Акустико-эмиссионный контроль

АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ  КОНТРОЛЬ

     Акустическая  эмиссия представляет собой явление  генерации волн напряжений, вызванных  внезапной перестройкой в структуре  материала. Классическими источниками  АЭ является процесс деформирования, связанный с ростом дефектов, например, трещины или зоны пластической деформации. Внезапное  движение источника эмиссии вызывает возникновение волн напряжений, которые распространяются в структуре материала и достигают пьезо-электрического преобразователя. По мере роста напряжений, активизируются многие из имеющихся в материале объекта источников эмиссии. Электрические сигналы эмиссии, полученные в результате преобразования датчиком волн напряжений, усиливаются, регистрируются аппаратурой и подвергаются дальнейшей обработке и интерпретации.

     Итак, источником акустико-эмиссионной энергии  служит поле упругих напряжений в  материале. Без напряжений нет и  эмиссии, поэтому АЭ контроль обычно проводится путем нагружения контролируемого  объекта. Это может быть проверочный  контроль перед запуском объекта, контроль изменений нагрузки во время работы объекта, испытания на усталость, ползучесть или комплексное нагружение. Очень часто конструкция нагружается произвольным способом. В этом случае использование АЭ контроля позволяет получать дополнительную ценную информацию о поведении конструкции под действием нагрузки. В других случаях эмиссия используется по причинам экономичности и безопасности; для таких задач разрабатываются специальные процедуры нагружения и тестирования.

Взаимосвязь с Другими Методами Контроля

     Акустическая  эмиссия отличается от большинства  методов неразрушающего контроля (МНК) в двух ключевых аспектах. 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 АЭ обнаруживает движение дефекта, а не статические неоднородности, связанные с наличием дефектов, т.е. АЭ обнаруживает развивающиеся, а потому наиболее опасные дефекты.

     Как известно среди МНК не существует ни одного такого метода, который мог бы решить проблему оценки целостности объекта оптимально с учетом таких основных факторов, как получение наиболее низкой себестоимости работ и достижения технической адекватности результатов контроля. Лучшим решением проблемы является применение комбинации различных методов НК. Благодаря тому, что АЭ резко отличается по своим возможностям от традиционных методов контроля, на практике оказывается очень полезным совмещать АЭ с другими методами.

     Основное  преимущество метода АЭ связано с возможностью проведения неразрушающего контроля всего объекта целиком за один цикл нагружения. Данный метод является дистанционным, он не требует сканирования поверхности объекта для поиска локальных дефектов. Необходимо просто правильным образом расположить нужное число датчиков и использовать их для осуществления локации источника волн напряжений. Возможности, связанные с дистанционным использованием метода, дают большие преимущества по сравнению с другими методами контроля, которые требуют, например, удаления изоляционных оболочек, освобождения контейнеров контроля от внутреннего содержания или сканирования больших поверхностей.

     Типичный  пример использования АЭ заключается  в определении местоположения дефектных участков, после чего для более точного определения природы дефектов используются другие МНК.

Диапазон  Применения Метода

     Явление акустической эмиссии наблюдается  в широком диапазоне материалов, структур и процессов. Наиболее крупномасштабная АЭ связана с существованием сейсмический волн, в то время как наименьший масштабный уровень эмиссии вызывается дислокационным движением в нагруженных металлических структурах. Между этими двумя видами АЭ существует широкий диапазон масштабов эмиссии, от лабораторных испытаний до промышленного контроля. При лабораторных испытаниях использование АЭ контроля ставит своей целью изучение процессов деформации и разрушения материала. Метод позволяет в реальном времени по сигналам эмиссии наблюдать за поведением материала при нагружении. Поскольку АЭ отклик зависит от структуры материала и режима деформирования, разные материала при различных способах нагружения в сильной степени отличаются друг от друга по своему акустико-эмиссионному поведению.

     Существует 2 основных фактора, приводящих к высокой эмиссивности – это хрупкость и гетерогенность материала. Вязкие механизмы разрушения, например, слияние пор в мягких сталях, напротив, приводят к низкой эмиссивности (по энергии и числу сигналов).

     При тестировании продукции метод АЭ используется для проверки и контроля сварных соединений, термически сжатых бандажей. Метод также используется во время операций, связанных с формообразованием, таких как уплотнение или при прессовании. В целом АЭ контроль может применяться во всех случаях, когда имеют место процессы нагружения, приводящие к постоянному деформированию материалов.

     При тестировании конструкций АЭ используется для контроля сосудов давления, хранилищ, труб и трубопроводов, авиационных  и космических аппаратов, электрических  заводов, мостов, железнодорожных цистерн и вагонов, грузовых транспортных средств, а также многих других типов объектов. АЭ контроль производится и на новом, и на бывшем в эксплуатации оборудовании. Он включает обнаружение трещин, сварных дефектов и других. Процедуры, связанные с использованием АЭ метода были опубликованы Американским Обществом Инженеров Механиков (American Society Mechanical Engineering – ASME), Американским Обществом Контроля и Материалов (American Society for Testing and Materials – ASTM) и другими организациями.

     Успешные  результаты конструкционного тестирования можно наблюдать в тех случаях, когда возможности и достоинства  метода АЭ правильно используются в  контексте конкретных исследований и когда применяются корректные технические решения и специализированное оборудование АЭ.

     Акустико-эмиссионная  аппаратура является чрезвычайно чувствительной к любым видам структурных  перемещений в широком частотном  диапазоне работы (обычно от 20 кГц  до 1200 кГц). Оборудование способно регистрировать не только рост трещин или развитие пластической деформации, но и процессы затвердевания, кристаллизации, трения, ударов, течеобразований и фазовых переходов. Ниже перечислены основные приложения, в которых используется АЭ метода контроля:

     • Контроль процесса сварки

     • Контроль износа и соприкосновения  оборудования при автоматической механической обработке

     • Контроль износа и потерь смазки на объектах, связанных с вращением  и трением компонент

     • Детектирование потерянных частей и  частиц оборудования

     • Обнаружение и контроль течей, кавитации  и потоков жидкости в объектах

     • Контроль химических реакторов, включающий контроль коррозионных процессов, жидко-твердого перехода, фазовых превращений.

     Когда процессы типа ударов, трения, течей  и другие возникают на фоне контроля развития трещин и коррозии, они становятся источниками нежелательных шумов. Было предложено множество различных технических решений с целью снижения и избавления от этих шумовых помех. Следует заметить, что шумы являются основной преградой на пути широкого использования АЭ в качестве метода контроля. Важной задачей является их исследование и по возможности устранение с целью повышения чувствительности метода.

Шумы

     Одной из важнейших проблем АЭ технологии является предохранение от шумов. Огромный прогресс наблюдается с тех пор, когда в начале 70-х для избежания регистрации помех от уличного транспорта и работающего в дневное время технологического оборудования, АЭ эксперименты проводились по ночам в подземных лабораториях на малошумящих испытательных машинах.

     Использование современных технологий АЭ контроля сегодня позволяет проводить  измерения также и на шумных объектах.

     Первый  шаг АЭ контроля заключается в  выборе подходящего частотного диапазона  тестирования. Акустический фоновый шум, как известно, является более высоким на низких частотах. Практически для 90% испытаний подходящий частотный диапазон заключен между 100 и 300 кГц. В шумящей среде (например, на электрических силовых станциях) для снижения шумов, исходящих от потоков жидкости, необходимо работать на более высоких частотах, в районе 500 кГц. Вследствие того, что использование высоких частот приводит к снижению диапазона обнаружения (расстояния между приемными датчиками уменьшается), между частотным диапазоном и ограничением шумов существует связь.

     К источникам акустических шумов относятся  потоки жидкости в насосах и задвижках; процессы трения, например, трение конструкций  в местах опор; процессы, связанные  с ударами, например, капли дождя  или биение кабеля о конструкцию под воздействием порывов ветра. К источникам электрических и электромагнитных шумов можно отнести земляные контуры, включенные силовые цепи, радио и навигационные передатчики, а также электрические штормы.

     Существуют  различные пути решения проблемы снижения шумов. Во-первых, иногда шум можно снизить или даже прервать непосредственно в источнике. Во-вторых, воздействие акустического шума можно ограничить путем создания демпфирующих барьеров в стратегических точках конструкций. Проблема снижения электрических шумов, которая возникает в основном в связи с недостаточным заземлением и экранированием, решается при помощи использования правильных технологий, например, за счет применения дифференциальных датчиков или совмещенных датчиков со встроенными предусилителями. Если использование таких датчиков не позволяет окончательно решить данную проблему, ее приходится решать уже на программном и/или аппаратном уровне.

     Для получения удовлетворительной чувствительности часто используется технология плавающего порога, которая является весьма эффективной при условии, что не происходит существенной потери АЭ данных. Развиваются методы выборочного отбора и записи данных, базирующиеся на факторах времени, нагрузки или местоположения в пространстве. Кроме того, в связи с тем, что источники шумов по характеристикам формы сигналов отличаются от настоящей эмиссии, связанной с дефектами, их отделяют путем реализации и использования математических методов дискриминации на компьютере. Такую машинную обработку можно проводить и сразу же после измерения, и во время процесса отображения информации (графического фильтрования), и уже после испытаний в процессе послетестовой обработки, используя программы послетестовой фильтрации или специального пакета, предназначенного для анализа формы сигналов.

     Благодаря развитию и использованию этих методик, АЭ контроль внедрился в разнообразные  сферы производства и в дальнейшем можно ожидать продолжение этого  процесса. В качестве примеров приложений, в которых снижение шума являлось ключом к успешному использованию АЭ контроля, можно назвать мониторинг в процессе сварки и обнаружение усталостных растущих трещин в конструкции летящего самолета.