ОПТОВОЛОКОННЫЙ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ БОЛЬШИХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
FIBRE OPTIC ACOUSTIC-EMISSION METHOD FOR DETERMINING PLASTIC DEFORMATIONS OF LARGE ENGINEERING STRUCTURES

Изобретение относится к прогнозированию на ранней стадии возникновения и развития дефектов с помощью волоконно-оптических методов регистрации сигнала акустической эмиссии (АЭ), и может использоваться для выявления наиболее вероятных зон разрушения металлических или бетонных конструкций инженерных сооружений, например газопроводов, мостов, плотин ГЭС и других крупных и протяженных объектов.
Известен акустико-эмиссионный способ зонного контроля, включающий установку локальных преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ), на предварительно зачищенные контактные поверхности (Руководящий документ РД 03 131-97. Акустико-эмиссионный метод контроля. - С. 8-11, http://snipov.net/c_4653_snip_99823.html). Способы крепления локальных датчиков (ПАЭ) должны обеспечивать надежный акустический контакт с поверхностью. Соединительные кабели крепят с помощью магнитов, бандажей, прижимов таким образом, чтобы не было их натяжения в процессе испытания. После установки ПАЭ проводят проверку работоспособности АЭ аппаратуры и настройку ее каналов с помощью калибраторов и имитаторов сигналов АЭ, выбираемых в зависимости от конкретных условий испытаний. АЭ контроль проводят при ступенчатом увеличении нагрузки на контролируемый объект. Накопление, запись и оперативную обработку данных АЭ контроля проводят с помощью специального программного обеспечения, входящего в состав акустико-эмиссионных систем. Данный способ сложный и дорогой, имеет невысокую чувствительность, требует применения большого количества разнообразной аппаратуры.
Известен также способ определения упругопластических деформаций, включающий нанесение на поверхность контролируемой конструкции, специального покрытия, содержащего эпоксидную смолу, фталевый ангидрид и дибутилфталат для определения по образующимся трещинам зоны и направления пластических деформаций (SU 1669991 A1, МКИ5 С21D 7/02, G01B 11/20, опубл. 15.08.1991). Метод АЭ контроля обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся, а значит действительно опасных дефектов, и осуществляет их классификацию не по размерам, а по степени опасности.
Этот зонный метод тоже обладает низкой чувствительностью. Причиной низкой чувствительности является то, что сигналы АЭ малы по амплитуде и выделение полезного сигнала из помех представляет собой достаточно сложную задачу. Это объясняется тем, что локальные датчики АЭ (ПАЭ), часто оказываются на большом расстоянии от зон растрескивания, которые являются источниками АЭ, и поэтому сигнал АЭ доходит до датчиков с большим затуханием. Кроме того, большое количество преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ), требует большого количества соединительных проводов, усилителей и измерительных каналов, что значительно усложняет и удорожает способы зонного контроля.
Известен также способ исследования деформаций и напряжений (патент №2345324 от 27.04.2007), в котором наряду с АЭ контролем дополнительно предусматривается дистанционное визуальное наблюдение за контролируемыми объектами. Нанесение хрупкого тензочувствительного покрытия повышает сверхчувствительность к пластической деформации, вследствие треска образующихся картин трещин. По наличию деформации хрупкого покрывного материала определяют наличие дефектов. Оценка напряженно-деформированного состояния опасных объектов проводится быстрее. Этот способ исследования деформаций и напряжений в опасных объектах предусматривает проведение следующих действий: нанесение хрупкого тензочувстительного покрытия на исследуемую поверхность детали, отверждение покрытия. Дополнительно осуществляют установку модуля с локальными датчиками преобразователей акустической эмиссии, а в качестве покрытия используют искусственные смолы.
Измерение деформаций и напряжений методом хрупких тензочувствительных покрытий с использованием АЭ измерительного комплекса обеспечивает:
- возможность обнаружения и регистрации локальных развивающихся дефектов на ранних стадиях их образования и развития;
- классифицирование дефектов по размеру и опасности;
- выявление дефектов и наблюдение за их образованием и развитием в рабочих условиях;
- контроль всего объекта в целом, используя один или несколько модулей с датчиками ПАЭ, неподвижно установленных на поверхности объекта;
- проведение постоянного дистанционного мониторинга;
- моделирование возможных повреждений рабочих поверхностей деталей (конструкций).
Хрупкое тензочувствительное покрытие позволяет повысить сверхчувствительность волн напряжения, и вследствие треска образующихся картин трещин, появляется возможность обнаружения дефектов на ранних стадиях образования и развития дефектов. Имеется возможность проводить постоянный дистанционный мониторинг за механизмом образования и развития дефектов в рабочих условиях.
Однако данный способ также обладает недостаточной чувствительностью, и имеет высокую стоимость. В этом способе предполагается использование локальных АЭ датчиков, количество которых для больших протяженных объектов может достигать сотен и даже тысяч штук. Например, акустико-измерительный комплекс «Лель/96», содержит до 96 датчиков (ПАЭ). Каждый из датчиков должен быть присоединен к измерительной аппаратуре, причем длина сигнального кабеля не должна превышать 2 м. Поэтому часто применяют встроенные в датчик (выносные) усилители. Аппаратурные и монтажные затраты при использовании этого способа, с учетом большого количества соединительных проводов и усилителей сигнала, очень большие. Дистанционное визуальное наблюдение за контролируемыми объектами также увеличивает стоимость данного метода. При этом необходимая чувствительность достигается только вблизи датчиков, а в удаленных от них зонах она существенно снижена из-за затухания АЭ сигнала с увеличением расстояния от зоны растрескивания до ближайшего датчика. Также растет затухание АЭ сигнала и уменьшается чувствительность, если увеличивается частота АЭ сигнала до сотен кГц, а значит регистрируется только низкочастотный спектр сигнала, следовательно, полученная информация не обладает достаточной достоверностью.
Известны также волоконно-оптические охранные устройства, например, на основе релеевского рассеяния (патент на полезную модель №128372, опубликовано 20.05.2013 г.), которые позволяют фиксировать механические вибрации по всей длине оптического кабеля (до сотен километров), с локализацией источника вибрации до 3-х метров. Оптический кабель является не локальным, а распределенным датчиком вибрации и одновременно выполняет функцию канала связи для передачи полезного сигнала. Однако данное устройство не применимо для АЭ неразрушающего контроля, поскольку также обладает недостаточной чувствительностью распределенного оптоволоконного датчика, требующего значительных механических вибраций для их регистрации. Такие вибрации могут возникать уже при разрушении объекта, а не в предшествующий разрушению период при пластической его деформации.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение чувствительности при регистрации пластической деформации деталей инженерных сооружений на ранних стадиях образования и развития дефектов, по сравнению с обычным оптическим волокном без хрупкого покрытия. По сравнению с зонным контролем (например, с использованием локальных пьезоэлектрических датчиков), также повышается чувствительность, значительно расширяется частотный спектр регистрируемых АЭ сигналов, увеличивается зона мониторинга, снижаются аппаратурные затраты, и обеспечивается возможность контроля в широком температурном диапазоне. Улучшается раннее прогнозирование образования дефектов, что способствует предотвращению аварий и техногенных катастроф.
Сущность изобретения
На фиг. 1 изображена упрощенная структурная схема устройства, поясняющая способ волоконно-оптического акустико-эмиссионного контроля пластической деформации объекта. Схема содержит блок для формирования оптического зондирующего сигнала - оптический излучатель (2OИ), и устройство для непрерывного направленного ввода оптического сигнала (3УВ) в распределенный чувствительный элемент (4РЧЭ). В качестве оптического излучателя используется светодиод (для малых длин РЧЭ), а для длин РЧЭ более 30 метров, используется полупроводниковый лазер. РЧЭ закрепляется на объекте (инженерном сооружении), для чего при монтаже на него наносят с помощью экструдера специальный клей - полимеризирующийся материал, который также обеспечивает его фиксацию и механический контакт с контролируемым объектом. После затвердевания клей становится хрупким, и генерирует сигнал акустической эмиссии, растрескиваясь от механического воздействия, при деформации контролируемого объекта. Акустический эмиссионный сигнал зарождается в непосредственной близости от оптического волокна, и воздействует на него, меняя модовое поле, распространяемое по волокну. АЭ сигнал почти без затухания доходит до РЧЭ, т.к. хрупкий материал находится в непосредственной близости, на поверхности оптического волокна. Изменения модового поля, регистрируются на выходном торце волокна (по изменению статической спекл-структуры), и после пространственного фильтра (6ПФ), преобразуются блоком приема оптического излучения (7БПр) в электрические сигналы, которые поступают на блок обработки (8БО). Блок обработки сравнивает принимаемый сигнал с эталонным сигналом, который соответствует невозмущенному состоянию сенсора и детектирует опасные деформации контролируемого объекта. При определенном механическом воздействии на РЧЭ, превышающем установленный порог или обрыве РЧЭ, формируется сигнал тревоги размыканием электрической цепи. Для увеличения достоверности сигнал тревоги формируется при превышении заданного уровня у нескольких импульсов за короткий промежуток времени (время накопления импульсов). Полученная информация позволяет оценить величину и место деформации контролируемого объекта (5O). В качестве клея (хрупкого материала) используют эпоксидную смолу без добавления пластификатора, а в качестве датчика АЭ используется сенсорное оптическое волокно (распределенный чувствительный элемент - 4РЧЭ), работающее в многомодовом режиме. Источник и приемник оптического излучения запитаны от блоков питания (1БП). Конструктивно система мониторинга выполнена в виде двух функционально законченных герметичных блоков в модульном исполнении (блок излучателя, блок приема и регистрации), которые соединяются между собой распределенным чувствительным элементом (РЧЭ).
Были проведены многочисленные испытания заявляемого способа, с применением волоконно-оптической системы «СОВА» (http://www.hcbet.ru/index/volokonno_opticheskaja_sistema_tso_sova/0-14, http://www.pandia.ru/text/77/400/72984.php). Данная система позволяет контролировать пластическую деформацию протяженных объектов (до 1 км), по всей длине оптического волокна. Экспериментальные результаты показали высокую чувствительность заявляемого способа при определении пластической деформации крупных объектов, простоту реализации, технологичность, и экономическую эффективность, по сравнению с зонными методами акустической эмиссии.
Далее приведены некоторые результаты одного из экспериментов.
1. «Время накопления» импульсов, превышающих установленный «порог чувствительности»: 5, 10, 15, 20 с.
2. «Количество импульсов» за «время накопления»: 1, 2, 3, 4 шт.
3. После регистрации срабатывания формировалась пауза 200 мс (запрет считывания) для борьбы с колебательным процессом в оптическом кабеле.
4. Установка «времени накопления» импульсов и «количество импульсов» производилась двухпозиционным DIP переключателем.
Количество срабатываний
Время наблюдения с момента первого срабатывания (с)
00
1
00
5
01
2
01
10
10
3
10
15
11
4
11
20
Краткое описание рисунка
На фигуре 1 изображена упрощенная структурная схема волоконно-оптического акустико-эмиссионного устройства для регистрации пластической деформации крупных инженерных сооружений, с применением охранной системы «Сова».
1 БП - блоки питания (2 шт.),
2 ОИ - оптический излучатель,
3 УВ - устройство ввода оптического сигнала,
4 РЧЭ - распределенный чувствительный элемент, покрытый хрупким затвердевшим клеем, обеспечивающим крепление датчика (РЧЭ) на объекте,
5 О - исследуемый объект (в эксперименте - бетонная балка на двух опорах),
6 ПФ - пространственный фильтр,
7 БПр - блок приема оптического излучения,
8 БО - блок обработки,
9 Н - нагрузка,
10 АЭ - наиболее вероятные зоны возникновения акустической эмиссии.