34. Источники появления волн акустической эмиссии и параметры эмиссии. Метод контроля с использованием аэ.

Для инспектирования оборудования традиционными методами неразрушающего контроля в большинстве случаев требуется его вывод из эксплуатации, что приводит к значительным затратам предприятия. При этом, как правило, осуществляется частичный контроль каждой установки. Несмотря на огромные затраты полученные данные не позволяют отличить дефекты, изначально присутствующие в конструкции и не имеющие тенденций к росту, от дефектов, развивающихся в процессе эксплуатации и представляющих реальную угрозу. Стремление сократить время простоя предприятия приводит к выборочному контролю оборудования. В последнее время появляются технологии контроля, которые во многом решают указанные проблемы. Один из них метод акустической эмиссии.

Акустическая эмиссия - это излучение упругих волн, возникающих в процессе перестройки внутренней структуры твердых тел. Она появляется при пластических деформациях твердого тела, при возникновении и развитии в них дефектов, например, при образовании трещин, при фазовых превращениях, связанных с изменением кристаллической решетки, а также при резании твердых материалов.

В качестве источника акустической эмиссии можно рассматривать расположенный в глубине образца элемент объема, испытывающий изменение напряженного расстояния. Сигналы акустической эмиссии проявляются в виде колебаний поверхности образца, смещение при которых составляет 10^-14…10^-7 м.

Моменты излучения волн эмиссии распределены статистически во времени, и возникающие при этом дискретные импульсы имеют широкий частотный диапазон от килогерц до десятков мегагерц.

Физическим механизмом, объясняющим ряд особенностей акустической эмиссии (АЭ), является движение дислокаций и их скоплений. Рассмотрим процесс формирования первичного сигнала (одиночного импульса) АЭ. Наибольшую эффективность метод АЭ обеспечивает в случае медленного квазистатического нагружения твердого тела, т.е. когда скорость нагружения много меньше скорости звука в материале объекта. При медленном нагружении в твердом теле постепенно нарастают механические напряжения, решетка твердого тела накапливает упругую потенциальную энергию. Поскольку в большинстве случаев нагружаемые объекты являются неоднородными по своим физико-механическим свойствам, в некоторой области твердого тела локальные напряжения в определенный момент достигают предельного значения, и внутренние связи кристаллической решетки разрываются. В этот момент происходит быстрое выделение части накопленной ранее упругой энергии, определенная доля которой расходуется на быстрое перемещение частиц в локальной зоне, где произошло нарушение связи. Происходит излучение упругой волны, а напряжения, сконцентрированные в зоне неоднородности, релаксируют.

Отсюда следует, что возбуждение упругих волн в рассматриваемом процессе возможно только в случае достижения действующими силами, независимо от их природы, критических значений, когда сумма действующих сил становится равной силе разрыва атомных связей. Неоднородностями твердого тела, которые могут служить источниками АЭ при нагружении, являются все типы дефектов кристаллической решетки.

Следовательно, условия, характерные для возникновения явления АЭ, в ряде случаев связаны с чередованием медленных изменений напряженно-деформированного состояния и быстрых изменений, во время которых происходит излучение упругих волн. Форма импульса упругой волны определяется акустическими свойствами источника излучения и среды. К основным параметрам, характеризующим АЭ, относятся:

- общее число импульсов N дискретной эмиссии за исследуемый промежуток времени;

- интенсивность N - число импульсов за 1 с;

- амплитуда сигнала - максимальное значение сигнала эмиссии в течение заданного промежутка времени;

- энергия эмиссии - сумма квадратов амплитуд сигналов, принятых за определенный промежуток времени;

- амплитудное распределение сигналов, принятых за время наблюдения;

- длительность и форма сигнала.

Корреляция этих параметров с развитием дефектов устанавливается при испытаниях образцов, в процессе которых регистрируются параметры АЭ в функции времени и внешняя сила или деформация. В ряде случаев можно найти связь между числом зарегистрированных сигналов и длиной трещины или ее площадью. Сосчитав число сигналов, можно судить об увеличении размеров дефекта.

В основе применения АЭ в качестве метода контроля лежит тот факт, что дефекты могут излучать упругие волны при нагружении изделий. Распространяясь по изделию, волны достигают преобразователей, трансформирующих упругие колебания в электрические сигналы. Регистрируя их, можно определить моменты возникновения и роста дефекта, а также координаты последнего. В методе АЭ физическое поле излучения возбуждается самим дефектом, в связи с чем для метода АЭ характерны следующие особенности.

1 Метод АЭ обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов. При этом независимо от размеров дефекта выявляются наиболее опасные дефекты, склонные к развитию или развивающиеся.

2 Метод обладает высокой чувствительностью к растущим дефектам и позволяет выявить в рабочих условиях приращение трещины порядка микрометров.

3 Поскольку датчики обнаруживают АЭ сигналы от дефектов, находящихся на значительных расстояниях, АЭ метод позволяет осуществлять полномасштабный контроль конструкции. Метод является интегральным, т.е. посредством одного или нескольких установленных преобразователей можно проконтролировать весь объект. При этом определение координат дефектов производится без сканирования поверхности объекта. Это является важным преимуществом метода по сравнению с другими. Например, для АЭ диагностики сферической ёмкости диаметром 20 метров обычно требуется около 40 стационарно установленных датчиков. При этом расходы на контроль могут быть снижены на 80 %.

4 Метод АЭ позволяет контролировать различные технологические процессы и процессы изменения свойств и состояния материалов. По сигналам АЭ можно производить управление технологическими процессами, можно судить об изменении напряженно-деформированного состояния материала объекта, о процессах коррозии под напряжением. АЭ метод позволяет осуществлять непрерывный контроль наиболее ответственных и экологически опасных промышленных объектов в рабочем режиме.

5 Метод не критичен к контролируемым материалам. Он успешно используется, например, для контроля композиционных материалов.

6 При отработанной методике контроля и наличии опыта интерпретации результатов метод является весьма простым в применении и не требует больших затрат времени. Однако в ряде случаев сложно выделить сигналы АЭ на фоне помех.

Надлежащее использование АЭ метода ведет к значительному сокращению эксплуатационных расходов, расширению банка данных о работоспособности установки и сокращению простоев. для сферических емкостей, например, стоимость АЭ контроля составляет 20 % стоимости обследования магнитопорошковым методом, требующим возведения лесов внутри емкости.

Все данные преобразовываются в цифровую форму и записываются на диск, обеспечивая тем самым возможность проведения повторного анализа в любое необходимое время.