Оценка прочности сосудов давления на основе использования явления акустической эмиссии

DOI 10.5862/JEST.219.20 УДК 621.793:620.199:001.18

В.В. Носов, С.В. Номинас, Н.А. Зеленский

оценка прочности сосудов давления на основе использования явления акустической эмиссии

V.V. Nosov, S.V. Nominas, N.A. Zelensky

pressure vessel strength assessment based on acoustic emission parameters

На примере производственных испытаний абсорбера очистки сероводорода и лабораторных испытаний колец, моделирующих корпуса подводных аппаратов, оптимизируется расчет и анализируется диагностическая ценность вытекающих из микромеханической модели акустической эмиссии гетерогенных материалов, связанных с ресурсом акустико-эмиссионных показателей прочности. При рассмотрении метрологических аспектов такого определения используется диагностическая ценность временных зависимостей параметров акустической эмиссии и их статистических распределений. Показана связь между диагностическими параметрами и ресурсом. Оптимизируется расчет диагностического параметра путем выбора информативного первичного параметра акустической эмиссии. Оптимизация осуществляется в информационной форме. Показана устойчивость рассмотренных диагностических параметров к дестабилизирующим факторам.

АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ; ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ; СОСУДЫ ДАВЛЕНИЯ; МИКРОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ; ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ.

Exemplifying production tests of a hydrogen sulfide purification absorber and laboratory tests of rings which simulate the case of underwater vehicles, the authors optimized calculation and analyzed the diagnostic value of heterogeneous materials related to the resource of the acoustic emission strength, which resulted from the acoustic emission micromechanical model. Considering metro-logical aspects of this definition, the researchers used the diagnostic value of the acoustic emission time dependence parameters and their statistical distributions. The paper shows the relationship between diagnostic parameters and the resource, the optimized calculation of the diagnostic parameter by selecting an informative acoustic emission primary parameter. This optimization is used in the information form. The paper presents the resistance of the considered diagnostic parameters to destabilizing factors.

ACOUSTIC EMISSION; STRENGTH ASSESSMENT; PRESSURE VESSELS; MICROMECHANICAL MODEL; EXPERIMENTAL DATA.

Одной из главных проблем эксплуатации сварных соединений сосудов давления является слабая прогнозируемость их поведения, что привело к необходимости разработки методов диагностирования состояния. Базой этого должно служить развитие экспериментальных методов фиксации повреждений, прогнозирование накопления повреждений, развитие положений механики разрушения, использование результа-

тов микроструктурных исследований и физики прочности. В качестве одного из таких методов был предложен метод оценки ресурса технических объектов на основе использования явления акустической эмиссии (АЭ) и микромеханической модели временных зависимостей ее параметров [1—9]. Применение метода акустической эмиссии для оценки состояния опасных объектов обязано инструкциями Ростехнадзора

(в частности, ПБ 03-593-03, ГОСТ Р 550452012, ГОСТ 27655-88, РД 03-299-99 и др.).

Цель данной работы — апробация и корректировка методики АЭ для оценки прочности применительно к решению задач диагностики состояния сосудов давления.

Методика оценки ресурса

Предложенная модель АЭ детерминирован-но описывает процесс накопления повреждений в структурно неоднородном материале в условиях статистического изменения звучащего объема на первой стадии разрушения и связь вида распределений параметров АЭ с напряжениями возле трещины на второй стадии разрушения. Модель имеет иерархическую структуру (рис. 1), объединяет физический и статистический подходы к исследованию и использованию явления АЭ. Определив параметры этой модели, можно рассчитать различные показатели прочности исследуемого объекта и его ресурс. При рассмотрении метрологических аспектов такого определения учитывается вид временных зависимостей параметров АЭ и их статистических распределений. Здесь \ — информативный параметр АЭ (число импульсов, суммарная АЭ, суммарная амплитуда АЭ); км — акустико-эмиссионный коэффициент («звучащий» объем); С(1) — зависимость концентрации микротрещин от времени V, Т(ш) — функция плотности распределения

параметра ш = уст/КТ (параметр прочностного состояния структурного элемента материала) по структурным элементам контролируемого объема V; & = т0ехр[и0/(КТ) - ш] — время разрушения структурного элемента; т0 — период атомных колебаний (относительно стабильная величина); Т — абсолютная температура; | — нижняя граница изменения величины ш; Ф (Д^ f, и) — плотность вероятности распределения сигналов АЭ по интервалам Дt (паузы) между ними, амплитуде и и частоте £ Дш - диапазон рассеяния параметра ш; и0 — энергия активации процесса разрушения (относительно стабильная величина); С0 — начальная концентрация структурных элементов в материале до разрушения; у —структурно-чувствительный параметр; ст — растягивающее напряжение; К — постоянная Больцмана.

Входящая в микромеханическую модель (рис. 1) параметров АЭ зависимость концентрации микротрещин от времени — С(0 — при однородном разрушении представима в виде

С ()=С оКТ ехр[(уб Т - Ц,) / (КТ)] / (т„ уб);

1п(С (Т)) = 1п

( С оХТл

1п

то Уб С ()То уб

((ГО Т-и о )/(КТ));

V СоКТ

= (уб Т -и о )/(КТ);

Модель регистрации процесса разрушения

Модель упругого излучения

Модель упругого деформирования структурного элемента

Модель регистрации упругого излучения

Модель распределения параметров сигналов

^ЛЕ t

Модель процесса разрушения

Модель материала

Модель состояния структурного элемента

Модель нагружения

Модель неоднородности механического состояния

Модель распределения параметров состояния

С

) = V Ц|ф(ДТ,f ,и)йШ/йЫСо ц+Дю (

Д, f ,и

I *

ю<{ 1 - ехр

о

(ю

Рис. 1. Структура и вид микромеханической модели АЭ

Ц

КТ 1п

(С (Т )т0 уд Л

С оКТ

= уд т-и о;

и0 - КТ 1п

г=-

( С 0КТЛ с То уо

уо

и0 - КТ 1п

Т =-

( С0КТ Л

с Ч Уо

уо

о = т о;

и0 - КТ 1п

о =-

( С0КТ Л с*ТоУо

и0 - КТ 1п

КТ 0,01т0 уо

У

— (Т)) = = . —'  АТ

го состояния. Также видно, что К^) в (3) имеет вид Е,(0, т. е. является его частным случаем.

Ресурсы контролируемых зон определяются по следующим формулам:

исходный ресурс

Поскольку С(0 = С и С* = 0,01С0, где С — критическая концентрация микротрещин, то время до разрушения т* и предел прочности ст* определяются уравнениями

N = К/ехр^,

где №лв = УЛЕст = ^аб = ~ ;

Кн = F;/Fраб — коэффициент нагрузки; Fi, Fраб — диагностическая и рабочая нагрузки; ИВ — характеристический параметр материала и вида сварного соединения, температуры и частоты его нагружения. Величину ИВ определяют по формуле

Ив = ехр(1п^ + сткУк),

Участки временньж зависимостей числа NL импульсов Аэ на этапе однородного разрушения при равномерном нагружении объекта с постоянной скоростью о роста напряжения о описываются выражением

N () = ^0КТ х х ехр[(уо Т-и 0 )/(КТ)] /(Т0 уо). (3) тогда логарифм числа импульсов равен

1п(^ (t)) = 1П(^ оКТ ) + +((уо Т-и о)/(КТ))- 1п(То уо). (4) Откуда следует производная по времени t :

Производная от по напряжениям ст

равна

Уде = 1/КТ.

Из (1—6) видно, что диагностические параметры ХЛЕ и УЛЕ связаны со временем до разрушения и имеют смысл параметров прочностно-

где И0 — базовое число циклов, соответствующих перегибу кривой усталости (2-106); стЯ — предел выносливости при заданном коэффициенте асимметрии Я цикла рабочих напряжений; при отсутствии данных принимаем Я = —1 (двухфазные ферритно-мартенситные стали удовлетворительно свариваются методом точечной сварки. Предел выносливости при знакопеременном изгибе составляет для сварного шва и основного металла (ст* = 550 МПа) соответственно 317 и 350 МПа, т. е. 50 и 60 % от ст* основного металла [10]); УЯ — угловой коэффициент кривой усталости, представленной в полулогарифмических координатах (для стали 09Г2С равен 0,035-0,046 МПа-1). По кривой усталости для стали 09Г2С также находим Кв = = 1010/1,58.

Параметр ИВ оказывается универсальной постоянной, поскольку выражается через относительно устойчивые величины

Кв = Т0/йрехр[ис/(К7)],

где юр — период циклического нагружения; минимальный остаточный ресурс

Кост = Кв/ехрЦ^лЕ — КПр,

где Кпр — фактическое число циклов предварительного нагружения.

Знание величин разрушающего ст* и рабочего страб напряжений позволяет рассчитать коэффициент запаса статической прочности

Мст = ст*/ст.

раб

Производственные испытания

Рассмотрим результаты Аэ-контроля прочности абсорбера очистки сероводорода К-2. на колонну, состоящую из восьми поясов сваренных встык листов были установлены 33 датчика аэ, с помощью которых снимались значения первичных параметров аэ (количество и время регистрации импульса, его амплитуда и количество выбросов в каждом импульсе). набольшее количество датчиков было установлено на самом потенциально опасном нижнем поясе (№8 на рис. 2).

обработке подвергались две группы результатов регистрации сигналов аэ, отличающиеся признаками отбраковки шумовых сигналов (полный и сокращенный наборы Аэ-сигналов). В первой группе опытов отбрасывались низкоамплитудные сигналы, а во второй из рассмотрения были исключены сигналы со слишком большим количеством выбросов. С целью нахождения оптимального метода отбраковки по обеим группам результатов испытаний построены графики зависимости натурального логарифма информативного параметра аэ \ от времени (рис. 3, а). В качестве информативных параметров рассматривались количество сигналов, амплитуда сигналов, количество выбросов, произведения количества выбросов на амплитуду сигнала. По графикам были определены параметры ХАЕ и YAE как отношения приращения логарифма параметра к приращению времени (для ХАЕ) или напряжений (для УАЕ), рассчитанных по формуле Лапласа при известном давлении в абсорбере (рис. 3, б). Нагрузка объекта контроля производилась в соответствиями с инструкциями, предусматривающими равномерное нагружение сосуда до рабочей нагрузки — давления 50 атм.

При неявных результатах диагностирования метод АЭ рекомендуется использовать совместно с другими методами неразрушающего контроля, в частности ультразвуковым (УЗК, см. рис. 2). При этом информативным УЗК-параметром степени опасности дефекта выступает его максимальный эквивалентный размер (площадь расслоения), величина которого не должна превышать некоторое допустимое значение. Поэтому установление связи между УЗКи АЭ-параметрами диагностически представляет большой практический интерес.

Рис. 2. Координаты расположения ПАЭ, номера поясов колонны и расположения участков дополнительного ультразвукового контроля К-2

В результате обработки первичной АЭ-информации, были определены параметры ХАЕ и УАЕ для каждого датчика; данные по каждому датчику сгруппированы по поясам, после чего определены ресурс, коэффициенты запаса прочности каждого пояса, коэффициенты корреляции их значений с площадью расслоения, выявленной с помощью УЗК, и номером пояса, коррелирующим с ресурсом (табл. 1, 2).

а)

б)

Давление,

О

о 2 4 6 8 10 12 и 16 18 20 Время, мин.

Рис. 3. Типичный вид временной зависимости логарифма числа импульсов Аэ одного из каналов (а) и график нагрузки (б) абсорбера очистки сероводорода

Таблица 1

Корреляция основных параметров контроля с номером пояса

Параметр, по которому определяется Хае ^ср ХАЕ ср, с-1 ХАЕ макс, с-1 Минимальный коэффициент запаса статической прочности Остаточный ресурс максимальный Остаточный ресурс минимальный

Полный набор сигналов АЭ

Количество импульсов 0,893 0,984 0,909 -0,85 -0,955 -0,955

Суммарная амплитуда сигналов 0,893 0,967 0,942 -0,815 -0,964 -0,951

Количество выбросов 0,893 0,752 0,969 -0,597 -0,837 -0,834

Произведение количества выбросов на амплитуду 0,893 0,736 0,646 -0,602 -0,845 -0,845

сигнала

Сокращенный набор сигналов АЭ

Количество импульсов 0,889 0,973 0,511 -0,604 -0,664 -0,662

Суммарная амплитуда сигналов 0,889 0,442 -0,233 -0,575 -0,331 -0,33

Таблица 2

Корреляция площади расслоения с параметром ХАЕ и суммарным количеством

импульсов #сумм

Параметр, по которому определяется X А — ХА£ А — N ^ А' сумм

Полный набор сигналов АЭ

Количество импульсов 0,842 0,621

Суммарная амплитуда сигналов 0,85 0,621

Количество выбросов 0,851 0,621

Произведение количества выбросов на амплитуду сигнала 0,851 0,621

Сокращенный набор сигналов АЭ

Количество импульсов 0,839 0,793

Суммарная амплитуда сигналов 0,823 0,793

Рис. 4. Результаты исследования сжимаемой оболочки: распределение напряжений в оболочке под действием гидростатической нагрузки (а); под действием сил распределенных по кольцу (б); в — нагружающее устройство с захватами во время проведения экспериментов; г — зависимость логарифма числа импульсов (1), нагрузки (2) от времени и участок упругого кинетически однородного разрушения (3) на примере образца 1

В опытах при сокращенном наборе АЭ-сигналов с определением ХАЕ и ресурса по количеству сигналов были получены удовлетворительные значения корреляции (корреляция среднего ХАЕ с номером пояса равна 0,973, максимального остаточного ресурса — 0,664; коэффициент корреляции площади расслоения с параметром ХАЕ равен 0,839).

Несколько лучшие результаты были получены при полном наборе АЭ-сигналов с определением ХАЕ и ресурса по суммарной амплитуде сигналов (корреляция среднего ХАЕ с номером пояса — 0,967, максимального остаточного ресурса — 0,964, корреляция площади расслоения с параметром ХАЕ — 0,85).

Кроме описанных результатов, для подтверждения возможности применения данной методики оценки состояния сжимаемых сосудов давления (корпус подводных аппаратов) были проведены испытания на образцах, которые представляли собой замкнутые кольца, к которым прикладывалась сжимающая нагрузка (рис. 4, а, б). Кольца — это модель прочного корпуса подводного аппарата, который также относится к сосудам давления. Каждый образец был изготовлен из четырех сегментов сваренных между собой электродом марки 08Г2С, материал сегментов — сталь марки Ст3. Сварные швы располагались таким образом, чтобы они находились в зоне максимальных напря-

жений. Было изготовлено четыре образца с различными искусственными дефектами в сварных швах (отверстия диаметром 4 мм) и один без дефектов. Образец помещался между захватами; с одной стороны между сварными швами к нему подключили датчик акустической эмиссии (табл. 3). Нагружение образцов и результаты регистрации АЭ представлены на рис. 4 в, г.

Выводы

Показана информативность предложенных диагностических показателей для распознавания состояния и оценки ресурса разных вариантов нагружаемых сосудов давления в условиях присутствия различным образом фильтруемых помех регистрации сигналов АЭ. Наиболее информативным является определение диагностических параметров и ресурса по суммарной амплитуде сигналов. Корреляция значений диагностических параметров при различных методах фильтрации сигналов АЭ удовлетворительна, что говорит об их устойчивости к дестабилизирующим факторам. Эффективность применения информативного диагностического показателя проверена для объектов, нагружаемых как внешним, так и внутренним приложением нагрузки, что может быть использовано для разработки методики неразрушающих испытания подводных аппаратов.

Таблица 3

Степень опасности дефектов по параметру ХАЕ

Степень опасности дефектов Номер образца Дефекты образца Хае, 1/с Максимальные напряжения вблизи дефектов, МПа

1 5 Два несквозных отверстия внутри (4 мм и 3 мм) 0,0364 268

2 4 Два несквозных отверстия снаружи (2,4 мм и 3,2 мм); свищ 1 мм 0,0322 178

3 1 Два сквозных отверстия 0,0282 253

4 3 Два несквозных отверстия (внутри 3,5 мм, снаружи 3 мм) 0,0272 274

5 2 Без дефектов 0,0063 177

Коэффициент корреляции между ХАЕ и сттах 0,9476

список литературы

1. Носов В.В. Диагностика машин и оборудования: учебное пособие. СПб.: Лань, 2012. 2-е изд. перераб. и доп. 384 с.

2. Петров В.А. Башкарёв А.Я., Веттегрень В.И.

Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов. СПб.: Политехника, 1993. 475 с.

3. Носов В.В. Методика акустико-эмиссионного контроля прочности и прогнозирования остаточного ресурса металлических конструкций // В мире нераз-рушающего контроля. 2014. № 1. С. 64—66.

4. Носов В.В. Методика определения информативных параметров акустической эмиссии // Дефектоскопия. 1998. № 5. С.92—98.

5. Носов В.В., Бураков И.Н. Оценка прочности сосудов давления методом акустической эмиссии // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2003. №3 (33). С. 210-218.

6. Носов В.В. Методология акустико-эмиссион-ной оценки прочности как основ эффективности не-разрушающего контроля // В мире неразрушающего контроля. 2014. №3 (65). С. 7-13.

7. Носов В.В. Потапов А.И., Гомера В.П. Акустический контроль состояния сосудов давления//Ма-териалы 5-й международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов», Белоруссия, Могилев, 24—25 сентября 2014. С. 66—68.

8. Носов В.В., Селютин С.В. Совершенствование методики оценки сосудов давления на основе использования явления акустической эмиссии // Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции c международным участием. Институт металлургии, машиностроения и транспорта СПбГПУ. Ч. 1. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2014. С. 98-100.

9. Носов В.В. Автоматизированная оценка ресур -са образцов конструкционных материалов на основе микромеханической модели временных зависимостей параметров акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2014. № 12. С. 24-35.

10. Сталь марки 09Г2С. URL: http://www. metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/stk/09G2S

references

1. Nosov V.V. Diagnostika mashin i oborudovaniya. Uchebnoye posobiye. [Diagnostics of machines and equipment. Textbook] SPb.: «Lan» Publ., 2012. Vol. 2. S. 384

2. Petrov V.A. Bashkarev A.Ya., Vettegren V.I. Fizicheskiye osnovy prognozirovaniya dolgovechnosti konstruktsionnykh materialov. [The physical basis for the prediction of structural materials durability.] SPb.: Poli-tekhnika, 1993. S. 475.

3. Nosov V.V. Metodika akustiko-emissionnogo kon-trolya prochnosti i prognozirovaniya ostatochnogo resur-sa metallicheskikh konstruktsiy. [Methods of acoustic emission durability testing and prediction of metal structures residual life]. NDT World. 2014. № 1. P. 64-66.

4. Nosov V.V. Metodika opredeleniya informativnykh parametrov akusticheskoy emissii. [Method of acoustic emission informative parameters determining.] Defektos-kopiy. 1998. № 5. S. 92-98.

5. Nosov V.V., Burakov I.N. Otsenka prochnosti so-sudov davleniya metodom akusticheskoy emissii. [Assessment of pressure vessels strength by acoustic emission methods]. St.Peterssrurg State Politechnical. Universiti Journal, 2003. №3

6. Nosov V.V. Metodologiya akustiko-emissionnoy otsenki prochnosti kak osnov effektivnosti nerazrushay-ushchego kontrolya. [The methodology for acoustic emission strength evaluation as the Foundation of nde effectiveness.] NDT World. 2014. 2014. №3

7. Nosov V.V. Potapov A.i., Gomera V.P. Akustiches-kiy kontrol sostoyaniya sosudov davleniya. [Acoustic monitoring of pressure vessels.] The Vconference andex-hibition with international participation «Modern methods and instruments of quality control and diagnostics of a condition of objects». Belarus, Mogilev. September 24—25. S. 66-68.

8. Nosov V.V., Selyutin S.V. Sovershenstvovaniye metodiki otsenki sosudov davleniya na osnove ispolzovani-ya yavleniya akusticheskoy emissii. [Improved methods of pressure vessels assessment based on the use of acoustic emission.] Week of Science in SPbSPU: materials of the theoretical and practical conference with international participation. Institute of Metallurgy, Mechanical Engineering and Transport. St. Petersburg: SPbGPU Publ., 2014. S. 98-100.

9. Nosov V.V. Avtomatizirovannaya otsenka resursa obraztsov konstruktsionnykh materialov na osnove mik-romekhanicheskoy modeli vremennykh zavisimostey parametrov akusticheskoy emissii. [An automated assessment of the construction materials samples resource based on of temporal dependencies micromechanical models of the acoustic emission parameters.] Defektoskopy. 2014. № 12. S. 24-35.

10. Stal marki 09G2S. [Steel grade 09G2S] URL: http://www.metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/ stk/09G2S

сведения об авторах

НОСОВ Виктор Владимирович — доктор технических наук профессор кафедры машиноведения и основ конструирования Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, профессор кафедры приборостроения Национального минерально-сырьевого университета «Горный». 195251, Россия, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. E-mail: nosovvv@list.ru

НОМИНАС Сергей Васильевич — студент Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. 195251, Россия, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. E-mail: nominas.s@ yandex.ru

ЗЕлЕНСКИЙ Николай алексеевич — аспирант кафедры приборостроения Национального минерально-сырьевого университета «Горный». 199106, Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия д.2. E-mail: smoke.kolay@mail.ru

authors

NosoV Viktor V. — Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University end National Mineral Resources University. 29 Politechnicheskaya St., St. Petersburg, 195251, Russia. E-mail: nosovvv@list.ru

NOMINAS Sergei V. — Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University. 29 Politechnicheskaya St., St. Petersburg, 195251, Russia. E-mail: nominas.s@yandex.ru

zELENSKY Nikolai A. — National Mineral Resources University. 2, line 21 V.O., St. Petersburg, Russia, 199106. E-mail: smoke.kolay@mail.ru

© Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2015