WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

На правах рукописи

Лузина Наталья Петровна

ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИСИИ

Специальность 05.11.01 – Приборы и методы измерений (механические величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

Работа выполнена на кафедре Проектирования и безопасности компьютерных систем Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Ткалич Вера Леонидовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мусалимов Виктор Михайлович кандидат технических наук Петрищев Максим Сергеевич

Ведущая организация: ГУП СПб ОКБ «Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова», 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Маршала Говорова, д.

40.

Защита состоится "20" марта 2012 г. в 17 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 при Санкт-Петербургском государственном национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) по адресу:

197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО.

Автореферат разослан "___" ___________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.кандидат технических наук, доцент _______________ Киселёв С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы В связи с широким применением в отечественной промышленности новых материалов и технологий, предельной работой узлов и агрегатов и постоянным усовершенствованием промышленного оборудования резко возрастают требования к обеспечению его надежности и эксплуатационной безопасности.

Поэтому, разработка методик количественной оценки структурных изменений в твердом теле и исследование общих закономерностей кинетики накопления повреждений становится необходимым звеном в решении актуальной задачи идентификации реальной дефектности. При этом весьма актуальна и значима диагностика состояния изделий и конструкций. Особую роль в задачах оценки степени повреждения структуры играет диагностика, использующая методы неразрушающего контроля. Одним из перспективных методов неразрушающего контроля являются акустические методы. Объясняется это тем, что упругие волны реагируют на все происходящие в контролируемой среде процессы, выполняют функции универсального датчика, поставляющего сведения о контролируемой среде. Обзорный анализ показал, что одним из перспективных путей решения этой проблемы следует признать метод акустической эмиссии (АЭ).

Надо отметить, что практическое применение метода АЭ для решения задач технической диагностики сопряжено с определенными трудностями. Распространяющийся в объекте акустический сигнал претерпевает существенные искажения; возникающие в процессе испытаний и эксплуатации акустические шумы и помехи тоже распространяются в объекте и воздействуют на входные устройства АЭсистемы. Будучи похожими по форме на сигналы, возбуждаемые дефектообразованием, они приводят к ложным срабатываниям, что заставляет предъявлять повышенные требования к такой характеристики аппаратуры АЭ-контроля, как помехоустойчивость.

Несмотря на большое количество как оригинальных исследований, так и работ обзорного характера, обсуждаемую проблему нельзя считать окончательно решенной. Таким образом, создание критериев для исследования характеристик сигналов АЭ и акустических помех, изучение характеристик материалов и изделий, поиск связей между параметрами состояния конструкции и характеристиками сигналов, решение задач идентификации акустических сигналов, представляется весьма актуальным.

Сложность и насыщенность задач современных исследований в этой области требует разработки и совершенствования методов цифровой анализа и обработки сигналов. Главной целью такой обработки является эффективное и достоверное выделение полезных составляющих из общей суммы зарегистрированных сигналов и преобразование их в форму, удобную для дальнейшего использования и интерпретации. Поэтому разработка новых эффективных методик анализа сигналов является одной из перспективных и актуальных научно-технических задач в современной экспериментальной области по АЭ.

Большой вклад в развитие исследований по таким вопросам как физико-механические и статистические аспекты прочности кристаллических и аморфных тел, физические свойства при различных внешних воздействиях, моделирование акустического излучения дислокаций и микротрещин, распространение упругих волн, а также применение метода АЭ в физических исследованиях, задачи неразрушающего контроля и диагностики, внесли такие ученые и организаторы науки как Н.П. Алешин, В.М. Баранов, Г.А. Бигус, К.Б. Вакар, В.А. Грешников, Ю.М. Гуфан, Ю.Б. Дробот, В.П. Дудкевич, Л.К. Зарембо, В.С. Иванова, В.И. Иванов, В.В. Калинчук, В.С. Куксенко, А.М.

Лексовский, А.А. Ляпин, Н.А. Махутов, Г.Б. Муравин, В.В. Муравьев, В.Д.

Нацик, А.Я. Недосека, В.А. Плотников, В.В. Поляков, Л.М. Рыбакова, Г.А.

Сарычев, А.Н. Серьезнов, Л.Н. Степанова, А.С. Трипалин, В.М. Финкель, И.

Ахенбах, С. Вахавиолос, Х. Данеган, П. Гиллис, Д. Джеймс, С. Карпентер, Р. Коллакот, А. Тетельман, А. Поллок, Х. Хатано и другие.

Цель диссертационной работы Изучить процессы деформации и разрушения металла, с использованием информативных параметров акустической эмиссии;

Разработать комплексную методику идентификации дефектов, полученных в результате спектрального и частотного анализа сигнала АЭ работающего оборудования, обеспечивающий повышение качества распознавания сигнала и его особенностей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать возможности существующих методов и средств неразрушающего контроля при оценке степени деградации конструкционных металлических материалов;

- исследовать и систематизировать данные о влиянии процессов деформации на структуру, механические и акустические свойства конструкционных металлических материалов и установить соответствующие корреляционные соотношения;

- дать научно-техническое обоснование применения акустикоэмиссионного метода для оценки поврежденности конструкционных материалов в промышленных испытаниях, нагруженных внутренним давлением, на основе выявленных закономерностей изменения характеристик контролируемого материала и параметров акустических волн;

- провести анализ практических результатов промышленного применения АЭ-контроля;

- определить основные акустические характеристики и обосновать выбор измеряемых акустических характеристик, чувствительных к процессам деградации исследуемых конструкционных материалов;

- провести анализ (спектральный и частотный) сигнала АЭ;

- кратко изложить теорию и практику применения вейвлетпреобразований при анализе сигналов в технической диагностике и неразрушающем контроле;

- исследовать некоторые характерные особенности единичного импульса АЭ, ранее не поддававшихся объяснению;

- научно обосновать и разработать комплексный метод анализа оценки дефектов длительно работающего оборудования (на основе частотно-временного анализа импульса АЭ);

- проанализировать возможность использования полученных результатов исследований в задачах контроля повреждений в конструкционных материалах акустико-эмиссионным методом и проверить работоспособность предложенных решений на длительно эксплуатируемых промышленных объектах.

Методы исследования Анализ акустического тракта проводился на основании положений акустики и теории радиотехнических цепей и сигналов. Теоретическая часть работы выполнена на основе численного решения уравнений динамической теории упругости и уравнений нелинейной акустики. Все задачи диссертационного исследования решены на основе применения акусто-эмиссионных измерений.

Объектами исследования служило технологическое оборудование, которое используется в химической и нефтегазовой промышленности, энергетике. Исследованию подвергались материалы с различной исходной структурой в состоянии, характерном для реальных конструкций в период эксплуатации. Нагрузка оборудования осуществлялась на серийных испытательных машинах и натурных объектах.

При оценке работы реальных конструкций использовались экспериментальные данные, полученные на натурных объектах в условиях нормальной эксплуатации для данного типа конструкции. При обработке данных, при расчетах и математическом моделировании акустических сигналов применялись оригинальные и стандартные программные продукты AE Correlation Expert, Vallen TR-Viewer, AGU-Wavelet и PACshare Wavelets. В экспериментах использовалась следующая аппаратура: многоканальная акустико-эмиссионная система «DISP-52» фирмы «РАС» (США).

Научные положения, выносимые на защиту Основные связи параметров акустических сигналов и механики разрушения, повышающие качество оценки поврежденности технических изделий. Обоснование использования акустического метода для определения характеристик повреждений.

Комплексная методика идентификации типов источника АЭ работающего оборудования (на основе частотно-временного анализа сигнала).





Критерии идентификации источников сигналов акустической эмиссии необходимых для описания и идентификации физических процессов и механизмов, преобладающих на стадии деформации и разрушения материалов.

Необходимые метрологические характеристики измерительных приборов, обеспечивающие более качественное проведение АЭ-контроля и более достоверную интерпретацию его результатов.

Экспериментальная проверка предложенной методики для контроля механических характеристик материала без нарушения его эксплуатационных и прочностных характеристик и результаты практического использования на промышленных объектах.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке научно-технической методики идентификации типов источника в металлических материалах с помощью акустической эмиссии и создании критериев классификации сигналов АЭ; при этом источники АЭ классифицированы на два основных типа: пластическая деформация и образование микро- и макротрещин.

Алгоритм исследования заключался в следующем:

Усовершенствование и упрощение теоретических выкладок связи параметров акустических сигналов с параметрами механики разрушения и с параметрами развивающихся дефектов, что обеспечит более точное построение теоретических моделей и надежность экспериментальных исследований сигналов.

Обоснование применения вейвлет-преобразования при анализе акустических нестационарных сигналов.

Научное обоснование и разработка комплексной акустической методики идентификации типов источника АЭ длительно работающего оборудования (на основе частотно-временного анализа сигнала).

Создание качественных критериев классификации сигналов АЭ для описания и идентификации физических процессов и механизмов на стадии деформации и разрушения материалов.

Комплексное исследование по метрологическому обеспечению работы измерительной системы.

Практическая ценность работы  В настоящее время метод АЭ широко применяется не только для исследовательских целей, но и интенсивно внедряется в промышленность как неразрушающий метод контроля. При этом фиксируются фазовые превращения, определяются такие дефекты, как поры, закалочные трещины, включения, поэтому идентификация и классификация источников АЭ при проведении производственного контроля объекта является одной из наиболее важных и принципиальных технологических ситуаций.

Результаты работы опубликованы в печатных журналах, докладывались на научных всероссийских и международных конференциях и получили одобрение специалистов. Работа будет иметь большое значение для специалистов в области неразрушающего контроля, а ее результаты – значительные дальнейшие перспективы.

Внедрение результатов работы Результаты исследований использовались при диагностировании сосудов высокого и низкого давления, магистральных трубопроводов и паропроводов, а также высокотемпературных протяженных объектов, применяемых в химической и нефтегазовой промышленности, энергетике.

Кроме того, полученные результаты используются в учебном процессе на кафедре ИТиКТ СПбГУ ИТМО при выполнении курсовых и бакалаврских работ по измерительным технологиям.

Апробация работы Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- IV Межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО, 2007 г.;

- Политехническом симпозиуме «Молодые ученые – промышленности Северо-Западного региона». СПб, 2007 г.;

- XXXVII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, 2008 г.;

- Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза». Уфа, 2008 г.;

- V Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых в СПбГУ ИТМО, 2008 г.;

- Конкурсной программе инновационных проектов Инновационно-технологического центра СПбГУ ИТМО "УМНИК", 2008 г.;

- Персональный грант на проведение диссертационного кандидатского исследования для аспирантов от правительства СанктПетербурга и комитета по науке и высшей школы, 2008 г.;

- VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых в СПбГУ ИТМО, 2009 г.;

- Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе» Марийского государственного технического университета.

Йошкар-Ола, 2011 г.

Публикации Основное содержание диссертационной работы отражено в публикациях, в том числе 1 публикация в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка использованной литературы из 93 наименований.

Основная часть работы изложена на 150 страницах машинописного текста.

Работа содержит 36 рисунков, 9 таблиц и 5 фотографий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан анализ состояния проблем диагностики, обосновывается ее актуальность и подходы к решению, формулируются цели и задачи диссертационной работы, решения которых выносятся на защиту.

В первой главе проводится краткий аналитический обзор и сравнение методов неразрушающего контроля (НК); современных представлений о пластической деформации и разрушения материалов.

Описаны возможности и преимущества использования метода акустической эмиссии. Приведены общие сведения о самом акустико-эмиссионном методе неразрушающего контроля и отмечены его характерные особенности. Рассмотрены теоретические аспекты АЭ, сопровождающей процессы трещинообразования.

Проведенный краткий анализ существующих методов НК повреждений и деградации металла показывает их низкую эффективность при степени повреждения структуры промышленного оборудования. К методу оценки повреждения оборудования, прежде всего, относят методы и средства, позволяющие контролировать на практике напряженнодеформированное состояние оборудования. Таким образом, только "пассивные" методы диагностики являются наиболее пригодными для практики. К пассивным методам НК, использующим энергию излучения конструкций, относится метод акустической эмиссии.

В главе перечислены основные характерные особенности метода АЭ, определяющие его возможности, параметры, области применения и достоинства:

1. Комплексный характер метода исследования материалов и процессов НК и технической диагностики (ТД) природных и промышленных объектов (включает в себя физику процесса разрушения, акустику, теории сигналов, случайных процессов, сейсмологию и т.д.).

2. Обнаружение и регистрация развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности. Данное свойство является одним из наиболее важных достоинств и преимуществ метода АЭ.

3. Высокая чувствительность к растущим дефектам относительно других методов. Предельная чувствительность АЭ аппаратуры по расчетным оценкам составляет порядка 1·10-6 мм2, что для трещины протяженностью 1 мкм соответствует выявлению скачка в 1 мкм.

4. Интегральность, которая заключается в том, что используя один или несколько преобразователей АЭ, установленных неподвижно на поверхности объекта, можно проконтролировать весь объект.

5. Дистанционность метода АЭ.

6. Возможность контроля различных технологических процессов и процессов изменения свойств и состояния материалов в реальном времени, что позволяет предотвратить катастрофическое разрушение контролируемого объекта.

7. Выявление дефекта методом АЭ независимо от его формы, положения и ориентации.

8. Минимальное количество ограничений, связанных со свойствами и структурой конструкционных материалов, чем для других методов НК.

10. Высокое (возможно, максимальное) отношение эффективностьстоимость в области НК и ТД.

Рассмотрено физическое явление, именуемое акустической эмиссией, связанное с излучением упругих волн исследуемым объектом при нелинейных трансформациях его структуры.

Для твердого тела АЭ – это излучение объектом механических (акустических) волн, вызванное локальной внутренней динамической перестройкой решетки твердого тела, вследствие чего изменяются его структура и внутренняя форма.

В работе выведены основные связи параметров акустических сигналов с параметрами механики разрушения и с параметрами развивающихся дефектов.

Наиболее часто используемыми параметрами акустической эмиссии, применяемыми для изучения процессов пластической деформации и разрушения материалов являются:

- суммарный счет АЭ N – число зарегистрированных превышений сигналами АЭ установленного уровня дискриминации за интервал времени наблюдения;

- сигнала скорость счета суммарной АЭ – суммарная АЭ, приведенная к единице времени;

- амплитуда АЭ А – максимальное значение сигнала АЭ в течение выбранного интервала времени. Этот важнейший параметр определяет возможность регистрации АЭ события.

- длительность сигнала – это полное время от сигнала порога до ухода его под порог. Параметр используется при идентификации процессов, имеющих характерные большие длительности сигналов;

- время нарастания до пика – это время от первого пересечения сигналом порога достижения максимальной амплитуды сигналом;

- число пересечений порога;

- среднеквадратичное значение амплитуды АЭ;

- энергия сигнала (импульса) АЭ. Параметр, известный также как число осцилляций энергии, вычисляется по площади под огибающей сигнала.

Совокупность этих параметров позволяет классифицировать приходящие сигналы, как принадлежащие различным источникам (механические шумы, радиопомехи, электромагнитные наводки, течь, подвижки на опорах и истинные дефекты).

Использование тех или иных параметров АЭ сложилось исторически, поэтому нельзя утверждать, что их выбор является оптимальным. В реальных испытаниях мы никогда не работаем с бесконечными, периодическими, симметричными формами волны. АЭсигнал включает набор частот, которые, в общем случае, не являются непрерывными или периодическими. Приходится рассматривать сложный процесс деградации, порождающий сигнал АЭ в виде многомерного стохастического, в общем случае нестационарного импульсного процесса.

Основной целью новых разработок в области акустической эмиссии должно быть создание методики, основанной на интеллектуальной обработке нестационарного сигнала, а не на анализе ограниченного набора АЭ параметров, поэтому этот вопрос является актуальным и ставиться основной задачей в данной работе.

Во второй главе показаны этапы регистрации сигналов акустической эмиссии. Рассмотрены основные факторы, оказывающие влияние на распространение волн в акустическом тракте и характеристики, определяющие первоначальную форму сигнала. Производится подробный анализ зарегистрированного сигнала. Спектр зарегистрированных сигналов АЭ, как правило, не только характеризует источник АЭ, а еще и несет информацию о свойствах акустического канала. В сигнале, прошедшем акустический канал, приходится разделять частотные свойства источника и свойства канала, что в большинстве случаев весьма затруднительно.

Поэтому, как правило, в производственных условиях проще выявлять изменения частотных характеристик источника АЭ при условии сохранения параметров акустического канала стабильными. В этом случае основная информация связана только с изменением частотных свойств источника АЭ.

Рассмотрен пример, который показывает сложность интерпретации сигнала АЭ по виду его спектра или представлению акустического канала по его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). На рис. 1 приведены импульсная характеристика (ИХ), АЧХ и фазово-частотная характеристика (ФЧХ) системы, состоящей из резонансного преобразователя АЭ и объекта.

По виду АЧХ можно предположить, что речь идет о двухчастотной резонансной системе типа связанных контуров. Частоты этих контуров равны 445 и 480 кГц. Однако второй максимум сигнала связан с импульсом, отраженным от дальней стенки объекта.

Рис. 1. Совокупность импульсной характеристики (ИХ), АЧХ и ФЧХ-преобразователя с резонансной частотой 450 кГц, установленного на стенку сосуда толщиной 80 мм Во всех рассматриваемых случаях АЧХ была рассчитана по ИХ при помощи быстрого Фурье-преобразования. Из полного сигнала АЭ выделялся полезный сигнал, параметры которого требуются для контроля производственных объектов. Базовым элементом полезного сигнала АЭ был единичный импульс.

Акустический сигнал не стационарен. Частотно-временного разрешения, получаемого на небольшой длине выборки при помощи Фурьепреобразования дискретных сигналов, недостаточно. По этой причине применение вейвлет-преобразования для обработки акустических сигналов является перспективным направлением исследований. Оно позволяет разделять сигнал и по частоте, и по времени с хорошим разрешением.

В качестве инструмента для проведения вейвлет-анализа использовался программный пакет AGU-Wavelet и PACshare Wavelet.

Данные программы имеют прикладную направленность, позволяя получать результаты научных и инженерных исследований, не вдаваясь в особенности программирования.

Для вейвлет-анализа нестационарного сигнала АЭ необходимо выполнить следующую последовательность действий:

– удалить шумовую составляющую сигнала;

– осуществить непрерывное вейвлет-преобразование сигнала.

В основу исследований положено дискретное вейвлетпреобразование (ДВП) для выделения шумовой составляющей сигнала и его декомпозиции, а также непрерывного вейвлет-преобразвоания (НВП) для определения особенностей АЭ-сигнала в силу его универсальности и хороших возможностей регулировки частотно-временного разрешения.

Рассмотрим особенности вейвлет-преобразования на примере непрерывного ВП (НВП) (рис.2). Базисные функции НВП -1/ 2 t - b , (1) (t) = a ab a сконструированны из материнского (порождающего) вейвлета (t), обладающего определенными свойствами, путем сдвига во времени – b и -1/ изменения временного масштаба – a. Множитель обеспечивает a независимость нормы этих функций от масштабирующего числа a. Итак, для заданных значений параметров a и b функция аb (t) и есть вейвлет, порождаемый материнским вейвлетом (t).

Пусть аb(t) – базис, полученный с помощью непрерывных масштабных преобразований и переносов материнского вейвлета (t) с произвольными значениями базисных параметров a и b в формуле (1).

Тогда по определению прямое вейвлет-преобразование сигнала f (t) будет представлено в виде:

1 t - b Wf (a,b) = f (t) ( )dt , (2) a a - где функция (t - b) называется вейвлетом; a, b параметры, соответственно, a масштаба и сдвига. Множитель a -1/2 обеспечивает единичную норму для t - b любой базисной функции. (3) (t) = a-1/ 2 ( ) a,b a Рис. 2. Результат обработки акустического сигнала от трещины.

Трехмерная спектрограмма непрерывного вейвлет-преобразования При непрерывном измерении параметров a и b для расчета вейвлет-спектра необходимы большие вычислительные затраты.

Множество функций (t) является избыточным. Поэтому необходима a,b дискретизация параметров a и b при сохранении возможности восстановления сигнала из его трансформант. Дискретизация, как правило, j j осуществляется через степени двойки,, a = 2 b = kt - b , (4) (t) = a-1/ 2 = 2- j / 2 (2- j t - k) jk a где j и k – целые числа, а j называется параметром масштаба. В отличие от непрерывного вейвлет-преобразования в данном случае рассматриваются не все сдвиги и растяжения базисной функции, а только взятые на некоторой дискретной сетке (обычно логарифмической). Здесь необходимо отметить, что сигнал остается непрерывным, но такое преобразование называют дискретным вследствие дискретности изменений масштаба и сдвига. В литературе, посвященной вейвлет-анализу, оно называется диадным вейвлет-преобразованием, прямой и обратный вид которого, представлен с использованием формул (5) и (6), соответственно.

, (5) d = f (t) (t)dt jk fk - , (6) f (t) = (t) d jk jk j=- k =- На основе проведенных исследований и анализа работ других авторов сделан вывод о преимуществе использования для анализа акустических сигналов материнских вейвлетов Добеши (Daubechies).

Функции Добеши не имеют аналитического описания в виде одной формулы, а задаются итерационными выражениями, легко вычисляемыми при помощи компьютерных технологий.

При использовании непрерывного вейвлет-преобразования получается спектр коэффициентов корреляции сигнала с вейвлетом, (t) a,b который представляется поверхностью в трехмерном пространстве.

Анализ спектров позволяет выявить основной диапазон частот, на котором происходит генерация упругих волн в области реального дефекта.

Сигнал от трещины в большинстве определенных и подтвержденных случаев имеет характерную трехимпульсную структуру с глобальным импульсом большой амплитуды.

Задание критериев опасного состояния объекта – наиболее сложная проблема методики дефектоскопического контроля с помощью АЭ (нужно выбрать, по какому параметру АЭ и по какому его количественному признаку следует принимать решение о признании сигналов предвестниками разрушения).

Произведена классификация типов источников АЭ, которая проводится с целью получения и использования параметров АЭ для описания и идентификации физических процессов и механизмов, преобладающих на различных стадиях деформации и разрушения материалов (табл.1).

Таблица 1. Критерии классификации источников АЭ Критерии классификации Тип источника АЭ Качественные критерии в основном высокочастотный фронт, Пластическая малая длительность фронта < 10 мкс деформация малая длительность сигнала < 200 мкс (дислокации, двойники) более длительное затухание сигнала, чем в макротрещинах длительность фронта для большинства сигналов Микротрещины > 10 мкс, (соизмеримы с сравнительно широкий спектр фронта АЭ размерами границ зерен) волны.

Макротрещины длительность фронта для большинства сигналов (соизмеримы с > 15 мкс, размерами зерен и большой пик (> 80) магнитуды низкочастотной более) области спектра < 200 кГц.

В третьей главе получены необходимые метрологические характеристики аппаратуры, обеспечивающие качественное проведение АЭ-контроля и достоверную интерпретацию его результатов.

Преобразователь акустической эмиссии (ПАЭ) является важнейшим элементом прибора (системы) акустико-эмиссионного неразрушающего контроля. ПАЭ преобразует акустический сигнал АЭпроцесса в электрический сигнал, параметры которого используются для оценки источников АЭ.

При описании ПАЭ рекомендуется использовать преимущественно параметры импульсных характеристик, в которых наиболее отображаются параметры импульса, возбуждающего преобразователь – амплитуда и энергия, а также связанные с ними параметры: длительность, число выбросов и другие, используемые при оценке результатов АЭ-контроля.

В большинстве случаев ПАЭ представляют собой конструкцию со следующими элементами: 1 – корпус, 2 – электрический разъем, 3 – демпфер, 4 – пьезоэлемент, 5 – конструктивный элемент (цилиндр), 6 – слой клея, 7 – защитная пластина; 8 – кабель (рис. 3). Основным элементом ПАЭ является преобразователь акустического сигнала в электрический, в качестве которого используется пьезоэлектрический преобразователь (пьезоэлемент в виде пластины, сплошного стержня или пустотелого цилиндра, конуса и др.).

Рис. 3. Эскиз типичного преобразователя АЭ: а, б, в – различные схемы дифференциального выполнения активного элемента ПАЭ Пьезоэлемент устанавливается в металлический корпус, служащий для защиты от механических воздействий и электромагнитных помех.

Корпус ПАЭ выполняют из коррозионно-стойкой стали, латуни и т.д.

Требования к преобразователям АЭ сконцентрированы, в основном, в двух областях: 1) коэффициент преобразования и 2) амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристика. Коэффициент преобразования зависит от используемого пьезоматериала преобразователя, а частотная характеристика – от конструкции преобразователя.

Основные параметры резонансных ПАЭ 1. Коэффициент преобразования – s.

2. Число выбросов п в импульсной характеристике на уровне 10 % от Uт.

3. Период основных колебаний To.

t 4. Энергия импульсной характеристики E = dt u.

Z Общие параметры резонансных ПАЭ 1. Энергетические параметры импульсной характеристики.

2. Относительная энергия импульсной характеристики.

3. Резонансная частота собственных колебаний: Fо = 1/To.

4. Добротность: Q = 1,37nu..

5. Полоса рабочих частот: f = 1/1,37nuTo.

6. Электрический импеданс: Z = 1/2fС, где f = Fо.

7. Время нарастания импульсной характеристики: tн.

8. Время спада импульсной характеристики: tс.

9. Коэффициент затухания импульсной: = 2,3/nuTo.

10. Среднеквадратичное значение собственных тепловых шумов на резонансной частоте в полосе частот f = 10 кГц.

11. Среднеквадратичное значение собственных тепловых шумов в рабочей полосе частот (рис.4).

Рис. 4. Единичный импульс на экране осциллографа Определение основных параметров ПАЭ основано на регистрации импульсной характеристики ПАЭ, измерении и определении ее параметров:

максимального значения импульсной характеристики – ит, максимального значения нормального смещения частиц поверхности объекта, на который установлен ПАЭ – и1, числа выбросов импульсной характеристики – п над заранее установленным уровнем, например – 0,1ит (либо длительности импульсной характеристики – tи).

Допускается проводить измерения параметров ПАЭ без использования калибровочных блоков, по схеме «лицом к лицу», когда калибруемый ПАЭ и эталонный пьезоэлектрический преобразователь акустически контактируют с излучающим пьезопреобразователем рабочими поверхностями.

В главе также представлен порядок проведения измерений параметров; перечислены технические средства, используемые при измерениях; разработан ряд требований, которые необходимо предъявлять к ПАЭ при контроле производственных объектов; ряд рекомендаций к выбору АЭ аппаратуры, а так же даны рекомендации по соблюдению определенных условий, требований и мероприятий при подготовке и проведении самого АЭ-контроля.

Четвертая глава посвящена описанию практического использования АЭ контроля на натурном объекте. В ней даны результаты испытаний с дальнейшими рекомендациями и выводами.

В качестве среды распространения импульсных сигналов в работе приведены испытания реактора. Реактор представляет собой вертикальный сварной аппарат из стали Я1-Т (Х18Н10Т), состоящий из цилиндрических обечаек с приварными эллиптическими днищами, длиной 14100 мм, диаметром 3900 мм, толщиной стенки корпуса 14 мм (рис.5).

Подробно описаны тип и Рис. 5. Реактор поз. Р-условия испытаний, параметры графика нагружения, тип и характеристика АЭ-аппаратуры, контактная среда, тип дифференциальных преобразователей, усиление приемного канала, а так же проведение самого испытания с теоретическими и практическими выкладками каждого совершенного действия.

Проведен анализ полученных данных по критериям бракования.

Оценочные критерии, сведенные в таблицы, являются «критериями гарантированной приемки» объекта, и если при оценке состояния имеет место их нарушение, то производится дополнительный анализ данных и анализ интенсивности.

При анализе АЭ данных реактора были выявлены источники повышенной активности. Соотнесение расположения этих источников с разверткой аппарата показало, что они находятся в областях сварных швов и на пересечении сварных швов.

Произведена обработка сигналов с разной амплитудой и переменной частотой, которая представляет собой специальное преобразование, позволяющее показать распределение сигнала и по времени, и по частоте, а так же его вейвлет-спектрограмму (вейвлетпреобразование). Представлены наиболее показательные примеры, отражающие возможности масштабно-временного анализа при рассмотрении нестационарных АЭ-сигналов от развивающегося дефекта и без него.

По результатам анализа данных АЭ контроля были даны рекомендации по дальнейшей диагностике объекта.

Пневматическое испытание (ПИ) по сравнению с гидравлическим испытанием (ГИ) помимо повышенной опасности имеет некоторые особенности, влияющие на достоверность АЭ-контроля, которые описаны в данной главе.

Снижение уровня помех для их исключения или достижения минимального уровня – важнейшее условие повышения достоверности данных АЭ-контроля. Мероприятия и методы по исключению или снижению уровня помех разделены на несколько групп и так же представлены в работе.

В приложении приведены акты и фотографии по результатам работ на ОАО «Газпром нефтехим Салават» (ОАО «Салаватнефтеоргсинтез»).

Основные результаты, полученные автором и отраженные в диссертации, заключаются в следующем:

Получены закономерности параметров состояния конструкции с характеристиками сигналов.

Обосновано применение вейвлет-преобразования при анализе нестационарных АЭ-сигналов.

Разработана комплексная интегральная методика идентификации типов источника АЭ работающего оборудования (на основе частотновременного анализа сигнала).

Созданы качественные критерии классификации сигналов АЭ для описания и идентификации физических процессов и механизмов на стадии деформации и разрушения материалов.

Обоснованы необходимые метрологические характеристики измерительных приборов, обеспечивающие качественное проведение АЭконтроля и достоверную интерпретацию его результатов.

Разработаны требования к приборам для АЭ контроля и даны рекомендации по их использованию.

Проведена экспериментальная проверка предложенной методики на длительно эксплуатируемых промышленных объектах.

Публикации автора по теме диссертации 1. Лузина Н.П. Акустико-эмиссионный метод контроля при оценке степени деградации механических свойств и остаточного ресурса работоспособности трубных сталей // Сборник научных трудов IV Межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. С.213-219.* Лузина Н.П. Идентификация источников акустической эмиссии при контроле трубопроводов на основе комплексных информативных параметров // Сборник тезисов Политехнического Симпозиума «Молодые * За лучший доклад на сессии присвоен диплом 3 степени ученые – промышленности Северо-Западного региона». СПб, 2007. С. 8486.

3. Лузина Н.П. Акустико-эмиссионная диагностика состояния ответственных металлоконструкций // Сборник тезисов научных трудов научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. С. 36-40.

4. Шпигель М.Я., Шалагаев В.В., Кобзарь А.М., Лузина Н.П.

Применение современных компьютерных технологий для информационной поддержки в области промышленной безопасности и повышения эффективности производственного контроля на опасных производственных объектах // Материалы международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза». Уфа, 2008. С. 181-189.

5. Лузина Н.П. Практическое использование метода акустической эмиссии, анализ полученных результатов с применение основных критериев оценки источников АЭ // Сборник научных трудов по результатам V межвузовской конференции молодых ученых в СПбГУ ИТМО. СПб:

СПбГУ ИТМО, 2008. С. 44-48.† 6. Лузина Н.П. Применение метода акустической эмиссии, на основе источников АЭ III – IV класса, полученных при исследовании опасных производственных объектов // Материалы конкурсной программы инновационных проектов ИТЦ СПбГУ ИТМО "УМНИК", 2008.

7. Лузина Н.П. Контроль акустическим методом высокотемпературных объектов // Сборник научных трудов по результатам участия в VI межвузовской конференции молодых ученых в СПбГУ ИТМО.

СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. С. 91-96.‡ 8. Лузина Н.П. Анализ результатов контроля технических изделий методом акустической эмиссии // «Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО». СПб: СПбГУ ИТМО, №3(73)/2011. С.78-83.

† За лучший доклад на сессии присвоен диплом 1 степени ‡ Лучший доклад сессии 9. Ткалич В.Л., Лузина Н.П. Контроль технических изделий методом акустической эмиссии // Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции: в 2 ч. – Ч.1 – Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2011. С.78-85.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., Тел. (812) 233 46 69, Объем 1,0 у.п.л.

Тираж 100 экз.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.