програмний пакет AE Studio, що поставляється разом з акустико-емісійною системою входять:
· «Корал» – програма та технологія обробки даних акустико-емісійного контролю лінійних об'єктів (лінійні ділянки технологічних та магістральних нафто-, газо-, продуктопроводів тощо);
· «Буря» – пакет незалежних одна від одної програм та технологія обробки даних акустико-емісійного контролю об'ємних об'єктів (резервуарів, нафтових танків, сферичних оболонок тощо).
Пакет програм «Буря» призначений для комплексної, детальної обробки акустико-емісійної інформації, отриманої в результаті контролю промислових об'єктів і включає наступні програми обробки даних:
· «Днище» – програма обробки даних акустико-емісійного контролю плоских днищ круглої форми, які не мають можливості для встановлення на них датчиків акустичної емісії (днища РВС). Особливістю програми є можливість використання додаткових датчиків, які розставляються на стінці резервуара, для фільтрації акустико-емісійних подій з днища від подій, що відбулися у верхній частині РВС.
Рисунок 6 – Програма обробки даних «Днище»
· "Сфера" - Програма обробки даних акустико-емісійного контролю сферичних об'єктів (сферичні сховища та резервуари, сферичні днища ємностей). Включає окрему програму "Сфера-Д", необхідну для малювання карти об'єкта та створення файлу координат розташування датчиків на сферичній поверхні з упорядкованою таблицею відстаней між приймачами.
· "Циліндр" - Програма обробки даних акустико-емісійного контролю циліндричних об'єктів (цистерн, колон, стінок РВС). Включає окрему програму Циліндр-Д, необхідну малювання карти об'єкта і створення файлу координат розміщення датчиків на циліндричної поверхні з упорядкованою таблицею відстаней між приймачами.
Рисунок 7 – Програма обробки даних «Сфера»
Рисунок 8 – Програма обробки даних «Циліндр»
Малюнок 9 – Резервуар із характерними дефектами
Подібна інформація.
Джерела акустичної емісії
При руйнуванні майже всі матеріали видають звук («крик олова», відомий з середини XIXстоліття, тріск деревини, що ламається, льоду та ін), тобто випромінюють акустичні хвилі, що сприймаються на слух. Більшість конструкційних матеріалів (наприклад, багато металів і композиційних матеріалів) починають при навантаженні випускати акустичні коливання в ультразвуковій (нечутній) частині спектру ще задовго до руйнування. Вивчення та реєстрація цих хвиль стала можливою із створенням спеціальної апаратури. Особливо інтенсивно роботи у цьому напрямі стали розвиватися із середини 60-х років XX ст. у зв'язку з необхідністю контролю особливо відповідальних технічних об'єктів: ядерних реакторів та трубопроводів АЕС, корпусів ракет та ін.
Під акустичною емісією (емісія - випромінювання, генерація) розуміється виникнення серед пружних хвиль, викликаних зміною її стану під впливом зовнішніх чи внутрішніх чинників. Акустико-емісійний метод заснований на аналізі цих хвиль і є одним із пасивних методів акустичного контролю. Відповідно до ГОСТ 27655-88 «Акустична емісія. Терміни, визначення та позначення» механізмом збудження акустичної емісії (АЕ) є сукупність фізичних та (або) хімічних процесів, що відбуваються в об'єкті контролю. Залежно від типу процесу АЕ поділяють такі виды:
· АЕ матеріалу, що викликається динамічною локальною перебудовою його структури;
· АЕ тертя, що викликається тертям поверхонь твердих тіл у місцях застосування навантаження і в з'єднаннях, де має місце податливість елементів, що сполучаються;
· АЕ витоку, викликана результатом взаємодії рідини або газу, що протікає через тек, зі стінками течі і навколишнім повітрям;
· АЕ при хімічних або електричних реакціях, що виникають в результаті протікання відповідних реакцій, у тому числі супроводжують корозійні процеси;
· магнітна та радіаційна АЕ, що виникає відповідно при перемагнічуванні матеріалів (магнітний шум) або в результаті взаємодії з ним іонізуючого випромінювання;
· АЕ, що викликається фазовими перетвореннями в речовинах та матеріалах.
Таким чином, АЕ - явище, що супроводжує чи не всі фізичні процеси, що протікають у твердих тілахта на їх поверхні. Можливості реєстрації ряду видів АЕ внаслідок їх малості, особливо АЕ, що виникають на молекулярному рівні, під час руху дефектів (дислокацій) кристалічних ґрат, обмежується чутливістю апаратури, у практиці АЕ контролю більшості промислових об'єктів, зокрема об'єктів нафтогазової промисловості, використовують перші три види АЭ. При цьому необхідно мати на увазі, що АЕ тертя створює шум, призводить до утворення хибних дефектів і є одним з основних факторів, що ускладнюють застосування методу АЕ. Крім того, з АЕ першого виду реєструються тільки найбільш сильні сигнали від дефектів, що розвиваються: при зростанні тріщин і при пластичному деформуванні матеріалу. Остання обставина надає АЕ методу велику практичну значимістьта обумовлює його широке застосування для цілей технічної діагностики.
Метою АЕ контролю є виявлення, визначення координат і стеження (моніторинг) за джерелами акустичної емісії, пов'язаними з несплошностями на поверхні або в об'ємі стінки об'єкта контролю, зварного з'єднання та частин і компонентів, що виготовляються. Усі індикації, викликані джерелами АЕ, мають бути за наявності технічної можливості оцінені іншими методами контролю, що не руйнує.
Види сигналів АЕ
Реєстровану промисловою серійною апаратурою АЕ поділяють на безперервну та дискретну. Безперервна АЕ реєструється як безперервне хвильове поле з великою частотою проходження сигналів, а дискретна складається з роздільних помітних імпульсів з амплітудою, що перевищує рівень шуму. Безперервна відповідає пластичному деформуванню (перебігу) металу або витіканню рідини або газу через течі, дискретна стрибкоподібного зростання тріщин.
Розмір джерела випромінювання дискретної АЕ невеликий і порівнянний з довжиною хвиль, що випромінюються. Його можна подати у вигляді квазиточечного джерела, розташованого на поверхні або всередині матеріалу і випромінює сферичні хвилі або хвилі інших типів. При взаємодії хвиль з поверхнею (кордоном розділу двох середовищ) відбувається їх віддзеркалення та трансформація. Хвилі, що розповсюджуються всередині обсягів матеріалу, швидко слабнуть через згасання. Поверхневі хвилі згасають з відстанню значно менше об'ємних, тому вони переважно і реєструються приймачами АЕ.
Реєстрація сигналу від джерела АЕ здійснюється одночасно з шумом постійного або змінного рівня (рисунок 10.1). Шуми є одним із основних факторів, що знижують ефективність АЕ контролю. Зважаючи на різноманітність причин, що викликають їх появу, шуми класифікуються залежно від:
· Механізму генерації (джерела походження) - акустичні (механічні) та електромагнітні;
· виду сигналу шумів - імпульсні та безперервні;
· Розташування джерела - зовнішні та внутрішні. Основними джерелами шумів при АЕ контролі об'єктів є:
· Розбризкування рідини в ємності, посудині або трубопроводі при його наповненні;
· гідродинамічні турбулентні явища за високої швидкості навантаження;
· Тертя в точках контакту об'єкта з опорами або підвіскою, а також у з'єднаннях, що володіють податливістю;
· робота насосів, моторів та інших механічних пристроїв;
· Дія електромагнітних наведень;
· Вплив довкілля(дощу, вітру та ін.);
· Власні теплові шуми перетворювача АЕ і шум вхідних каскадів підсилювача (передсилювача).
Для придушення шумів та виділення корисного сигналу зазвичай застосовують два методи: амплітудний та частотний. Амплітудний полягає у встановленні фіксованого або плаваючого рівня дискримінаційного порогу нижче за який сигнали АЕ апаратура не реєструє. Фіксований поріг встановлюється за наявності шумів постійного рівня, що плаває – змінного. Плаваюча поріг , що встановлюється автоматично за рахунок відстеження загального рівня шумів, дозволяє, на відміну від фіксованого, виключити реєстрацію частини сигналів шуму як сигналу АЕ.
Рисунок 1. Загальна схема реєстрованого сигналу АЕ на тлі шумів:
1 – осциляції; 2 - плаваючий поріг; 3 - осциляції без урахування плаваючого порога; 4 - шум
Малюнок10.2. Загальний виглядсигналу АЕ на виході підсилювального тракту апаратури:
1 – осциляції; 2 - огинаюча; - граничне значення амплітуди; - амплітуда k-го імпульсу
Частотний метод придушення шумів полягає у фільтрації сигналу, прийнятого приймачами АЕ, за допомогою низько- та високочастотних фільтрів (ФНЧ/ФВЧ). У цьому випадку для налаштування фільтрів перед проведенням контролю попередньо оцінюють частоту та рівень відповідних шумів.
Після проходження сигналу через фільтри та підсилювальний тракт, поряд з трансформацією хвиль на поверхні контрольованого виробу відбувається подальше спотворення початкових імпульсів джерела АЕ. Вони набувають двополярного осцилюючого характеру, зображеного на малюнок 10.2. Подальший порядок обробки сигналів та використання їх як інформативний параметр визначається комп'ютерними програмами збору даних та їх постобробки, використаними у відповідній апаратурі різних виробників. Правильність визначення кількості подій та їх амплітуда залежатимуть не тільки від можливості їх реєстрації (роздільна здатність апаратури), а й від способу реєстрації.
Наприклад, якщо реєструвати імпульси огинаючої сигналів вище за рівень , то буде зафіксовано чотири імпульси, а якщо реєструвати кількість осциляції вище цього ж рівня, то буде зафіксовано дев'ять імпульсів. Під імпульсом розуміється цуг хвиль із частотою у робочому діапазоні, огинаюча якого на початку імпульсу перетинає поріг вгору, а кінці імпульсу - вниз.
Таким чином, кількість зареєстрованих імпульсів залежатиме від налаштування апаратури: величини тайм-ауту кінця події. Якщо тайм-аут буде досить великий, то може бути зареєстровано, наприклад, чотири імпульси, якщо малий, всі осциляції вище рівня (вісім на малюнок 10.2) можуть бути зареєстровані в якості імпульсів. Великі похибки може також внести використання частотної смуги пропускання сигналів і рівня дискримінації, особливо коли сигнали АЕ по амплітуді порівняні з рівнем шумів.
Оцінка результатів АЕ контролю.
Після обробки прийнятих сигналів результати контролю подають у вигляді ідентифікованих (з метою виключення помилкових дефектів) та класифікованих джерел АЕ. Класифікацію виконують, використовуючи такі основні параметри сигналів АЕ:
· Сумарний рахунок акустичної емісії - кількість зареєстрованих імпульсів АЕ вище за встановлений рівень дискримінації (порога) за інтервал часу спостереження;
· Активність акустичної емісії - число зареєстрованих імпульсів АЕ за одиницю часу;
· Швидкість рахунку акустичної емісії - відношення сумарного рахунку акустичної емісії до інтервалу часу спостереження;
· Енергія акустичної емісії - енергія, що виділяється джерелом АЕ і переноситься хвилями, що виникають у матеріалі;
· Амплітуда сигналів акустичної емісії, тривалість імпульсу, час наростання події АЕ.
Сумарний рахунок та активність АЕ під час пластичної деформації пропорційні обсягу деформованого матеріалу. Амплітуда сигналів та енергії АЕ при розвитку тріщини прямо пропорційна швидкості її зростання та максимальної напруги в даній зоні.
При класифікації джерел АЕ враховують також їхню концентрацію, параметри навантаження контрольованого об'єкта та час.
Виявлені та ідентифіковані джерела АЕ відповідно до ПБ 03-593-03 «Правила організації та проведення акустико-емісійного контролю судин, апаратів, котлів та технологічних трубопроводів» рекомендується розділяти на чотири класи:
· Перший - пасивне джерело, що реєструється для аналізу динаміки його розвитку;
· Другий - активне джерело, що вимагає додаткового контролю з використанням інших методів;
· третій - критично активне джерело, що вимагає контролю за розвитком ситуації та вжиття заходів щодо підготовки можливого скидання навантаження;
· четвертий - катастрофічно активне джерело, що вимагає негайного зменшення навантаження до нуля або до величини, коли активність джерела знижується рівня другого чи третього класу.
Враховуючи велике числопараметрів, що характеризують АЕ, віднесення джерел до відповідного класу здійснюється за допомогою низки критеріїв, що враховують набір параметрів. Вибір критеріїв здійснюється за ПБ 03-593-03 залежно від механічних та акустико-емісійних властивостей матеріалів контрольованих об'єктів. До критеріїв належать такі:
· Амплітудний, заснований на реєстрації амплітуд імпульсів (не менше трьох від одного джерела) та їх порівнянні з величиною перевищення порога (), яка відповідає зростанню тріщини в матеріалі. Визначення вимагає дослідження матеріалу на зразках в попередніх експериментах;
· Інтегральний, заснований на порівнянні оцінки активності джерел АЕ з відносною силою цих джерел у кожному інтервалі реєстрації. При цьому для визначення потрібно встановити в попередніх дослідженнях значення коефіцієнта;
· локально-динамічний, який використовує зміну числа АЕ локаційних подій на щаблях витримки тиску та динаміку зміни енергії або квадрата амплітуди локованої події зі зростанням навантаженості об'єкта. Цей критерій використовується для оцінки стану об'єктів, структура та властивості матеріалу яких точно не відомі. Ця обставина робить цей критерій практично значущим, особливо при діагностиці в польових умовах;
· Інтегрально-динамічний, що проводить класифікацію джерела АЕ залежно від його типу та рангу. Тип джерела визначають за динамікою енерговиділення, виходячи з амплітуди сигналів АЕ на інтервалі спостереження. Ранг джерела встановлюють шляхом розрахунку його коефіцієнта концентрації і сумарної енергії . Для розрахунку коефіцієнта концентрації необхідно визначити – середній радіус джерела АЕ. Разом з тим величина акустико-емісійних приладів не визначається, що перешкоджає застосуванню даного критерію на практиці;
· Критерії коду ASME, призначені для зонної локації та потребують знання допустимих значень параметрів АЕ, що передбачає попереднє вивчення властивостей контрольованих матеріалів та облік об'єкта контролю як акустичного каналу.
Технологія MONPAC передбачає класифікацію джерел АЕ відповідно до значення «Силовий індекс» та «Історичний індекс». Клас визначають за планарною діаграмою, залежно від значення цих індексів. Ця класифікація використовується у технології MONPAC із застосуванням апаратури фірми РАС (Physical Acoustics Corporation).
За критеріями безперервної АЕ, контрольованої зазвичай при протіканні, ситуація класифікується наступним чином:
· Клас 1 - відсутність безперервної АЕ;
· Клас 4 - реєстрація безперервної АЕ.
Для виникнення ефекту АЕ потрібне вивільнення енергії. Закономірності випромінювання АЕ матеріалу, викликані динамічною локальною перебудовою його структури, включаючи як пластичне деформування, і освіту і зростання тріщин, досліджують при механічному розтягуванні відповідних зразків.
Як правило, АЕ при пластичній деформації є емісією безперервного типу, що має вигляд безперервного радіосигналу, подібного до шумового. Для характеристики процесу АЕ часто використовується значення акустичної емісії - параметр, що враховує як кількість імпульсів, і їх амплітуду, пропорційний добутку активності чи швидкості рахунки середнє значення амплітуди сигналів за одиницю часу. Для більшості металів при їхньому пластичному деформуванні максимум активності, швидкості рахунку та ефективного значення АЕ збігається з межею плинності.
На малюнку 10.3 наведена залежність ефективного значення АЕ () при розтягуванні гладких зразків, поєднана з діаграмою напруги ()-деформації (). Залежність 1 відповідає залізу-армко і маловуглецевої сталі (з вмістом вуглецю до 0,015%) і є безперервною АЕ з максимумом в зоні зуба (майданчика) плинності. Залежність 2 характерна для конструкційної вуглецевої сталі, що містить карбіди, і, крім безперервної АЕ, включає роздільні імпульси великої амплітуди, пов'язані з руйнуванням цементитових пластинок в перліті сталі.
Малюнок 10.3.Залежність ефективного значення АЕ (U) при розтягуванні гладких зразків, суміщена з діаграмою напруги () – деформації ()
Максимум активності АЕ в зоні зуба та майданчика плинності пояснюється масовим утворенням та переміщенням дефектів (дислокацій) кристалічних ґрат при переході до пластичної деформації та накопичення незворотних змін структури. Потім активність знижується через те, що рух дислокацій, що знову утворюються, обмежується вже існуючими. При повторному навантаженні проявляється ефект «незворотності», що називається ефектом Кайзера. Він полягає в тому, що при повторному навантаженні через малий проміжок часу на фіксованому рівні чутливості апаратури АЕ не реєструється доти, доки не буде перевищено досягнутий перед цим рівень навантаження. Насправді сигнали АЕ виникають із самого початку навантаження, але їх величина настільки мала, що знаходиться нижче за рівень чутливості апаратури. Разом з тим, при повторному навантаженні через тривалий час АЕ реєструється на рівні навантаження, меншому, ніж попередньо досягнутий. Цей ефект, званий ефектом Фелічіти, пояснюється зворотним рухом дислокацій при знятті навантаження.
Найбільшу небезпеку становлять тріщиноподібні дефекти, розвиток яких у більшості випадків призводить до аварій та руйнувань конструкції. Утворення та зростання тріщини відбуваються стрибкоподібно та супроводжуються різними роздільними імпульсами відповідної амплітуди. У матеріалах як з природними тріщинами, так і зі штучними надрізами відбувається концентрація напруги у вершині дефекту при навантаженні об'єкта робочими або випробувальними навантаженнями. При досягненні локальної напруги межі плинності матеріалу утворюється зона пластичної деформації. Обсяг цієї зони пропорційний рівню напруги, які характеризуються коефіцієнтом інтенсивності цих напруг. До. Коли локальні напруження перевищують межу міцності, відбувається мікророзрив - стрибкоподібне збільшення довжини дефекту, що супроводжується імпульсом АЕ. Число імпульсів Nзростає зі збільшенням До. Залежність сумарної АЕ Nвід коефіцієнта інтенсивності напруг Домає вигляд
Амплітуда сигналів АЕ при зростанні тріщини може досягати 85 дБ та більше. Для пластичної деформації амплітуда сигналів АЕ зазвичай вбирається у 40...50 дБ. Таким чином, відмінність амплітуд АЕ є однією з основних ознак відхилення пластичної деформації від зростання тріщини.
Результати АЕ контролю подають у вигляді переліку зареєстрованих джерел АЕ, віднесених до того чи іншого класу за допомогою прийнятого критерію. Місцезнаходження джерела вказують на розгортку поверхні об'єкта, що контролюється (рисунок 10.4). Оцінку стану контрольованого об'єкта, у свою чергу, проводять за наявністю в ньому джерел АЕ того чи іншого класу.
Малюнок 10.4.Схема розташування джерел АЕ на розгортці судини та місце розташування зареєстрованих дефектів:
1 - обичай 1; 2 - обичай 2; 3 – вхід повітря; 4 - обичайка 3; 5 - днище нижнє; 6 – штуцер зливу конденсатора; 7 - лазовий отвір; 8 – штуцер манометра; 9 – штуцер запобіжного клапана; 10 - днище верхнє; I‑VIII – номери приймачів АЕ
При позитивній оцінці технічного стану об'єкта за результатами АЕ контролю або відсутність зареєстрованих джерел АЕ застосування додаткових видів контролю не потрібно. При виявленні джерел АЕ другого, третього класів використовують додаткові види контролю, що не руйнує, з метою оцінки допустимості виявлених джерел АЕ.
Апаратура АЕ контролю
Структура апаратури АЕ контролю визначається такими основними завданнями: прийом та ідентифікація сигналів АЕ, їх посилення та обробка, визначення значень параметрів сигналів, фіксація результатів та видача інформації. Апаратура відрізняється ступенем складності, призначенням, транспортабельністю, і навіть класом залежно від обсягу отриманої інформації. Найбільшого поширення знайшла багатоканальна апаратура, що дозволяє поряд з параметрами АЕ визначати координати джерел сигналів з одночасною реєстрацією параметрів випробувань (навантаження, тиск, температура тощо). Функціональна схема такої апаратури наведено на рис. 10.5.
Малюнок 10.5.Функціональна схема апаратури АЕ контролю
До складу апаратури входять з'єднані кабельними лініями такі основні елементи: 1 – перетворювачі акустичної емісії (ПАЕ); 2 – попередні підсилювачі; 3 – частотні фільтри; 4 – основні підсилювачі; 5 – блоки обробки сигналів; 6 - основний процесор обробки, зберігання та подання результатів контролю; 7 – пульт управління (клавіатура); 8 – відеомонітор; 9 - датчики та кабельні лінії параметричних каналів.
Елементи апаратури 3 - 8 зазвичай конструктивно виконуються у вигляді одного блоку (показано на малюнок 10.5 пунктиром) на базі портативного комп'ютера.
Перетворювач акустичної емісії служить для перетворення пружних акустичних коливань електричні сигнали і є найважливішим елементом апаратного комплексу АЕ контролю. Найбільшого поширення виявили п'єзоелектричні ПАЕ, схема яких мало відрізняється від п'єзоперетворювачів (ПЕП), що використовуються при проведенні ультразвукового контролю.
За конструкцією розрізняють такі види ПАЕ:
· Однополюсний та диференціальний;
· Резонансний, широкосмуговий або смуговий;
· суміщений з підсилювачем або несумісний.
За рівнем чутливості ПАЕ поділяються на чотири класи (1-4-й), за частотними діапазонами - на низькочастотні (до 50 кГц), стандартні промислові (50...200 кГц), спеціальні промислові (200...500 кГц) та високочастотні (понад 500 кГц). Згасання пружних коливань знижується зі зменшенням їх частоти, тому низькочастотні ПАЕ використовують насамперед при контролі протяжних об'єктів, наприклад трубопроводів та об'єктів з високим згасанням коливань.
Спеціальні ПАЕ застосовують для контролю малих об'єктів із довжиною до 1 м, високочастотні – під час проведення лабораторних досліджень.
Залежно від амплітудно-частотної характеристики розрізняють ПАЕ резонансні (смуга пропускання 0,2, де - робоча частота ПАЕ), смугові (смуга пропускання 0,2...0,8) та широкосмугові (смуга пропускання більше 0,8).
Основна відмінність ПАЕ від прямих ПЕП полягає в особливостях демпфування, необхідного для гасіння вільних власних коливань п'єзопластини, а також у товщині п'єзопластини. Тильна сторона п'єзопластини ПАЕ може залишатися вільною чи частково чи повністю задемпфованою.
Однією з основних характеристик ПАЕ є коефіцієнт перетворення до, що визначається з виразу
де - максимальне електрична напругана п'єзопластині, В; - максимальне пружне усунення частинок контрольованого об'єкта безпосередньо під ПАЕ, м.м.
Коефіцієнт перетворення має розмірність В/м та визначає чутливість ПАЕ. Максимальне значення має місце у вузькосмугових резонансних ПАЕ, тильна сторона п'єзопластин яких не задемпфована. Механічне демпфування призводить до вирівнювання чутливості ПАЕ у ширшому діапазоні, однак абсолютна чутливість (коефіцієнт перетворення) при цьому значно знижується.
Закріплення ПАЕ на поверхні об'єкта контролю здійснюється різними способами: за допомогою клею, хомутами, струбцинами, магнітними власниками, за допомогою стаціонарно встановлених кронштейнів тощо. У практиці промислового АЕ контролю використовують переважно резонансні ПАЕ, оскільки чутливість у них набагато вища. Конструкція одного з таких перетворювачів наведена на рисунку 10.6.
Малюнок 10.6.Схема резонансної ПАЕ конструкції ЗАТ «Елтест»:
1 - пластинчаста пружина;
2 – постійний магніт магнітного тримача;
3 – корпус; 4 - притискний ковпачок;
5 - самовстановлюючий сферичний кронштейн;
6 – роз'єм електричний; 7 – п'єзоелемент;
8 - керамічний протектор
Кріплення ПАЕ здійснюється за допомогою магнітного притиску. Задля більшої чутливості тильна сторона пластини виконана вільної, а бічна поверхня задемпфована лише з 30 % компаундом.
Перетворювач акустичної емісії з'єднується коротким (довжиною не більше 30 см) кабелем із попереднім підсилювачем (див. рис. 10.5). Поряд з посиленням (зазвичай до 40 дБ) підсилювач покращує співвідношення сигнал-шум при передачі сигналу кабельної лінії до блоку основної апаратури (3 - 8), віддаленої на відстань до 150...200 м.
Фільтром встановлюють спектр пропускання частот. Фільтр налаштовується таким чином, щоб максимально відсікти шуми різних частот.
Основний підсилювач призначений для посилення ослабленого після проходження кабельної лінії сигналу. Він має рівномірну амплітудно-частотну характеристику при коефіцієнті посилення 60...80 дБ.
Для придушення електромагнітних перешкод весь канал, включаючи ПАЕ, підсилювач, основний блок та кабельні сполучні лінії, екранують. Часто використовують також диференціальний спосіб придушення електромагнітних перешкод, заснований на тому, що п'єзопластинку ПАЕ розрізають на дві частини і одну перевертають одну половинку, змінюючи таким чином її поляризацію. Далі сигнали від кожної половинки посилюють окремо, змінюють фазу сигналів на одній із половинок на л і складають обидва сигнали. В результаті електромагнітні перешкоди виявляються у протифазі та пригнічуються.
Блок обробки сигналів фіксує час їхнього приходу, реєструє сигнали вище встановленого рівня дискримінації, перетворює сигнали на цифрову форму і здійснює їх зберігання. Остаточна обробка АЕ сигналів, зафіксована різними каналами, здійснюється за допомогою основного процесора, в якому також здійснюється визначення місцезнаходження (локація) джерела сигналів АЕ. При контролі лінійного об'єкта (наприклад, трубопроводу) достатньо мати два ПАЕ; для планарних об'єктів, що мають порівняні габаритні розміри та велику площу поверхні, - не менше трьох ПАЕ, що оточують джерело.
Сигнали від джерела АЕ типу тріщини характеризуються тим, що їх випромінює одне джерело, вони короткочасні, а час їх надходження на ПАЕ відображає відстань до тріщини. Положення джерела АЕ на площині знаходять методами тріангуляції. За швидкістю поширення хвилі в матеріалі та різниці часів приходу сигналу на різні ПАЕ розраховують місце розташування безлічі точок для джерела АЕ, які будуть перебувати на колах радіусами , та від відповідних ПАЕ (рисунок 10.7, а). Єдине справжнє становище джерела АЕ визначається шляхом вирішення трикутників, які мають всі тристорони. Для цього координати ПАЕ на виробі фіксуються з максимально можливою точністю і перед проведенням контролю в блок 6 на розгортці поверхні (див. малюнок 10.5).
Малюнок 10.7.Схеми локації джерел АЕ:
а – планарна (на площині); б - лінійна
Схема лінійної локації наведено малюнок 10.7, б. Якщо джерело АЕ розташоване не посередині між ПАЕ, то сигнал на дальній ПАЕ прийде пізніше ніж на ближній. Зафіксувавши відстань між ПАЕ і різницю часу приходу сигналу, розраховують координати розташування дефекту за формулами
Метод АЕ дозволяє контролювати всю поверхню об'єкта контролю. Для проведення контролю має бути забезпечений безпосередній доступ до ділянок поверхні об'єкта контролю для встановлення ПАЕ. За відсутності такої можливості, наприклад, під час проведення періодичного або постійного контролю підземних магістральних трубопроводів без звільнення їх від ґрунту та ізоляції, можуть бути використані хвилеводи, укріплені постійно на контрольованому об'єкті.
Точність локації повинна бути не меншою за величину, що дорівнює двом товщинам стінки або 5 % відстані між ПАЕ залежно від того, яка величина більша. Похибки обчислення координат визначаються похибками вимірювання часу надходження сигналу перетворювачі. Джерелами похибок є:
· Похибка вимірювання часових інтервалів;
· Відмінність реальних шляхів поширення від теоретично прийнятих;
· Наявність анізотропії швидкості поширення сигналів;
· Зміна форми сигналу в результаті поширення по конструкції;
· Накладення за часом сигналів, а також дія кількох джерел;
· Реєстрація перетворювачами хвиль різних типів;
· Похибка вимірювання (завдання) швидкості звуку;
· Похибка завдання координат ПАЕ та використання хвилеводів.
До навантаження об'єкта перевіряють працездатність апаратури та оцінюють похибку визначення координат за допомогою імітатора. Його встановлюють у вибраній точці об'єкта та порівнюють показання системи визначення координат з реальними координатами імітатора. Як імітатор використовують п'єзоелектричний перетворювач, що збуджується електричними імпульсами від генератора. З цією ж метою може бути використаний так зване джерело Су-Нільсена (злам графітового стрижня діаметром 0,3...0,5 мм, твердістю 2Т (2Н)).
Візуалізація розташування джерел АЕ здійснюється за допомогою відеомонітора, на якому джерела зображуються у відповідному місці на розгортці контрольованого об'єкта (див. малюнок 10.4) у вигляді крапок, що світяться, різної яскравості, кольору або форми (залежить від використаного) програмного забезпечення). Документування результатів контролю здійснюється за допомогою відповідних периферійних пристроїв, що підключаються до основного процесора.
Розглянутий вище метод позиціонування джерел АЕ, заснований на вимірюванні різниці часу приходу сигналів, може бути використаний тільки для дискретної АЕ. У разі безперервної АЕ визначити час затримки сигналів стає неможливо. У цьому випадку координати джерела АЕ можна визначити, використовуючи так званий амплітудний метод, що базується на вимірі амплітуди сигналу різними ПАЕ. У практиці діагностування цей метод застосовують для виявлення теч через наскрізні отвори контрольованого виробу. Він полягає у побудові стовпчастої гістограми амплітуди сигналу джерела, що приймається різними ПАЕ (рисунок 10.8). Аналіз такої гістограми дозволяє виявити зону розташування течі. Зручний при діагностуванні таких лінійних об'єктів, як нафто- та газопроводи.
Системи діагностичного моніторингу, що базуються на методі контролю АЕ, є найбільш універсальними. Апаратне рішення такої системи зазвичай включає:
Малюнок 10.8. Ілюстрація амплітудного методу визначення джерел АЕ: 1-7- номери приймачів АЕ
· Типові блоки акустико-емісійної апаратури;
· Блоки узгодження та комутації всіх видів первинних перетворювачів додаткових видів неруйнівного контролю, склад яких визначається видом контрольованого об'єкта;
· Блоки управління та прийняття рішення за результатами діагностичної інформації про поточному станіконтрольованого об'єкта.
Малюнок 10.8.Ілюстрація амплітудного методу визначення джерел АЕ: 1-7- номери приймачів АЕ
Порядок проведення та сфера застосування АЕ контролю
На кожен об'єкт розробляється технологія контролю. Роботи з АЕ контролю починаються з встановлення ПАЕ на об'єкт. Установка здійснюється безпосередньо на зачищену поверхню об'єкта або має бути використаний відповідний хвилевід. Для здійснення локацій джерел АЕ на об'ємному об'єкті, що має велику площу поверхні, ПАЕ розміщуються у вигляді груп (антен), у кожній з яких використовується не менше трьох перетворювачів. На лінійному об'єкті в кожній групі використовують два ПАЕ. Розміщення ПАЕ та кількість антенних груп визначається конфігурацією об'єкта та оптимальним розміщенням ПАЕ, пов'язаним із загасанням сигналу та точністю визначення координат джерела АЕ.
Залежно від конфігурації об'єкт ділять окремі елементарні ділянки: лінійні, плоскі, циліндричні, сферичні. Для кожної ділянки вибирають відповідну схему розташування перетворювачів. Відстань між ПАЕ вибирають таким чином, щоб сигнал імітатора АЕ (злам графічного стрижня), розташованого в будь-якому місці контрольованої зони, виявлявся мінімальною кількістю перетворювачів, яке потрібно для розрахунку координат.
Розміщення ПАЕ має, як правило, забезпечувати контроль усієї поверхні об'єкта. Однак у ряді випадків, особливо при контролі великогабаритних об'єктів, допускається розміщення ПАЕ лише у тих зонах об'єкта, які вважаються найважливішими.
Після встановлення ПАЕ на контрольований об'єкт виконують перевірку працездатності системи АЕ за допомогою імітатора АЕ, розташованого на певній відстані від кожного ПАЕ. Відхилення зареєстрованої амплітуди сигналу АЕ має перевищувати ± 3 дБсередньої величини всім каналів. Коефіцієнт посилення каналів та поріг амплітудної дискримінації вибирають з урахуванням очікуваного діапазону амплітуд сигналів АЕ. Виконують інші перевірки, передбачені технологією контролю даного об'єкта.
АЕ контроль технічного стану обстежуваних об'єктів проводиться лише за створенні конструкції напруженого стану, ініціює у матеріалі об'єкта роботу джерел АЭ. Для цього після виконання підготовчих та настроювальних робіт об'єкт піддається навантаженню силою, тиском, температурним полем тощо. Вибір виду навантаження визначається конструкцією об'єкта та умовами його роботи, характером випробувань та наводиться у технології АЕ контролю конкретного об'єкта.
Метод акустичної емісії відноситься до діагностики і спрямований на виявлення стану передруйнування трубопроводу шляхом визначення та аналізу шумів, що супроводжують процес утворення та зростання тріщин.
Для реєстрації хвиль акустичної емісії використовують апаратуру, що у широкому інтервалі частот - від кГц до МГц.
При випробуванні програма навантаження призводить до виникнення в зоні передруйнування акустичного сигналу. Інформація про час поширення сигналу, його амплітуду, частотному спектріі т.п. сприймається п'єзоелектричними акустичними датчиками. Обробка отриманої інформації служить основою висновку про природу, місце розташування і зростання дефекту.
Джерела акустичної емісії. Контроль сигналів АЕ
При руйнуванні багато матеріалів видають звук, т. е. випускають акустичні хвилі, сприймаються на слух. Більшість конструкційних матеріалів (наприклад, багато металів і композиційних матеріалів) починають при навантаженні випускати акустичні коливання в ультразвуковій (нечутній) частині спектру ще задовго до руйнування. Вивчення та реєстрація цих хвиль стала можливою із створенням спеціальної апаратури.
Під акустичною емісією (емісія - випромінювання, генерація) розуміється виникнення серед пружних хвиль, викликаних зміною її стану під впливом зовнішніх чи внутрішніх чинників. Акустико-емісійний метод заснований на аналізі цих хвиль і є одним із пасивних методів акустичного контролю. Відповідно до ГОСТ 27655-88 «Акустична емісія. Терміни, визначення та позначення» механізмом збудження акустичної емісії (АЕ) є сукупність фізичних та (або) хімічних процесів, що відбуваються в об'єкті контролю. Залежно від типу процесу АЕ поділяють такі виды:
* АЕ матеріалу, що викликається динамічною локальною перебудовою його структури;
*АЕ тертя, що викликається тертям поверхонь твердих тіл у місцях застосування навантаження і в з'єднаннях, де має місце податливість елементів, що сполучаються;
* АЕ витоку, викликана результатом взаємодії рідини або газу, що протікає через тек, зі стінками течі і навколишнім повітрям;
* АЕ при хімічних або електричних реакціях, що виникають в результаті протікання відповідних реакцій, у тому числі супроводжують корозійні процеси;
* магнітна та радіаційна АЕ, що виникає відповідно при перемагнічуванні матеріалів (магнітний шум) або в результаті взаємодії з ним іонізуючого випромінювання;
* АЕ, що викликається фазовими перетвореннями в речовинах та матеріалах.
Таким чином, АЕ - явище, що супроводжує чи не всі фізичні процеси, що протікають у твердих тілах та на їх поверхні. Можливості реєстрації ряду видів АЕ внаслідок їх дещиці, особливо АЕ, що виникають на молекулярному рівні, при русі дефектів (дислокацій) кристалічних ґрат, обмежується чутливістю апаратури, тому в практиці АЕ контролю більшості промислових об'єктів, у тому числі об'єктів нафтогазової промисловості, використовують перші три види АЕ. При цьому необхідно мати на увазі, що АЕ тертя створює шум, призводить до утворення хибних дефектів і є одним з основних факторів, що ускладнюють застосування методу АЕ. Крім того, з АЕ першого виду реєструються тільки найбільш сильні сигнали від дефектів, що розвиваються: при зростанні тріщин і при пластичному деформуванні матеріалу. Остання обставина надає АЕ методу велику практичну значущість та обумовлює його широке застосування з метою технічної діагностики. Метою АЕ контролю є виявлення, визначення координат і стеження (моніторинг) за джерелами акустичної емісії, пов'язаними з несплошностями на поверхні або в об'ємі стінки об'єкта контролю, зварного з'єднання та частин і компонентів, що виготовляються. Усі індикації, викликані джерелами АЕ, мають бути за наявності технічної можливості оцінені іншими методами контролю, що не руйнує.
Реєстрація сигналу від джерела АЕ здійснюється одночасно з шумом постійного чи змінного рівня. Шуми є одним із основних факторів, що знижують ефективність АЕ контролю. Зважаючи на різноманітність причин, що викликають їх появу, шуми класифікуються залежно від:
*механізму генерації (джерела походження) - акустичні (механічні) та електромагнітні;
* виду сигналу шумів - імпульсні та безперервні;
* розташування джерела - зовнішні та внутрішні.
Основними джерелами шумів при АЕ контролі об'єктів є:
* Розбризкування рідини в ємності, посудині або трубопроводі при його наповненні;
* гідродинамічні турбулентні явища за високої швидкості навантаження;
*тертя в точках контакту об'єкта з опорами або підвіскою, а також у з'єднаннях, що мають податливість;
* робота насосів, моторів та інших механічних пристроїв;
* дія електромагнітних наведень;
* Вплив навколишнього середовища (дощу, вітру тощо);
* Власні теплові шуми перетворювача АЕ і шум вхідних каскадів підсилювача (передсилювача).
Для придушення шумів та виділення корисного сигналу зазвичай застосовують два методи: амплітудний та частотний. Амплітудний полягає у встановленні фіксованого або плаваючого рівня дискримінаційного порога U n нижче якого сигнали АЕ апаратура не реєструє. Фіксований поріг встановлюється за наявності шумів постійного рівня, що плаває - змінного. Плаваюча поріг U n , що встановлюється автоматично за рахунок відстеження загального рівня шумів, дозволяє, на відміну від фіксованого, виключити реєстрацію частини сигналів шуму як сигналу АЕ.
Частотний метод придушення шумів полягає у фільтрації сигналу, прийнятого приймачами АЕ, за допомогою низько- та високочастотних фільтрів (ФНЧ/ФВЧ). У цьому випадку для налаштування фільтрів перед проведенням контролю попередньо оцінюють частоту та рівень відповідних шумів.
Після проходження сигналу через фільтри та підсилювальний тракт, поряд з трансформацією хвиль на поверхні контрольованого виробу відбувається подальше спотворення початкових імпульсів джерела АЕ. Вони набувають двополярного осцилюючого характеру. Подальший порядок обробки сигналів та використання їх як інформативний параметр визначається комп'ютерними програмами збору даних та їх постобробки, використаними у відповідній апаратурі різних виробників. Правильність визначення кількості подій та їх амплітуда залежатимуть не тільки від можливості їх реєстрації (роздільна здатність апаратури), а й від способу реєстрації.
Після обробки прийнятих сигналів результати контролю подають у вигляді ідентифікованих (з метою виключення помилкових дефектів) та класифікованих джерел АЕ.
Виявлені та ідентифіковані джерела АЕ рекомендується розділяти на чотири класи:
* Перший - пасивний джерело, реєстрований для аналізу динаміки його розвитку;
* другий - активне джерело, що вимагає додаткового контролю з використанням інших методів;
* третій - критично активне джерело, що вимагає контролю за розвитком ситуації та вжиття заходів щодо підготовки можливого скидання навантаження;
* четвертий - катастрофічно активне джерело, що вимагає негайного зменшення навантаження до нуля чи величини, коли він активність джерела знижується рівня другого чи третього класу.
Враховуючи велику кількість параметрів, що характеризують АЕ, віднесення джерел до класу здійснюється за допомогою низки критеріїв, що враховують набір параметрів. Вибір критеріїв здійснюється за ПБ 03-593-03 залежно від механічних та акустико-емісійних властивостей матеріалів контрольованих об'єктів. До критеріїв належать такі:
* Амплітудний, заснований на реєстрації амплітуд імпульсів (не менше трьох від одного джерела) та їх порівнянні з величиною перевищення порога (А,), яка відповідає зростанню тріщини в матеріалі.
* Інтегральний, заснований на порівнянні оцінки активності джерел АЕ F з відносною силою цих джерел J k у кожному інтервалі реєстрації.
* локально-динамічний, що використовує зміну числа АЕ локаційних подій на щаблях витримки тиску та динаміку зміни енергії або квадрата амплітуди локованої події зі зростанням навантаженості об'єкта. Цей критерій використовується для оцінки стану об'єктів, структура та властивості матеріалу яких точно не відомі.
* Інтегрально-динамічний, що проводить класифікацію джерела АЕ залежно від його типу та рангу. Тип джерела визначають за динамікою енерговиділення, виходячи з амплітуди сигналів АЕ на інтервалі спостереження. Ранг джерела встановлюють шляхом розрахунку його коефіцієнта концентрації та сумарної енергії Е.
* критерії коду ASME, призначені для зонної локації та потребують знання допустимих значень параметрів АЕ, що передбачає попереднє вивчення властивостей контрольованих матеріалів та облік об'єкта контролю як акустичного каналу.
Метод АЕ дозволяє контролювати всю поверхню об'єкта контролю. Для проведення контролю має бути забезпечений безпосередній доступ до ділянок поверхні об'єкта контролю для встановлення ПАЕ. За відсутності такої можливості, наприклад, під час проведення періодичного або постійного контролю підземних магістральних трубопроводів без звільнення їх від ґрунту та ізоляції, можуть бути використані хвилеводи, укріплені постійно на контрольованому об'єкті.
До навантаження об'єкта перевіряють працездатність апаратури та оцінюють похибку визначення координат за допомогою імітатора. Його встановлюють у вибраній точці об'єкта та порівнюють показання системи визначення координат з реальними координатами імітатора. Як імітатор використовують п'єзоелектричний перетворювач, що збуджується електричними імпульсами від генератора.
Візуалізація розташування джерел АЕ здійснюється за допомогою відеомонітора, на якому джерела зображуються у відповідному місці на розгортці контрольованого об'єкта (див. рис. 1) у вигляді крапок, що світяться, різної яскравості, кольору або форми (залежить від використаного програмного забезпечення). Документування результатів контролю здійснюється за допомогою відповідних периферійних пристроїв, що підключаються до основного процесора.
У разі безперервної АЕ визначити час затримки сигналів стає неможливо. У цьому випадку координати джерела АЕ можна визначити, використовуючи так званий амплітудний метод, що базується на вимірі амплітуди сигналу різними ПАЕ. У практиці діагностування цей метод застосовують для виявлення теч через наскрізні отвори контрольованого виробу. Він полягає у побудові стовпчастої гістограми амплітуди сигналу джерела, що приймається різними ПАЕ. Аналіз такої гістограми дозволяє виявити зону розташування течі. Зручний при діагностуванні таких лінійних об'єктів, як нафто- та газопроводи.
Системи діагностичного моніторингу, що базуються на методі контролю АЕ, є найбільш універсальними. Апаратне рішення такої системи зазвичай включає:
* типові блоки акустико-емісійної апаратури;
* блоки узгодження та комутації всіх видів первинних перетворювачів додаткових видів неруйнівного контролю, склад яких визначається видом контрольованого об'єкта;
* Блоки управління та прийняття рішення за результатами діагностичної інформації про поточний стан об'єкта, що контролюється.
На кожен об'єкт розробляється технологія контролю. Роботи з АЕ контролю починаються з встановлення ПАЕ на об'єкт. Установка здійснюється безпосередньо на зачищену поверхню об'єкта або має бути використаний відповідний хвилевід. Для здійснення локацій джерел АЕ на об'ємному об'єкті, що має велику площу поверхні, ПАЕ розміщуються у вигляді груп (антен), у кожній з яких використовується не менше трьох перетворювачів. На лінійному об'єкті в кожній групі використовують два ПАЕ.
Контроль проводиться тільки при створенні конструкції напруженого стану, що ініціює в матеріалі об'єкта роботу джерел АЕ. Для цього об'єкт навантажується силою, тиском, температурним полем і т.д.
Спостереження та контроль слід здійснювати на всіх етапах випробувань. Деякі види дефектів виявляють себе під час скидання тиску. Так, при зниженні тиску виникають сигнали від тертя берегів тріщин при їх змиканні. Такі дефекти, як отдуліни, що виникають найчастіше при нанодороживании металу і проявляються в розшаруванні металу по товщині, також виявляються на етапі скидання тиску (віддули добре виявляються візуально при косому освітленні, іноді відчуваються при натисканні рукою). Для підтвердження наявності зазвичай застосовують методи УЗК.
У процесі навантаження рекомендується безперервно спостерігати на екрані монітора оглядову картину АЕ випромінювання випробуваного об'єкта. Випробування припиняються достроково у випадках, коли джерело АЕ, що реєструється, відноситься до четвертого класу. Об'єкт повинен бути розвантажений, випробування або припинено, або з'ясовано джерело АЕ та оцінено безпеку продовження випробувань. Швидке (експоненційне) наростання сумарного рахунку, амплітуди імпульсів, енергії або MARSE може бути показником прискореного зростання тріщини, що призводить до руйнування.
Характерними особливостями методу АЕ контролю, що визначають його можливості та сферу застосування, є наступні:
* метод АЕ контролю забезпечує виявлення і реєстрацію лише дефектів, що розвиваються, що дозволяє класифікувати дефекти не за розмірами, а за ступенем їх небезпеки. При цьому великі за розмірами дефекти можуть потрапити до класу безпечних, що значно знижує втрати через перебракування. Одночасно при розвитку небезпечного дефекту, коли його розміри наближаються до критичного значення, амплітуда сигналів АЕ і темп їх генерації різко збільшуються, що призводить до значного зростання ймовірності виявлення такого джерела АЕ і підвищує надійність експлуатованого обладнання;
* чутливість методу АЕ контролю дуже висока. Він дозволяє виявити в робочих умовах збільшення тріщини порядку часток міліметра, що значно перевищує чутливість інших методів. Положення та орієнтація об'єкта не впливають на виявлення дефектів;
* Властивість інтегральності методу АЕ контролю забезпечує контроль всього об'єкта з використанням одного або декількох перетворювачів АЕ контролю, нерухомо встановлених на поверхні об'єкта;
* метод АЕ контролю забезпечує можливість проведення контролю об'єктів без видалення їх гідро- або теплоізоляції. Для проведення контролю достатньо розкрити ізоляцію лише в місцях встановлення перетворювачів, що багато разів знижує обсяг відновлювальних робіт;
* метод забезпечує можливість проведення дистанційного контролю недоступних об'єктів, таких, як підземні та підводні трубопроводи, апарати закритих конструкцій тощо;
* метод дозволяє проводити контроль різних технологічних процесів та процесів зміни властивостей та стану матеріалів і має менше обмежень, пов'язаних з їх властивостями та структурою;
* при контролі промислових об'єктів метод у багатьох випадках має максимальне значення відносини ефективність/вартість.
Істотним недоліком методу є складність виділення корисного сигналу із перешкод, коли дефект малий. Іншим істотним недоліком методу поряд із високою вартістю апаратури є необхідність високої кваліфікаціїоператора АЕ контролю.
Структура апаратури АЕ контролю визначається такими основними завданнями: прийом та ідентифікація сигналів АЕ, їх посилення та обробка, визначення значень параметрів сигналів фіксація результатів та видача інформації. Апаратура відрізняється ступенем складності, призначенням, транспортабельністю, і навіть класом залежно від обсягу отриманої інформації.
Найбільшого поширення знайшла багатоканальна апаратура, що дозволяє поряд з параметрами АЕ визначати координати джерел сигналів з одночасною реєстрацією параметрів випробувань (навантаження, тиск, температура тощо).
Закріплення ПАЕ на поверхні об'єкта контролю здійснюється різними способами: за допомогою клею, хомутами, струбцинами, магнітними власниками, за допомогою стаціонарно встановлених кронштейнів тощо. У практиці промислового АЕ контролю використовують переважно резонансні ПАЕ, оскільки чутливість у них набагато вища.
Кріплення ПАЕ здійснюється за допомогою магнітного притиску. Задля більшої чутливості тильна сторона пластини виконана вільної, а бічна поверхня задемпфована лише з 30 % компаундом.
Малюнок 2 - Схема розташування джерел АЕ на розгортці судини та місце розташування зареєстрованих дефектів: 1 - обичайка 1; 2 - обичайка 2; 3 - вхід повітря; 4 - обичайка 3; 5 - днище нижнє; 6 - штуцер зливу конденсатора; 7 - лазовий отвір; 8 - штуцер манометра; 9 - штуцер запобіжного клапана; 10 - днище верхнє; I-VIII - номери приймачів АЕ
В даний час на трубопроводах експлуатується ряд систем, робота яких ґрунтується на різних фізичних принципах.
Акустичні системи реєструють в акустичному діапазоні частот хвилі, сформовані витіканням. До цих систем належать: СНКГН-1, СНКГН-2 (НДІ інтроскопії при Томському політехнічному університеті); "LeakWave" (фірма "Енергоавтоматика", Москва); "Капкан" (ТОВ "Проект-ресурс", Нижній Новгород); "WaveAlert Acoustic Leak Detection System" (компанія Acoustic Systems Incorporated, США); "Leak and Impact / Shock Detection System L.D.S." (Франція)
Параметричні системи засновані на вимірюванні тиску та витрати продукту перекачування. Пропонуються також системи, що працюють на інших фізичних принципах, серед яких, зокрема, слід зазначити систему віброакустичного моніторингу на основі волоконно-оптичного кабелю; волоконно-оптичний датчик (кабель) для виявлення витоків нафти та нафтопродуктів; систему оперативного дистанційного контролю витоків, засновану на вимірі провідності ізоляційного покриття трубопроводу.
Акустичні та параметричні системи мають переваги в порівнянні з іншими завдяки вищим технічним характеристикам та економічним показникам. При порівнянні систем суттєвим показником є вартість обладнання, його монтажу та поточного обслуговування з розрахунку на 1 км протяжності трубопроводу. І якщо характеристики двох систем можна порівняти, то перевага надається, безумовно, економічно більш привабливій розробці.
Аналіз економічних показників дозволяє умовно розділити перелічені системи на дві вартісні групи (розподілені та протяжні системи), що відрізняються способом монтажу обладнання на трубопроводі:
в розподілених системах модулі, що реєструють, встановлюються на трубопроводі, як правило, на значній відстані один від одного і використовують доступні канали зв'язку - радіоканал, супутниковий, телемеханічний, оптоволоконний. До цієї групи належать акустичні та параметричні системи;
у протяжних системах обладнання, що встановлюється, вимагає прокладання уздовж трубопроводу додаткового каналу зв'язку.
Для розподілених систем вартість обладнання, монтажу та поточного обслуговування з розрахунку на 1 км приблизно в 10 разів нижча порівняно з протяжними системами.
Водночас аналіз технічних характеристикзазначених систем показує, що вони забезпечують реєстрацію великих витоків, що супроводжуються падінням тиску, і мають межу чутливості, яка становить близько 1% продуктивності трубопроводу. При цьому витоку з низькою інтенсивністю (менше 1%) такі системи не реєструють. Приміром, при продуктивності 2000 м 3 /год система з чутливістю 1 % здатна виявити лише витік з інтенсивністю 333,3 л/хв і більше.
Чутливість аналізованих систем обмежена "шумом" параметрів, що вимірюються. У Останнім часомзростає продуктивність магістралиних трубопроводів, що призводить до збільшення "шуму" та зниження чутливості систем. Реалізація лише однієї функції контролю технічного стану в акустичних системах є істотним недоліком.
Для забезпечення декількох функцій, наприклад, таких як реєстрація витоків, охорона трубопроводу, супровід (контроль розташування) внутрішньотрубних пристроїв, необхідно встановлювати 3 різні системи, що призводить до зниження та надійності при реалізації окремих функцій та зростання загальних витрат.
