СПОСОБ И УСТРОЙСТВО АКУСТИКО-ЭМИССИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ДЕФЕКТОВ МОРСКИХ ЛЕДОСТОЙКИХ СООРУЖЕНИЙ
METHOD AND APPARATUS FOR ACOUSTIC EMISSION DIAGNOSIS OF DEFECTS OF OFF-SHORE SLEET-PROOF STRUCTURES

Изобретение относится к области акустико-эмиссионной диагностики и может быть использовано в стационарных системах диагностики морских ледостойких сооружений и в других отраслях.
Известны способы диагностики дефектов в металлических сооружениях, основанных на акустической эмиссии дефектов в виде трещин, раковин, отслоения металла под действием внешних нагрузок, близких к пределу прочности конструкции. Например, известен «Способ исследования дефектов трубопровода и устройство для его осуществления» (патент РФ №2089896).
Это техническое решение может быть использовано не только для выявления потенциально опасных дефектов магистральных трубопроводов, но и, по нашему мнению, может быть применено для контроля и других длинномерных объектов типа мачт или башен.
При контроле объекта к испытуемой конструкции прикладывают внешние растягивающие или изгибающие усилия, под действием которых дефекты начинают распространять колебания типа скрипов, щелчков, тресков. Колебания улавливаются накладными акустико-эмиссионными датчиками и регистрируются в компьютере. Наличие дефектов определяют по амплитуде, частоте, продолжительности, спектральному составу акустической эмиссии.
Применительно к поставленной задаче диагностики дефектов в морских ледостойких сооружениях недостаток данного способа заключается в том, что к сооружению необходимо прикладывать внешние усилия достаточно большой величины, при которых проявляется акустическая эмиссия.
В реальных нефтегазовых сооружениях, работающих в условиях льдообразования Арктики это выполнить практически невозможно.
Известен также «Способ акустико-эмиссионного контроля технического состояния трубопроводов» и его варианты реализации (патент РФ №2207562). Способ заключается в том, что по длине трубопровода размещают акустико-эмиссионные преобразователи (АЭП) звукового диапазона частот, нагружают трубопровод, регистрируют сигналы акустической эмиссии и по параметрам акустической эмиссии определяют степень поврежденности трубопровода. При первичном обследовании сигналы акустической эмиссии записываются на носитель информации, например компакт-диск, и в дальнейшем могут сравниваться с последующими измерениями.
Недостатком прототипа является невозможность обнаружения и диагностики скрытых дефектов, которые в отличие от уже проявлявшихся трещин и разрывов конструктивных элементов не вызывают асимметрии изгибных колебаний и соответственно образования четных гармоник в их спектре. В этом случае скрытые дефекты типа раковин, свищей, отслоения металла, непроварки сварочных швов остаются необнаруженными.
Целью изобретения является повышение надежности обнаружения и диагностики скрытых дефектов морских ледостойких сооружений.
Представленное техническое решение заключается в отфильтровывании периодической составляющей вибрации, обусловленной работой технологического оборудования в звуковом диапазоне частот и выделении инфразвуковых колебаний на собственной резонансной частоте сооружения. Это достигается тем, что в способ акустико-эмиссионного контроля технического состояния конструкции, используемый в качестве прототипа, дополнительно устанавливают в критических узлах конструкции сооружения группу акселерометров (АК), воспринимающих механические напряжения низкочастотных колебаний инфразвукового диапазона частот, усилители инфразвукового диапазона частот и два цифровых фильтра: режекторный - для канала обработки сигналов в звуковом диапазоне частот и полосовой фильтр - для канала обработки сигналов в инфразвуковом диапазоне частот.
Преимущество предлагаемого способа и устройства заключается в том, что его использование позволяет обнаруживать и оценивать не только явные, уже проявившиеся дефекты, но и скрытые дефекты. При этом в качестве нагружающих усилий, вызывающих акустическую эмиссию, используются не специальные технические средства, а естественные колебания сооружения под действием ледовых, волновых и ветровых нагрузок. В штилевые периоды, когда такие нагрузки не действуют, потенциальные дефекты конструкции не проявляются, но и не вызывают опасений.
Принцип действия предлагаемого способа основан на том, что сигналы акустической эмиссии дефектов звукового диапазона частот имеют тесную корреляционную связь с причиной их вызывающей, то есть с изгибными низкочастотными колебаниями сооружения в инфразвуковом диапазоне частот. При этом корреляционная связь проявляется в том, что звуковые колебания от дефектов образуются только в определенной фазе низкочастотных колебаний, как правило, в моменты наибольших механических напряжений. Повторяемость таких колебаний позволяет их надежно обнаружить и выделять на фоне превосходящих по амплитуде шумов другого происхождения методом взаимного корреляционного анализа.
Предлагаемый способ позволяет определить координаты выявленных дефектов. Для этого на сооружении устанавливают не один, а группу акустико-эмиссионных преобразователей звукового диапазона частот, равномерно разнесенных по высоте или по горизонту конструкции. Координаты дефектов определяют по разности временных задержек звукового сигнала от дефекта до рядом расположенных по вертикали или по горизонтали АЭП. Временные задержки определяют также корреляционным методом, при этом функцию корреляции вычисляют между сигналами отдельных АЭП.
Техническая реализация способа предполагает установку на сооружении двух групп датчиков различного назначения. Группа АЭП регистрирует колебания звукового диапазона частот, которые обусловлены общим шумовым фоном сооружения, а также возможными сигналами акустической эмиссии дефектов, а группа акселерометров регистрирует низкочастотные колебания сооружения инфразвукового диапазона, вызванные ледовыми, волновыми и ветровыми нагрузками. Количество датчиков в каждой группе может составлять от единицы до n и зависит от габаритов и конструктивных особенностей сооружения. Решение технической задачи по обнаружению и выделению информативной части сигналов усложняется высоким уровнем помех. Вибрационные помехи звукового диапазона обусловлены шумами технологического оборудования, входящего в состав сооружения. Наибольший уровень помех, многократно перекрывающий сигналы акустической эмиссии дефектов, как по амплитуде, так и по спектру частот, дают работающие двигатели, компрессоры, буровое оборудование, электростанции.
Акселерометры также воспринимают шумы технологического оборудования и нуждаются в защите от помех. Защита сигналов от акустико-эмиссионных преобразователей звукового диапазона с помощью традиционных частотных фильтров не представляется возможной, поскольку частотные спектры информативного сигнала и помех взаимно перекрываются. Предлагается применить режекторные цифровые фильтры, которые вырезают из спектра частот гармонические составляющие сигнала большой амплитуды и фиксированной частоты, обусловленные работой механизмов с четко выраженным ритмом работы. Такая мера позволяет значительно снизить суммарную мощность помех и тем самым повысить отношение полезного сигнала к шумам. Цифровые фильтры имеют преимущество перед аналоговыми в возможности из оперативной перестройки по частоте программными средствами.
Акселерометры должны воспринимать только узкую полосу частот, соответствующую первой моде собственных резонансных изгибных колебаний сооружения. Для выделения полезного сигнала из помех в группе акселерометров предполагается применить полосовые цифровые фильтры с центральной частотой, соответствующей первой моде собственных частот колебаний сооружения.
Цифровой полосовой фильтр также может оперативно перестраиваться по частоте программными средствами, если в процессе эксплуатации резонансная частота сооружения изменяется, например, вследствие изменения нагрузки технологическим оборудованием.
Таким образом, технический результат изобретения, заключающийся в возможности обнаружения и диагностики скрытых дефектов сооружения методом корреляционного анализа сигналов акустической эмиссии, достигается в том числе тем, что акустико-эмиссионные преобразователи звукового диапазона и акселерометры инфразвукового диапазона дополнены соответственно режекторными и полосовыми цифровыми фильтрами, позволяющими оперативно перестраивать их по частоте программными средствами.
Блок-схема устройства акустико-эмиссионной диагностики дефектов морских ледостойких сооружений приведена на Фигуре.
В состав устройства входят группа акустико-эмиссионных преобразователей звукового диапазона частот 1 и группа акселерометров инфразвукового диапазона частот 2 с подключенными к ним усилителями звукового и инфразвукового диапазона частот 3 и 4 соответственно и многоканальными аналого-цифровыми преобразователями 5. К выходам аналого-цифровых преобразователей (АЦП), подключены режекторные цифровые фильтры (РЦФ) 6 и полосовые цифровые фильтры (ПЦФ) 7. Выходы цифровых фильтров подключены к компьютеру 8 кабельными линиями. Блок питания (БП) 9 служит для обеспечения работы устройства необходимым напряжением постоянного тока.
Работа устройства происходит в следующей последовательности. Под действием ледовых нагрузок, волнения или ветра морское сооружение испытывает изгибные низкочастотные раскачивания с собственными резонансными частотами в диапазоне от 0 до 1 Гц. При некоторой достаточно большой амплитуде колебаний механические напряжения в критичных узлах конструкции достигают значений, при которых явные и скрытые дефекты начинают издавать звуковые колебания. Эти колебания вместе с шумами технологического оборудования воспринимаются АЭП, преобразуются в цифровую форму и регистрируются в компьютере. Из спектра частот удаляются режекторными фильтрами гармоники большой амплитуды и фиксированной частоты, обусловленные работой технологического оборудования. Фильтры программно перестраиваются командами компьютера на реальные частоты помех технологического оборудования.
Акселерометры улавливают низкочастотные колебания сооружения на собственной резонансной частоте. Выходные сигналы этих датчиков отфильтровываются от помех полосовыми цифровыми фильтрами. Фильтры оперативно подстраиваются на резонансную частоту колебаний сооружения командами от компьютера. Отфильтрованные сигналы звуковых частот от акустико-эмиссионных преобразователей и сигналы низкочастотных колебаний сооружения от акселерометров подвергаются математической обработке в компьютере.
Компьютер вычисляет сначала первую, затем вторую функции взаимной корреляции. Первая функция взаимной корреляции вычисляется между сигналом, поступающим от каждого канала звуковой частоты, включающего в себя: АЭП, усилитель звукового диапазона частот, АЦП и режекторный фильтр и усредненным сигналом от всех каналов инфразвукового диапазона частот. В канал инфразвукового диапазона частот входят: АК, усилитель инфразвуковых частот, АЦП и полосовой фильтр. Наличие одного или более максимумов первой функции взаимной корреляции означает обнаружение акустической эмиссии и соответствующего ей дефекта. Амплитуда максимума соответствует размерам и стадии развития дефекта, а форма максимума и его длительность характеризуют вид дефекта. Вторая функция взаимной корреляции вычисляется между сигналами, поступающими от каждой пары ближайших АЭП звукового диапазона частот. Положение максимумов на оси времени второй взаимно-корреляционной функции дает оценку разности временных задержек сигналов от каждой пары АЭП, что позволяет вычислить координаты дефектов.
Данные о выявленных дефектах и их характеристиках сохраняются в базе данных компьютера для последующего анализа и прогнозирования возможных аварийных ситуаций.
Введение инфразвукового канала обнаружения дефектов в узлах конструкции сооружения позволяет более качественно и надежно обнаруживать не только явные, уже проявившиеся дефекты, но и скрытые дефекты, проявляющиеся через акустическую эмиссию.
Кроме того, введение режекторных и полосовых цифровых фильтров дает возможность оперативно их перестраивать с помощью команд с компьютера на реальные резонансные частоты помех технологического оборудования, которые могут изменяться в процессе эксплуатации.
Основной экономический эффект заявленного изобретения состоит в том, что обеспечивается обнаружение дефектов конструкции сооружения на ранней стадии их развития и своевременно можно предотвратить возможность разрушения конструкции сооружения, работающей в условиях льдообразования Арктики под воздействием ледовых, волновых и ветровых нагрузок, тем самым предотвращает риск возникновения экологического масштабного загрязнения морской среды.