Об авторах

 

 

Гуменюк Владимир Алексеевич

Начальник сектора технической диагностики ГНЦ ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, к. т. н.

 

 

 

 

 

 

 

 

Сульженко Виктор Алексеевич

 

 

 

 

 

 

 

Яковлев Александр Викторович

Научные сотрудники ГНЦ ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, II уровень по акустическим методам контроля

 

Акустико-эмиссионный (АЭ) метод - один из наиболее молодых и динамично развиваю­щихся методов технической диагностики. Его физическая сущность заключается в регистра­ции расставленными по поверхности контроли­руемой конструкции акустическими датчиками - преобразователями акустической эмиссии (ПАЭ)

-  дискретных волн разгрузки, вызванных лока­льной структурной перестройкой материала при его деформировании и локальном разрушении (пластические деформации, скачкообразное развитие трещины).

Основные достоинства метода заклю­чаются в возможности:

-  дистанционного интегрального контроля сос­тояния крупногабаритного объекта, включая возможность одновременного контроля нес­кольких разнопрофильных объектов;

-  выявления опасных (развивающихся) дефек­тов, причем в районах конструкции, недоступ­ных никаким другим методам НК;

-  диагностирования объектов без полной раз­борки и снятия защитных элементов или изо­ляции, в том числе при их подводном или подземном залегании.

Если к этому добавить такое качество, как оперативность оценки состояния объекта, то приведенные возможности АЭ-метода ставят его вне конкуренции со всеми известными на сегодня методами НК.

АЭ-метод выступает как самостоятельный, если по его оценке, полученной на основании критериального анали­за зарегистрированной АЭ-информации от источников-де­фектов, состояние объекта признается удовлетворительным. В противном случае для окончательной оценки привлекаются дополнительные методы НК. Наибольшую надежность оцен­ки дает применение АЭ-метода в комплексе с такими тра­диционными методами, как визуально-оптический, капилляр­ный, магнитопорошковый, ультразвуковой, рентгеновский. Эффективность комплексного контроля в этом случае опре­деляется тем, что в задачу АЭ-метода входит выявление АЭ-активных источников и определение их координат или зон их расположения, обеспечивающее многократную мини­мизацию объемов последующего контроля традиционными методами. Последние дополняют предварительную АЭ- оценку состояния объекта сведениями о геометрических параметрах и степени опасности выявленных дефектов (размерах, форме, ориентации и глубине залегания).

Основные недостатки этого метода как метода пассивного контроля: - необходимость для его реализации деформи­рования материала контролируемого объекта, поскольку только при этом условии разнообраз­ные дефекты структуры как концентраторы на­пряжений излучают дискретные акустические волны локальной упругой разгрузки материала;

Поэтому выбор и исполнение режима нагружения объекта АЭ-контроля, гарантирующего иницииро­вание акустической активности дефектов, являет­ся одной из наиболее важных методических задач.

-  чувствительность к разнообразным помехам, в том числе электромагнитным, радио-, вибраци­онным, климатическим, акустическим и прочим.

Статистика показывает, что при АЭ-контроле промышленных объектов более 90 % зарегистриро­ванных сигналов относится к акустическим поме­хам. Поэтому, как никакой другой, АЭ-метод тре­бует тщательной методической отработки для получения положительных результатов.

Основные области реализации, в кото­рых АЭ-метод наиболее апробирован:

-  исследования физических закономерностей деформирования и разрушения структуры ма­териалов, включая металлические и компози­ционные материалы, керамику;

-  экспериментальная конструктивно-технологи­ческая отработка с целью повышения ресурса деталей машин, сварных соединений и узлов; оболочечных и прочих корпусных конструкций в составе масштабных и натурных моделей судостроительной, аэрокосмической, атомной, машиностроительной и других отраслей про­мышленности;

-  диагностика состояний оболочечных и прочих корпусных конструкций, а также широкого клас­са сосудов давления и трубопроводов (как технологических, так и магистральных продуктопроводов) в процессе их гидравлических и пневматических испытаний, включая реакторы риформинга, колонны, теплообменники, реси­веры, автоклавы, котлы и прочее оборудование нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслей промышлен­ности, а также предприятий теплоэнергети­ческого комплекса;

-  диагностика состояний различных емкостей, хранилищ, стационарных и транспортных цис­терн и прочего наливного оборудования широ­кого назначения.

Как показывает тематика докладов на XV Россий­ской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", особенно много довольно ус­пешных работ по АЭ-диагностике выполняются в настоящее время в двух последних направлениях.

Основные задачи, решаемые АЭ-методом:

-  выявление разнообразных дефектов материала, в том числе развивающихся трещин, коррози­онных поражений, мест эрозионного износа с определением их местоположения на контро­лируемом объекте;

-  контроль герметичности корпусных конструк­ций в режиме течеискания и выявление сквоз­ных дефектов, в том числе свищей, коррози­онных проеданий и неплотностей соединений;

-  контроль сварных швов непосредственно в процессе сварки и в период остывания;

-  выявление районов повышенной напряжен­ности и перегруженности конструкций по регистрации зон локальных пластических дефор­маций и общей текучести материала.

Широкая область реализации метода и круг выпол­няемых задач определяет и номенклатуру используемой АЭ-аппаратуры, которую можно условно разделить на спе­циализированные малоканальные приборы и универсаль­ные, как правило, многоканальные АЭ-системы.

Для диагностики крупногабаритных корпусных конст­рукций применяются, как правило, АЭ-системы. Причем не­обходимость в них определяется не столько габаритами объекта, сколько требованиями многофункциональности. К примеру, заводской объект типа сосуда давления имеет люки, задвижки, присоединенные технологические трубопроводы и соединительную арматуру, через фланцевые соединения которых при пневматическом или гидравлическом нагружении в процессе АЭ-контроля возможны утечки. Следова­тельно, к используемой АЭ-аппаратуре, наряду с требовани­ем выявления дефектов и их местоположения (локацион­ная аппаратура), предъявляются и требования выявления утечек с указанием конкретного соединения, имеющего про­пуск (аппаратура течеискания). Кроме того, эти испытания проводятся одним циклом нагружения, причем для сохране­ния ресурса испытываемого объекта максимальная нагрузка, как правило, не превышает более чем на 5 - 10 % рабочую. Учитывая эффект Кайзера, снижающий АЭ-информативность участка нагружения до превышения рабочей на­грузки, вероятность высокой активности источников-дефек­тов в этих условиях достаточно мала. Поэтому необходимо максимально повышать информативность единичного заре­гистрированного сигнала, а, следовательно, стремиться к использованию широкополосных ПАЭ и аппаратуры спектрального анализа.

Таким образом, для повышения достоверности и надежности АЭ-контроля промышленных объектов предпочтительно использование многофункцио­нальной (универсальной) аппаратуры. 

Рассмотрим основные тенденции, кото­рые прослеживаются в настоящее время при разработке современных АЭ-систем.

1. Принцип независимости приемных каналов,

в отличие от принципа использования жестких лока­ционных антенн, образованных из расставленных на объекте групп ПАЭ (не менее трех в группе), предусмат­ривает возможность произвольного формирования антенн на программном уровне из любой комбинации ПАЭ, зарегистрировавших сигнал от источника.

Прогрессивность этого принципа в том, что он обес­печивает минимальную потерю АЭ-информации, излучен­ной в пределах зоны приема ПАЭ, реализуя затем любой вид локации: плоскостную (не менее трех ПАЭ, принявших сигнал), линейную (при двух ПАЭ, принявших сигнал) и зональную, в случае регистрации сигнала одним ПАЭ.

1. Модульный принцип формирования при­емных каналов позволяет произвольно наращивать число приемных каналов путем включения в систему дополнительных модулей сбора данных и гибко формировать оптимальные схемы расстановки ПАЭ на объектах контроля в зависимости от их габаритов и конфигурации.

Среди АЭ-систем, использующих описанные выше принципы построения, следует отметить системы SPARTAN,

LOCAN (Physical Acoustics Corporation /РАС/, США); AMS, AMSY (Valien Systeme, Германия); "Малахит АС-6А" и "Малахит АС-12А" (НПФ ДИАТОН и РНЦ "Курчатовский институт") и ряд других.

1. Цифровая технология измерения сигналов

основана на быстрой оцифровке входных сигналов и их обработке с помощью цифровых сигнальных про­цессоров (DSP).

Это позволяет существенно повысить быстродейст­вие процедур сбора и обработки акустических сигналов, а также надежность функционирования аппаратуры. Кроме того, переход на современную элементную базу позволяет выполнить на одной плате от 2 до 4 каналов сбора АЭ-информации, что дает возможность увеличить количество каналов в одном корпусе аппаратуры.

Среди АЭ-систем, использующих описанную техноло­гию измерения сигналов, следует отметить системы MISTRAS (PAC); AMS, AMSY.

1. Регистрация волновой формы и анализ спектра акустических сигналов, основанные на ис­пользовании быстродействующих АЦП.

Это позволяет повысить информативность регистрируе­мой акустической информации, используя помимо традици­онных параметров АЭ-сигналов (амплитуда, длительность, время нарастания переднего фронта, число осцилляций и др.) характеристики их волновой формы и полученного из нее быстрым Фурье-преобразованием спектрального состава.

Уже при разработке первых своих систем (SPARTAN, LOCAN) фирма РАС использовала регистрацию временной формы АЭ-импульсов с последующим получением спектра. Однако этот режим мог использоваться по ограниченному числу каналов, причем только в режиме пост-анализа, не свя­занного с общей зарегистрированной информацией. Пос­ледняя разработка этой фирмы - многоканальная система MISTRAS (рис. 1 ,а) - использует цифро­вую обработку с применением DSP для формирования традиционных парамет­ров импульсов, но не предусматривает возможности для анализа в реальном масштабе времени волновых форм и спектров акустических сигналов в каж­дом канале приема.

 

Многоканальная система AMSY4 фирмы Valien Systeme (рис. 1,б) также позволяет регистрировать волновые формы сигналов, которые накаплива­ются в модуле сбора в буферах большой емкости (16 Мбайт в каждом канале) параллельно с регистрацией и анализом в реальном вре­мени традиционных параметров импульсов. Детальный анализ зарегистрированных волновых форм осуществляет­ся в режиме пост-анализа.

Можно сказать, что в упомянутых систе­мах режим измерения волновой формы и ана­лиза спектра возможен только как альтернатив­ный основному режиму работы и используется в основном лишь для исследовательских целей или для выборочного контроля по небольшому числу каналов приема.

1. Реальное время обработки больших по­токов информации и оценки состояния объекта, т. е. непосредственно в процессе его нагружения.

Это особенно важно при пневмоиспытаниях сосудов давления, когда наряду с общей оценкой состояния объекта контроля необходимо обеспечить безопасность его испыта­ний. Эта задача может быть решена с использованием современных аппаратных и программных средств, адапти­рованных к особенностям метода АЭ.

Многолетний опыт ЦНИИ им. акад. А. Н. Кры­лова в использовании 32^х-канальной системы SPARTAN, а также нескольких моделей аппара­туры спектрального анализа (СА-100, ЭМИС-1 и ЭМИС-2 разработки НПО "Дальстандарт", г. Ха­баровск), как при экспериментальных исследо­ваниях процессов зарождения и развития уста­лостных трещин в материалах и сварных соеди­нениях опытных образцов и узлов в натурных толщинах, модельных и натурных испытаниях судостроительных корпусных оболочечных конструкций, так и при освидетельствованиях заводских сосудов давления и трубопроводов в различных отраслях промышленности позволил предложить концепцию АЭ-системы нового по­коления МАЭС (рис. 2).

 Рис. 2

МАЭС - система с сете­вой многопроцессорной архи­тектурой, состоящая из модулей сбора и анализа, снабженных стандартными процессорами Intel. В качестве каналов приема ис­пользованы специально разра­ботанные импульсные АЦП с полосой частот 2 МГц, отличаю­щиеся тем, что они способны параллельно с оцифровкой аку­стических импульсов регистри­ровать их время прихода на при­емный канал, используя для этого тактовую частоту оцифровки аналогового сигнала, синхронизированную по всем каналам системы, что необхо­димо и достаточно для определения координат источника АЭ на развертке контролируемой конструкции. Для реали­зации этой функциональной возможности модули сбора и анализа связаны сетевой магистралью ETHERNET и рабо­тают под управлением сетевой многозадачной операцион­ной системы реального времени QNX (фирма Quantum Software Systems, Канада).

Одна из важных задач, решаемых в модулях сбора, состоит в том, чтобы резко уменьшить поток данных, пере­даваемых в модуль анализа. Эта задача решается с ис­пользованием отбраковки акустических помех по признаку "сигнал/помеха", получаемому после цифровой обработки формы импульса, и позволяет существенно разгрузить центральный процессор модуля анализа и, таким образом, совместить спектральный анализ в реальном масштабе времени с задачами статистического, локационного и крите­риального анализа.

На рис. 3.1 -3.3 приведены волновые формы и спект­ры некоторых АЭ-импульсов, излученных источниками-дефек­тами, и акустических помех, зарегистрированных системой МАЭС в ходе лабораторных исследований и промышленного АЭ-контроля. При этом использовались широкополосные ПАЭ типа WD фирмы РАС (частотный диапазон 100-1000 кГц).

 

 

Рис. 3. Волновые формы и спектры типичных АЭ-сигналов от дефектов (7 - 3) и сигналов акустических помех (4 - 6): 

1 - от скачкообразно развивающейся поверхностной усталостной трещины полуэллиптической формы при ре­сурсных испытаниях крупногабаритной толстолистовой ти­тановой сварной пластины на изгиб; 

2 - при страгивании трещины прямолинейного фронта при испытаниях стального образца на коррозионную трещи- ностойкость; 

3- от поверхностной микротрещины при пневмоиспыта- ниях автоклава; 

4- типичный сигнал от трения в опорах гидравлической испытательной машины при ресурсных испытаниях на изгиб сварной толстолистовой титановой пластины; 

5 - помеха, вызванная утечкой газа через фланцевое соединение реактора риформинга; 

6- помеха, вызванная падением капли дождя при пнев- моиспытаниях ресивера сжатого воздуха. 

 

 

На рис. 3.4 - 3.6 приведены характеристики акустичес­ких сигналов различной природы, относящихся к классу помех.

Очевидны различия волновых форм акустических помех (непрерывный сигнал) и сигналов АЭ-природы от тре­щин (дискретный сигнал с характерной крутизной нараста­ния переднего фронта до пиковой амплитуды и последую­щим резким снижением амплитуд по длительности сигнала). Спектральные мощности АЭ-сигналов отличаются ярко выра­женным наличием высокочастотных гармоник (более 200 кГц). Исключение составляет близкая к дискретному импульсу форма сигнала от удара капли дождя (рис. 3.6), однако, спектр этого сигнала отличается от АЭ-сигналов отсутстви­ем высокочастотных гармоник.

 

 

Рис. 4. Волновая форма акус­тических сигналов от помех (а) и дефектов (б) и алгоритм фильтрации помех 

Рис. 4 иллюстрирует принцип фильтрации акустичес­ких помех (шума) по волновой форме сигнала. Волновая фор­ма (рис. 4, а) типична для сигналов, регистрируемых при ме­ханическом трении, истечении газа или жидкости. Для нее характерно равномерное распределение амплитуды сигна­ла по длительности, т. е. практически непрерывная эмиссия в течение значительного (обычно несколько десятков мил­лисекунд) промежутка времени. Типичная волновая форма дискретного АЭ-импульса от трещины показана на рис. 4, б. Она отличается крутизной переднего фронта и резким спадом амплитуды по времени. В системе МАЭС введен параметр "уровень шума", характеризующий степень приближения сигнала к форме, типичной для импульса шума (рис. 4, а). Он вычисляется как отношение среднего уровня положи­тельной огибающей сигнала к пиковой амплитуде и меняет­ся от 0 (в случае дельта-функции) до 100 единиц (в случае непрерывного шума одного уровня). Численное значение этого параметра используется как одна из первых ступеней фильтрации помех в реальном масштабе времени.

 

Рис. 5. Идентификация дефекта по критерию высокочастотности спектра сигнала 

 Спектры сигналов, соответствующих рассмотренным волновым формам, приведены на рис. 5. Спектр импульса от трещины характеризуется наличием высокочастотных гармоник. В качестве критерия степени высокочастотности спектра использована частота в кГц, соответствующая по­следнему пересечению некоего уровня (в данном случае 0,3) нормированной спектральной функции ("уровень 0,3"). В приведенном примере значения этого параметра составля­ют соответственно 140 (для сигнала помехи) и 600 кГц (для АЭ-импульса от трещины).

Возможности фильтрации и крите­риального анализа акустической инфор­мации в реальном времени по волновым и частотным харак­теристикам весьма удачно были реали­зованы при контроле сварного титанового соединения непо­средственно в про­цессе сварки. Реги­страция сигналов осуществлялась ши­рокополосными ПАЭ типа WD. Цель АЭ-контроля - выявле­ние объемных окислений многопроходного сварного шва толстолистового титанового сплава, образующихся при на­рушениях аргоновой защиты и являющихся источниками образования микротрещин уже в начальной фазе остыва­ния шва. Процесс сварки сопровождается интенсивным излучением помех, обусловленных горением сварочной дуги, формированием сварочной ванны обдувом струей за­щитного газа аргона, скольжением защитных фарту­ков и горелки и другими источниками.

Рис. 6. Схема расположения дефектов в многопроходном сварном шве титанового сплава и результаты его АЭ-контроля в процессе сварки и остывания 

 На рис. 6 приведена гистограмма распределе­ния активности АЭ по номерам проходов сварного шва. При образовании объемного окисления параметр активности АЭ возрастал примерно на порядок, что позволяло уверенно выявлять эти дефекты. Причем в случае пропуска дефекта активность АЭ из зарегист­рированного источника надежно регистрировалась не менее чем на 6-7 последующих проходах.

На рис. 7 показан пример плоскостной лока­ции источников акустических сигналов на развертке корпуса автоклава, зарегистрированных в процессе его пневмоиспытаний на АО "Красный треугольник". Один из наиболее сложных, но часто встречающих­ся случаев, когда источником акустических помех и АЭ-сигналов является один и тот же элемент конст­рукции. В данном случае такими элементами явля­лись подкладные пластины между горизонтально расположенным корпусом, к которому они приварены (источники АЭ-сигналов - дефекты в сварных швах), и неподвижными опорами, относительно которых перемещался корпус при его деформировании в процессе пневмонагружения, генерируя при этом интенсив­ные акустические помехи от трения-скольжения. В этом случае помимо непримени­мости пространственной се­лекции сигналов, сложность фильтрации помех заключа­ется и в том, что перемеще­ние корпуса относительно опор, как дискретный процесс преодоления трения покоя, генерирует акустические по­мехи достаточно близкие по длительности и амплитуде к сигналам АЭ-природы и прак­тически неразличимые при использовании резонансных ПАЭ. В таких случаях особенно эффективно использование анализа широкополосных сиг­налов со следующими критериями фильтрации:

-  "уровень шума", как А _ср /А _макс > 30 - признак помехи;

-  "уровень 0,3", как F₀₃ > 400 - признак АЭ-сигнала.

В приведенном примере в результате применения фильтрации зарегистрированной информации по указан­ным критериям были выделены высокочастотные АЭ-сигналы, а в местах их источников магнитопорошковым методом были выявлены цепочки микротрещин протяженностью от 5 до 20 мм в сварных швах приварки подкладных пластин к корпусу автоклава.

Рис. 7. Плоскостная лока­ция источников акустических сигналов на развертке кор­пуса автоклава 

 Уникальные возможности АЭ-метода были эффективно использованы для оценки активности трещин, выявленных в сварных швах приварки балок подвески противовеса к полотну поперечной балки металлоконструкции крыла разводного пролета моста Александра Невского. В этих наиболее напряженных районах конструкции при разведении-сведении крыльев пролета реализуется близкий к отнулевому цикл нагружения, причем с максимумом в наведенном состоянии. Информация записывалась системой МАЭС как в наведенном состоянии, при инициировании АЭ-излучения от трещин наложенной на максимальную статичес­кую нагрузку высокочастотной составляю­щей от проходящего по мосту транспорта, так и в период цикла разведения-све­дения пролета, когда нагрузка снижается до минимальной и опять поднимается до максимума. На рис. 8. приведены гистограммы распределе­ния низкочастотных помех ("уровень 0,3" < 200 кГц) и высо­кочастотных АЭ-сигналов (сигналов от трещин), зарегистри­рованных при этих двух режимах нагружения. Очевидная акустическая активность трещин при реализации макси­мального размаха амплитуды приложенных напряжений в цикле разведения-сведения свидетельствует о том, что они являются развивающимися.

Заканчивая рассмотрение преимуществ использования широкополосных сигналов при идентификации дефектов, нельзя не отметить такое качество, как универсальность широко­полосных ПАЭ. Такая важная характеристика, как дальность приема ПАЭ, определяющая не­обходимое число каналов, с дефицитом которых часто приходится сталкиваться при контроле крупногабаритных объектов, зависит от сочетания многих факторов: толщины материала, состояния его поверхности, наличия контакта с жидкостью или газом и пр. Сочетание этих факторов обу­словливает, например, феномен "глухоты" на расстояниях свыше 2 м наиболее распространен­ных резонансных ПАЭ (частота 100-200 кГц) при гидравлических испытаниях тонкостенных сосудов (толщиной до 30 мм) и "слышимости" до 5 м более высокочастотными ПАЭ (частота 300^00 кГц), в то время как при пневматике картина изменяется на прямо противоположную. Это объясняется такими физическими эффек­тами, как разномодовость волн, связанная с толщиной стенки объекта, различие в коэффици­ентах затухания мод, изменение формы волны и частотного состава исходного сигнала (дис­персия скорости и затухания) и т. д., что являет­ся предметом специального рассмотрения. Од­нако как показывает практика, во всех случаях вариаций этих физических эффектов и механи­ческих факторов широкополосные ПАЭ оказы­ваются более устойчивыми к ним, чем резонанс­ные, т. е. более универсальными.

 

Рис. 8. Оценка степени активности (пассивности) трещин в металлоконструкции крыла разводного пролета моста