Ультразвуковая эмиссия. Акустико-эмиссионный метод

Излучение упругих волн при пластической деформации

Анимация

Описание

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 10-8 ё 10-4 с, 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 10-14 ё 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 (рис. 1).

Зависимость интенсивности акустической эмиссии N и ее амплитуды A на выходе преобразователя от времени при возрастании приложенной к образцу растягивающей силы P

Рис. 1

Образец из алюминиевого сплава сечением 30х4 мм2 с надрезом глубиной 10 мм и начальной трещиной.

Если акустическая эмиссия имеет квазистационарный характер, параметром эмиссии, дающим информацию о состоянии материала и о происходящих в нем процессах, может служить ее частотный спектр.

Для регистрации параметров акустической эмиссии, а также для записи формы сигналов и их длительности применяют специальную аппаратуру, которая обеспечивает прием слабых сигналов эмиссии на фоне шумов, обладает необходимым быстродействием (интенсивность эмиссии меняется в пределах от 0 до 105 импульсов в секунду) и малыми собственными шумами. В качестве приемников колебаний в большинстве случаев используются пьезокерамические преобразователи; оптические интерференционные методы измерения колебаний с применением лазерного излучения. Сигналы с датчиков колебаний усиливают и подвергают дальнейшей обработке с помощью электронной аппаратуры. Обычно рабочий диапазон аппаратуры: 1·104 Гцё 1·107 Гц.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -8 до -1);

Время существования (log tc от -7 до 3);

Время деградации (log td от -5 до -1);

Время оптимального проявления (log tk от -6 до 2).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Простейшая реализация состоит в помещении под пресс куска прозрачного материала (стекло, оргстекло) и съемке процесса раздавливания на видеопленку. Покадровый просмотр позволяет убедиться в синхронности звуковых импульсов с возникновением и развитием индивидуальных трещин.

Для тех, кто не особенно болеет наукообразием, достаточно сломать палку об колено и сравнить получаемый треск со своими мускульными ощущениями излома.

Применение эффекта

Эффект акустической эмиссии широко используется в информационно-измерительных системах раннего распознавания трещин, при испытаниях материалов на ползучесть, для выявления скрытых дефектов на стадии их зарождения, для исследования коррозии металлов под напряжением, для определения дефектов в металлических и неметаллических композиционных материалах, для локации дефектов и изучения кинетики развития трещин в сварных швах и др. По параметрам эмиссии судят о процессах в кристаллических телах при их нагревании и охлаждении, например регистрируют в металлических материалах фазовые превращения мартенситного типа. Акустическая эмиссия используется также при выборе режимов резания металлов. В производственных условиях методы акустической эмиссии применяются для локализации и определения параметров дефектов и наблюдения за их развитием при испытаниях сосудов высокого давления, элементов конструкции различного типа, в т.ч. элементов ракет и самолетов.

Неразрушающий контроль (НК) – контроль свойств и параметров объекта, при котором не должна быть нарушена пригодность объекта к использованию и эксплуатации.

Традиционные методы неразрушающего контроля (такие, как ультразвуковой, радиационный, токовихревой) обнаруживают геометрические неоднородности путем излучения в исследуемую структуру некоторой формы энергии. Акустическая эмиссия использует другой подход: во-первых, источником сигнала служит сам материал, а не внешний источник, т.е. метод является пассивным (а не активным, как большинство других методов контроля). Во-вторых, в отличие от других методов, акустистико-эмиссионный обнаруживает движение дефекта, а не статические неоднородности, связанные с наличием дефектов, т.е. метод акустической эмиссии обнаруживает развивающиеся, а потому наиболее опасные дефекты.

Рост трещины, разлом включения, расслоения, коррозия, трение, водородное охрупчивание, утечка жидкости или газа и т.п. – это примеры процессов, производящих акустическую эмиссию, которая может быть обнаружена и эффективно исследована с помощью этой технологии.

На рисунке ниже приведена иллюстрация, поясняющая метод акустико-эмисиионного контроля.

Метод АЭ контроля

При обнаружении сигнала на 1-м и 2-м приёмниках, регистрируется время прихода сигнала t1 и t2 соответственно. По зарегистрированным t1 и t2 определяется разность времени прихода сигнала ∆t = t2 – t1. Затем по известной скорости звука в материале и известным координатам приёмников вычисляются координаты источника акустической эмисии (дефекта). Схемы расположения преобразователей и их количество могут быть различными. Чем больше датчиков, тем более точно можно определить местонахождение дефекта.

Метод контроля акустической эмиссией обладает весьма высокой чувствительностью к растущим дефектам – позволяет выявить в рабочих условиях приращение трещины порядка долей миллиметра. Предельная чувствительность акустико-эмиссионной аппаратуры по теоретическим оценкам составляет порядка 1х10-6 мм2, что соответствует выявлению увеличения длины трещины протяженностью 1 мкм на величину 1 мкм.

В качестве имитатора сигналов акустической эмиссии рекомендуется использовать пьезоэлектрический преобразователь, возбуждаемый электрическими импульсами от генератора. Частотный диапазон имитационного импульса должен соответствовать частотному диапазону системы контроля. Также в качестве имитатора сигналов АЭ допускается также использовать источник Су-Нильсена [излом графитового стержня диаметром 0,3-0,5 мм, твердостью 2Т (2Н)].

Характерные особенности метода акустической эмиссии

Основными преимуществами метода акустической эмиссии перед традиционными методами неразрушающего контроля являются следующие:

Интегральность метода , которая заключается в том, что, используя один или несколько датчиков, установленных неподвижно на поверхности объекта, можно проконтролировать весь объект целиком (100% контроль). Это свойство метода особенно полезно при исследовании труднодоступных (не доступных) поверхностей контролируемого объекта.

В отличие от сканирующих методов неразрушающего контроля, метод АЭ не требует тщательной подготовки поверхности объекта контроля . Следовательно, выполнение контроля и его результаты не зависят от состояния поверхности и качества ее обработки. Изоляционное покрытие (если оно имеется) снимается только в местах установки датчиков.

Обнаружение и регистрация только развивающихся дефектов , что позволяет классифицировать дефекты не по размерам (или по другим косвенным признакам – форме, положению, ориентации дефектов), а по степени их опасности (влияние на прочность) для контролируемого объекта.

Высокая производительность , во много раз превосходящая производительность традиционных методов неразрушающего конроля, таких как ультразвуковой, радиографический, вихретоковый, магнитный и др.

Дистанционность метода – возможность проведения контроля при значительном удалении оператора от исследуемого объекта. Данная особенность метода позволяет эффективно использовать его для контроля (мониторинга) ответственных крупногабаритных конструкций, протяженных или особо опасных объектов без вывода их из эксплуатации и вреда для персонала.

Возможность отслеживания различных технологических процессов и оценка технического состояния объекта в режиме реального времени , что позволяет предотвратить аварийное разрушение контролируемого объекта.

СХЕМЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

6.1 . Рекомендуемые схемы проведения экспериментальных исследований, использующие калибровочный блок, приведены на рис. 2 и 3 . На рис. 2 представлена схема, в которой стеклянный капилляр 4 помещен между концом нагружающего устройства 6 и рабочей поверхностью калибровочного блока 1. Нагружающее устройство может быть выполнено в виде винта либоприспособления , позволяющего плавно увеличивать нагрузку в диапазоне 1 - 50 Ньютон (Н).

Рис. 3 . Схема измерения 2:

1 - калиброванный блок; 2 - калибруемый ПАЭ; 3 - эталонный преобразователь; 4 - капилляр; 5 - пьезопластина для измерения усилия стержня; 6 - нагружающее устройство; 7 - цифровой осциллограф; 8 - усилитель заряда; 9 - измерительный прибор

При изломе капилляра механическое возмущение в виде ступенчатой функции распространяется по поверхности блока. Время подъема функции не превышает 0,1 мкс. Величина силы измеряется с использованием пьезоэлемента 5 , размещенного в нагружающем винте и предварительно откалиброванного. Измерение силы производится с использованием усилителя заряда 8, соединенного с измерительным прибором 9.

Образцовый преобразователь (конденсаторный, лазерный либо откалиброванный пьезоэлектрический) и калибруемый ПАЭ размещают симметрично относительно источника сигнала и на одинаковом расстоянии от него - 50 - 100 мм.

Электрические сигналы, поступающие от двух преобразователей, подаются на цифровой запоминающий двухканальный осциллограф и регистрируются им, после чего производят сравнение характеристик преобразователей и определение параметров калибруемого ПАЭ. Источник:http://www.gosthelp.ru/text/RD0330099Trebovaniyakpreo.html

ВЫПОЛНИЛИ: МАСТЕРСКИХ ВИОЛЕТТА

И ВАСИЛЬЕВ ДАНИИЛ

Акустическая эмиссия (АЭ) - явление возникновения и распространения упругих колебаний(акустических волн), во времядеформациинапряжённогоматериала. Количественно АЭ - критерий целостности материала, который определяетсязвуковымизлучением материала при контрольном его нагружении. Эффект акустической эмиссии может использоваться для определения образованиядефектовна начальной стадии разрушения конструкции.

(2) Основной принцип диагностики инженерных сооружений и конструкций заключается в пассивном сборе информации с множества звуковых (и ультразвуковых) датчиков, и её обработке для последующего определения степени износа конструкции.

Целью контроля акустической эмисиией является обнаружение, определение координат и слежение (мониторинг) за источниками акустической эмиссии, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки сосуда, сварного соединения и изготовленных частей и компонентов.

Акустико-эмиссионный контроль технического состояния обследуемых объектов проводится только при создании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу источников акустической эмиссии. Для этого объект подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т.д. Выбор вида нагрузки определяется конструкцией объекта и условиями его работы, характером испытаний.

(3) Метод контроля акустической эмиссией

Такой метод позволяет очень быстро обнаруживать рост даже самых небольших трещин, разломов включений, утечек газов или жидкостей. То есть большого количества самых разнообразных процессов, производящих акустическую эмиссию.

С точки 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.

Рост трещины, разлом включения, расслоения, коррозия, трение, утечка жидкости или газа и т.п. – это примеры процессов, производящих акустическую эмиссию, которая может быть обнаружена и эффективно исследована с помощью этой технологии.

(4) На рисунке ниже приведена иллюстрация, поясняющая метод акустико-эмисиионного контроля.

Характерные особенности метода акустической эмиссии

Максимальное соотношение эффективность-стоимость .

(5) Области применения

Метод акустической эмиссии позволяет получать огромные массивы информации, оперативно и с минимальными затратами регулировать и продлевать эксплуатационный цикл ответственных промышленных объектов, помогает в прогнозировании вероятности возникновения аварийных разрушений и катастроф. Широкие возможности метода контроля акустической эмиссии предоставляет и при исследовании различных свойств материалов, веществ, конструкций. На сегодняшний день без применения акустического контроля и мониторинга уже невозможны создание и надежная эксплуатация многих ответственных технических объектов.

Основные области применения АЭ контроля:

Нефтегазовая и химическая промышленность;

Трубопрокатные и металлургические предприятия;

Тепловая и атомная энергетика;

Железнодорожный транспорт;

Подъемные сооружения;

Мостовые конструкции;

Авиационно-космическая техника;

Бетонные и железобетонные сооружения.

Акустико эмиссионный метод – 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.

Излучением материала при контрольном его нагружении. Эффект акустической эмиссии может использоваться для определения образования дефектов на начальной стадии разрушения конструкции. Он же может быть использован для определения степени сейсмической опасности геологических пород; при этом эмиссию можно вызывать искусственно.

Основной принцип диагностики инженерных сооружений и конструкций заключается в пассивном сборе информации с множества звуковых (и ультразвуковых) датчиков , и её обработке для последующего определения степени износа конструкции.

Примеры

Перед тем как начать ломаться, нагружённая ветка дерева издаёт специфический скрип , при этом наблюдается скачкообразный импульс АЭ-сигнала.

Ссылки

Г. А. Соболев, А. В. Пономарев, А. В. Кольцов, Б. Г. Салов, О. В. Бабичев, В. А. Терентьев, А. В. Патонин, А. О. Мострюков - «ВОЗБУЖДЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ УПРУГИМИ ИМПУЛЬСАМИ»
Эффективная физика - «Эмиссия акустическая» копия из веб-архива

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Акустическая эмиссия" в других словарях:

акустическая эмиссия - Ндп. эмиссия волн напряжений звуковая эмиссия ультразвуковая эмиссия акустическое излучение ультразвуковое излучение сейсмоакустическое излучение Испускание объектом контроля (испытаний) акустических волн [ГОСТ 27655 88] Недопустимые,… …

Акустическая эмиссия - процесс выхода (испускания, возникновения) звука из твердых или жидких тел под влиянием внешних воздействий (механического воздействия, нагревания, охлаждения, освещения и др.) … Российская энциклопедия по охране труда

акустическая эмиссия - 2.1 акустическая эмиссия; АЭ (acoustic emission): Класс явлений, заключающийся в излучении упругих волн, возникающих в процессе перестройки внутренней структуры твердых тел, или переходных волн, вызванных таким же образом. Примечание Акустическая …

Акустическая эмиссия (АЭ) - 1.1. Акустическая эмиссия (АЭ) Ндп. Эмиссия волн напряжений, звуковая эмиссия, ультразвуковая эмиссия, акустическое излучение, ультразвуковое излучение, сейсмо акустическое излучение D. Schallemission (SE) Е. Acoustic emission (AE) Излучение… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Acoustic emission Акустическая эмиссия. Критерий целостности материала, который определяется звуковым излучением материала при нагружении. Акустическая эмиссия может определяться образованием дефектов или начинающимся отказом. (Источник: «Металлы … Словарь металлургических терминов

акустическая эмиссия - испускание твердым телом звуковых волн при разных физических процессах, например, при зарождении и развтии трещин в металле при внешних механических нагружениях; может регистрироваться и служить качественной характеристикой… … Энциклопедический словарь по металлургии

акустическая эмиссия материала - Акустическая эмиссия, вызванная динамической локальной перестройкой структуры материала [ГОСТ 27655 88] Тематики акустические измерения EN acoustic emission of materialmaterial acoustic emissiоn DE Werkstoffsschallemission … Справочник технического переводчика

акустическая эмиссия трения - Акустическая эмиссия, вызванная трением поверхностей твердых тел [ГОСТ 27655 88] Тематики акустические измерения EN acoustic emission of frictionfriction acoustic emission DE Reibungsschallemission … Справочник технического переводчика

акустическая эмиссия утечки - Акустическая эмиссия, вызванная гидродинамическими и (или) аэродинамическими явлениями при протекании жидкости или газа через сквозную несплошность объекта испытаний. [ГОСТ 27655 88] Тематики акустические измерения EN leakage acoustic emission DE … Справочник технического переводчика

акустическая эмиссия утечки истечения жидкости и (или) газа - Акустическая эмиссия, вызванная гидродинамическими и (или) аэродинамическими явлениями при протекании жидкости или газа через сквозную несплошность объекта испытаний. [ГОСТ 27655 88] [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология… … Справочник технического переводчика

Книги

Механика композиционных материалов. Лабораторные работы и практические занятия , В. В. Носов. В пособии рассмотрены лабораторные работы и практические занятия по вопросам классификации, строения, технологии изготовления, контроля качества, моделирования процессов деформирования и…
Механика композиционных материалов Лабораторные работы и практические занятия Учебное пособие , Носов В.. В пособии рассмотрены лабораторные работы и практические занятия по вопросам классификации, строения, технологии изготовления, контроля качества, моделирования процессов деформирования и…

Акустическая эмиссия (АЭ) - испускание объектом контроля (испытаний) акустических волн (ГОСТ 27655-88). Данное определение охватывает широкий круг явлений.

Акустическая эмиссия как физическое явление, используемое для исследования веществ, материалов, объектов, а также для их неразрушающего контроля и технической диагностики (Т Д и НК), представляет собой излучение акустических волн из объекта при протекании различных нелинейных процессов: при перестройке структуры твердого тела, возникновении турбулентности, трении, ударах и т.д.

Целями АЭ контроля являются обнаружение, определение координат и слежение (мониторинг) за источниками акустической эмиссии, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки сосуда, сварного соединения и изготовленных частей и компонентов.

Физической основой метода АЭ является акустическое излучение при пластической деформации твердых сред, развитии дефектов, трении, прохождении жидких и газообразных сред через узкие отверстия - сквозные дефекты. Эти процессы неизбежно порождают волны, регистрируя которые, можно судить о протекании процессов и их параметрах.

Метод АЭ позволяет оценить степень опасности дефекта, получить ин-формацию о статической прочности объекта, близости его к разрушению, определить срок безопасной эксплуатации объекта. Метод АЭ позволяет наблюдать и изучать динамику, процессы деформации, разрушения, перестройки структуры, химических реакций, взаимодействия излучения с веществом и т.д.

В зависимости от физического источника принято разделять явление АЭ на следующие виды.

1. Акустическая эмиссия материала - акустическая эмиссия, вызванная локальной динамической перестройкой структуры материала.

2. Акустическая эмиссия утечки - акустическая эмиссия, вызванная гидродинамическими и (или) аэродинамическими явлениями при протекании жидкости или газа через сквозную несплошность объекта испытаний.

3. Акустическая эмиссия трения - акустическая эмиссия, вызванная трением поверхностей твердых тел.

4. Акустическая эмиссия при фазовых превращениях - акустическая эмиссия, связанная с фазовыми превращениями в веществах и материалах.

5. Магнитная акустическая эмиссия - акустическая эмиссия, связанная с излучением звуковых волн при перемагничивании материалов.

6. Акустическая эмиссия радиационного взаимодействия - акустическая эмиссия, возникающая в результате нелинейного взаимодействия излучения с веществами и материалами.

Из перечисленных видов АЭ наибольшее применение для контроля промышленных объектов нашли первые три вида.

АЭ контроль объектов проводится только при создании или существовании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу источников АЭ. Для этого объект подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т.д. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи (рис.6.) принимают упругие волны и позволяют установить место их источника (дефекта).

Основными источниками акустической эмиссии для целей диагностики и НК технического состояния промышленных объектов являются пластическая деформация и рост трещин.

1 - объект контроля;

2 - преобразователи;

3 - усилитель;

4 - блок обработки информации с индикатором

Рис.6. Схема АЭ контроля

Выбор вида нагрузки определяется конструкцией объекта и условиями его работы, характером испытаний.

Источники АЭ

Основные параметры сигнала АЭ, используемые для оценки процесса развития трещины в объекте, следующие:

Суммарный счет АЭ N - число зарегистрированных выбросов электрического сигнала АЭ за время регистрации;

Скорость счета акустической эмиссии N - число зарегистрированных выбросов сигнала АЭ в единицу времени;

Активность акустической эмиссии N Σ - число зарегистрированных импульсов акустической эмиссии за единицу времени;

Энергия акустической эмиссии Е АЭ - акустическая энергия, выделяемая источником АЭ и переносимая волнами, возникающими в материале;

Амплитуда сигнала АЗ U m - максимальное значение сигнала АЭ. Единица измерения амплитуды акустического импульса - метр, электрического импульса - вольт.

а) АЭ при пластической деформации

Связь параметров АЭ с механическими свойствами материалов устанавливают при испытании стандартных образцов на растяжение.

Для большинства металлов максимум активности, скорости счета и эффективного значения АЭ совпадает с пределом текучести, что позволяет измерять предел текучести по параметрам АЭ. Факторы, влияющие на пластическую деформацию, в той или иной степени сказываются и на параметрах АЭ.

Генерация сигналов АЭ в стали при механических напряжениях вблизи предела текучести определяется содержанием углерода, что, в свою очередь, связано с развитием процессов образования карбида (температурой отпуска).

Для сталей, не содержащих кремний, максимум АЭ соответствует отпуску при 3000С. Кремний, задерживающий процессы образования карбида, сдвигает максимум АЭ в сторону более высоких температур отпуска.

Кривые зависимостей эффективного значения АЭ скорости счета (и других параметров) для гладких образцов различных материалов разнообразны. Однако можно выделить некоторые закономерные связи АЭ с процессом деформирования.

При уменьшении размера зерна число дислокаций в скоплении уменьшается, поскольку недостаточно пространства для накопления большого числа дислокаций. Действующие напряжения уменьшаются, что снижает энергию импульсов АЭ и уменьшает вероятность обнаружения источника АЭ при уменьшении размера зерна. Действие этих двух конкурирующих механизмов приводит к появлению максимума в зависимости числа импульсов АЭ от размера зерна.

б) АЭ при росте трещин

Наибольшую опасность представляют трещиноподобные дефекты; аварии и разрушения происходят в большинстве случаев вследствие распространения трещин. Развитие трещин представляет собой иерархический многостадийный процесс. Его параметры отображаются в параметрах сигнала АЭ. Образование трещины порождает отдельный импульс АЭ, ее развитие сопровождается формированием АЭ процесса.

Скачки хрупкой трещины, вязкое разрушение и пластическая деформация являются случайными импульсными процессами, первичными элементами которых являются единичные импульсы АЭ.

Для тонкой пластины с трещиной длиной 2а коэффициент интенсивности напряжений при однородном растягивающем напряжении а имеет вид:

Число импульсов АЭ и, соответственно, суммарная АЭ - N пропорционально числу элементарных источников в пластически-деформируемом объеме, размер которого определяется коэффициентом интенсивности напряжений К. Зависимость суммарной АЭ –N от коэффициента интенсивности напряжений К:

где m - параметр, связанный со свойствами материалов и скоростью развития разрушения (трещины); с-коэффициент условий испытаний.

в) АЭ при циклическом нагружении.

Параметры АЭ при статическом и циклическом нагружениях объектов существенно различаются. Особенностью АЭ при циклическом нагружении является быстрое уменьшение числа импульсов АЭ и их амплитуд в каждом последующем после первого нагружении. Это связано с проявлением эффекта адаптации материала к напряжениям при развитии усталостной трещины.

Типичная кривая зависимости суммарного счета АЭ от числа циклов при малоцикловой усталости приведена на рис. 7. Можно различить ряд этапов роста усталостной трещины. При первом нагружении регистрируется порядка 10 4 выбросов. В каждом последующем цикле нагружения число выбросов снижается на один - два порядка. После 5 ... 7 циклов нагружения амплитуда (энергия) сигналов АЭ уменьшается настолько, что сигналы АЭ перестают регистрироваться аппаратурой. Тем не менее, повреждения медленно накапливаются (участок ВС), поскольку в дальнейшем трещина растет.

На определенных этапах накопления повреждений в объекте происходят перераспределение напряжений и ускоренный рост трещины (участки СD и ЕF). К периоду активизации источника АЭ (область в окрестности D) можно отнести формирование макроскопической трещины. Зависимость суммарной АЭ на этапе 3 (участок СD) показывает возможность метода АЭ обнаруживать возникновение трещины и следить за ее развитием в условиях, когда никаким другим способом невозможно обнаружить какие-либо изменения в контролируемом объекте.

После образования макроскопической трещины начинается ее медленное развитие без существенного продвижения фронта трещины в глубь материала (участок DЕ). Этому периоду соответствуют импульсы АЭ, малые по амплитуде и часто не регистрируемые аппаратурой АЭ при пороге дискриминации 20 ... 30 мкВ. Относительно медленный рост усталостной трещины (УТ) имеет место до размера 1,0 мм.

При сохранении параметров циклического нагружения в дальнейшем начинается ускоренное развитие трещины с преимущественно вязким механизмом разрушения, сопровождаемое активным и достаточно мощным излучением упругих волн. Этому участку роста трещины соответствует участок ЕF.

200 400 600 800 1000 п, циклы

Рис.7. Зависимость суммарного счета АЭ от числа циклов нагружения при росте усталостной трещины

Данная стадия роста трещины заканчивается либо прорастанием трещины на всю толщину объекта, либо хрупким разрушением после достижения трещиной критического размера. В любом случае по участку ЕF можно судить о приближающемся катастрофическом разрушении или отказе объекта.

Источник АЭ, соответствующий ускоренному росту магистральной трещины, назван катастрофически активным источником.

При развитии УТ проявляются две группы процессов, сопровождающихся акустической эмиссией:

1) пластическая деформация (работа дислокационных источников любой природы, движение дислокаций, распад дислокационных комплексов, прорыв дислокационных скоплений через разнообразные границы и т. д.);

2) подрастание трещин в результате когерентных микроразрывов в сплошном материале.

Источники АЭ по степени активности делят на 4 класса (табл. 1).

В ряде случаев при усталостных испытаниях можно отметить, что излучение сигналов при равномерном росте усталостной трещины происходит не при максимальных нагрузках в цикле, а при некоторых промежуточных их значениях.

Координаты источников акустической эмиссии вычисляют по разнице времени прихода сигналов на преобразователи, расположенные на поверхности контролируемого объекта.

Аппаратура АЭ диагностики

Приборы АЭ подразделяются на одноканальные и многоканальные.

По способу использования подразделяются на: стационарные, мобильные (установленные на технических средствах перемещения), переносные.

По области применения: универсальные, специализированные.

В зависимости от ее функционального назначения и сложности выполнения: приборы производственного применения, многофункциональные приборы лабораторного и производственного применения, системы АЭ контроля.

Установки представляют собой комплекс по приему, усилению, обработке и анализу АЭ сигналов.

Характеристики приборов АЭ: число независимых каналов - до 64; стандартный частотный диапазон - 10... 2000 кГц; производительность контроля - не менее 20000 АЭ событий на канал; диапазон регистрации амплитуды импульса АЭ 16.100 дБ; библиотека высокоэффективных цифровых программируемых НЧ и ВЧ фильтров; мощные средства анализа сигналов встроенный режим излучения у каждого датчика для калибровки и самотестирования.

Источники акустической эмиссии

При разрушении почти все материалы издают звук («крик олова», известный с середины XIX столетия, треск ломающейся древесины, льда и др.), т. е. испускают акустические волны, воспринимаемые на слух. Большинство конструкционных материалов (например, многие металлы и композиционные материалы) начинают при нагружении испускать акустические колебания в ультразвуковой (неслышимой) части спектра еще задолго до разрушения. Изучение и регистрация этих волн стала возможной с созданием специальной аппаратуры. Особенно интенсивно работы в этом направлении стали развиваться с середины 60-х годов XX в. в связи с необходимостью контроля особо ответственных технических объектов: ядерных реакторов и трубопроводов АЭС, корпусов ракет и др.

Под акустической эмиссией (эмиссия ‑ испускание, генерация) понимается возникновение в среде упругих волн, вызванных изменением ее состояния под действием внешних или внутренних факторов. Акустико-эмиссионный метод основан на анализе этих волн и является одним из пассивных методов акустического контроля. В соответствии с ГОСТ 27655-88 «Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения» механизмом возбуждения акустической эмиссии (АЭ) является совокупность физических и (или) химических процессов, происходящих в объекте контроля. В зависимости от типа процесса АЭ разделяют на следующие виды:

· АЭ материала, вызываемая динамической локальной перестройкой его структуры;

· АЭ трения, вызываемая трением поверхностей твердых тел в местах приложения нагрузки и в соединениях, где имеет место податливость сопрягаемых элементов;

· АЭ утечки, вызванная результатом взаимодействия протекающей через течь жидкости или газа со стенками течи и окружающим воздухом;

· АЭ при химических или электрических реакциях, возникающих в результате протекания соответствующих реакций, в том числе сопровождающих коррозийные процессы;

· магнитная и радиационная АЭ, возникающая соответственно при перемагничивании материалов (магнитный шум) или в результате взаимодействия с ним ионизирующего излучения;

· АЭ, вызываемая фазовыми превращениями в веществах и материалах.

Таким образом, АЭ ‑ явление, сопровождающее едва ли не все физические процессы, протекающие в твердых телах и на их поверхности. Возможности регистрации ряда видов АЭ вследствие их малости, особенно АЭ, возникающих на молекулярном уровне, при движении дефектов (дислокаций) кристаллической решетки, ограничивается чувствительностью аппаратуры, поэтому в практике АЭ контроля большинства промышленных объектов, в том числе объектов нефтегазовой промышленности, используют первые три вида АЭ. При этом необходимо иметь в виду, что АЭ трения создает шум, приводит к образованию ложных дефектов и является одним из основных факторов, усложняющих применение АЭ метода. Кроме того, из АЭ первого вида регистрируются только наиболее сильные сигналы от развивающихся дефектов: при росте трещин и при пластическом деформировании материала. Последнее обстоятельство придает АЭ методу большую практическую значимость и обусловливает его широкое применение для целей технической диагностики.

Целью АЭ контроля является обнаружение, определение координат и слежение (мониторинг) за источниками акустической эмиссии, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки объекта контроля, сварного соединения и изготовляемых частей и компонентов. Все индикации, вызванные источниками АЭ, должны быть при наличии технической возможности оценены другими методами неразрушающего контроля.

Виды сигналов АЭ

Регистрируемую промышленной серийной аппаратурой АЭ разделяют на непрерывную и дискретную. Непрерывная АЭ регистрируется как непрерывное волновое поле с большой частотой следования сигналов, а дискретная состоит из раздельных различимых импульсов с амплитудой, превышающей уровень шума. Непрерывная соответствует пластическому деформированию (течению) металла или истечению жидкости или газа через течи, дискретная ‑ скачкообразному росту трещин.

Размер источника излучения дискретной АЭ невелик и сопоставим с длиной излучаемых волн. Его можно представить в виде квазиточечного источника, расположенного на поверхности или внутри материала и излучающего сферические волны или волны других типов. При взаимодействии волн с поверхностью (границей раздела двух сред) происходит их отражение и трансформация. Волны, распространяющиеся внутри объемов материала, быстро слабнут из-за затухания. Поверхностные волны затухают с расстоянием значительно меньше объемных, поэтому они преимущественно и регистрируются приемниками АЭ.

Регистрация сигнала от источника АЭ осуществляется одновременно с шумом постоянного или переменного уровня (рисунок 10.1) . Шумы являются одним из основных факторов, снижающих эффективность АЭ контроля. Ввиду разнообразия причин, вызывающих их появление, шумы классифицируются в зависимости от:

· механизма генерации (источника происхождения) - акустические (механические) и электромагнитные;

· вида сигнала шумов - импульсные и непрерывные;

· расположения источника - внешние и внутренние. Основными источниками шумов при АЭ контроле объектов являются:

· разбрызгивание жидкости в емкости, сосуде или трубопроводе при его наполнении;

· гидродинамические турбулентные явления при высокой скорости нагружения;

· трение в точках контакта объекта с опорами или подвеской, а также в соединениях, обладающих податливостью;

· работа насосов, моторов и других механических устройств;

· действие электромагнитных наводок;

· воздействие окружающей среды (дождя, ветра и пр.);

· собственные тепловые шумы преобразователя АЭ и шум входных каскадов усилителя (предусилителя).

Для подавления шумов и выделения полезного сигнала обычно применяют два метода: амплитудный и частотный. Амплитудный заключается в установлении фиксированного или плавающего уровня дискриминационного порога ниже которого сигналы АЭ аппаратура не регистрирует. Фиксированный порог устанавливается при наличии шумов постоянного уровня, плавающий - переменного. Плавающий порог , устанавливаемый автоматически за счет отслеживания общего уровня шумов, позволяет, в отличие от фиксированного, исключить регистрацию части сигналов шума как сигнала АЭ.

Рисунок 1. Общая схема регистрируемого сигнала АЭ на фоне шумов:

1 - осцилляции; 2 - плавающий порог; 3 - осцилляции без учета плавающего порога; 4 - шум

Рисунок10.2. Общий вид сигнала АЭ на выходе усилительного тракта аппаратуры:

1 - осцилляции; 2 - огибающая; - пороговое значение амплитуды; - амплитуда k-го импульса

Частотный метод подавления шумов заключается в фильтрации сигнала, принимаемого приемниками АЭ, с помощью низко- и высокочастотных фильтров (ФНЧ/ФВЧ). В этом случае для настройки фильтров перед проведением контроля предварительно оценивают частоту и уровень соответствующих шумов.

После прохождения сигнала через фильтры и усилительный тракт, наряду с трансформацией волн на поверхности контролируемого изделия, происходит дальнейшее искажение первоначальных импульсов источника АЭ. Они приобретают двухполярный осциллирующий характер, изображенный на рисунок 10.2 . Дальнейший порядок обработки сигналов и использования их в качестве информативного параметра определяется компьютерными программами сбора данных и их постобработки, использованными в соответствующей аппаратуре различных производителей. Правильность определения числа событий и их амплитуда будут зависеть не только от возможности их регистрации (разрешающей способности аппаратуры), но и от способа регистрации.

Например, если регистрировать импульсы огибающей сигналов выше уровня , то будет зафиксировано четыре импульса, а если регистрировать количество осцилляции выше этого же уровня, то будет зафиксировано девять импульсов. Под импульсом понимается цуг волн с частотой в рабочем диапазоне, огибающая которого в начале импульса пересекает порог вверх, а в конце импульса - вниз.

Таким образом, число зарегистрированных импульсов будет зависеть от настройки аппаратуры: величины тайм-аута конца события. Если тайм-аут будет достаточно велик, то может быть зарегистрировано, например, четыре импульса, если мал, то все осцилляции выше уровня (восемь на рисунок 10.2) могут быть зарегистрированы в качестве импульсов. Большие погрешности может внести также использование частотной полосы пропускания сигналов и уровня дискриминации, особенно когда сигналы АЭ по амплитуде сопоставимы с уровнем шумов.

Оценка результатов АЭ контроля.

После обработки принятых сигналов результаты контроля представляют в виде идентифицированных (с целью исключения ложных дефектов) и классифицированных источников АЭ. Классификацию выполняют, используя следующие основные параметры АЭ сигналов:

· суммарный счет акустической эмиссии - число зарегистрированных импульсов АЭ выше установленного уровня дискриминации (порога) за интервал времени наблюдения;

· активность акустической эмиссии - число зарегистрированных импульсов АЭ за единицу времени;

· скорость счета акустической эмиссии - отношение суммарного счета акустической эмиссии к интервалу времени наблюдения;

· энергия акустической эмиссии - энергия, выделяемая источником АЭ и переносимая волнами, возникающими в материале;

· амплитуда сигналов акустической эмиссии, длительность импульса, время нарастания события АЭ.

Суммарный счет и активность АЭ во время пластической деформации пропорциональны объему деформированного материала. Амплитуда сигналов и энергии АЭ при развитии трещины прямо пропорциональна скорости ее роста и максимальным напряжениям в данной зоне.

При классификации источников АЭ учитывают также их концентрацию, параметры нагружения контролируемого объекта и время.

Выявленные и идентифицированные источники АЭ в соответствии с ПБ 03-593-03 «Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов» рекомендуется разделять на четыре класса:

· первый - пассивный источник, регистрируемый для анализа динамики его развития;

· второй - активный источник, требующий дополнительного контроля с использованием других методов;

· третий - критически активный источник, требующий контроля за развитием ситуации и принятия мер по подготовке возможного сброса нагрузки;

· четвертый - катастрофически активный источник, требующий немедленного уменьшения нагрузки до нуля либо до величины, при которой активность источника снижается до уровня второго или третьего класса.

Учитывая большое число параметров, характеризующих АЭ, отнесение источников к соответствующему классу осуществляется с помощью ряда критериев, учитывающих набор параметров. Выбор критериев осуществляется по ПБ 03-593-03 в зависимости от механических и акустико-эмиссионных свойств материалов контролируемых объектов. К числу критериев относятся следующие:

· амплитудный, основанный на регистрации амплитуд импульсов (не менее трех от одного источника) и их сравнении с величиной превышения порога (), которая соответствует росту трещины в материале. Определение , требует исследования материала на образцах в предварительных экспериментах;

· интегральный, основанный на сравнении оценки активности источников АЭ с относительной силой этих источников в каждом интервале регистрации. При этом для определения требуется установить в предварительных исследованиях значение коэффициента ;

· локально-динамический, использующий изменение числа АЭ локационных событий на ступенях выдержки давления и динамику изменения энергии или квадрата амплитуды лоцированного события с ростом нагруженности объекта. Этот критерий используется для оценки состояния объектов, структура и свойства материала которых точно не известны. Данное обстоятельство делает этот критерий практически значимым, особенно при диагностике в полевых условиях;

· интегрально-динамический, производящий классификацию источника АЭ в зависимости от его типа и ранга. Тип источника определяют по динамике энерговыделения, исходя из амплитуды АЭ сигналов на интервале наблюдения. Ранг источника устанавливают путем расчета его коэффициента концентрации С и суммарной энергии . Для расчета коэффициента концентрации необходимо определить - средний радиус источника АЭ. Вместе с тем величина акустико-эмиссионными приборами не определяется, что препятствует применению данного критерия на практике;

· критерии кода ASME, предназначенные для зонной локации и требующие знания допустимых значений параметров АЭ, что предполагает предварительное изучение свойств контролируемых материалов и учет объекта контроля как акустического канала.

Технология MONPAC предусматривает классификацию источников АЭ в соответствии со значением «Силовой индекс» и «Исторический индекс». Класс определяют по планарной диаграмме в зависимости от значения этих индексов. Данная классификация используется в технологии MONPAC с применением аппаратуры фирмы РАС (Physical Acoustics Corporation).

По критериям непрерывной АЭ, контролируемой обычно при течеискании, ситуация классифицируется следующим образом:

· класс 1 - отсутствие непрерывной АЭ;

· класс 4 - регистрация непрерывной АЭ.

Для возникновения эффекта АЭ необходимо высвобождение энергии. Закономерности излучения АЭ материала, вызываемые динамической локальной перестройкой его структуры, включая как пластическое деформирование, так и образование и рост трещин, исследуют при механическом растяжении соответствующих образцов.

Как правило, АЭ при пластической деформации является эмиссией непрерывного типа, имеющей вид непрерывного радиосигнала, сходного с шумовым. Для характеристики процесса АЭ часто используется значение акустической эмиссии - параметр, учитывающий как количество импульсов, так и их амплитуду, пропорциональный произведению активности или скорости счета на среднее значение амплитуды сигналов за единицу времени. Для большинства металлов при их пластическом деформировании максимум активности, скорости счета и эффективного значения АЭ совпадает с пределом текучести.

На рисуноке 10.3 приведена зависимость эффективного значения АЭ () при растяжении гладких образцов, совмещенная с диаграммой напряжения ()-деформации () . Зависимость 1 соответствует железу-армко и малоуглеродистой стали (с содержанием углерода до 0,015 %) и представляет собой непрерывную АЭ с максимумом в зоне зуба (площадки) текучести. Зависимость 2 характерна для конструкционной углеродистой стали, содержащей карбиды, и кроме непрерывной АЭ включает раздельные импульсы большой амплитуды, связанные с разрушением цементитовых пластинок в перлите стали.

Рисунок 10.3. Зависимость эффективного значения АЭ (U) при растяжении гладких образцов, совмещенная с диаграммой напряжения () - деформации ()

Максимум активности АЭ в зоне зуба и площадки текучести объясняется массовым образованием и перемещением дефектов (дислокаций) кристаллической решетки при переходе к пластической деформации и накоплении необратимых изменений структуры. Затем активность снижается из-за того, что движение вновь образующихся дислокаций ограничивается уже существующими. При повторном нагружении проявляется эффект «необратимости», называемый эффектом Кайзера. Он заключается в том, что при повторном нагружении через малый промежуток времени на фиксированном уровне чувствительности аппаратуры АЭ не регистрируется до тех пор, пока не будет превышен достигнутый перед этим уровень нагрузки. На самом деле сигналы АЭ возникают с самого начала нагружения, но их величина настолько мала, что находится ниже уровня чувствительности аппаратуры. Вместе с тем при повторном нагружении спустя длительное время АЭ регистрируется на уровне нагрузки, меньшем, чем предварительно достигнутый. Этот эффект, называемый эффектом Феличиты, объясняется обратным движением дислокаций при снятии нагрузки.

Наибольшую опасность представляют трещиноподобные дефекты, развитие которых в большинстве случаев приводит к авариям и разрушениям конструкции. Образование и рост трещины происходят скачкообразно и сопровождаются различными раздельными импульсами соответствующей амплитуды. В материалах как с естественными трещинами, так и с искусственными надрезами происходит концентрация напряжений в вершине дефекта при нагружении объекта рабочими или испытательными нагрузками. При достижении локальным напряжением предела текучести материала образуется зона пластической деформации. Объем этой зоны пропорционален уровню напряжений, которые характеризуются коэффициентом интенсивности этих напряжений К . Когда локальные напряжения превышают предел прочности, происходит микроразрыв - скачкообразное приращение длины дефекта, сопровождающееся импульсом АЭ. Число импульсов N растет с увеличением К . Зависимость суммарной АЭ N от коэффициента интенсивности напряжений К имеет вид

Амплитуда сигналов АЭ при росте трещины может достигать 85 дБ и более. Для пластической деформации амплитуда сигналов АЭ обычно не превышает 40...50 дБ. Таким образом, различие амплитуд АЭ является одним из основных признаков отличия пластической деформации от роста трещины.

Результаты АЭ контроля представляют в виде перечня зарегистрированных источников АЭ, отнесенных к тому или иному классу с помощью принятого критерия. Местонахождение источника указывают на развертке поверхности контролируемого объекта (рисунок 10.4). Оценку состояния контролируемого объекта в свою очередь проводят по наличию в нем источников АЭ того или иного класса.

Рисунок 10.4. Схема расположения источников АЭ на развертке сосуда и местоположение зарегистрированных дефектов:

1 - обечайка 1; 2 - обечайка 2; 3 - вход воздуха; 4 - обечайка 3; 5 - днище нижнее; 6 - штуцер слива конденсатора; 7 - лазовое отверстие; 8 - штуцер манометра; 9 - штуцер предохранительного клапана; 10 - днище верхнее; I‑VIII - номера приемников АЭ

При положительной оценке технического состояния объекта по результатам АЭ контроля или отсутствии зарегистрированных источников АЭ применение дополнительных видов контроля не требуется. При обнаружении источников АЭ второго, третьего классов используют дополнительные виды неразрушающего контроля с целью оценки допустимости выявленных источников АЭ.

Аппаратура АЭ контроля

Структура аппаратуры АЭ контроля определяется следующими основными задачами: прием и идентификация сигналов АЭ, их усиление и обработка, определение значений параметров сигналов, фиксация результатов и выдача информации. Аппаратура различается степенью сложности, назначением, транспортабельностью, а также классом в зависимости от объема получаемой информации. Наибольшее распространение нашла многоканальная аппаратура, позволяющая наряду с параметрами АЭ определять координаты источников сигналов с одновременной регистрацией параметров испытаний (нагрузка, давление, температура и пр.). Функциональная схема такой аппаратуры приведена на рисунок 10.5.

Рисунок 10.5. Функциональная схема аппаратуры АЭ контроля

В состав аппаратуры входят соединенные кабельными линиями следующие основные элементы: 1 - преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ); 2 - предварительные усилители; 3 - частотные фильтры; 4 - основные усилители; 5 - блоки обработки сигналов; 6 - основной процессор обработки, хранения и представления результатов контроля; 7 - пульт управления (клавиатура); 8 - видеомонитор; 9 - датчики и кабельные линии параметрических каналов.

Элементы аппаратуры 3 - 8, как правило, конструктивно выполняются в виде одного блока (показано на рисунок 10.5 пунктиром) на базе портативного компьютера.

Преобразователь акустической эмиссии служит для преобразования упругих акустических колебаний в электрические сигналы и является важнейшим элементом аппаратного комплекса АЭ контроля. Наибольшее распространение нашли пьезоэлектрические ПАЭ, схема которых мало отличается от пьезопреобразователей (ПЭП), используемых при проведении ультразвукового контроля.

По конструкции различают следующие виды ПАЭ:

· однополюсный и дифференциальный;

· резонансный, широкополосный или полосовой;

· совмещенный с предусилителем или несовмещенный.

По уровню чувствительности ПАЭ разделяются на четыре класса (1-4-й), по частотным диапазонам - на низкочастотные (до 50 кГц), стандартные промышленные (50...200 кГц), специальные промышленные (200...500 кГц) и высокочастотные (более 500 кГц). Затухание упругих колебаний снижается с уменьшением их частоты, поэтому низкочастотные ПАЭ используют прежде всего при контроле протяженных объектов, например трубопроводов и объектов с высоким затуханием колебаний.

Специальные ПАЭ применяют для контроля малых объектов с длиной до 1 м, высокочастотные - при проведении лабораторных исследований.

В зависимости от амплитудно-частотной характеристики различают ПАЭ резонансные (полоса пропускания 0,2 , где - рабочая частота ПАЭ), полосовые (полоса пропускания 0,2...0,8 ) и широкополосные (полоса пропускания более 0,8 ).

Основное отличие ПАЭ от прямых ПЭП заключается в особенностях демпфирования, необходимого для гашения свободных собственных колебаний пьезопластины, а также в толщине самой пьезопластины. Тыльная сторона пьезопластины ПАЭ может оставаться свободной или частично или полностью задемпфированной.

Одной из основных характеристик ПАЭ является коэффициент преобразования к, определяемый из выражения

где - максимальное электрическое напряжение на пьезопластине, В; - максимальное упругое смещение частиц контролируемого объекта непосредственно под ПАЭ, м.

Коэффициент преобразования имеет размерность В/м и определяет чувствительность ПАЭ. Максимальное значение к имеет место у узкополосных резонансных ПАЭ, тыльная сторона пьезопластин которых не задемпфирована. Механическое демпфирование приводит к выравниванию чувствительности ПАЭ в более широком диапазоне, однако абсолютная чувствительность (коэффициент преобразования к) при этом значительно снижается.

Закрепление ПАЭ на поверхности объекта контроля осуществляется различными способами: с помощью клея, хомутами, струбцинами, магнитными держателями, с помощью стационарно установленных кронштейнов и т. п. В практике промышленного АЭ контроля используют в основном резонансные ПАЭ, так как чувствительность у них намного выше. Конструкция одного из таких преобразователей приведена на рисунок 10.6.

Рисунок 10.6. Схема резонансного ПАЭ конструкции ЗАО «Элтест»:

1 - пластинчатая пружина;

2 - постоянный магнит магнитного держателя;

3 - корпус; 4 - прижимной колпачок;

5 - самоустанавливающийся сферический кронштейн;

6 - разъем электрический; 7 - пьезоэлемент;

8 - протектор керамический

Крепление ПАЭ осуществляется с помощью магнитного прижима. Для обеспечения максимальной чувствительности тыльная сторона пластины выполнена свободной, а боковая поверхность задемпфирована лишь на 30 % компаундом.

Преобразователь акустической эмиссии соединяется коротким (длиной не более 30 см) кабелем с предварительным усилителем (см. рисунок 10.5). Наряду с усилением (обычно до 40 дБ) предусилитель улучшает соотношение сигнал -шум при передаче сигнала по кабельной линии к блоку основной аппаратуры (3 - 8), удаленной на расстояние до 150...200 м.

Фильтром устанавливают спектр пропускания частот. Фильтр настраивается таким образом, чтобы по возможности максимально отсечь шумы различных частот.

Основной усилитель предназначен для усиления ослабленного после прохождения по кабельной линии сигнала. Он обладает равномерной амплитудно-частотной характеристикой при коэффициенте усиления 60...80 дБ.

Для подавления электромагнитных помех весь канал, включая ПАЭ, предусилитель, основной блок и соединительные кабельные линии, экранируют. Часто используют также дифференциальный способ подавления электромагнитных помех, основанный на том, что пьезопластинку ПАЭ разрезают на две части и одну половинку переворачивают, меняя таким образом ее поляризацию. Далее сигналы от каждой половинки усиливают отдельно, изменяют фазу сигналов на одной из половинок на л и складывают оба сигнала. В результате электромагнитные помехи оказываются в противофазе и подавляются.

Блок обработки сигналов фиксирует время их прихода, регистрирует сигналы выше установленного уровня дискриминации, преобразует сигналы в цифровую форму и осуществляет их хранение. Окончательная обработка АЭ сигналов, зафиксированная по разным каналам, осуществляется с помощью основного процессора, в котором также осуществляется определение местоположения (локация) источника сигналов АЭ. При контроле линейного объекта (например, трубопровода) достаточно иметь два ПАЭ; для планарных объектов, имеющих сопоставимые габаритные размеры и большую площадь поверхности, - не менее трех ПАЭ, окружающих источник.

Сигналы от источника АЭ типа трещины характеризуются тем, что их испускает один источник, они кратковременны, а время их поступления на ПАЭ отражает расстояние до трещины. Положение источника АЭ на плоскости находят методами триангуляции. По скорости распространения волны в материале и разности времен прихода сигнала на разные ПАЭ рассчитывают местоположение множества точек для источника АЭ, которые будут находиться на окружностях радиусами , и от соответствующих ПАЭ (рисунок 10.7, а). Единственно истинное положение источника АЭ определяется путем решения треугольников, у которых известны все тристороны. Для этого координаты ПАЭ на изделии фиксируются с максимально возможной точностью и вводятся перед проведением контроля в блок 6 на развертке поверхности (см. рисунок 10.5).

Рисунок 10.7. Схемы локации источников АЭ:

а - планарная (на плоскости); б - линейная

Схема линейной локации приведена на рисунок 10.7, б. Если источник АЭ расположен не посередине между ПАЭ, то сигнал на дальней ПАЭ придет позже, чем на ближний. Зафиксировав расстояние между ПАЭ и разницу времени времени прихода сигнала, рассчитывают координаты расположения дефекта по формулам

Метод АЭ позволяет контролировать всю поверхность объекта контроля. Для проведения контроля должен быть обеспечен непосредственный доступ к участкам поверхности объекта контроля для установки ПАЭ. При отсутствии такой возможности, например при проведении периодического или постоянного контроля подземных магистральных трубопроводов без освобождения их от грунта и изоляции, могут быть использованы волноводы, укрепленные постоянно на контролируемом объекте.

Точность локации должна быть не меньше величины, равной двум толщинам стенки или 5 % расстояния между ПАЭ в зависимости от того, какая величина больше. Погрешности вычисления координат определяются погрешностями измерения времени поступления сигнала на преобразователи. Источниками погрешностей являются:

· погрешность измерения временных интервалов;

· отличие реальных путей распространения от теоретически принятых;

· наличие анизотропии скорости распространения сигналов;

· изменение формы сигнала в результате распространения по конструкции;

· наложение по времени сигналов, а также действие нескольких источников;

· регистрация преобразователями волн различных типов;

· погрешность измерения (задания) скорости звука;

· погрешность задания координат ПАЭ и использование волноводов.

До нагружения объекта проверяют работоспособность аппаратуры и оценивают погрешность определения координат с помощью имитатора. Его устанавливают в выбранной точке объекта и сравнивают показания системы определения координат с реальными координатами имитатора. В качестве имитатора используют пьезоэлектрический преобразователь, возбуждаемый электрическими импульсами от генератора. С этой же целью может быть использован так называемый источник Су-Нильсена (излом графитового стержня диаметром 0,3...0,5 мм, твердостью 2Т (2Н)).

Визуализация расположения источников АЭ осуществляется с помощью видеомонитора, на котором источники изображаются в соответствующем месте на развертке контролируемого объекта (см. рисунок 10.4) в виде светящихся точек различной яркости, цвета или формы (зависит от использованного программного обеспечения). Документирование результатов контроля осуществляется с помощью соответствующих периферийных устройств, подключаемых к основному процессору.

Рассмотренный выше метод определения местоположения источников АЭ, основанный на измерении разности времени прихода сигналов, может быть использован только для дискретной АЭ. В случае непрерывной АЭ определить время задержки сигналов становится невозможно. В этом случае координаты источника АЭ можно определить, используя так называемый амплитудный метод, основанный на измерении амплитуды сигнала разными ПАЭ. В практике диагностирования этот метод применяют для обнаружения течей через сквозные отверстия контролируемого изделия. Он заключается в построении столбчатой гистограммы амплитуды сигнала источника, принимаемого различными ПАЭ (рисунок 10.8). Анализ такой гистограммы позволяет выявить зону расположения течи. Удобен при диагностировании таких линейных объектов, как нефте- и газопроводы.

Системы диагностического мониторинга, базирующиеся на методе АЭ контроля, являются наиболее универсальными. Аппаратное решение такой системы обычно включает:

Рисунок 10.8. Иллюстрация амплитудного метода определения источников АЭ: 1-7- номера приемников АЭ

· типовые блоки акустико-эмиссионной аппаратуры;

· блоки согласования и коммутации всех видов первичных преобразователей дополнительных видов неразрушающего контроля, состав которых определяется видом контролируемого объекта;

· блоки управления и принятия решения по результатам диагностической информации о текущем состоянии контролируемого объекта.

Рисунок 10.8. Иллюстрация амплитудного метода определения источников АЭ: 1-7- номера приемников АЭ

Порядок проведения и область применения АЭ контроля

На каждый объект разрабатывается соответствующая технология контроля. Работы по АЭ контролю начинаются с установки ПАЭ на объект. Установка осуществляется непосредственно на зачищенную поверхность объекта либо должен быть использован соответствующий волновод. Для осуществления локаций источников АЭ на объемном объекте, имеющем большую площадь поверхности, ПАЭ размещаются в виде групп (антенн), в каждой из которых используется не менее трех преобразователей. На линейном объекте в каждой группе используют по два ПАЭ. Размещение ПАЭ и количество антенных групп определяется конфигурацией объекта и оптимальным размещением ПАЭ, связанным с затуханием сигнала и точностью определения координат источника АЭ.

В зависимости от конфигурации объект делят на отдельные элементарные участки: линейные, плоские, цилиндрические, сферические. Для каждого участка выбирают соответствующую схему расположения преобразователей. Расстояние между ПАЭ выбирают таким образом, чтобы сигнал имитатора АЭ (излом графического стержня), расположенного в любом месте контролируемой зоны, обнаруживался тем минимальным количеством преобразователей, которое требуется для расчета координат.

Размещение ПАЭ должно, как правило, обеспечивать контроль всей поверхности объекта. Однако в ряде случаев, особенно при контроле крупногабаритных объектов, допускается размещение ПАЭ только в тех зонах объекта, которые считаются наиболее важными.

После установки ПАЭ на контролируемый объект выполняют проверку работоспособности АЭ системы с помощью имитатора АЭ, расположенного на определенном расстоянии от каждого ПАЭ. Отклонение зарегистрированной амплитуды сигнала АЭ не должно превышать ± 3 дБ средней величины для всех каналов. Коэффициент усиления каналов и порог амплитудной дискриминации выбирают с учетом ожидаемого диапазона амплитуд сигналов АЭ. Выполняют и другие проверки, предусмотренные технологией контроля данного объекта.

АЭ контроль технического состояния обследуемых объектов проводится только при создании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу источников АЭ. Для этого после выполнения подготовительных и настроечных работ объект подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т.д. Выбор вида нагрузки определяется конструкцией объекта и условиями его работы, характером испытаний и приводится в технологии АЭ контроля конкретного объекта.