18.8 Метод акустико-эмиссионной диагностики
Активно развивающийся с конца 60-х годов метод акустико-эмиссионной диагностики (АЭ диагностики) в последние десятилетия нашел широкое применение в промышленности благодаря значительному прогрессу в электронной и вычислительной технике, а также в области фундаментальных исследований физики прочности и разрушения материалов.
Акустико-эмиссионный контроль позволяет выявлять поверхностные и внутренние дефекты. Метод имеет достаточно сложную технологию, требует дорогого оборудования и очень высокой квалификации персонала.
Характерными особенностями, определяющими возможности, параметры и область применения акустико-эмиссионного метода, являются следующие: обеспечивается обнаружение и регистрация только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать [дефекты не по размерам, а по степени их опасности; в производственных условиях метод позволяет выявить приращение трещины на десятые доли миллиметра; предельная чувствительность акустико-эмиссионной аппаратуры по расчетным оценкам составляет порядка 10-6 мм, что соответствует выявлению скачка трещины протяженностью 1 мкм на величину 1 мкм, что указывает на весьма высокую чувствительность к растущим дефектам; свойство интегральности метода обеспечивает контроль всего объекта с использованием одного или нескольких преобразователей, неподвижно установленных на поверхности объекта контроля; положение и ориентация дефектов не влияют на их выявляемость; метод имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой конструкционных материалов, чем другие методы неразрушающего контроля; особенностью метода, ограничивающей его применение, является в некоторых случаях трудность выделения акустико-эмиссионных сигналов из помех. Это связано с тем, что акустико-эмиссионные сигналы являются шумоподобными, поскольку акустическая эмиссия является случайным импульсным процессом. Вследствие этого, когда сигналы малы по амплитуде, выделение полезного сигнала из помех представляет собой сложную задачу. При развитии дефекта, когда его размеры приближаются к критическому значению, амплитуда сигналов и темп их генерации резко увеличиваются, что приводит к значительному возрастанию вероятности обнаружения такого источника акустической эмиссии.
Регистрация сигналов АЭ, определение параметров и координат источников сигналов АЭ позволяет на ранних стадиях структурных изменений идентифицировать дефекты структуры материала, контролировать скорость их развития, оценивать степень их опасности и прогнозировать остаточный ресурс работы материала и конструкции в целом.
Метод АЭ диагностики применим для анализа состояния различных материалов, в том числе: конструкционных и жаропрочных сталей, композиционных материалов, керамических материалов, аморфных материалов, полупроводниковых и сверхпроводящих, железобетона, горных пород и др.
При росте трещины или любого дефекта, т. е. при увеличении их размеров, выделяется энергия в виде волн напряжения, или акустической эмиссии. Даже если дефект является микроскопическим, под действием локального напряжения или деформации он генерирует волны напряжения. Эти волны могут быть зафиксированы с помощью пьезопреобразователей, установленных на конструкции определенным образом.
В отличии от других методов в АЭ- методе энергия выделяется из самого материала. Вследствие этого акустическая эмиссия более чувствительна к росту дефектов и легче поддается интерпретации, чем сигналы, возникающие при возбуждении извне, характерном для таких методов, как УЗ- дефектоскопия и радиография.
Простая АЭ-система состоит из пьезопреобразователей, предварительных усилителей схем кондиционирования сигналов и счетчиков. Пьезопреобразователи столь чувствительны, что позволяют обнаруживать смещение в материале порядка межатомных расстояний; они располагаются в наиболее важных точках исследуемой конструкции. Сигналы от преобразователей предварительно усиливаются, преобразуются в стандартные логические импульсы и подсчитываются. Опытный оператор может по АЭ-сигналам нескольких преобразователей определять наличие, месторасположение и опасность дефекта.
В современных АЭ-системах для расчетов местоположения дефектов по АЭ- сигналам, поступающим от трех или более датчиков (метод триангуляции), используются мини- ЭВМ. Мини-ЭВМ может также анализировать волны напряжений и выдавать подробную информацию о типе и опасности дефекта.
Волны напряжений возникают в материале вследствие его пластического деформирования, разрыва связей и роста трещин под действием накопленной упругой энергии. Эмиссия этих волн из источника обычно имеет вид коротких широкополосных импульсов, однако характер волн, воспринимаемых датчиком, искажается вследствие ослабления в зависимости от частоты, рассеяния, распространения по многим направлениям и преобразования мод колебаний.
Источники и интенсивность акустической эмиссии очень многообразны - от роста трещин в хрупких материала, звук которого может услышать человеческое ухо, до слияния микропустот в пластичной малоуглеродистой стали, которое может быть практически беззвучным.
Акустическая эмиссия при деформировании гетерогенных материалов типа бетона и композитов имеет более сложный характер, чем в случае однофазных материалов. Разрушение волокнистых композиционных материалов может быть хрупким (с малой работой разрушения) и нехрупким (с большой работой разрушения), причем во втором случае оно может сопровождаться различными микромеханическими процессами - отслаиванием и разрушением матрицы, разрывом и вырыванием волокон. Каждый из этих процессов вносит свой вклад в спектр акустической эмиссии.
Вокруг дефектов повышается интенсивность напряжений, так что материал, например, вблизи вершины трещины находится в более напряженно - деформированном состоянии, чем вдали от нее. Как правило, это приводит к более интенсивной акустической эмиссии вблизи вершины трещины. В процессе роста трещины наибольшую роль играют два явления - развитие локальной зоны пластических деформаций вблизи вершины трещины и скачок фронта трещины.
Эффект Кайзера. Процесс акустической эмиссии не воспроизводим - большинство упругих тел не генерирует акустических сигналов при повторном нагружении (эффект Кайзера).
Этот эффект проявляется в металлах и некоторых других материалах, однако волокнистым полимерным композитам, являющимся вязкоупругими материалами, в которых нагрузка и деформация зависят от времени (3), классический эффект Кайзера не свойственен.
Эффект накопления. Если полимерный композиционный материал после достижения заданной нагрузки быстро разгрузить, то при повторном нагружении АЭ проявится при нагрузке, значительно меньшей, чем предельная первоначальная нагрузка. Это явление называется эффектом накопления. Доля первоначальной нагрузки, при которой в процессе повторного нагружения проявляется акустическая эмиссия, называется коэффициентом накопления. Эффект и коэффициент накопления для композиционных материалов, разрушающихся не хрупко, являются показателями их остаточной прочности (несущей способности).
В металлических конструкциях акустическая эмиссия происходит при возникновении и росте трещины или развития пластической зоны в ее вершине. В конструкциях из композиционных материалов ее источниками являются разрывы волокон, расслоения и преобразования в матрице.
Для возникновения акустической эмиссии конструкция должна быть нагружена внешними, термическими, остаточными или другими напряжениями, обусловливающими высвобождение накопленной упругой энергии в потенциальных дефектах. Происходящие при этом процессы, как правило, необратимы.
Характеристики АЭ- сигналов сильно зависят от свойств материала, окружающей среды и технологических факторов.
Интенсивность высвобождения энергии при акустической эмиссии. При росте трещины высвобождается накопленная энергия в виде волн напряжения, представляющих собой нестационарный поток энергии. Количество энергии, переходящей в волну напряжения, зависит от характера распределения энергии в процессе прорастания трещины и от таких факторов, как:
а) природа релаксационного процесса роста трещин (хрупкому росту присущи интенсивная АЭ и малое время релаксации, пластическому росту, наоборот, - слабая АЭ и большая длительность процесса);
б) скорость релаксации и частота повторения процессов;
в) микроструктура материала, т.е. разрывы сплошности, размеры зерна и присутствие легирующих добавок.
Время нарастания АЭ-сигнала связано с продолжительностью процессов деформирования или разрушения, вызывающих акустическую эмиссию. Амплитуда сигнала определяется интенсивностью этих процессов. Так, если источником волны напряжения является рост трещины, то время нарастания соответствующего акустического сигнала пропорционально времени, необходимому для скачкообразного увеличения трещины, а амплитуда сигнала - площади образовавшейся при этом поверхности.
Анализируя данные акустической эмиссии, можно определить скорости отдельных скачков увеличения трещины и площади поверхности, образующейся при этих скачках, а, следовательно, выявить различия между разными процессами разрушения.
Частоты распространяющихся волн напряжения. Любое скачкообразное увеличение трещины, пластическое смещение, искажение или превращение в граничной зоне генерируют волну напряжения. При этом возникающий вначале сферический волновой фронт распространяется к граничным поверхностям. Взаимодействие фронта с частицами других фаз, границами зерен, локальными расслоениями и т.п. и его отражение от поверхностей создают сложное волновое (акустическое) поле. В объеме материала возникают волны сжатия и сдвига, а на внешних сторонах поверхностные волны. Акустическое волновое поле может быть разделено на три зоны:
Метод акустической эмиссии относится к пассивным акустическим методам. При акустической эмиссии упругие волны излучаются материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие микротрещин, аллотропические превращения, движение скопления дислокаций - наиболее характерные источники акустической эмиссии. Моменты излучения волн эмиссии распределены статистически во времени, и возникающие при этом дискретные акустические сигналы имеют широкий частотный диапазон (от десятков килогерц до сотен мегагерц). Основными параметрами, характеризующими акустическую эмиссию, являются (по ГОСТ 25.002-80):
- число зарегистрированных импульсов дискретной эмиссии за интервал времени наблюдения,
- число зарегистрированных превышений импульсами установленного уровня за интервал времени,
- энергия, выделяемая источником акустической эмиссии,
- амплитуда сигнала,
- максимальное значение амплитуды.
Работы по диагностике методом акустической эмиссии проводят по согласованным с надзорными органами методическими указаниями (например, "Положение по оценке технического состояния сосудов и трубопроводов, работающих под давлением, на предприятиях государственной агрохимической ассоциации, методом акустической эмиссии". - М.: АООТ ГИАП, 1991).
Метод акустико-эмиссионного контроля (АЭК) должен применяться в соответствии с требованиями РД-03-131.
Метод АЭК обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов. Поэтому он позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности.
Метод АЭК обеспечивает контроль всего сосуда с использованием одного или нескольких преобразователей акустической эмиссии (АЭ), неподвижно установленных на поверхности сосуда.
Положение и ориентация дефекта не влияет на его выявляемость.
Недостатком метода АЭК является сложность выделения полезного сигнала из помех в том случае, когда дефект мал и вероятность выявления такого источника АЭ высока только при резком развитии дефекта и при приближении его размеров к критическому значению.
Поэтому метод АЭК рекомендуется применять в сочетании с другими методами HK.
При диагностировании сосудов, находящихся в эксплуатации, с целью сокращения объема работ по подготовке сосуда и контролю традиционными методами, желательно первоначально провести АЭК объекта. В случае выявления источников АЭ, в месте их расположения провести контроль одним из традиционных методов неразрушающего контроля (УЗК, РК, МПД или ЦЦ).
Возможна схема, при которой в случае обнаружения дефектов традиционными методами, опасность того или иного дефекта выявляется в результате контроля сосуда методом АЭК.
Кроме того, в отдельных случаях; при возникновении сомнения в достоверности результатов применяемых методов контроля также может быть использован метод АЭК.
В этих случаях решение о допуске сосуда в эксплуатацию или о его ремонте принимается по результатам проведенного АЭК.
В случае наличия в сосуде дефекта, выявленного одним из методов АЭК, метод АЭ может быть использован для слежения за развитием этого дефекта.
Метод АЭК в соответствии с ПБ 10-115 должен применяться при пневмоиспытаниях сосудов в качестве сопровождающего метода, повышающего безопасность проведения испытаний, В этом случае целью применения АЭК является обеспечение предупреждения возможности катастрофического разрушения сосуда.
Рекомендуется использовать метод АЭК и при гидравлических испытаниях сосудов.
АЭК сосудов проводится организациями, имеющими лицензию на этот вид деятельности, и аттестованными специалистами не ниже II уровня квалификации .
Рис. Акустический дефектоскоп Ад-64М