35. Особенности аппаратуры для регистрации аэ. Применение метода аэ при испытаниях и эксплуатации изделий, при контроле процессов сварки, резания.
Аппаратура предназначена для усиления, обработки и регистрации сигналов АЭ. Так как сигналы АЭ представляют собой импульсный случайный процесс, основной задачей аппаратуры являются определение статистических распределений параметров этого процесса и нахождение изменений их во времени. Как отмечалось выше, АЭ характеризуется рядом параметров, каждый из которых отражает какую-либо сторону динамики процесса в твердом теле, поэтому аппаратура может быть весьма сложной.
Рассмотрим структурную схему простейшей установки для контроля методом АЭ (рисунок 4.1). В качестве преобразователя АЭ 1 в большинстве случаев используют пьезокерамические преобразователи (ЦТС).
Рисунок 4.1- Схема установки для контроля методом АЭ
Основными характеристиками преобразователей являются чувствительность на рабочей частоте, полоса пропускания, предельная рабочая температура, помехоустойчивость, собственные шумы. По частотным свойствам преобразователи можно разделить на узкополосные, полосовые и широкополосные. Выбор преобразователя определяется целью и условиями контроля. Акустическая связь преобразователя с объектом в обычных условиях осуществляется либо с использованием клея, либо жидкой контактной среды, например, эпоксидной смолы, масла, глицерина и др. При определении местоположения дефекта на объекте применяют несколько преобразователей.
для установки датчика на оборудовании, покрытом изоляцией, требуется вскрытие небольшого участка последней, тогда как, например, визуальный осмотр требует ее полного удаления. На объектах, эксплуатируемых при высокой температуре, применяются волноводы, привариваемые к поверхности, для чего требуется вскрытие участка изоляции размером 2 см. датчики устанавливаются на волноводы вне изоляции и таким образом оказываются защищенными от воздействия- высоких температур. В особых случаях возможно применение специальных высокотемпературных датчиков.
На очень больших криогенных хранилищах датчики устанавливаются под изоляцией и оставляются там, а во время очередного контроля подсоединяются к аппаратуре.
Сигналы с преобразователей усиливают посредством предварительного усилителя 2 с низкими собственными шумами (<10 мкВ). Полоса частот исследуемого диапазона устанавливается с помощью фильтров 3. Обычно выбирается полоса от 30 килогерц до нескольких мегагерц. Далее сигналы поступают в основной усилитель 4, который должен обладать равномерной АЧХ во всем диапазоне частот. Усиленные сигналы поступают в блок обработки сигналов 5, где производится счет импульсов, исследуется амплитудное распределение сигналов и энергия эмиссии. Может быть предусмотрена регистрация сигналов на самописцах, ЦПУ и т.п. В многоканальных устройствах используется блок определения координат 6 источника сигналов АЭ. При этом определение координат может производиться методами триангуляции, амплитудным пеленгованием и др.
Когда эмиссия регистрируется двумя или большим количеством датчиков появляется возможность определить местонахождение источника, используя время поступления сигналов. В общем случае этот метод требует большой осторожности при использовании, хотя в целом ряде областей он успешно используется. Линейная локация используется на длинных газовых баллонах и трубопроводах, плоскостная локация - на сосудах и емкостях и, наконец, трехмерная локация - на бетонных конструкциях и силовых трансформаторах. Плоскостная локация может использоваться в качестве дополнения к менее точной зонной локации, в случае если сигналы эмиссии с высокой энергией достигают нескольких датчиков, что позволяет более точно определить местоположение дефекта.
Аппаратура АЭ в зависимости от ее функционального назначения и сложности выполнения может быть условно разделена на несколько групп: приборы производственного применения; многофункциональные приборы лабораторного и производственного применения; системы АЭ-контроля.
Отечественной промышленностью выпускаются следующие приборы и системы: АФ 11 – 20-2000 кГц, 88дБ (счет импульсов); АФ-15 – 20-2000 кГц, 94дБ (интенсивность, амплитуда, длительность); АВН-1 – 70-850 кГц, (счет импульсов, интенсивность, амплитуда, мощность); АФ-33 - многоканальная система (32 канала) с обработкой на ЭВМ.
При выборе системы контроля определяют требуемую расстановку преобразователей, тип упругих волн и скорость их распространения (посредством имитирования), амплитудно-частотный спектр шумов окружающей среды и т.д. Преобразователи крепятся на объекте через клей или с помощью специальных клемм и магнитов.
Применение метода АЭ:
Использование АЭ при исследовании механических свойств материалов и процессов разрушения основано на том, что пластическая деформация и разрыв атомных связей при разрушении сопровождаются интенсивным излучением упругих волн.
Исследование гладких образцов на растяжение с применением метода АЭ позволило связать параметры АЭ с основными закономерностями пластической деформации металлов. Ряд исследований характера сигналов АЭ при статическом и циклическом нагружении объектов из различных материалов обеспечил эффективное использование метода для раннего распознавания трещин при испытаниях материалов на ползучесть, для выявления скрытых дефектов на стадии их зарождения, для локации дефектов и изучения кинетики развития трещин в сварных швах.
В производственных условиях метод АЭ применяется для непрерывного контроля при испытаниях сосудов высокого давления, элементов конструкций различного типа, элементов ракет и самолетов. Существует много норм и стандартов для АЭ контроля: оборудования от транспортируемых газовых ёмкостей и цистерн до 30000-тонных резервуаров.
Системы АЭ позволяют обнаруживать увеличение длины трещины на 1-10 мкм. При этом контроль может быть произведен и в труднодоступных местах. Важным преимуществом метода является возможность контроля в реальных условиях эксплуатации, когда на них действуют все факторы, ведущие к развитию дефектов. Многие емкости могут контролироваться без вывода из эксплуатации либо при заполнении продуктом, или во время нагружения газом, определяя давление непосредственно или при помощи измерения других технологических параметров. Рабочие нагрузки должны быть меньше предельно допустимых для того, чтобы в период испытаний осуществить незначительное превышение над максимальным уровнем. Отсутствие эмиссии при таких испытаниях означает, что дефекты не появились. Интенсивность и пиковая амплитуда позволяет оценить опасность дефектов. Данным методом можно проверять мосты и каркасы зданий.
Традиционно инспекция новых сосудов предшествует первоначальному гидроиспытанию и повторяется лишь по прошествию определенного эксплуатационного периода. Это значит, что любые дефекты, возникшие и развивающиеся во время гидроиспытаний, могут быть обнаружены только после истечения этого периода, порождая сомнение в их заводском или эксплуатационном происхождении. И хотя АЭ метод впоследствии способен прояснить эту ситуацию, лучше его использовать при проведении первоначального гироиспытания для оценки исходного состояния сосуда перед началом работы. Предпочтительно вводить в эксплуатацию доброкачественный сосуд, чем сосуд в неопределенном состоянии или с повреждениями, вызванными гидроиспытаниями.
Стоимость вывода из эксплуатации резервуара большого объема и его очистки с целью инспекции днища может достигать полумиллиона долларов. Зачастую эти работы проводятся по графику, независимо от состояния резервуара. Это значит, что средства могут расходоваться неэффективно, поскольку могут вычищаться и инспектироваться совершенно невредимые резервуары, в то время как поврежденные будут продолжать протекать, дожидаясь своей очереди на проверку. В конце 80-х годов была разработана методика прослушивания днищ заполненных резервуаров, позволяющая не только выявить протечки, но и дать исчерпывающую картину состояния днища. Использование этого метода с целью выявления резервуаров, требующих ремонта, сулит значительные экономические и экологические выгоды. Обычно испытание одного резервуара занимает половину дня и не требует каких-либо специальных мероприятий. Для нефтяного резервуара большого объема стоимость может составлять всего 0,1% от расходов по выводу его из эксплуатации и зачистки перед проведением внутренней инспекции.
АЭ может быть очень выгодна для оценки состояния трубопроводов особенно на теплоизолированных линиях, и там, где многочисленные параллельные линии могут контролироваться последовательно. Обычными повреждениями, обнаруживаемыми АЭ методом, являются подизоляционная и внутритрубная коррозия на трубопроводах из углеродистой стали и стресскоррозионные трещины на трубопроводах из нержавеющей стали. Обычное расстояние между датчиками зависит от диаметра трубы.
АЭ контроль газовых баллонов позволяет значительно удешевить процесс обследования. АЭ метод применяется во время обычного наполнения баллона каждые пять лет или во время гидроиспытания. Высокая чувствительность к мелким дефектам позволяет увеличить промежуток времени до следующего гидроиспытания в два раза.
После нескольких лет работы над усовершенствованием методики американская ассоциация железных дорог строго предписала АЭ контроль для всех железнодорожных цистерн. Контролю подлежат не только цистерны, но и участки шасси, которые несут большие нагрузки. Во время испытаний эти элементы подвергаются нагружению при помощи домкратов. При контроле цистерн с теплоизоляцией дорогостоящего удаления последней не требуется.
Применяя АЭ метод на теплоизолированных колоннах можно быстро и с минимальными затратами получить оценку состояния всей установки с учетом внешней коррозии, наличия стресскоррозионных трещин и других внутренних и внешних повреждений. Контроль производится без снятия изоляции. Колонны обычно испытываются давлением ниже проектного.
Процесс расхолаживания определенных типов толстостенных высокотемпературных сосудов может стать причиной возникновения повреждений. В этом случае АЭ контроль позволяет определить дефектные места для последующей целевой инспекции и ремонтных работ. Во время АЭ контроля при расхолаживании некоторых крупногабаритных объектов используется более 500 датчиков, что приводит к значительному сокращению простоев за счет повышения эффективности последующих инспекции и ремонта.
Эффективен контроль качества сварных соединений, который можно осуществлять на разных стадиях: в процессе сварки, когда шов только формируется; в процессе охлаждения шва после сварки; после сварки в процессе нагружения. Общей особенностью первых двух стадий является возникновение АЭ без нагрузки под действием внутренних локальных напряжений, развивающихся в самом шве или околошовной зоне. Причинами напряжений являются неравномерность и нестационарность теплового режима сварки или неоднородность структуры. Следует отметить, что образование пор и включений приводит к изменению внутренних напряжений.
Метод АЭ позволяет оценить хрупкость, вязкость, твердость и другие характеристики металлов.