СПОСОБ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ
METHOD FOR ACOUSTIC EMISSION CONTROL

Изобретение относится к акустико-эмиссионному (АЭ) методу неразрушающего контроля и диагностики и может быть использовано для определения степени опасности развивающихся дефектов, снижающих прочность изделия типа сосуда, аппарата, трубопровода, подъемной машины, мостовой конструкции.
При проведении прочностных испытаний изделия, совмещенных с акустико-эмиссионным контролем, опасный развивающийся дефект (трещина) проявляет себя в материале изделия (объекта контроля) как источник АЭ, характеризующийся множеством единичных актов АЭ. В процессе АЭ контроля определяют местоположение источника АЭ и параметры сигналов АЭ, которые соответствуют единичным актам АЭ. Совокупность параметров сигналов составляет образ источника АЭ. По образу источника АЭ с учетом местоположения источника АЭ определяют степень опасности дефекта.
При развитии дефекта, когда его размеры приближаются к критическому значению, темп генерации единичных актов АЭ возрастает, что находит отражение в параметрах сигналов АЭ и является признаком наличия в изделии опасного развивающегося дефекта. Таким образом, возможность достоверного определения степени опасности дефекта зависит от полноты отражения единичных актов АЭ, характеризующих дефект как источник АЭ, в параметрах сигналов АЭ, зарегистрированных из области расположения дефекта, т.е. в образе источника АЭ.
При реализации акустико-эмиссионного контроля изделия полнота отражения единичных актов АЭ в образе источника АЭ затруднена следующими обстоятельствами. Во-первых, регистрацией акустических и электромагнитных шумов. Во-вторых, переотражением акустических волн, переносящих сигналы АЭ в изделии. В-третьих, физической особенностью акустических волн, которая проявляется в том, что разные типы волн распространяются с разной скоростью (продольные, поперечные, поверхностные, моды волн Лэмба), а также дисперсией волн Лэмба (зависимостью скорости распространения волны от частоты). В известных способах акустико-эмиссионного контроля в недостаточной мере учитывается последнее обстоятельство, поскольку способы основаны на тезисе о постоянстве скорости акустических волн, генерируемых единичными актами АЭ конкретного источника АЭ.
Так, например, известен способ акустико-эмиссионного контроля (см. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. Применение для испытания материалов. Издательство стандартов, 1976, стр.51-66, 181-192), заключающийся в том, что:
- размещают на поверхности объекта контроля приемные преобразователи,
- определяют наиболее вероятную скорость акустических волн в объекте контроля,
- определяют время прихода сигналов АЭ на преобразователи,
- фильтруют сигналы по признакам принадлежности к единичному акту в источнике АЭ,
- определяют местоположение источника АЭ по совокупности точек на поверхности объекта контроля, координаты которых соответствуют единичным актам АЭ,
- определяют образ источника АЭ по параметрам сигналов АЭ, зарегистрированных одним или несколькими преобразователями,
- определяют степень опасности дефекта по образу источника АЭ с учетом местоположения источника АЭ.
При размещении преобразователей их объединяют в локационные группы. В случае линейной локации группа состоит из двух преобразователей, в случае планарной локации в группе не менее трех преобразователей.
Наиболее вероятную скорость акустических волн (скорость звука) в объекте контроля определяют по результатам измерений времени прохождения сигнала АЭ между двумя преобразователями. Измерения многократно повторяют, результаты усредняют.
Сигналы фильтруют по временным признакам, при этом используют наиболее вероятную скорость акустических волн.
Местоположение источника (координаты точек) определяют по разности времен прихода сигналов на преобразователи локационной группы, используя наиболее вероятную скорость волн. При этом координаты части точек, соответствующих единичным актам АЭ, генерирующим акустические волны со скоростями, отличающимися от наиболее вероятной, определяются ошибочно.
Образ источника АЭ определяют по совокупности всех сигналов АЭ, поступивших на преобразователь, в том числе сигналов помех, переотраженных сигналов. Результаты локации источника АЭ при этом не используются.
Степень опасности дефекта определяют по образу источника АЭ с учетом результатов локации. Например, если местоположение источника АЭ локализовано достаточно четко, это повышает достоверность определения степени опасности дефекта.
Данному способу присущи следующие недостатки.
Первый из них заключается в том, что фильтрацию сигналов и определение местоположения источника АЭ производят, используя единственное значение скорости акустических волн. Это уменьшает достоверность определения степени опасности дефекта, поскольку уменьшается достоверность определения местоположения дефекта как источника АЭ и достоверность определения образа источника АЭ.
Использование единственного (наиболее вероятного) значения скорости обусловлено допущением, что все единичные акты источника АЭ генерируют (испускают) упругие (акустические) волны, обладающие одинаковой скоростью распространения. Однако в ряде случаев это не соответствует действительности. Так большинство изделий (сосуды, аппараты и др.) имеют сравнительно тонкую металлическую стенку, обуславливающую распространение акустических волн в виде волн Лэмба. Например, при толщине стенки 15 мм и диапазоне рабочих частот от 30 кГц до 500 кГц сигналы АЭ могут переноситься двумя модами, каждая из которых обладает дисперсией (фиг.3). Из этого следует, что единичные акты источника АЭ способны генерировать волны, скорость которых от акта к акту может меняться в диапазоне от 1800 м/с до 5300 м/с (такая возможность с точки зрения акустики не запрещена).
С учетом физических особенностей волн Лэмба рассмотрим эксперименты по определению скорости распространения акустических волн (скорости звука). Единичные акты источника АЭ многократно имитируют изломами грифеля карандаша в некоторой точке на поверхности изделия (источник Су-Нильсена). Несмотря на высокую степень повторяемости условий генерации акустических сигналов, скорость распространения волн в каждом случае излома грифеля разная. Разброс скорости в одной серии измерений может достигать 20% (фиг.2). Это можно объяснить возбуждением моды волны Лэмба при изломах грифеля на разных участках ее дисперсионной кривой. Высокая степень повторяемости условий генерации в серии экспериментов обусловлена конкретной точкой поверхности изделия, в которой выполняют изломы грифеля, и однотипностью прочностных условий изломов.
Реальный опасный развивающийся дефект (трещина, например) обладает значительно меньшей степенью повторяемости условий генерации акустических сигналов в каждом единичном акте АЭ, сопровождающем его развитие, чем изломы грифеля. Скачки трещины происходят не в одной и той же точке, а на отдельных участках ее фронта, длина фронта опасной трещины в стенке толщиной 15 мм может составлять от 10 мм до 50 мм и более. Разные участки фронта конкретной трещины могут быть расположены у поверхности стенки и в глубине стенки, что влияет как на акустические, так и на прочностные условия генерации. Все это создает условия генерации единичными актами АЭ разных мод и одной моды на разных участках ее дисперсионной кривой.
Второй недостаток рассматриваемого способа заключается в том, что при определении образа источника АЭ не используют результаты локации источника. Это приводит к завышению значений параметров сигналов АЭ, формирующих образ источника, за счет переотраженных сигналов, и к искажению значений параметров в случае регистрации сигналов помех. Положительная сторона связана с тем, что образ источника формируется параметрами всех сигналов АЭ, вне зависимости от скорости их распространения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является способ АЭ контроля (см. Иванов В.И., Власов И.Э. Неразрушающий контроль. Справочник под ред. В.В.Клюева. Том 7. Метод акустической эмиссии. Книга 1. Москва. Машиностроение. 2006, стр.170-179), заключающийся в том, что:
- размещают на поверхности объекта контроля приемные преобразователи,
- определяют наиболее вероятную скорость акустических волн в объекте контроля,
- определяют время прихода сигналов АЭ на преобразователи,
- фильтруют сигналы по признакам принадлежности к единичному акту в источнике АЭ. При этом сигналы фильтруют как по временным признакам с использованием наиболее вероятной скорости акустических волн, так и по признакам «похожести» сигналов, поступивших на группу преобразователей (корреляционный, спектральный и другие виды анализа).
- определяют местоположение источника АЭ по совокупности точек на поверхности объекта контроля, координаты которых соответствуют единичным актам АЭ,
- уточняют местоположение источника АЭ объединением точек в кластер по признакам плотности группировки точек на поверхности объекта контроля,
- определяют образ источника АЭ и степень опасности дефекта по параметрам сигналов АЭ, соответствующим единичным актам АЭ в выделенном кластере.
В зависимости от условий, по которым точки объединяют в кластер, он может менять свои размеры. Более жестким условиям соответствуют меньшие размеры кластера с меньшим количеством точек в нем. Это повышает достоверность определения местоположения источника АЭ, однако искажает образ источника АЭ, поскольку исключает из кластера часть точек, относящихся к источнику АЭ, но удаленных от центра кластера в силу ошибочного определения координат точек по наиболее вероятной скорости, а не по истинной.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение достоверности контроля за счет определения образа источника АЭ с учетом более полного количества единичных актов АЭ данного источника, что повышает достоверность определения степени опасности дефекта.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что:
- размещают на поверхности объекта контроля приемные преобразователи,
- определяют наиболее вероятную скорость акустических волн в объекте контроля,
- определяют время прихода сигналов АЭ на преобразователи,
- фильтруют сигналы по признакам принадлежности к единичному акту в источнике АЭ,
- определяют местоположение источника АЭ как координаты точек на поверхности объекта контроля, соответствующие единичным актам АЭ,
- уточняют местоположение источника АЭ объединением точек в кластер по признакам плотности группировки точек на поверхности объекта контроля,
- определяют интервалы возможных значений скорости акустических волн. Например, исходя из фиг.3, интервал возможных значений скорости в заданном диапазоне рабочих частот от 30 кГц до 500 кГц может быть выбран в пределах от 1800 м/с до 5300 м/с.
- определяют скорость волн рядом из N значений скорости в выбранных интервалах. В интервале от 1800 м/с до 5300 м/с скорость может быть задана рядом из 36 значений, каждое последующее больше предыдущего на 100 м/с. В интервале скоростей от 2300 м/с до 2800 м/с (фиг.2) скорость может быть задана рядом из 6 значений, отличающихся на 100 м/с. В интервалах от 4000 до 4400 м/с может быть задано 5 значений, отличающихся на 100 м/с (фиг.2),
- для каждого единичного акта АЭ, соответствующего точке на поверхности объекта контроля, находящейся вне кластера, определяют координаты N точек для каждого из N значений скорости. Данная операция может быть прервана, если очередная точка попадает в кластер,
- включают единичный акт АЭ в источник АЭ, если хотя бы одна из N точек попадает в кластер. Возможен вариант, когда из ряда N точек несколько точек попадают в кластер. В этом случае включают одну из точек, например, наиболее близкую к центру кластера,
- определяют образ источника АЭ и степень опасности дефекта с учетом всей совокупности единичных актов АЭ, включенных в кластер. Если количество точек в кластере увеличилось, то точность определения образа источника АЭ возрастет, поскольку при его формировании будет учтено большее количество актов АЭ источника АЭ. Кластеризация может быть выполнена повторно для уточнения границ кластера.
Сущность заявленного способа поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг.1 - схема расположения преобразователей и точек имитации сигналов АЭ в местах изломов грифеля (точки А и В) на листе толщиной 15 мм в эксперименте по измерению скорости волн, где точка А показана на поверхности пластины, а точка Б - на ее торце в средней части по толщине;
- на фиг.2 - гистограмма скорости, измеренной в точках А и В (фиг.1) в двух интервалах скоростей: 1 интервал - от 2300 до 2800 м/с.; 2 интервал - от 4000 до 4400 м/с.;
- на фиг.3 - расчетные графики групповой скорости V волн Лэмба в зависимости от частоты f (толщина пластины 15 мм, материал алюминий).
На графике в диапазоне от 30 до 500 кГц скорость распространения моды А0 может находиться в интервале 2810-3140 м/с, моды S0 в интервале 1765-5288 м/с.
На графиках представлены 3 области, каждой из которых соответствует свой интервал скорости:
область 1 - от 4000 до 4400 м/с,
область 2 - от 2300 до 2800 м/с,
область 3 - от 2300 до 2800 м/с.
исп
Способ будет более понятен из приведенного ниже примера. Способ был реализован на емкости, выполненной из алюминиевого сплава с толщиной стенки 15 мм, подготовленной к АЭ контролю, совмещенному с испытанием емкости внутренним гидравлическим давлением (испытательным давлением) Р.
На внешней стороне стенки устанавливали три преобразователя АЭ. Преобразователи образуют триангуляционную группу в виде треугольника со сторонами 500 мм. Внутри группы на внешней поверхности стенки выполнен острый фрезерованный надрез, представляющий собой имитатор опасного развивающегося трещиновидного дефекта.
При задании наиболее вероятной скорости волны и интервалов ее возможного изменения использованы результаты эксперимента на пластине (фиг.1, 2, 3). Наиболее вероятная скорость составила 2700 м/с, данное значение скорости задано акустико-эмиссионной системе, регистрирующей сигналы АЭ. Интервалы возможных значений скорости акустических волн определены в пределах от 2300 м/с до 2800 м/с и от 4000 м/с до 4400 м/с.
исп
Проведена регистрация сигналов АЭ при иагружении емкости давлением Р. Для зарегистрированных сигналов определено время прихода сигналов АЭ на преобразователи, проведена фильтрация сигналов, определены координаты точек на развертке емкости, соответствующие единичным актам АЭ. Зарегистрировано 15 точек, 9 из них объединены в кластер по признаку удаленности любых двух точек друг от друга на расстояние, не превышающее 30 мм; 6 точек находятся вне кластера. Образ источника АЭ (имитатора дефекта) и степень опасности дефекта определены по параметрам сигналов АЭ, соответствующих 9 точкам кластера. При определении степени опасности дефекта использован амплитудный критерий, степень опасности определена третьим уровнем.
В выбранных интервалах скорость акустических волн от 2300 м/с до 2800 м/с и от 4000 м/с до 4400 м/с задана рядом из 13 значений, каждое последующее больше предыдущего на 100 м/с. Для сигналов АЭ, соответствующих 6 точкам, находящимся вне кластера, повторно определены координаты точек для каждого из 13 значений скорости (78 повторных точек). При этом 5 точек из 6 «поменяли» координаты, оказавшись внутри контура кластера (в пределах площади, на которой размещен кластер).
Проведено уточнение образа источника АЭ, определенного по параметрам сигналов АЭ, соответствующих 14 точкам (9+5) вместо 9. Уточненная степень опасности дефекта определена четвертым уровнем (наивысшая степень опасности).
исп
исп
Высокая степень опасности надреза впоследствии, после проведения акустико-эмиссионных измерений, подтверждена нагружением емкости давлением выше Р; при давлении 1,1 Р емкость разрушилась по надрезу.