ЭОТб-11-2 / 4.2. Метод акустической эмиссии / 4.2.Фоминых

Акустико эмиссионный метод неразрушающего контроля

Акустическая эмиссия  – очень эффективное средство неразрушающего контроля и оценки материалов, основанное на обнаружении упругих волн, которые генерируются при внезапной деформации напряженного материала. Данные волны распространяются от источника непосредственно к датчикам, где затем преобразуются в электрические сигналы. Приборы акустико-эмиссионного контроля измеряют эти сигналы, после чего отображают данные, на основе которых происходит оценка состояния и поведения всей  структуры исследуемого объекта.

Как известно, традиционные методы неразрушающего контроля (ультразвуковой,радиационный, вихретоковый) позволяют обнаруживать геометрические неоднородности (дефекты) путем излучения в структуру объекта некоторой формы энергии. В отличие от этих методов, в акустико эмиссионном контроле применяется другой подход: обнаруживаются не геометрические неоднородности, а микроскопические движения. Такой метод позволяет очень быстро обнаруживать ростдаже самых небольших трещин, разломов включений, утечек газов или жидкостей. То есть большого количества самых разнообразных процессов, производящих акустическую эмиссию.

Сточки зрения теории и практики метода акустической эмиссии, абсолютно любой дефект может производить свой собственный сигнал. При этом он может проходить довольно большие расстояния (до десятков метров), пока не достигнет датчиков.Более того, дефект может быть обнаружен не только дистанционно; но и путем вычисления разницы времен прихода волн к датчикам, расположенных в разных местах.

Основные особенности акустического метода контроля, определяющие его возможности и область применения:

• Обеспечивает обнаружение дефектов по степени их опасности

• Обладает высокой чувствительностью к растущим дефектам и позволяет в рабочих условиях определять приращение трещины до долей миллиметров.

• Предельная чувствительность приборов по теоретическим оценкам может составлять до 1*10-6 мм2.

• Интегральность метода обеспечивает контроль всего объекта с использованием одного или нескольких преобразователей, неподвижно установленных на поверхности объекта

• Метод позволяет проводить контроль самых различных технологических процессов, а также процессов изменения свойств и состояния материалов

• Ориентация и положение объекта не влияет на выявляемость дефектов

• Особенностью метода, ограничивающей его применение, является возможная в ряде случаев трудность выделения нужных сигналов из помех. Если сигналы малы по амплитуде, то их выделение из помех представляет собой сложную задачу.

• При развитии дефекта и если его размеры приближаются к критическому значению, амплитуда сигналов и темп их генерации резко увеличивается. Это приводит к существенному возрастанию вероятности обнаружения дефекта.

Приборы,основанные на акустических методах контроля, могут быть использованы для диагностирования высоконагруженных и крупногабаритных объектов повышенной опасности, а также объектов, где ограничен доступ к поверхности контроля (некоторые виды трубопроводов, сосудов давления, котлов, резервуаров,агрегатов). Метод активно применяется для контроля самых разнообразных объектов в процессе их производства, при приемочных испытаниях и обследованиях.

Метод акустической эмиссии – это эффективное средство НК и оценки материалов основанное на обнаружении упругих колебаний, которые генерируются при деформации напряженного материала. Приборы акустико-эмиссионного контроля измеряют электрические сигналы, возникшие в результате акустических волн, распространяющихся от источника к датчикам. На основе полученных данных производится оценка состояния и поведения структуры исследуемого объекта.

Преобразователь акустической эмиссии (ПАЭ) – важнейший элемент системы АЭ контроля, преобразующий акустический сигнал АЭ-процесса в электрический, благодаря параметрам которого производится оценка источников АЭ.

 

Преимущества метода акустической эмиссии:

 

• Путем установки нескольких датчиков акустической эмиссии может выполняться контроль всего объекта с выявлением мест возникновения и развития дефектов;

• Метод используется для контроля недоступных поверхностей;

• Метод АЭ-контроля позволяет диагностировать объект, не выводя его из существующего режима эксплуатации;

• Высокая чувствительность к растущим дефектам;

• Приборы акустической эмиссии могут использоваться для диагностирования крупногабаритных и  высоконагруженных объектов повышенной опасности, а также тех объектов, доступ к поверхности для контроля к которым ограничен;

• Универсальность в отношении выбора диагностируемого объекта: бойлерные установки, сосуды под давлением, магистральные и технологические трубопроводы, трубопроводы теплосетей, грузоподъемные механизмы, технологическое оборудование компрессорных и газораспределительных станций, также любые другие объекты, где может быть обеспечено изменение давления.

• Так же как и магнитопорошковая дефектоскопия  метод АЭ-контроля отличается высокой оперативностью проведения технического диагностирования объекта;

Эмиссия акустическая - излучение упругих волн, возникающее в процессе перестройки внутренней структуры твердых тел. Акустическая эмиссия проявляется при пластической деформации твердых материалов, при возникновении и развитии в них дефектов, например при образовании трещин, при фазовых превращениях связанных с изменением кристаллической решетки, а так же при резании твердых материалов. Физическим механизмом, объясняющим ряд особенностей акустической эмиссии, является движение в веществе дислокаций и их скоплений. Дислокационные процессы, связанные с отрывом дислокаций от точек закрепления, торможением их у препятствий, возникновением и уничтожением отдельных дислокаций, - имеют существенно неравномерный, и даже прерывистый, характер. Это является причиной, обуславливающей излучение волн напряжения, т.е. акустической эмиссии. Соответственно акустическая эмиссия имеет «взрывной», импульсный характер; длительность импульса может составлять от 10 нс до 100 мкс, энергия отдельного импульса - от 10^-9 до 10^-5 Дж.

В качестве источника акустической эмиссии можно рассматривать расположенный в глубине образца твердого тела элемент объема, испытывающий изменение напряженного состояния. Сигналы акустической эмиссии проявляются в виде колебаний поверхности образца, смещение при которых составляет от 10^-14 до 10^-7 м; иногда эти сигналы достаточно сильны и могут восприниматься на слух (например, «крик олова» при пластическом деформировании этого материала). Сигнал эмиссии, распространяясь от источника к поверхности образца, претерпевает существенное искажение вследствие дисперсии скорости звука, трансформации типа и формы волны при отражении, затухании звука и др. Если время затухания сигнала и время переходных процессов в образце меньше промежутка времени между излучаемыми импульсами, эмиссия воспринимается в виде последовательности импульсов и называется дискретной или импульсной. Если же интервал между отдельными актами излучения меньше времени затухания, эмиссия имеет характер непрерывного излучения, в подавляющем большинстве случаев нестационарного, и называется непрерывной или сплошной. Дискретная эмиссия имеет место, например, при образовании трещин, непрерывная - в процессе резания. Частотный спектр акустических эмиссий весьма широк - он простирается от области слышимых частот до десятков и сотен МГц.

К основным параметрам, характеризующим акустическую эмиссию, относятся:

• общее число импульсов дискретной эмиссии за исследуемый промежуток времени; 

• так называемая суммарная (или интегральная) эмиссия - число превышений сигналом эмиссии установленного уровня за исследуемый промежуток времени; 

• интенсивность эмиссии - число превышений сигналом эмиссии установленного уровня в единицу времени; 

• амплитуда эмиссии - максимальное значение сигнала эмиссии в течение заданного промежутка времени; 

• уровень сигналов эмиссии - среднее квадратичное сигнала за рассматриваемый промежуток времени.

Корреляцию этих параметров с развитием дефектов устанавливают при лабораторных испытаниях образцов, в процессе которых регистрируют в функции времени параметры акустической эмиссии и действующую внешнюю силу или деформацию образца.

Выводы и заключения

Комплексный подход к диагностированию трубопроводов с применением метода АЭ позволяет:

- Производить обнаружение опасных производственных и эксплуатационных дефектов на ранней стадии их зарождения и предупреждать их развитие до критической величины;

- Определять степень опасности выявленных дефектов;

- Проводить 100% контроль диагностируемого участка, включая недоступные, скрытые области контроля;

- Проводить оценку остаточного ресурса трубопровода на основе информации о существующих эксплуатационных дефектах и ​​повреждениях.

Совокупность указанных факторов обеспечивает полную и достоверную оценку технического состояния трубопроводов с последующим принятием решения о возможности дальнейшей эксплуатации объекта.

Эксперимент проводился с применением акустико-эмиссионной системы A-Line 32D   (рис. 4). Среднее расстояние между АЭ-преобразователями составило 40 м. В ходе первичного АЭ-контроля, осуществленного в рамках действующих правил ПБ 03-593-03 с принудительным изменением давления, были выявлены дефектные участки трубопровода с местами локализации источников АЭ, соответствующих развивающимся дефектам. Последующая запись колебаний давления в трубопроводе с регистрацией параметров АЭ осуществлялась после двухчасовой выдержки на рабочих параметрах в режиме мониторинга (рис. 5). Видно, что волна на графике имеет две характерные составляющие, а именно на фоне низкочастотного тренда увеличения давления от 4,5 до 5 МПа возникают высокочастотные пульсации с периодом до 30 сек. и размахом значений давления до 0,2 мПа. Есть основания полагать, что подобный характер пульсаций может быть связан с рассмотренными выше механизмами изменения давления. Вследствие этого создаются необходимые условия для проведения акустико-эмиссионных измерений.

В завершение работы с целью отладки предложенной методики АЭ-контроля линейной части магистральных нефтепроводов и подтверждения сделанных выводов предварительно продиагностированные участки магистрального нефтепровода с реализацией стандартной схемы нагружения (рис. 6) были подвергнуты дополнительному АЭ-контролю в режиме мониторинга. В результате обнаруженные ранее источники АЭ, соответствующие опасным развивающимся дефектам, были зарегистрированы и локализованы повторно. Общая длина проконтролированного трубопровода составила 12 км. В результате на 21 участке МТ было выявлено 18 источников АЭ 2-го класса опасности и 43 источника АЭ 1-го класса опасности. Источники 2-го класса были подвергнуты дополнительному дефектоскопическому контролю (ДДК). Результаты контроля сведены в табл. 1. Из таблицы видно, что большая часть дефектов приходится на ремонтные конструкции, установленные ранее. По-видимому, причины этих источников могут заключаться в двух особенностях: дефекты непосредственно самой конструкции и дефекты трубопровода под ремонтной конструкцией, которые продолжают развиваться. Отметим, что и в том и в другом случае обнаруженные источники АЭ представляют серьезную опасность для эксплуатации трубопровода и впоследствии должны быть устранены. Однако если собственные дефекты конструкции могут быть выявлены с помощью локальных методов НК (визуально-измерительный, ультразвуковой, рентгеновский и магнитный контроль), то дефекты трубопровода под ремонтной конструкцией локальными методами не выявляются. На основании полученных данных можно сделать вывод, что метод акустической эмиссии в режиме мониторинга может быть эффективно использован при диагностике ранее выявленных дефектов МТ с целью определения их текущего состояния и дальнейшего принятия решения об очередности и виде их ремонта.