О применении метода акустической эмиссии в мониторинге опасных промышленных обьектов



Об авторах

 

 Шемякин Виктор Владимирович

Шемякин Виктор Владимирович 

Генеральный директор ООО «Диапак», начальник лаборатории акустических методов контроля РНЦ «Курчатовский институт», канд. физ.-мат. наук, III уровень по АЭ. Стаж работы в НК с 1973 г.

 

 

 

Стрижков Сергей Алексеевич

 

 

Стрижков Сергей Алексеевич 

Технический директор ООО «Диапак», канд. физ.-мат. наук, II уро­вень по АЭ. Стаж работы в НК с 1973 г. Увлечение — живопись.




В последние годы актуальным стал во­прос оценки текущего состояния про­мышленных объектов, подконтрольных Госгортехнадзору Российской Федера­ции. Это, прежде всего, связано со ста­рением оборудования, необходимостью продления срока службы и обеспечения безопасности. Кроме того, знание теку­щего технического состояния установки может позволить продлить срок межре­монтной эксплуатации, что чрезвычайно эффективно экономически. Поэтому понятно желание перейти от процедуры периодического технического обслужи­вания к обслуживанию по состоянию, осуществляя постоянную диагностику, т. е. непрерывный мониторинг.

Наиболее эффективным средством мониторинга особо опасных объектов является метод акустической эмиссии (АЭ). Это единственный метод, который позволяет в реальном времени следить за характером образования и развития дефектов в материале всего объекта в целом. Одновременно с методом АЭ целесообразно применять другие аку­стические и тепловые методы, позволя­ющие в режиме реального времени ко­личественно оценить поля напряжений, деформаций и температур.

Чтобы принять решение о возмож­ности и эффективности применения АЭ-мониторинга в том или ином случае, необходимо провести предварительные работы по определению технических и эксплуатационных характеристик уста­новки, влияющих на параметры проек­тируемой системы мониторинга. Наличие значительных акустических шумов или слабая «эмиссивность» материала в про­цессе его разрушения могут сделать не­возможным применение метода АЭ или привести к необходимости применения огромного числа каналов, что окажется либо не реализуемым технически, либо слишком дорого. Поэтому перед приня­тием решения об установке системы АЭ мониторинга очень важно сделать оценку ее основных параметров и, в том числе, оценить требуемое число каналов.

Число каналов, необходимых для мони­торинга, является одним из основных па­раметров системы. От количества кана­лов зависит чувствительность системы и надежность обнаружения дефектов. Чем больше АЭ-преобразователей установле­но на конструкции, тем выше вероятность обнаружения дефектов. С другой сторо­ны, увеличение числа каналов приводит к удорожанию системы. Для выбора опти­мального решения необходимо:

  • иметь данные о характерных и наибо­лее опасных для данной конструкции типах дефектов и о параметрах АЭ, излучаемой ими, главным из которых с точки зрения вероятности обнаруже­ния дефекта является амплитуда волн напряжения - чем выше исходная амплитуда, тем больше вероятность регистрации волн напряжения пре­образователем, находящимся на не­котором расстоянии от дефекта;
  • исследовать акустические свойства объекта, влияющие на распростране­ние упругих волн напряжения и приво­дящие к их затуханию;
  • измерить уровень рабочих акусти­ческих шумов, который определяет порог чувствительности системы и зависит от особенностей функциони­рования установки.

 

Иными словами, для выбора основных параметров системы необходимо знать: а) с какими амплитудами генерируются волны напряжений при возникновении и развитии дефектов в материале кон­струкции; б) как эта амплитуда уменьша­ется при распространении от дефекта до приемника и в) возможна ли регистра­ция волны напряжения системой с порогом амплитудной дискриминации, ве­личина которого определяется уровнем акустических шумов.

Изучение характерных дефектов и параметров АЭ проводится при испыта­ниях образцов на разрывных машинах, а также на крупномасштабных макетах, изготовленных из такого же материала, часто с доведением их до разрушения. Приблизительные оценки требуемых характеристик можно получить из опы­та использования АЭ применительно к аналогичным материалам.

Акустические исследования прово­дятся на самой конструкции с помо­щью специального имитатора дефекта, в качестве которого часто используется так называемый имитатор Ниелсена-Су. Волна напряжения в материале кон­струкции возбуждается в результате слома грифеля определенной твердо­сти и диаметра, расположенного под определенным углом к поверхности конструкции. Хрупкое разрушение грифеля имитирует проскок трещины в материале конструкции с похожими энергетическими характеристиками. С помощью источника Ниелсена-Су принято проверять чувствительность системы и определять точность лока­ции дефектов. Таким образом, систе­ма настраивается так, чтобы надежно регистрировать источники, адекватные источнику Ниелсена-Су, которые могут располагаться в любых точках контро­лируемой конструкции.

В процессе распространения волны напряжения от дефекта до приемни­ка происходит диссипация энергии и уменьшение амплитуды. При достиже­нии амплитудой некоторой минималь­ной величины регистрация волны на­пряжения становится невозможной. Это объясняется тем, что в каждом канале системы установлен свой порог ампли­тудной дискриминации для отстройки от всегда присутствующих электронных и акустических шумов. Для источника АЭ с определенной исходной амплитудой существует предельное расстояние, на котором он может быть зарегистри­рован. Измерение степени затухания амплитуды волны напряжения произво­дится с помощью имитатора, распола­гаемого на различных расстояниях от приемника. Пример функции затухания показан на рис. 1. Эта зависимость слу­жит для оценки максимального радиуса регистрации, который определяет допу­стимое расстояние между приемниками и, следовательно, необходимое число ка­налов в системе. Видно, что при пороге 45 дБ радиус регистрации составляет чуть более 3 м. При этом расстояние между соседними приемниками в соот­ветствии с ПБ 03-593-03 должно быть не более 4,5 м.

 

 

Типичная функция затухания амплитуды АЭ

Рис. 1. Типичная функция затухания амплитуды АЭ

Если толщина стенки объекта превы­шает 50 мм и возможно возникновение дефектов с внутренней стороны, функ­ция затухания должна быть скорректи­рована. Экспериментальные исследова­ния, проведенные на стальном сосуде с толщиной стенки 100 мм, показали, что разность амплитуд сигналов АЭ от ис­точников, имитируемых на внешней и внутренней сторонах стенки, при реги­страции их приемником,расположенным на внешней поверхности, в среднем со­ставляет 20 дБ, т.е. отличается в 10 раз (рис. 2).

Выбрав расстояние между приемни­ками, их обычно располагают в виде сети, равномерно охватывающей кон­тролируемый объект. Патрубки, люки и другие конструктивные особенности часто являются преградами на пути рас­пространения волн напряжения и могут маскировать определенные участки конструкции. В таких случаях наряду с сетью приемников ставятся дополни­тельные приемники в обнаруженных теневых зонах.

 

 Затухание амплитуды в толстостенном сосуде при источнике АЭ на его внешней (1) и внутренней (2) поверхностях

Рис. 2. Затухание амплитуды в толстостенном сосуде при источнике АЭ на его внешней (1) и внутренней (2) поверхностях 

 

Следующим важным фактором, вли­яющим на выбор параметров системы, является уровень акустических шумов, которые обязательно присутствуют в заводских условиях и, тем более, при работе контролируемой конструкции. Как правило, уровень шума меняется во времени в зависимости от режи­ма работы установки. Информация об уровне шумов в зависимости от времени позволяет провести анализ и сделать вывод как о возможности мониторинга вообще, так и о требу­емых характеристиках системы на стадии ее проектирования. Наиболее благоприятные условия для развития дефектов и появления АЭ возникают при изменении локальных механиче­ских напряжений и достижении ими максимальных значений. Поэтому осо­бенно важно оценить уровень шумов в этот период времени. Часто дефекты и шумы проявляются одновременно, например, при наливе резервуара или при увеличении давления в сосуде, обусловленном подачей газа через за­порную арматуру.

Для борьбы с акустическими шума­ми применяется частотная фильтрация, основанная на том, что, как правило, шумы носят относительно низкоча­стотный характер, а сигналы АЭ имеют достаточную энергию и на высоких частотах. Выбираются специальные дат­чики и фильтры, позволяющие убрать из регистрируемого сигнала низкочастот­ные составляющие. Чем выше уровень шума, тем на более высокую область частот приходится настраивать систе­му. Вместе с тем, высокочастотные компоненты сигнала АЭ затухают силь­нее, уменьшая тем самым предельное расстояние регистрации и увеличивая необходимое число каналов. Известны примеры применения АЭ-систем в очень шумных условиях для контроля подшипников в турбинах. В этом случае, при ис­пользовании высокочастотных датчиков, область контроля составляет несколько сантиметров.

 

 Пример отображения данных АЭ после автоматической классификаци

Рис. 3. Пример отображения данных АЭ после автоматической классификации

Таким образом, прежде чем планиро­вать установку системы мониторинга на конкретный объект, необходимо, как ми­нимум, экспериментально определиться с уровнем шумов. Наш опыт говорит о том, что при испытаниях установки на- гружением в заводских условиях опти­мальный частотный диапазон состав­ляет 100 - 300 кГц при использовании приемников с резонансной частотой 150 кГц. При этом максимальное рас­стояние между датчиками обычно бы­вает до 5 м. Испытания нагружением производятся в большинстве случаев в период проведения планово-профи­лактического ремонта, когда установка выведена из эксплуатации и шумы ми­нимальны. В рабочем режиме уровень шумов может быть значительно выше, и тогда потребуется уход в более вы­сокочастотную область, что приведет к сокращению расстояния между прием­никами и, соответственно, увеличению числа каналов.

При проведении испытаний давлени­ем для определения местоположения источников АЭ возможно использование зонной локации, когда достаточно его регистрации хотя бы одним датчиком, и местоположение источника ограничи­вается зоной контроля датчика. Такая точность во многих случаях устраивает специалистов, поскольку по окончании нагружения и АЭ-контроля проводится дополнительное обследование подо­зрительных участков другими методами НК, например, ультразвуковым, с целью уточнения местоположения дефектов и определения их количественных харак­теристик. Дефектоскопист при поиске дефектов прежде всего ориентируется на находящиеся в указанной зоне места их наиболее вероятного расположения, такие как сварные швы, входы патруб­ков и т. д.

Для мониторинга такой подход вряд ли приемлем, поскольку кроме дефек­тов на такой большой площади может находиться и множество посторонних источников. Кроме этого, не всегда воз­можно проводить дополнительные изме­рения с привлечением альтернативных методов контроля в период рабочего функционирования установки. Амери­канский документ ДБТМ Е 1139-02, регламентирующий применение АЭ при мониторинге, требует использования точного метода вычисления координат, при котором регистрация источника должна производиться не одним, а как минимум тремя приемниками. В этом случае максимальное расстояние между приемниками еще уменьшится. Кроме того, как уже упоминалось, могут потребоваться дополнительные датчики для контроля теневых зон.

Таким образом, вопрос измерения уровня и характера шумов на работаю­щей установке может оказаться опреде­ляющим при проектировании системы АЭ-мониторинга.

Важным вопросом при организации мониторинга является анализ регистри­руемых данных и выбор полезной инфор­мации. Несмотря на подавление шумов частотным методом, их количество в регистрируемой информации может со­ставлять 99 %, т. к. процесс разрушения в период эксплуатации конструкции, как правило, протекает медленно, тогда как наличие акустических шумов является непременным атрибутом технологиче­ского процесса.

Устранение шумов при обработке данных - задача программного обе­спечения системы мониторинга. Хотя алгоритмы фильтрации могут быть спе­цифическими для каждого приложения, можно выделить несколько наиболее общих подходов.

Страница сайта с данными по маниторингу

 

Рис. 4 Страница сайта с данными по маниторингу

Во-первых, применяется анализ кор­реляционных зависимостей измеренных параметров сигналов АЭ. Существуют известные соотношения параметров ре­альных сигналов АЭ, которые отличаются от аналогичных соотношений для сигна­лов помехи. Очень эффективно сопо­ставление параметров АЭ и параметров, описывающих технологический процесс, таких как давление и температура.

Во-вторых, эффективным средством борьбы с сигналами помех является точ­ная локация с использованием времени регистрации. Из всех АЭ-сигналов, заре­гистрированных системой, зачастую толь­ко несколько процентов участвуют в об­разовании АЭ-событий, отражающих реальные источники, обусловленные де­фектами. В настоящее время появились приборы, позволяющие регистрировать форму волны сигналов АЭ в реальном масштабе времени. Это дает возмож­ность получения огромного числа допол­нительных характеристик, которые могут быть полезны как на этапе фильтрации, так и в процессе принятия решения о классификации источников и оценки тех­нического состояния установки в целом.

Разработаны специализированные программные продукты, позволяющие вести анализ данных в многопараметри­ческом пространстве с использованием алгоритмов теории распознавания об­разов. Пример представления данных в специализированном программном пакете 1ЮЕ818 с автоматическим разделением их на разные категории показан на рис. 3. Данные, отмечен­ные разными цветами, соответствуют различным этапам процесса развития дефекта. Есть возможность обучения системы автоматически распознавать поисковые объекты.

Несмотря на возможности совре­менного программного обеспечения, детальный анализ данных мониторинга еще долго будет оставаться прерогати­вой специалистов. Возможность посто­янного доступа специалистов к накапли­ваемым данным сейчас обеспечивается средствами Интернета. Система монито­ринга может управляться по сети и авто­матически передавать данные в центр, находящийся в офисе в другом городе. Результаты анализа данных, включаю­щие графический материал и отчеты, размещаются на специальном сайте и доступны в любое время персоналу предприятия при входе на сайт после ввода пароля. На рис. 4 показана одна из страниц сайта, на котором разме­щены текущие данные АЭ-мониторинга автомобильного моста.

Такой подход позволяет оптимизиро­вать процесс сопровождения системы мониторинга с привлечением опытных специалистов без необходимости их частого присутствия на контролируемой установке.

В заключение хотелось бы еще раз подчеркнуть важность предваритель­ного исследовательского этапа в про­ектировании системы мониторинга. От него зависит эффективность ее функ­ционирования, которая должна обе­спечить своевременное обнаружение развивающихся дефектов и предот­вращение разрушения контролируемой установки.

Благодарим журнал "В Мире НК" за любезно предоставленную информацию http://www.ndtworld.com

Возврат к списку