Приборы и методы диагностики состояния технических изделий и конструкций с использованием акустической эмисии

В связи с постоянным усовершенствованием промышленного оборудования, широким применением новых материалов и технологий, предельной работой узлов и агрегатов, резко возрастают требования к обеспечению технической надежности и эксплуатационной безопасности оборудования. Поэтому, разработка методик количественной 'оценки структурных изменений в твердом геле и исследование общих закономерностей кинетики накопления повреждений становится необходимым звеном в решении актуальной задачи идентификации реальной дефектности. При этом весьма актуальна и значима диагностика состояния изделий и конструкций. Особую роль в задачах оценки степени повреждения структуры играет диагностика, использующая методы неразрушающего контроля. Одним из перспективных методов неразрушающего контроля следует признать акустические методы. Объясняется это 'тем, что упругие волны реагируют на все происходящие в контролируемой среде процессы, выполняют функции универсального датчика, поставляющего сведения о контролируемой среде. Это вполне естественно, так как параметры упругих волн зависят от плотности, модулей упругости, размера и геометрии структурных неоднородностей и других характеристик исследуемой среды. Обзорный анализ показал, что одним из перспективных путей решения этой проблемы следует признать метод акустической эмиссии (АЭ).

Данный метод обладает более высокой чувствительностью по сравнению с другими, методами, и позволяет обнаруживать Дефекты структуры материала на уровне скопления дислокаций. При этом анализируются развивающиеся, т. е. наиболее опасные, с точки зрения снижения, прочностных «свойств изделия, дефекты. Метод позволяет сравнительно простыми средствами организовать. непрерывный, оперативный контроль с выдачей результата в реальном масштабе времени.

Надо отметить, что практическое применение метода АЭ для решения задач технической диагностики сопряжено с определенными трудностями. Распространяющийся 1? объекте акустический сигнал претерпевает существенные искажения, которые настолько значительны, что практически не представляется возможным восстановить истинную форму исходного сигнала. По этой причине параметры акустического сигнала определяются путем обработки электрического сигнала с выхода преобразователя, что, при отсутствии удовлетворительных моделей процесса разрушения, не позволяет установить четкие связи между параметрами состояния конструкции и характеристиками сигналов. Возникающие в процессе испытаний и эксплуатации акустические шумы и помехи тоже распространяются вобъекте и воздействуют на входные устройства ЛЭ-системы. Будучи похожими по форме на сигналы, возбуждаемые дефектообразованием, они приводят к ложным срабатываниям, что заставляет предъявлять повышенные требования к такой характеристики аппаратуры АЭ-контроля, как помехоустойчивость.

Имеющиеся недостатки в разработанных методах и средствах анализа акустических сигналов и помех приводят к низкой воспроизводимости и повторяемости результатов исследований в области дефектообразования и препятствуют широкому использованию метода АЭ в промышленности. Несмотря на’большое количество как оригинальных исследований, так и работ обзорного характера, обсуждаемую проблему нельзя считать окончательно решенной. Таким образом, создание критериев для исследования характеристик сигналов АЭ и акустических помех, изучение характеристик материалов и изделий, поиск связей между параметрами состояния конструкции и характеристиками сигналов, решение задач идентификации акустических сигналов, представляется весьма актуальным.

Сложность и насыщенность задач современных исследований в этой области требует разработки и совершенствования методов цифровой обработки и анализа сигналов. Главной целыо такой обработки является эффективное и достоверное выделение полезных составляющих из общей суммы зарегистрированных сигналов и преобразование их в форму, удобную для дальнейшего использования и интерпретации. Например, в некоторых системах диагностики, ряд задач связан с анализом амплитуды сигналов, которые имеют значительную шумовую составляющую. Па практике эти задачи решаются в основном с использованием алгоритмов дискретного преобразования Фурье (ДИФ). Однако частотное разрешение, получаемое па. небольшой длине выборки дискретных сигналов, недостаточно, а присутствие сильных шумов приводит к неправильным спектральным оценкам. Поэтому разработка новых эффективных методик анализа сигналов является одной из перспективных и актуальных научно-технических задач в современной экспериментальной области по АЭ.

Цель диссертационной работы состоит в изучении процессов деформации и разрушения металла, с использованием информативных йараметров акустической эмиссиив получении научно-технического обоснования применения акустико-эмиссионного метода для определения оценки поврежденное&tradeконструкционных материалов промышленных испытаниях, нагруженных внутренним давлением, на основе выявленных закономерностей изменения характеристик контролируемого материала и параметров акустических волн. Провести анализ практических результатов промышленного применения АЭ-контроля. Разработать комплексную методику идентификации дефектов, полученных в результате спектрального и частотного анализа отдельного импульса АЭ работающего оборудования, обеспечивающий повышение качества распознавания сигнала и его особенностей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— проанализировать возможности существующих методов и средств неразрушающего контроля при опенки степени /деградации конструкционных металлических материалов- - исследовать и систематизировать данные о влиянии процессов деформации на структуру, механические и акустические свойства конструкционных металлических материалов и установить соответствующие корреляционные соотношения;

— определить основные акустические характеристики и обосновать выбор измеряемых акустических характеристик, чувствительных к процессам деградации исследуемых конструкционных материалов;

— провести анализ (спектральный и частотный) отдельного импульса АЭ;

— - кратко изложить теорию и практику применения вейвлет-преобразований при анализе сигналов в технической диагностике и нераз-рутающем контроле;

— исследовать некоторые характерные особенности единичного импульса АЭ, ранее не поддававшихся объяснению;

— научно обосновать и разработать комплексный метод анализа оценки дефектов длительно работающего оборудования (на .основе частотно-временного анализа импульса АЭ);

— проанализировать возможность использования полученных результатов исследований в задачах контроля повреждений в конструкционных материалах акустико-эмйссионным методом и проверить работоспособность предложенных решений на длительно эксплуатируемых промышленных объектах.

Объектами исследования служило 'технологическое оборудование, ' которое используется в химической и нефтегазовой промышленности, энергетике. Исследованию подвергались материалы с различной исходной структурой в состоянии, характерном для реальных конструкций в период эксплуатации.

Анализ акустического тракта производился на основании положений акустики и теории радиотехнических цепей и сигналов. Теоретическая часть работы выполнена на основе численного ¦ решения уравнений динамической теории упругости и уравнений нелинейной акустики. Все задачи диссертационных исследований, решены на основе применения акусто-эмиссионных измерений.

При оценке работы реальных конструкций использовались экспериментальные данные, полученные на натурных объектах в условиях нормальной эксплуатации для данного типа конструкции. При обработке данных, при расистах и математическом моделировании акустических сигналов применялись оригинальные и стандартные программные продукты АЕ Correlation Expert, Valien TR-Viewer, AGIJ-Wavelet и PACshare Wavelets., B экспериментах йспользовалась следующая аппаратура: многоканальная акустико-эмиссионная система «DISP-52» фирмы «РАС» (США).

Пагружсние оборудования осуществлялась на серийных испытательных машинах и натурных объектах.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке научно-технической методики идентификации 'типов источника в металлических материалах с помощью акустической эмиссии и создании критериев классификации сигналов АЭпри этом источники АЭ-классифицированы как излучаемые при пластической деформации и образовании микрои макротрещин.

Алгоритм исследования заключался в следующем:

Усовершенствование теоретических выкладок связи параметров акустических сигналов с параметрами механики разрушения и с • параметрами развивающихся дефектов, что даст более точное построение теоретических моделей и надежность экспериментальных исследований сигналов.

Обоснование применения вейвлет-прсобразования при анализе акустических нестационарных сигналов.

Научное обоснование и разработка комплексной акустической методики идентификации типов источника АЭ длительно работающего оборудования (на основе частотно-временного, анализа сигнала).

Создание качественных критериев классификации сигналов АЭ для описания и идентификации физических процессов и механизмов на стадии деформации и разрушения материалов.

Комплексное исследование по метрологическому обеспечению работы измерительной системы.

Практическая ценность работы.

В настоящее время метод АЭ широко применяется не только для исследовательских целей, но и интенсивно внедряется в промышленность ' как неразрушающий метод контроля. При этом фиксируются фазовые превращения, ' определяются такие дефекты, как поры, закалочные трещины, включенияпроводится локация развивающихся дефектов, что значительно упрощает и облегчает устранение дефектных мест на стадии изготовления и эксплуатации. Результаты работы были опубликованы в печатных журналах, докладывались па научных всероссийских и международных конференциях и получили одобрение специалистов. Работа будет полезна для специалистов в области неразрушающего контроля, а ее результаты будут иметь значительные дальнейшие перспективы.

Научные положения, выносимые на. защиту.

Основные связи параметров акустических сигналов и механики разрушения, повышающие качество оценки повреждениости технических изделий. Обоснование использования акустического метода для определения характеристик повреждений.

Комплексная методика идентификации типов источника АЭ работающего оборудования (на основе частотно-временного анализа 9 сигнала).

Критерии идентификации источников сигналов акустической эмиссии необходимых для описания и идентификации физических процессов и механизмов, преобладающих на стадии деформации и разрушения материалов.

Необходимые метрологические характеристики измерительных приборовобеспечивающие более качественное проведение АЭ-контроля и более достоверную интерпретацию его результатов.

Экспериментальная проверка предложенных решений для контроля механических характеристик материала без нарушения его эксплуатационных и прочностных характеристик и результаты практического использования на промышленных объектах.

Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на:

— ~ IV Межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО, 2007 г.;

— Политехническом Симпозиуме «Молодые ученые промышленности Северо-Западного региона». СПб, 2007 г.;

— XXXVII научной и учебно-методической конференции СПбГУ • ИТМО, 2008 г.;

— Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза». Уфа, 2008 г.;

— V Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых в СПбГУ ИТМО, 2008 г.;

— Конкурсной программе инновационных проектов Инновационно-технологического центра СПбГУ ИТМО «УМНИК», 2008 г.;

Персональный грант на проведение диссертационного кандидатского исследования для аспирантов от правительства Санкт-Петербурга и комитета по науке и высшей школы, 2008 г.;

— VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых в СПбГУ ИТМО, 2009 г.;

— Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе» Марийского государственного технического университета. Йошкар-Ола, 2011 г. '.

Внедрение результатов работы.

Результаты исследований использовались при диагностировании сосудов высокого и низкого давления, магистральных трубопроводов и паропроводов, а 'также высокотемпературных протяженных объектов, применяемых в химической и нефтегазовой промышленности, энергетике. Кроме того, полученные результаты используются в учебном процессе на кафедре ИТиК’Г СПбГУ ИТМО при выполнении курсовых и бакалаврских работ по измерительным технологиям.

Список публикаций по теме диссертации.

1. Лузина Ii.П. Акустико-эмиссионный метод контроля при оценке степени деградации механических свойств и остаточного ресурса работоспособности 'трубных сталей // Сборник научных трудов IV Межвузовской конференции молодых ученых СПбГУИТМО — СПб: СПбГУ ИТМО, 2007, С.213−219 (За лучший доклад на сессии присвоен диплом 3 степени). .

2. Лузина H.H. Идентификация источников акустической эмиссии при контроле трубопроводов наоснове комплексных информативных параметров // Сборник тезисов Политехнического Симпозиума «Молодые ученые — промышленности Северо-Западного региона». СПб, 2007, С. 8486.

3. Лузина H.H. Акустико-эмиссионная диагностика состояния ответственных металлоконструкций // Тезисы в сборник научных трудов научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СГШГУ ИТМО — СПб: С По ГУ ИТМО, 2008, С. 36−40.

4. Шпигель М. Я., Шалагаев В. В., Кобзарь A.M., Лузина 11.11. Применение современных компьютерных технологий для информационной поддержки в области промышленной безопасности и повышения эффективности производственного контроля на опасных производственных объектах // Материалы международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза». Уфа, 2008. С. 181−189.

5. Лузина H.H. Практическое использование метода акустической эмиссии, анализ полученных результатов с применение основных критериев оценки источников АЭ // Сборник научных трудов по результатам участия в V межвузовской конференции молодых ученых в СПбГУ ИТМО, 2008, С. 44−48 (За лучший доклад на сессии присвоен диплом 1 степени).

6. Лузина H.H. Применение метода акустической эмиссии, на основе источников АЭ III — IV класса, полученных при исследовании опасных производственных объектов // Материалы конкурсной программы. инновационных проектов ИТЦ СПбГУ ИТМО «УМНИК», 2008.

7. Лузина H.H. Контроль акустическим методом высокотемпературных объектов // Сборник научных трудов по результатам участия в VI межвузовской конференции молодых ученых в СПбГУ ИТМО, 2009, С. 91−96 (Лучший доклад сессии).

8. Лузина Ii.П. Анализ результатов контроля технических изделий методом акустической эмиссии // «Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО»,.№ 3(73)/2011, С.78−83.

9. Ткалич В. JI., Лузина Н. П. Контроль технических изделий методом акустической эмиссии // Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции Марийского государственного технического университета. Йошкар-Ола, часть 1, 2011, С.78−85.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка использованной литературы из 93 наименований. Основная часть работы изложена на 150 страницах машинописного текста. .Работа содержит 36 рисунков, 9 таблиц и 5 фотографий. ,.

Основные результаты, полученные автором и отраженные в диссертации, заключаются в следующем:

Показана возможность применения метода АЭ в качестве метода неразрушающего контроля технического и структурного состояния натурных объектов с учетом локализации процессов деформации ' и разрушения.

Показано, что преобразование Фурье при изучении нестационарных сигналов АЭ имеет существенные недостатки. Благодаря своим уникальным свойствам вейвлет-преобразование позволяет исследовать особенности сигналов не только в частотном, но и во временном диапазоне. В основу исследования положено дискретное вейвлет-преобразование (ДВП) для выделения шумовой составляющей сигнала и его декомпозиции, — а также непрерывного вейвлет-преобразвоания' (НВП) для' определения особенностей АЭ-сигнала в силу его универсальности и хороших возможностей регулировки частотно-временного разрешения.

Разработана комплексная методика идентификации типов источника АЭ работающего оборудования, на основании частотно-временного анализа импульса АЭ. В результате созданы новые критерии классификации сигналов АЭ для описания и идентификации физических процессов и механизмов на стадии деформации и разрушения материалов.

Анализ спектров позволил выявить основной диапазон частот от 150 кГц до 200 кГц, на котором происходит максимальная генерация упругих волн в области реального дефекта.

Установлено, что спектральная плотность энергии регистрируемой при развитии трещины более чем на порядок выше, чем при пластической деформации и имеют — следующие средние значения: при платической деформации Еаэ порядка Ю^.ЛО" 4 В2с, при макротрещинах — порядка' 10″ 3 В2с.

Анализ испытаний с выявленными и подтвержденными дефектами показывает, что наиболее точным свидетельством наличия источника АЭ й твердом теле является регистрация (определение) спектральной плотности энергии сигнала и его частотный диапазон. Эти параметры регистрируются на более высоких уровнях нагрузки. Представленная в Главе 4 сравнительная таблица показывает, что предложенная, автором методика повысила достоверность обнаружения дефекта в 1,5 раза.

В работе обоснованы необходимые метрологические характеристики измерительных приборов, обеспечивающие качественное проведение АЭ-контроля и достоверную интерпретацию его результатов. На основании анализа характеристик разработаны требования, которые способствуют обеспечению достоверного обнаружения полезных сигналов.

Разработаны требования к приборам для АЭ контроля и даны рекомендации по их использованию.

Проведена экспериментальная проверка предложенной методики на длительно эксплуатируемом промышленном объекте.

Предложенная в диссертации методика и разработанные требования являются достаточно универсальными, вследствие чего могут быть: полезны при решении задач повышения точности и достоверности результатов в цроцессе использования эффекта АЭ в исследованиях различных структурных изменений в твердых телах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации представлено физико-механической природы излучения акустической эмиссии и N новой методики оценки процессов структурных изменений механическом воздействии.