Акустическая эмиссия трубопроводов это

Раздел: Техника

Кузьмин А.Н., Жуков А.В., Аксельрод Е.Г., Шитов Д.В., Кац В.А., Давыдова Д.Г.

ООО «Стратегия НК», Екатеринбург

Возможность метода акустико-эмиссионного контроля (АЭК) по выявлению опасных развивающихся дефектов в металлоконструкциях не вызывает сомнений.

Однако на практике по-прежнему использование метода АЭ связано с набором существенных ограничений, с которыми сталкиваются производители оборудования, а также диагностические и экспертные организации, занимающиеся предоставлением услуг в области АЭК.

В статье анализируются проблемы метода АЭ применительно к опасным производственным объектам (ОПО)нефтегазового комплекса. Указывается, что рассмотренные ограничения носят аппаратурный и методический характер и должны предусматривать комплексное решение в составе технологии АЭК.

На примерах реальных ОПО предложены способы минимизации рассматриваемых проблем метода АЭ. Есть основания полагать, что предложенные методические решения могут быть успешно применены не только на практике, но и при разработке отраслевых методических документов.

Введение

Опасные производственные объекты на химических, нефтехимических и газовых предприятиях топливно-энергетического комплекса в течение всего срока эксплуатации работают в широком диапазоне температурно-силовых режимов и постоянно подвергаются воздействию различного рода агрессивных факторов, в результате чего рост повреждений в материале сосудов и аппаратов давления, резервуарах, трубопроводах, силовых и термокомпенсирующих элементах металлоконструкций может иметь неравномерный, резко ускоряющийся характер [1]. Достоверное диагностирование технического состояния таких объектов невозможно осуществить без надежных интегральных методов неразрушающего контроля (НК) зарождающихся дефектов [2], одним из ведущих среди которых является метод акустической эмиссии (АЭ) [3].

• Достоинства акустико-эмиссионного контроля (АЭК) хорошо известны:
• ·         объект контролируется целиком, включая труднодоступные области;
• ·         контроль можно проводить без вывода объекта из эксплуатации, часто на рабочих режимах, без принудительного изменения давления;
• ·         метод дает возможность не только выявлять, но и классифицировать по степени опасности развивающиеся дефекты.
• Многолетний опыт применения АЭК для опасных производственных объектов нефтегазового комплекса [3,5,9,15] показал, что наиболее характерными источниками акустической эмиссии являются:
• ·         процессы развития трещин, включая трение берегов трещины и разрушение продуктов коррозии в полости трещины;
• ·         разрушение и отслоение в материале конструкции шлаковых и других неметаллических включений;
• ·         утечки через сквозные дефекты, разуплотненную запорную арматуру, фланцы и заглушки;
• ·         процессы химической и электрохимической коррозии.
• Дополнительные сложности при диагностировании создают многочисленные источники шума, неизбежного в условиях производства, которые кардинально влияют на результаты АЭК и их интерпретацию.
• Существует ряд методических неопределенностей, с которыми каждый специалист-практик по АЭК неизменно сталкивается при проведении контроля. Так для трубопроводов (ТП) наземной или подземной прокладки, с различным типом транспортируемой среды:
• ·         отсутствуют или не всегда корректны методические рекомендации по выбору типа датчиков – преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ);
• ·         отсутствуют рекомендации по выбору оптимального расстояния между ПАЭ, учитывающие условия распространения и затухания сигнала АЭ в материале конкретного ТП;
• ·         требуются помехоустойчивые алгоритмы для надежного выделения полезного АЭ сигнала из сигнала помехи в реальном времени и в широком диапазоне отношений сигнал/ шум;
• ·         критерии оценки степени опасности дефектов, предписываемые в действующей нормативно-технической документации (НТД), недостаточно детализированы, что не позволяет достоверно оценивать класс опасности выявленного источника АЭ на конкретном объекте.

В этой связи разработка специализированных технологий АЭ контроля объектов нефтегазового комплекса представляется актуальной задачей, не решенной на сегодняшний день. В настоящей работе сформулированы основные подходы к решению перечисленных выше проблем, представлены и обоснованы современные аппаратурные способы и методические приемы для повышения достоверности и качества АЭК.

Выбор преобразователей для АЭ контроля

По нашему мнению, использование на практике универсальных широкополосных ПАЭ существенно искажает результаты контроля различных ОПО, в некоторых случаях применение таких датчиков вообще не имеет смысла.

В 90% случаев АЭ контроль проводится на тонкостенных объектах контроля (ОК) с толщиной стенки 3–50 мм, расстояние между преобразователями составляет метры и десятки метров, соответственно используются нормальные волны (волны Лэмба), скорость которых зависит от частоты и толщины волновода; для типичных рабочих частот ПАЭ 30–500 кГц длины волн лежат в диапазоне от 5 до 170 мм. Корректность контроля и точность определения координат от дефектов напрямую зависит от выбора рабочего частотного диапазона полосового фильтра и соответствующих этому диапазону характеристик приемного преобразователя АЭ [4].

Различают симметричные Sn и антисимметричные An моды нормальной волны. Как правило, в ОК распространяется линейная комбинация мод различного порядка, при этом основную часть энергии переносят нулевые моды A0 и S0. Поэтому в качестве характерных и основных мод волнового пакета, составляющего сигнал АЭ в тонкостенном ОК, принято рассматривать две начальные нулевые моды нормальных волн Лэмба. 

Особенностью данного типа волн является то, что они отличаются сильной дисперсией –скорость и затухание сигнала зависит от его частоты. Поэтому различные частотные составляющие сигнала приходят на удаленный от источника АЭ приемный преобразователь с разбросом в десятки и сотни микросекунд, что существенно снижает точность локации источника.

В порядке подготовки к контролю АЭ-специалисту следует оценить дисперсию и затухание используемых волн, влияние толщины и кривизны стенок ОК, характеристики материала ОК и после этого выбрать диапазон частот фильтра и соответствующий ему тип ПАЭ [5].

Но в НТД такие требования не прописаны, и при АЭК натурных объектов этому вопросу внимание, как правило, не уделяется. 

 

Рисунок 1. Пример цифровой АЭ системы A-Line 32 DDM семейства Лель пр-ва фирмы «Интерюнис IT», Москва

В настоящее время большая часть серийно выпускаемых измерительных систем АЭ комплектуется одним универсальным типом ПАЭ. Так распространенная на сегодняшний день АЭ система A-Line 32D пр-ва фирмы «Интерюнис-IT», г. Москва (рис.

1) поставляется в комплексе с резонансными широкополосными ПАЭ типа GT 200 (ООО «ГлобалТест», г. Саров). Предлагаемые на рынке аналоги серийных ПАЭ других производителей имеют схожие с GT 200 параметры.

Нами были проведены эксперименты, которые показали необходимость использования для контроля ТП специализированных ПАЭ, которые:

·         корректно адаптированы к условиям эксплуатации ОК;

·         сконструированы с учетом марки стали, толщины стенки ОК, типа транспортируемой среды и т.д.

В качестве примера рассмотрим 17-метровый участок технологического трубопровода, сталь 17Г1С, Ø 520 мм, толщина стенки 8 мм с выявленными дефектами, находящимися на расстояниях L1=1,5 м и L2=7,5 м от начала участка, АЭ система A-Line 32DDM, полоса пропускания фильтра 30 – 250 кГц, ПАЭ GT200 – серийные и SNK-15 – специализированные для контроля протяженных участков трубопроводов (рис. 2). 

Рисунок 2. Преобразователь акустической эмиссии SNK-15, разработанный для протяженных трубопроводных объектов: выше — АЧХ продольной волны; ниже — внешний вид.

 Данные с датчиков обоих типов снимались одновременно. Локации сигналов АЭ (рис. 3), полученные с использованием специализированных ПАЭ SNK-15 (выше), позволяют достаточно точно определить местоположение дефектов, тогда как для стандартных GT200 (ниже) результаты сложно трактовать однозначно.

Дело в том, что ПАЭ GT200 спроектирован с резонансными частотами 180 и 240 кГц, а дисперсионная кривая доминирующей моды S0, рассчитанная для условий эксперимента (рис. 4), имеет максимальную дисперсию скорости в том же частотном диапазоне 180 — 320 кГц.

Именно совпадение резонансных частот ПАЭ GT200 – вполне успешно применяемого в других случаях АЭК – с диапазоном частот сильной дисперсии доминирующей моды So для данного трубопровода и привело к неопределенности картины локации источника АЭ.

 

Рисунок 3. Локационные диаграммы участка технологического трубопровода с дефектами АЭ II-го класса опасности, полученные в рамках синхронной записи для разных типов преобразователей: выше — SNK-15 (Стратегия НК, Екатеринбург); ниже — GT-200 (Глобал тест, Саров).

Рисунок 4. Дисперсионная кривая зависимости скорости симметричной моды Soволны Лемба от частоты полосы пропускания фильтра. Выделенной цветом полосе частот соответствует участок наибольшей неоднородности скорости моды So

Параметры разработанного нами ПАЭ рассчитывались таким образом, чтобы спектр мощности поступающего на вход датчика сигнала приходился на полосу частот 30 — 150 кГц, в котором дисперсия скорости составляющих типов волн Лэмба сигнала АЭ далека от максимальных значений.

Для протяженных ОК точность лоцирования источников АЭ по сравнению с серийными аналогами ПАЭ увеличилась при этом более чем в 2,5 раза. Для приведенного выше примера (рис. 3) местоположение дефекта хорошо согласуется с результатами эксперимента, наибольшему максимуму локаций на представленной для SNK-15 диаграмме отвечает обнаруженный источник АЭ 2-го класса опасности.

Выявленный дефект (рис. 5) представляет собой сеть усталостных трещин, развивающихся по типу коррозионного растрескивания под напряжением.

 

Рисунок 5. Дефект коррозионного растрескивания под напряжением технологического трубопровода, соответствующий обнаруженному источнику АЭ II-го класса опасности

Целенаправленный подбор геометрических параметров пьезоэлемента датчика, материала демпфирующего слоя и толщины протектора, выбор более узкой рабочей полосы частот [6] позволил минимизировать ошибки лоцирования сигнала при АЭ контроле, повысить чувствительность и помехозащищенность ПАЭ. Еще раз подчеркнем, что выбор датчиков имеет принципиальное значение при разработке методик и технологических карт проведения акустико-эмиссионного контроля конкретных типов ОПО.

Рисунок 6. АЭ сигнал, зарегистрированный на расстоянии 42,3 метра от электронного имитатора сигнала АЭ A-Line. Амплитуда сигнала излучателя – 20 В.

Объект контроля – подземный магистральный газопровод диаметром 1020 мм, толщиной стенки 14 мм, материал стали 17Г1С с двухслойной изоляцией поликен: выше – осциллограмма сигнала, ниже – соответствующая Вейвлет-спектрограмма. Данные получены из программы A-Line OSC

Выбор оптимального расстояния между ПАЭ при контроле протяженных объектов

В действующей НТД отсутствуют четкие рекомендации о необходимости определения расстояния между соседними ПАЭ.

На практике же для определения предельно допустимого расстояния между устанавливаемыми на ОК датчиками используют данные по затуханию поверхностных типов волн.

Имитатор Су-Нильсена помещают вблизи ПАЭ и измеряют время прихода сигналов АЭ, полученных от слома грифеля цангового карандаша.

Как уже упоминалось, наиболее эффективными регистрируемыми модами волнового пакета, распространяющего в материале от единичного события источника АЭ в дальней волновой зоне, являются волны Лэмба нулевых порядков, затухание которых зависит от материала трубопровода, свойства грунта, типа и состояния изоляционного покрытия, и т.

д. Для трубопроводов, лежащих на поверхности земли, можно зарегистрировать сигнал АЭ от единичной развивающейся трещины на предельном расстоянии до 100 м, для подземных участков трубопроводов в изоляции этот параметр может изменяться в весьма широких пределах от 10 до 100 м [7].

Проведенные нами исследования также показали [5], что в зависимости от типа изоляционного покрытия ТП коэффициент затухания сигнала АЭ для одних и тех же типов труб, а значит и эффективное расстояние между ПАЭ может изменяться в несколько раз.

Поэтому вопрос предварительной оценки специалистами эффективного расстояния между ПАЭ при контроле ОПО имеет принципиальное значение.

Для анализа свойств распространяющихся в материале сигналов АЭ в ОПО нами используется стандартное программное обеспечение (ПО) A-Line OSC-N, разрабатываемое и поставляемое производителем Интерюнис-IT совместно с системами A-Line 32D. Реализованный в рамках данного ПО алгоритм построения реальных спектрограмм сигнала АЭ основывается на Вейвлет преобразовании и в последних версиях на преобразовании Вигнера — частном случае преобразования Фурье [4].

Последующее наложение на полученные спектрограммы расчетных дисперсионных кривых начальных порядков симметричных и антисимметричных мод волн Лэмба позволяет делать обоснованные выводы об участвующих в излучении эффективных типов волн.

 

Рисунок 7. Преобразование сигнала АЭ с изменением расстояния от источника. Полоса пропускания фильтра аппаратуры на входе сигнала АЭ: 30 – 500 KHz. Расстояние от источника АЭ до приемного преобразователя, метры: а – 11; б – 22; в – 33; г – 44; д – 56. Слева – осциллограммы сигнала, справа – соответствующие Вейалет-спектрограммы. Данные получены из программы A-Line OSC

Рассмотрим некоторые экспериментальные данные на примере подземного участка магистрального трубопровода из легированной стали с газовой средой, Ø 1020 мм, толщиной стенки 14 мм и двухслойной пленочной изоляцией.

В качестве имитирующего модуля сигнала АЭ от трещиноподобного дефекта в эксперименте использован серийный электронный имитатор A-Line со специализированным ПАЭ типа LD-9 производства ООО СКБ «Пьезотех», расположенный на расстоянии 45 м от приемного ПАЭ.

Максимум мощности генерируемого сигнала ПАЭ типа LD-9 смещен в низкочастотную область спектра и находится в диапазоне 60 — 90 кГц. Существенная часть энергии имитирующего сигнала АЭ при этом приходилась на генерацию начальных компонент волн Лэмба [4].

Осциллограмма сигнала АЭ от дефекта (рис. 6) состоит из двух явных максимумов, расстояние между которыми определяется различиями в скорости их распространения, соответствующая Вейвлет-спектрограмма сигнала на рис. 6 ниже также была рассчитана в пакете A-Line OSC-N.

Видно, что экспериментальный сигнал на спектрограмме с ростом расстояния от источника разделяется на две характерные моды, для которых рассчитаны и приведены соответствующие дисперсионные кривые волн Лэмба Aо и Sо. При этом спектрограммы и наложенные дисперсионные кривые на рис.

6 качественно согласуются, а рассчитанное в ПО расстояние до источника по дисперсионным кривым близко к реальному значению, что в совокупности позволяет делать вывод о природе излучаемых волн.

Рисунок 8. Характеристики распространения сигнала АЭ в зависимости от расстояния между источником и преобразователем: выше – затухание; ниже – скорость волны.

В тех же условиях эксперимента определены зависимости затухания и скорости распространения сигнала АЭ от имитатора от расстояния между излучателем и приемником, обе функции имеют ярко выраженный нелинейный характер. Моды Aо и Sо равномерно расходятся (рис. 7), практически не претерпевая существенных изменений при 10

Акустико-эмиссионный контроль и диагностика состояния криогенных газификаторов

Устройство и проблема диагностики криогенных газификаторов

Криогенные газификаторы – оборудование, предназначенное для хранения и транспортировки жидкого кислорода, аргона, азота, а также двуокиси углерода и метана и выдачи их потребителю в газообразном состоянии. Такие газификаторы широко используются как в наземном технологическом оборудовании, так и на летательных аппаратах. 

Газификаторы изготовлены по типу сосуда Дьюара и состоят из внутреннего и наружного сосудов.

Для сосудов, отработавших расчетный срок службы или срок службы которых продлен на основании технического заключения, объем, методы и периодичность технического освидетельствования должны быть определены по результатам технического диагностирования и определения остаточного ресурса. При этом контролю необходимо подвергать внутренний сосуд, который имеет ограниченный или полностью отсутствующий доступ к их поверхности. Гидравлическое испытание криососуда на прочность и плотность не допускается, и при техническом освидетельствовании испытание проводится воздухом или инертным газом с одновременным контролем внутреннего сосуда методом акустической эмиссии (АЭ) и контролем вакуума в теплоизоляционной полости [1].

Метод АЭ состоит в регистрации упругого излучения из материала при его нагружении [2] и является единственным реализуемым методом неразрушающего контроля газификаторов.

Возможность применения метода АЭ при отсутствии непосредственного доступа к контролируемой поверхности объясняется тем, что в конструкции газификаторов имеются технологические элементы и трубопроводы, которые могут выступать в качестве акустических волноводов между внутренней емкостью и кожухом. Кроме того, иногда допускается локальное повреждение внешнего корпуса.

Однако при расшифровке результатов регистрации АЭ возникают проблемы, связанные с влиянием технологических факторов АЭ контроля на рекомендуемые руководящими документами [2, 3] критерии классификации источников АЭ.

Устройство, разнообразие условий пневмоиспытаний газификаторов и установки датчиков АЭ в условиях ограниченной доступности контролируемого внутреннего сосуда показано на рис. 1 и 2. Связанное с этим различие скоростей нагружения, степени отдалённости преобразователей от источников АЭ и пр. приводит к дестабилизации связи этих критериев с остаточным ресурсом газификаторов. 

РИС. 1. Устройство и способы установки пьезопреобразователей (ПАЭ) на элементы криогенных газификаторов: a – устройство газификатора; б – схема расположения сварных швов и ПАЭ внутреннего корпуса газификатора холодного криогенного ГХК-8/1,6-500; в – установка пьезопреобразователей на патрубки газификаторов, г – тоже на цилиндрические волноводы, проведённые до внутреннего корпуса

РИС. 2. Виды диагностического нагружения криогенных газификаторов: а – нагружениес помощью автомобильного компрессора; б – пневматическое нагружение с помощью баллонов, в – тоже с помощью испарителей

Обоснование эффективного подхода к АЭ диагностированию

Слабая помехоустойчивость, краткосрочность прогноза и трудоёмкость обучаемости рекомендуемых методик и критериев классификации источников АЭ пробуждают интерес специалистов АЭ контроля к освоению информативных физических подходов, к АЭ диагностированию.

Согласно информационно-кинетическому подходу [4–8] ресурс большинства длительно нагруженных материалов, конструкций и сооружений определяется моментом накопления критической концентрации микротрещин упругого протекающего процесса микротрещинообразования.

Эталонными представителями прочностных свойств изделия являются его структурные элементы, отобранные из общего их количества по кинетическим и временным критериям подобия с помощью АЭ контроля.

Оценка ресурса технического объекта базируется на концентрационном критерии и экспериментальном определении интенсивности упругого однородного разрушения.

Информативным относительно момента разрушения является время t этой регистрации, информацию о количестве разрушенных структурных элементов несёт параметр x, в качестве которого может выступать число Nå регистрируемых импульсов дискретной АЭ, суммарный счет N АЭ, относительная суммарная амплитуда или комбинация этих параметров. Временная зависимость x(t) в условиях прочностной неоднородности материала имеет вид многоуровневой модели

где kAE – акустико-эмиссионный коэффициент (АЭК), имеющий смысл акустически активного объема материала, наиболее подверженный влиянию шумов и факторов, дестабилизирующих связь С и ξ, ответственный за «метрологическое» преобразование концентрации С рассеяно образующихся в материале разрывов структурных элементов в параметр x АЭ. 

Его величина

гдеV – контролируемый объем материала, макромасштабная величина; Ф(∆t,f,u) – функция плотности распределения сигналов АЭ по длительности пауз ∆t, частоте f и амплитуде u; С0 – начальная концентрация структурных элементов, как правило, микрометрического масштаба; θ – время разрушения микроэлемента, задаваемое формулой Журкова

где U0 – энергия активации процесса разрушения, γ – активационный объем; K – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; ω(t)=γσ(t)/KT – безразмерный параметр прочностного состояния структурного микроэлемента материала объекта, зависящего от структуры и изменяющихся во времени растягивающих напряжений на микроэлементе σ(t); Ψ(ω) – моделирующая прочностную неоднородность функция плотности распределения параметра ω по структурным элементам контролируемого объема V материала. Рассматривались различные виды функции Ψ(ω), и в частности:

• логарифмически-нормальное распределение с функцией плотности

• двухпрямоугольное с весами 0,99¸0,999 и 0,01¸0,001

ω0, ω1 , ω2 –границы рассеяния значений параметра ω соответственно; σ3, μ – параметры функции Ψ(ω).

Соотношение входящих в формулы (3), (4) параметров функции Ψ(w) характеризует степень неоднородности прочностного состояния материала, а их изменение во времени – пластическую перестройку его структуры [6]; параметры (1) t0 и U0 наиболее консервативны, определяются характеристиками межатомного взаимодействия структурного элемента и не зависят от состояния структуры, что придаёт им ценное свойство универсальности, снижающее неопределённость при прогнозировании ресурса. Значения параметра γ ≈ 10–26¸10–29 м3 (активационного объёма) являются характеристикой наноструктуры материала, которая слабо чувствительна к его химической природе. Совместно с напряжениями σ, параметр γ отражает прочностную индивидуальность структурного элемента.

Входящему в формулу (2) интегралу придаётся смысл вероятности регистрации сигналов АЭ, пришедших от источника АЭ, в диапазон регистрируемых измерительной аппаратурой частот f, амплитуд u сигналов АЭ и временны́х интервалов Dt (длительности пауз) между ними.

Стабильность (2) определяет условия метрологического подобия С и ξ, то есть метрологической однородности АЭ контроля, а экспериментальное разделение мелкодисперсного разрушения на неоднородный и однородный этапы по кинетическому признаку из (1) позволяет выделить информативный временной интервал из общего потока сигналов АЭ. Временная зависимость числа импульсов АЭ на этапе наиболее информативного однородного разрушения, регистрируемых, например, при равномерном диагностическом нагружении объекта контроля с постоянной скоростью роста напряжений, будет иметь экспоненциальный вид:  

NΣоднор(t)=kAECKTexp[(γt-U)/(KT)]/(τ γ)

Вытекающие из неё информативные концентрационно-кинетические АЭ показатели прочности, свободные от АЭК и потому устойчивые к влиянию аддитивных помех и дестабилизирующих факторов, представлены в табл. 1.

Пример неразрушающего определения этих показателей при нагружении образцов сварных соединений показан на рис. 3, а их связь с ресурсом и показателями кривой усталости для образцов нахлёсточных сварных соединений показаны на рис.

3, 4, описываемым тем же выражением, что и YAE, при условии, что кривые усталости рис. 4 выражаются формулой Журкова.

Таблица 1. Многомодельные, многоуровневые концентрационно-кинетические АЭ показатели прочности, устойчивые к влиянию дестабилизирующих факторов

АЭ показатель	Микромодель	Наномодель	Макромодель	Размерность
ХАЕ	dlnx(t)/dt	γ /KT	—	С-1
YАЕ	dlnx(t)/ds(t)	γ/KT	YR = dlnNc/dσ	Па-1
kYАЕ	dlnx(t)/dF(t)	kγ/KT	dlnNc/dF	Н-1
WАЕ	dlnξ(t)/dKн(t)	lnNB-lnNраб	—
Примечание.  – скорость роста напряжений, K – постоянная Больцмана, k = σ/F –коэффициент пропорциональности между нагрузкой F (давлением) и номинальными напряжениями, ω-нано-параметр, Kн – коэффициент нагрузки (отношение диагностической нагрузки к рабочей), Nc, Nсраб – число циклов до разрушения и прогнозируемое их количество, YR, NB – параметры кривой усталости материала (рис.   4). , где t0, U0 – стабильные нанопараметры ,tцикл – период цикла нагружения [2, 4–8].

РИС. 3. Алгоритм оценки АЭ показателя прочности kYAE сварного стального образца

РИС. 4. Кривые малоцикловой усталости сварных соединений (по данным [9])

Универсальность значения величины NВ, как отсекаемого экстраполяцией на ось абсцисс системы координат кривой усталости (рис. 4 б, в), объясняется стабильностью величин, входящих в формулу Журкова, описывающую кривую усталости. При постоянных температуре T и периоде τцикл циклического нагружения число NC циклов до разрушения

NC= θ/τцикл = τ/τцикл exp[(U-γσ)/KT], при σ = 0 величина NC= NB, где

• lgNB= lg(τ/τцикл) + 0,43U/(KT).
• Сопоставление выражений
• YAE= dlnNΣоднород/dσ = γ/KT и YR= -dlnNC/dσ = γ/KT,
• а также численных значений параметровYAE (6) и YR (рис. 3 а) обнаруживает их идентичность (YAE= YR= 0,015 МПа-1) и позволяет утверждать об обратной пропорциональности числа NC циклов до разрушения и количества NΣоднород импульсов АЭ, зарегистрированных на этапе однородного разрушения 
• Это свидетельствует о правомочности гипотезы линейного суммирования повреждений на этапе однородного разрушения, позволяющей осуществлять прогноз на основе линейной экстраполяции.
• Ресурс объекта контроля

Диагностические признаки этапов процесса разрушения и обобщённые формулы оценки ресурса представлены в табл. 2.

Таблица 2. Диагностические признаки этапов процесса разрушения и формулы оценка ресурса

Стадия	Этап разрушения	Диагностический признак этапа разрушения	Формула оценки ресурса (T-момент диагностирования)
I	Делокализованное мелкодисперсное неоднородное	d2ξ/dt2  μ; РВП* = var	t* = (1÷10)T
I	Делокализованное мелкодисперсное однородное	d2ξ/dt2 = 0 при σ = const; d2lnξ/dt2 = 0 при σ = const; dkAE/dt = 0; ω2/ω1

Акустико-эмиссионный контроль

ГлавнаяУслугиТехническое диагностирование и экспертиза промышленной безопасности резервуаров и сосудов, работающи

Акустическая эмиссия (АЭ) — явление возникновения и распространения упругих колебаний (акустических волн) в различных процессах, например, например, при деформации напряжённого материала, истечении газов, горении и взрыве и др..

Причиной АЭ является движение среды, что позволяет использовать ее для диагностики процессов и материалов. Например, количественно АЭ — критерий целостности материала, который определяется звуковым излучением материала при контрольном его нагружении.

Эффект акустической эмиссии может использоваться для определения образования дефектов на начальной стадии разрушения конструкции.
 

 

Виды акустической эмиссии

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 не сплошность 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.
7.

Акустическая   эмиссия   при   химических   и электрохимических реакциях — акустическая эмиссия, возникающая в результате  протекания  химических  и электрохимических   реакций,   включая   разнообразные коррозионные процессы.

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

Акустико-эмиссионные комплексы позволяют проводить контроль следующих объектов:

• Сосуды давления
• Резервуары для хранения нефтепродуктов
• Технологические трубопроводы
• Технологическое оборудование компрессорных и газораспределительных станций
• Промысловые и напорные трубопроводы
• Магистральные трубопроводы
• Грузоподъемные механизмы
• Мостовые конструкции
• Железнодорожные цистерны и детали вагонов
• Трубопроводы теплосетей
• Трубопроводы газоснабжения

• Неразрушающий контроль без вывода из эксплуатации: магистральных, промысловых и технологических трубопроводов, сосудов давления, резервуаров, котлов, буровых вышек, кранов, мостов и других объектов.
• Выявление зарождений и развития трещин.
• Поиск мест коррозии, течи, зон с повышенным уровнем напряжения.
• Определение координат и оценка параметров дефектов.
• Отслеживание различных технологических процессов и оценка технического состояния ответственных крупногабаритных конструкций, протяженных или особо опасных объектов в режиме реального времени.

Преимущества и недостатки метода АЭ

Преимущества метода АЭ диагностики:

• Обеспечивает  регистрацию только развивающихся дефектов.
• Обладает высокой чувствительностью к растущим дефектам, соответствует выявлению скачка трещины протяженностью 1 мкм на величину 1 мкм.
• Обладает свойством «интегральности», заключающимся в том, что, используя один или несколько преобразователей АЭ, установленных неподвижно на поверхности объекта, можно проконтролировать весь объект.
• Дистанционность метода. АЭ-контроль можно производить при удалении оператора от контролируемого объекта.
• Для метода АЭ форма, положение и ориентация дефекта не имеют существенного значения.
• Метод АЭ имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой конструкционных материалов, чем другие методы НК.
• Метод АЭ имеет высокое и, возможно, максимальное отношение эффективность / стоимость в области НК и ТД.

Недостатки метода АЭ диагностики:

• Метод предъявляет повышенные требования к квалификации операторов.
• АЭ контроль объектов проводится только при создании или существовании в конструкции напряженного состояния.
• Применение метода АЭ ограничивается в ряде случаев из-за трудности выделения сигналов АЭ на фоне помех.

Состав акустико-эмиссионной системы
 

Акустико-эмиссионный комплекс A-Line 32D (DDM)

1. центральная информационно-вычислительной станция
2. кабель для передачи данных
3. модули сбора данных
4. терминатор линии
5. ПАЭ (преобразователь акустической эмиссии)

 

Примеры применения метода АЭ контроля

Пересечение трубопроводов	КУ и обвязка
Переходы трубопроводов через а/д и ж/д

Отображение данных контроля

Резервуар объемом 10 000 м3 для хранения нефтепродуктов. Дефекты на днище резервуара.
 

• 
  Пылеуловитель КС
   
• Адсорбционная установка

Сосуд высокого давления
Технологические газопроводы и обвязки

   Гибкость и удобство проведения контроля объектов различного типа, формы, протяженности и степени доступности обеспечивается использованием самых различных схем подключения.

Акустико-эмиссионные комплексы, основанные на модульной схеме подключения и на радиоканале позволяют в достаточно широкой степени варьировать способы проведения диагностики, в том числе и организовывать системы непрерывного мониторинга (контроля за техническим состоянием) объектов, что повышает надежность их эксплуатации.

  ООО «НТЦ «Нефтегаздиагностика» применяет в своей работе весь спектр передовых средств неразрушающего контроля.

Приборный состав включает в себя оборудование по визуально-измерительному контролю, ультразвуковому контролю, феррозондовому, магнитному, вихретоковому, внутритрубной дефектоскопии, электрометрическому контролю и акустико-эмиссионному контролю.

  Акустико-эмиссионный (АЭ) метод на сегодняшний день является одним из наиболее перспективных средств неразрушающего контроля объектов самого различного типа.

Международные стандарты по АЭ контролю:
— E569, Standard Practice for Acoustic Emission Monitoring of Structures During Controlled Stimulation
— E650, Standard Guide for Mounting Piezoelectric Acoustic Emission Sensors
— E976, Standard Guide for Determining the Reproducibility of Acoustic Emission Sensors Response
— E1106, Standard Method for Primary Calibration of Acoustic Emission Sensors
— E1211, Standard Practice for Leak Detection and Location Using Surface-Mounted Acoustic Emission
Sensors
— E1419, Standard Test Method for Examination of Seamless, Gas-Filled, Pressure Vessels Using
Acoustic Emission
— E1736, Standard Practice for Acousto-Ultrasonic Assessment of Filament-Wound Pressure Vessels
— E1781, Standard Practice for Secondary Calibration of Acoustic Emission Sensors
— E1930, Standard Test Method for Examination of Liquid Filled Atmospheric and Low Pressure Metal
Storage Tanks Using Acoustic Emission.

-E2374, Standard Guide for Acoustic Emission System Performance Verification.

Отправить заявку на эту услугу

Акустическая эмиссия: прислушаться к объекту и узнать о зарождающихся дефектах

Дефектоскопист.ру

Дефектоскопист > Акустическая эмиссия Из всех видов неразрушающего контроля метод акустической эмиссии (АЭ) – один из самых эффективных способов обнаружения дефектов на ранних этапах формирования. Данная технология используется как для круглосуточного мониторинга, так и для периодического технического освидетельствования и экспертизы промышленной безопасности ОПО (опасные производственные объекты).

Согласно классификации, отражённой в ГОСТ Р 56542-2015, акустико-эмиссионный контроль – пассивный акустический метод.

Его идея в том, чтобы регистрировать и анализировать упругие и переходные волны, которые возникают в теле объекта в связи с изменением его структуры.

Например, в результате возникновения напряжённых состояний, деформаций, истечения жидкой или газообразной среды через сквозные дефекты, кристаллизации материала, внешних механических воздействий и т.д.

Для лучшего понимания неразрушающего контроля, построенного на явлении акустической эмиссии, представим процедуру контроля в виде такой последовательности:

1) на объекте закрепляются пьезоэлектрические АЭ-преобразователи; 2) при образовании трещин, коррозии или ином событии движение частиц, вызванных упругой волной, преобразуются датчиком в электрический сигнал; 3) тот передаётся на многоканальную систему или портативный прибор, проходя через усилитель и прочие «звенья», отделяясь от посторонних шумов; 4) собранные данные подвергаются автоматической и/или ручной обработке с целью локации источников АЭ-сигнала и присвоения класса опасности (I–IV согласно ПБ 03-593-03).

Трубопроводы и иные объекты, которые контролируют методом акустической эмиссии

Технология применяется на ОПО разных категорий, особенно это актуально для нефтегазовой отрасли, взрывопожароопасных и химически опасных производств.

Вот лишь несколько примеров объектов, для безопасности которых активно привлекают технологии АЭ-мониторинга:

• запорно-регулирующая арматура (задвижки, клапаны, краны);
• технологические и магистральные трубопроводы;
• изотермические хранилища;
• наземные резервуары разных типов (в их числе – шаровые газгольдеры, РВС для нефти и нефтепродуктов и прочие ёмкости);
• всевозможные сосуды и аппараты под давлением (фильтры, сепараторы, аммиачные установки) и т.д.

Преимущества и недостатки НК на основе акустической эмиссии

Выбор в пользу АЭ для обеспечения безопасности самых ответственных объектов продиктован тем, что у данного вида НК есть масса достоинств:

• выявление развивающихся дефектов. Их классификация построена не на размерах, а на степени их опасности (критичности). Параметры АЭ-сигналов напрямую связаны с процессами разрушения, а не косвенно о них свидетельствуют, как некоторые виды дефектоскопии;
• высокая чувствительность к растущим дефектам. АЭ способен распознать приращение несплошности всего в доли миллиметра. Если верить теоретическим расчётам, то при максимальной чувствительности метода акустической эмиссии можно фиксировать увеличение трещины протяжённостью 1 мкм также на 1 мкм;
• обнаружение не только трещин и микротрещин, но и расслоений, водородного охрупчивания и прочих повреждений;
• интегральность. Для контроля даже крупных объектов достаточно всего несколько датчиков;
• выявление дефектов независимо от их местоположения, раскрытия и ориентации;
• возможность применения для обследования объектов практически любых конфигураций, из любых материалов;
• возможность проведения одновременно с другими видами испытаний, к примеру, с пневматическими и гидравлическими. Нагружение приводит к напряжённым состояниям в материале. Акустическая эмиссия свидетельствует о возникновении свищей, трещин, поврежденных уплотнителей и пр. Данный вид дефектоскопии делает пневматические и гидравлические испытания более безопасными. Благодаря «чутким» АЭ-датчикам можно определить скорость развития дефекта и заблаговременно остановить процесс нагружения, предотвратив тем самым разрушения и огромный материальный ущерб;
• применимость к самым разными материалам (здесь много меньше ограничений, обусловленных их свойствами и структурой);
• сравнительно простая подготовка объекта к контролю. Для закрепления акустико-эмиссионной антенны (группы из 2 и более датчиков) не требуется доступ ко всей поверхности – только к отдельным участкам. Метод акустической эмиссии может обойтись без возведения строительных лесов, например, при обследовании РВС. Для установки датчиков порой достаточно автомобиля-вышки;
• возможность точной локации дефектов. Тем самым уменьшаются расходы на дополнительные обследования и упрощается проведение ремонтно-восстановительных работ.

АЭ-контроль направлен на оценку остаточного ресурса эксплуатируемых объектов. Метод служит отличным дополнением к другим видам дефектоскопии – ультразвуковому, радиографическому, капиллярному и магнитопорошковому. Акустическая эмиссия как способ диагностики позволяет:

• сканировать всю исследуемую поверхность;
• сокращать объём других методов НК. Если бы не АЭ, то на дефектоскопию уходило колоссальное количество трудовых и финансовых ресурсов, не говоря уже о потерянном времени. Благодаря данному методу всё проще и быстрее. Рентген, УЗК и иные виды дефектоскопии задействуют только на участках с «подозрительными» источниками акустической эмиссии;
• перепроверять результаты дефектоскопии – если есть сомнения в их достоверности;
• отслеживать развитие дефектов, которые ранее обнаружили при помощи иных видов дефектоскопии.

Главный изъян АЭ как метода НК – это шумы. Они бывают электромагнитными и механическими, импульсными и непрерывными. Всевозможные помехи и искажения мешают анализу сигналов акустической эмиссии. Распознать акт АЭ, особенно при очень малом приращении дефекта, бывает нелегко. Впрочем, отчасти данная проблема решается всевозможными фильтрами, а также более тонкой настройкой порога срабатывания для каждого из каналов. Технологии не стоят на месте, и помехозащищённость аппаратуры всё возрастает.

К другим недостаткам можно отнести то, что для проведения АЭ-мониторинга объект должен находиться под нагрузкой. А поскольку каждое нагружение уникально, то воспроизводимость контроля под большим вопросом. Данный вид НК оценивает дефекты «в динамике», не давая никакой информации о геометрических параметрах несплошности. Информативность метода в сравнении с тем же рентгеном несколько ниже.

Для данного вида неразрушающего контроля используются следующие средства:

• преобразователи. Для их закрепления на поверхности могут применяться струбцины, магниты, хомуты и даже клей. Именно от преобразователей зависит чувствительность и диапазон рабочих частот. Датчики для метода акустической эмиссии подлежат калибровке с привлечением эталонных преобразователей. Процедура проводится ежегодно, сведения об этом должны содержаться в паспорте изделия. Стабильный акустический контакт с исследуемым объектом достигается благодаря нанесению машинного масла, эпоксидной смолы без отвердителя, глицерина или иной жидкой среды;
• имитаторы Су-Нильсена (о них чуть ниже);
• оборудование со специальным ПО для обработки данных. Это многоканальные системы с большими вычислительными мощностями, оснащённые предусилителями. Дополнительно предусмотрен блок калибровки системы и блок предварительной обработки и преобразования сигналов. Системы для метода акустической эмиссии подразделяются на стационарные и мобильные. Назначение у них общее – оперативная обработка сведений об энергии импульсов АЭ (так называемый MARSE), их амплитуде, координатах, временных характеристиках, параметрах нагрузки и пр. Данные отображаются в режиме реального времени. Аппаратура должна удовлетворять ряду технических критериев касательно частотного диапазона, амплитудно-частотных характеристик, динамического диапазона, коэффициента усиления предусилителя и пр.

Отдельная категория – агрегаты и механизмы для нагружения объекта в процессе испытаний.

Организация мониторинга ОПО с применением акустической эмиссии

В общем виде технология испытаний предусматривает следующие технологические и организационные этапы.

1. Поступление заявки на контроль от предприятия-заказчика. Первое знакомство с объектом, оценка его пригодности к испытаниям. Определение вида контроля (может быть разовым, разово-периодическим или периодическим) и средств НК (переносных и стационарных).

2. Изучение проектных и технических документов.
3. Разработка программы работ по контролю методом акустической эмиссии. Она, в частности, содержит план мероприятий, которые должен выполнить заказчик. К таковым, например, относится беспрепятственный доступ к местам поверхности объекта, на которых предстоит устанавливать АЭ-датчиков.

   Следует также позаботиться о нагружении объекта по утверждённому графику, двусторонней связи с эксплуатационным персоналом и т.д. Программа подлежит утверждению со стороны организации-заказчика.

4. Изучение объекта и разработка технологии контроля.

   Для этого собирают сведения о материале, из которого выполнен объект, его габаритах и геометрии, рабочей среде, испытательном и рабочем давлении. Дополнительно определяются параметры шумов. Далее подбирают преобразователи акустической эмиссии, способ и схему их крепления, контактную среду, аппаратуру, определяют требования к квалификации персонала.

   Отдельно прорабатывается перечень параметров, подлежащих регистрации, а также классификация источников АЭ с чётко прописанными критериями их оценки.

5. Расстановка преобразователей согласно утверждённой схеме – прямо на поверхности объекта либо с привлечением волновода. Участки, на которых будут размещаться датчики, зачищают старых покрытий.

   Кроме того, метод акустической эмиссии предусматривает предварительную разметку объекта. При этом учитывается затухание материала. Особое внимание уделяется сварным соединениям, околошовной зоне, местам сварки патрубков, ранее отремонтированным и иным зонам повышенного напряжения. При распределении преобразователей стремятся к 100% охвату поверхности.

6. Тестирование и отладка АЭ-каналов. Систему проверяют при помощи имитаторов Су-Нильсена – специальных карандашей с ломающимся грифелем. Это очень важный инструмент для метода акустической эмиссии, без которого невозможно убедиться в достоверности результатов.

   Поэтому пристально следят за тем, чтобы сигналы передавались без искажений, а частота помех оставалась в пределах нормы. Также замеряют амплитуду, частоту выбросов, энергию АЭ и т.д. И так – по каждому каналу. Дополнительно учитывается разброс их чувствительности.

7. Испытания – предварительные и основные, рабочие.

   Нагружение объекта по заранее подготовленному графику (см. п. 3) и параллельно с этим – регистрация АЭ-сигналов. Режим нагружения рассчитывается заблаговременно, исходя из «возраста» объекта, толщины стенки, свойств материалов, условий проведения контроля и пр.

8. Фильтрация помех и шумов – от разбрызгивания жидкости при нагружении, от работающих насосов, воздействия осадков и пр. Это один из самых сложных аспектов метода акустической эмиссии. Чтобы чётко идентифицировать электромагнитные и акустические шумы и не упустить полезные сигналы, прибегают к экранированию, стробированию аппаратуры, всевозможным фильтрам и т.д.

9. Измерение и анализ их характеристик в сопоставлении с параметрами нагружения. На этом же этапе происходит локация источников АЭ-сигналов. При определении координат делается поправка на погрешность измерений, связанную, главным образом, с тем, что реальный путь распространения может отличаться от теоретически рассчитанного.

   По мере регистрации АЭ-сигналов и выделения их параметров данные накапливаются и записываются на цифровых носителях, после чего подвергаются обработке. Специальное ПО для метода акустической эмиссии отображает графики амплитуды сигналов, вычисляет местоположение источников, фиксирует зоны повышенной концентрации (так называемые кластеры индикаций).

   Предполагаемые координаты дефектов сопоставляются с реальной конфигурацией объекта.

10. Присвоение источникам АЭ класса опасности, оценка возможных дефектов и подготовка протокола/заключения/отчёта о состоянии объекта и пригодности к дальнейшей эксплуатации.

    Источники акустической эмиссии относят к I, II, III или IV – соответственно, признавая их пассивными, активными, критически активными либо катастрофически активными. Данная классификация построена на таких показателях, как число импульсов, скорость счёта, суммарный счёт, концентрация источников и т.д.

    В отчёте содержатся идентификационные данные объекта, сведения о задействованных специалистах, наименования и технические характеристики аппаратуры, подробная информация о подготовке к испытаниям и ходе их выполнения. Отчётная документация носит конфиденциальный характер и вместе со всеми рабочими материалами подлежит обязательному хранению в течение 10 лет. Либо – до повторного контроля.

Квалификация специалистов АЭ

Метод акустической эмиссии очень требователен к уровню подготовки персонала. Требуются обширные знания из области акустики, дефектоскопии, механики деформируемых тел. Нужно ориентироваться в явлениях пьезоэлектричества, затухания, дифракции, дисперсии на импульсы и т.д.

Обязательно также иметь представление об акустических величинах, волнах – объёмных, поверхностных, нормальных и пр. Не будут лишними и познания в области материаловедения.

Требования к квалификации специалистов, например, выполняющих контроль машин методом акустической эмиссии, содержатся в ГОСТ Р ИСО 18436-6-2012.

В нём предусмотрено три квалификационных уровня (категории) – I, II и III. Аналогично — в документах по аттестации персонала СДАНК-02-2021 или СНК ОПО РОНКТД-02-2021 (в зависимости от того, в какой Системе НК нужно подтвердить компетенцию, чтобы зайти на объект заказчика).

Если абстрагироваться от разницы между квалификационными уровнями (это тема для отдельной большой статьи), то от специалистов АЭ требуются:

• наличие свидетельства о законченном среднем образовании (минимум), но лучше – диплома университета или иного высшего учебного заведения технической направленности;
• умение выполнять алгебраические операции с применением калькулятора (в том числе операции с логарифмическими и тригонометрическими функциями);
• навыки работа с ПК;
• наличие свидетельства о прохождении курса лекций и технических занятий по методу акустической эмиссии. Длительность составляет от 40 до 120 часов (для разных категорий). По завершении курса нужно сдать экзамен по самой дисциплине и технике безопасности;
• наличие хотя бы минимального стажа в области акустико-эмиссионного контроля. В зависимости от квалификационной категории и Системы НК для получения II уровня по АЭ-методу необходим производственный опыт до 12 месяцев.

На форуме «Дефектоскопист.ру» зарегистрированы сотни специалистов по методу акустической эмиссии и собрано огромное количество полезных материалов. Уже сейчас зарегистрированным пользователям доступны:

• специальный раздел на форуме с более чем 30 обсуждениями. Можно поискать информацию в уже имеющихся темах, а можно создать свою;
• нормативно-техническая документация;
• список учебной, справочной, научной литературы и многое другое.

Чтобы глубже изучать метод акустической эмиссии и иметь возможность проконсультироваться с коллегами по сложным вопросам контроля, просто зарегистрируйтесь на форуме и присоединяйтесь к нашему содружеству в социальных сетях.

Больше информации по теме:

Что собой представляет акустико-эмиссионная система Как работают датчики акустической эмиссии и какие их типы существуют