Лекция №15. Контроль в процессе эксплуатации. Акустико - эмиссионный контроль. Общие положения

Как правило, завершающим этапом работ по экспертизе промышленной безопасности является испытание объекта на параметрах, превышающих рабочие. Это необходимо для того, чтобы изменить напряженное состояние объекта. Например, для сосудов давления – это увеличение внутреннего давления до испытательных значений. Изменение давления может происходить за счет воды, такие испытания называют гидроиспытаниями, или рабочего продукта, например, сжатого воздуха. Увеличение значения напряжений в материале сосуда приводит к развитию развивающихся дефектов, раскрытию сквозных дефектов и т.п. При проведении гидроиспытания разрушение объекта грозит только разливом воды, а вот при проведении пневмоиспытания разрушение объекта контроля приводит к взрыву. Применение метода акустической эмиссии (АЭ) позволяет на ранней стадии обнаружить и слоцировать развивающийся дефект и не допустить разрушение объекта контроля.

Рис. 15.1. Схема АЭ контроля сосуда давления и трубопровода.

На рис. 15.1 схематично показано, как проводится АЭ контроль сосуда давления и трубопровода: на сосуде давления и трубопроводе устанавливают ПЭП, компрессором увеличивают давление в трубопроводе и сосуде, а АЭ система анализирует сигналы, полученные от ПЭП.

Метод АЭ основан на регистрации и анализе акустических волн, возникающих в процессе пластической деформации и разрушения (роста трещин) контролируемых объектов (рис. 15.2). Это позволяет формировать адекватную систему классификации дефектов и критерии оценки состояния объекта, основанные на реальном влиянии дефекта на объект. Другим источником АЭ-контроля является истечение рабочего тела (жидкости или газа) через сквозные отверстия в контролируемом объекте.

Рис. 15.2. Источники АЭ сигналов.

Характерными особенностями метода АЭ контроля, определяющими его возможности и область применения, являются следующие:

- метод АЭ-контроля обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности;

- метод АЭ-контроля обладает весьма высокой чувствительностью к растущим дефектам - позволяет выявить в рабочих условиях приращение трещины порядка долей мм. Предельная чувствительность акустико-эмиссионной аппаратуры по теоретическим оценкам составляет порядка 110(-6) мм2, что соответствует выявлению скачка трещины протяженностью 1 мкм на величину 1 мкм;

- свойство интегральности метода АЭ-контроля обеспечивает контроль всего объекта с использованием одного или нескольких преобразователей АЭ-контроля, неподвижно установленных на поверхности объекта;

- метод АЭ позволяет проводить контроль различных технологических процессов и процессов изменения свойств и состояния материалов;

- положение и ориентация объекта не влияет на выявляемость дефектов;

- метод АЭ имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой материалов;

- особенностью метода АЭ, ограничивающей его применение, является в ряде случаев трудность выделения сигналов АЭ из помех. Это объясняется тем, что сигналы АЭ являются шумоподобными, поскольку АЭ есть стохастический импульсный процесс. Поэтому, когда сигналы АЭ малы по амплитуде, выделение полезного сигнала из помех представляет собой сложную задачу.

При развитии дефекта, когда его размеры приближаются к критическому значению, амплитуда сигналов АЭ и темп их генерации резко увеличивается, что приводит к значительному возрастанию вероятности обнаружения такого источника АЭ.

Метод АЭ может быть использован для контроля объектов при их изготовлении, в процессе приемочных испытаний, при периодических технических освидетельствованиях, в процессе эксплуатации.

Целью АЭ-контроля является обнаружение, определение координат и слежение (мониторинг) за источниками акустической эмиссии, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки объекта контроля, сварного соединения и изготовленных частей и компонентов. Все индикации, вызванные источниками АЭ, должны быть при наличии технической возможности оценены другими методами неразрушающего контроля. АЭ-метод может быть использован также для оценки скорости развития дефекта в целях заблаговременного прекращения испытаний и предотвращения разрушения изделия. Регистрация АЭ позволяет определить образование свищей, сквозных трещин, протечек в уплотнениях, заглушках и фланцевых соединениях.

АЭ-контроль технического состояния обследуемых объектов проводится только при создании в конструкции наряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу источников АЭ. Для этого объект подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т.д. Выбор вида нагрузки определяется конструкцией объекта и условиями его работы, характером испытаний и приводится в "Программе работ по АЭ контролю объектов".

Нагружение объекта контроля

После выполнения подготовительных и настроечных работ производится нагружение объекта.

АЭ контроль выполняется в процессе нагружения объекта внутренним давлением до определенной, заранее выбранной величины и в процессе выдержки давления на определенных уровнях.

При нагружении объекта контроля внутренним давлением его максимальное значение - испытательное давление (Р_исп) должно превышать разрешенное рабочее давление - эксплуатационную нагрузку (Р_раб) не менее чем на 5...10%, но не превышать пробного давления (Р_пр), определяемого по формуле

(90)

где Р – расчетное давление сосуда, и - допускаемые напряжения для сосуда и его элементов при температуре 20 град. С и при расчетной температуре t соответственно.

а = 1,25 для всех сосудов, кроме литых;

а = 1,5 для литых сосудов (в соответствии с требованиями нормативно-технической документации к устройству и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением).

В случае, если максимальное давление испытания равно величине пробного давления, длительность выдержки для объектов, находящихся в эксплуатации, не должна превышать 5 мин (в соответствии с требованиями нормативно-технической документации к устройству и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением), а при испытании вновь изготовленных объектов выбирается в зависимости от толщины стенки объекта (в соответствии с требованиями нормативно-технической документации к устройству и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением): до 50 мм – 10 минут, свыше 50 до 100 мм – 20 минут, свыше 100 мм – 30 минут, для литых и многослойных независимо от толщины стенки -   60 мин.

Если максимальное давление испытания меньше величины пробного давления, длительность выдержки при испытании вновь изготовленных объектов должна быть не менее 10 мин.

При АЭ-контроле резервуаров для хранения нефти, нефтепродуктов и других жидких сред используют максимальную величину нагрузки, равную Р_исп = 1,05Рраб.

При АЭ-контроле объектов, испытуемых под налив, время выдержки их при максимальном допустимом уровне заполнения должно быть не менее двух часов.

При назначении максимального давления испытаний должны учитываться характеристики материала, условия эксплуатации объекта контроля, температура, а также предыстория его нагружения.

Нагружение осуществляется с использованием специального оборудования, обеспечивающего повышение внутреннего (внешнего) давления по заданному графику, определяющему скорость нагружения, время выдержек объекта под нагрузкой и значения нагрузок.

Испытания объекта подразделяют на предварительные и рабочие.

Предварительные испытания имеют целью:

- проверку работоспособности всей аппаратуры;

- уточнение уровня шумов и корректировку порога аппаратуры;

- опрессовку заглушек и сальниковых уплотнений;

- выявление источников акустического излучения, связанных с трением в точках подвески (крепления) объектов, опор, конструкционных элементов жесткости и пр.

Предварительные испытания проводят при циклическом нагружении в диапазоне 0...0,25Р_раб. Для объектов без плакирующих покрытий и ребер жесткости число циклов нагружения составляет не менее 2, для прочих - не менее 5.

Рекомендуется нагружение при рабочем испытании проводить ступенями, с выдержками давления на уровне 0,5Р_раб; 0,75Р_раб; 1,0Р_исп и Р_исп. Время выдержки на промежуточных ступенях должно, как правило, составлять 10 мин.

Пример типового графика нагружения приведен в приложении 2. Допускается отклонение от типового графика нагружения с приведением в отчете необходимого обоснования.

Нагружение объектов должно проводиться плавно со скоростью, при которой не возникают интенсивные помехи. Рекомендуемые скорости повышения давления составляют

(91)

Допускается проведение испытаний со скоростью нагружения меньшей минимальной указанной. В этих случаях промежуточные выдержки можно не проводить.

АЭ контроль резервуаров большого объема и хранилищ проводят в режиме мониторинга (непрерывного контроля) либо по специальной программе. Программа нагружения для каждого такого объекта составляется индивидуально и согласовывается со специализированной экспертной организацией.

В качестве нагружающей среды могут быть использованы вода, масло, рабочее тело объекта в виде жидких сред (гидравлические испытания), а также газообразные среды (пневмоиспытание). В случае проведения гидравлических испытаний подача нагружающей жидкости должна производиться через патрубок, расположенный в нижней части сосуда, ниже уровня жидкости, заполняющей сосуд.

Для уменьшения уровня шумов и помех во время проведения контроля должны быть приостановлены все посторонние работы на самом объекте контроля и вблизи него. Должны быть исключены хождение по площадкам обслуживания, передвижение автотранспорта, проведение сварочных и монтажных работ, работа подъемно-транспортных механизмов, расположенных рядом.

При выполнении контроля объектов большой протяженности или крупногабаритных объектов допускается проводить контроль по этапам. Интервал между отдельными этапами должен быть не менее 24 часов. Допускается проведение контроля только части объекта по согласованию с заказчиком.

При испытании вновь изготовленных сосудов, которые не проходили послесварочной термообработки, возможна регистрация АЭ, вызванной выравниванием напряжений и не связанной с развитием дефектов. Поэтому при первом нагружении, как правило, принимают во внимание только сигналы, амплитуда которых превышает уровень порога более чем на 20 дБ, и сигналы, регистрируемые в течение выдержки. Если при первом нагружении были выявлены источники АЭ II или III класса или получены неопределенные результаты, объект должен быть нагружен вторым рабочим циклом нагружения в обязательном порядке с изменением нагрузки от 50 до 100% испытательного давления

В процессе нагружения допускается изменение чувствительности усилительных трактов с обязательной регистрацией момента и значения внесенных изменений и обоснованием, приведенным в протоколе АЭ контроля.

В процессе нагружения рекомендуется непрерывно наблюдать на экране монитора обзорную картину АЭ излучения испытуемого объекта.

Испытания прекращаются досрочно в случаях, когда регистрируемый источник АЭ достигает класса IV. Объект должен быть разгружен, испытание либо прекращено, либо выяснен источник АЭ и оценена безопасность продолжения испытаний. Быстрое (экспоненциальное) нарастание суммарного счета, амплитуды импульсов, энергии может служить показателем ускоренного роста трещины, приводящего к разрушению.

Регистрация давления и температуры (при ее изменении) ведется в течение всего цикла подъема и сброса нагрузки. Давление должно контролироваться непрерывно с погрешностью +-2% максимального испытательного давления. Шкала аналогового манометра должна иметь максимальное значение не меньше чем 1,5 и не больше 5-кратного значения испытательного давления. Погрешность цифрового прибора не должна превышать 1% испытательного давления.

Рис. 15.3. Типовой график нагружения.

Анализ шумов

Основным фактором, ограничивающим эффективность АЭ контроля, являются шумы. Шумы классифицируются:

- в зависимости от источника происхождения разделяются на акустические (механические) и электромагнитные;

- в зависимости от вида сигнала шумов они разделяются на импульсные и непрерывные;

- в зависимости от места положения источника разделяются на внешние и внутренние.

Основными источниками шумов при АЭ контроле объектов являются:

- разбрызгивание жидкости в сосуде при его заполнении;

- гидродинамические турбулентные явления при высокой скорости нагружения;

-работа насосов, моторов и других механических устройств;

- действие электромагнитных наводок;

-воздействие окружающей среды (дождя, ветра и т.д.).

Все протечки в контролируемом объекте и системе нагружения должны быть исключены до проведения испытаний.

Минимальный уровень шумов, который определяет чувствительность аппаратуры АЭ, связан с собственными тепловыми шумами преобразователя АЭ и коэффициентом шума входных каскадов усилителя (предусилителя). Собственный тепловой шум ПАЭ с чувствительным элементом, изготовленным из пьезокерамики, в большинстве случаев не превышает 5 мкВ. Коэффициент шума входных каскадов усилителя не должен превышать 6 дБ. Поэтому собственные шумы аппаратуры АЭ не должны превышать 10 мкВ (U_ша < 10 мкВ), приведенных ко входу.

Уровень непрерывных акустических или электромагнитных шумов (U_ш) не должен превышать U_ша + 6 дБ (U_ш < U_пор = U_ша + 6 дБ). Здесь U_пор - пороговое напряжение. Если это условие не выполняется, то необходимо предпринять все меры (технические и организационные) для уменьшения уровня шумов. При невозможности уменьшения шумов до требуемого значения необходимо прекратить проведение АЭ контроля. Проведение контроля в условиях повышенных шумов (т.е. при выполнении неравенства U_ш > U_ша + 6 дБ) возможно только при научно-техническом обосновании возможности выявления требуемых источников АЭ. В этом случае значение порогового уровня аппаратуры может превысить значение 20 мкВ, т.е. U_пор > U_ш > 20 мкВ.

Ограничения по импульсным шумам (помехам) устанавливаются, исходя из условий, при которых проводят испытания. Рекомендуется, чтобы средняя частота регистрации импульсных помех не превышала 0,01 Гц (т.е. F_пом < 0,01 Гц). При невозможности уменьшения частоты регистрации импульсных помех до требуемого значения необходимо прекратить проведение АЭ контроля. Проведение контроля в условиях повышенной частоты регистрации импульсных помех (т.е. при выполнении неравенства F_пом > 0,01) возможно только при научно-техническом обосновании возможности выявления требуемых источников АЭ.

В ряде случаев параметры сигнала шумов используют для выделения полезного сигнала. Шумы, связанные с трением, характеризуются излучением сигналов небольшой амплитуды и большой длительности по сравнению с сигналами АЭ от трещины. Электромагнитные помехи характеризуются малой длительностью и большой амплитудой.

Влияние электромагнитных помех снижается применением экранирования, специальных радиотехнических элементов (дифференциальных датчиков и усилителей, фильтров и т.д.), а также стробированием аппаратуры на время действия помехи.

Все шумы должны быть идентифицированы, минимизированы, должны быть зарегистрированы их параметры. После проведения настройки аппаратуры и до выполнения рабочего испытания в течение 15 мин проверяется шумовой фон, который должен быть ниже установленного порогового уровня. При регистрации шумов, уровень которых превышает порог, источник шумов должен быть исключен, либо должно быть остановлено испытание. 

Определение местоположения источников акустической эмиссии

Местоположение источников АЭ следует определять с заданной точностью либо с использованием многоканальной системы локации, либо с использованием зонного контроля.

Точность многоканальной локации должна быть не меньше величины, равной двум толщинам стенки или 5% расстояния между ПАЭ в зависимости от того, какая величина больше. Определение координат источников АЭ сигналов производят в режиме планарной локации, т.е. не определяется глубина залегания источника.

Погрешности вычисления координат определяются погрешностями измерения времени поступления сигнала на преобразователи. Источниками погрешностей являются:

погрешность измерения временных интервалов;

отличие реальных путей распространения от теоретически принятых;

наличие анизотропии скорости распространения сигналов;

изменение формы сигнала в результате распространения по конструкции;

наложение по времени сигналов, а также действие нескольких источников;

регистрация преобразователями волн различных типов;

погрешность измерения (задания) скорости звука;

погрешность задания координат ПАЭ.

Величину контролируемой площади при зонном контроле определяют границей поверхности объекта вокруг ПАЭ, для которой затухание сигнала, проходящего от границы до ПАЭ, не превышает 20 дБ.

До нагружения объекта оценивают погрешность определения координат с помощью имитатора. Его устанавливают в выбранной точке объекта и сравнивают показания системы определения координат с реальными координатами имитатора. При этом амплитуда имитационного сигнала варьируется в пределах ожидаемого диапазона, определяемого в результате предварительного изучения объекта испытания. Операцию повторяют для различных зон конструкции объекта. Если погрешность определения координат не удовлетворяет заданному значению, следует произвести корректировку параметров контроля (изменение конфигурации расположения преобразователей, расстояния между преобразователями и т.п.).

Накопление, обработка и анализ данных 

В процессе контроля производят оперативное накопление и обработку данных. Система контроля должна обеспечить регистрацию и сигнализацию источника АЭ, соответствующего IV классу (катастрофически активному источнику) в реальном масштабе времени. После выполнения контроля объекта производится последующая обработка и анализ данных в полном объеме.

Накопление данных производят после выделения параметров сигналов АЭ. При наличии цифровых регистраторов используется запоминание сигналов АЭ с целью последующего анализа процесса.

Обработка и анализ данных определяется выбранной системой классификации источников АЭ и критериями оценки результатов контроля. Все зарегистрированные сигналы АЭ относят к источникам АЭ в зависимости от их положения в контролируемом объекте. Классификацию источников производят в зависимости от значений параметров.

Оценку источников производят по этапам в зависимости от режима нагружения и времени, затрачиваемого на контроль. В режиме испытания, в случае, если время контроля не превышает 4 часов, это считают одним этапом. В случае превышения этого времени производят разбивку времени контроля на этапы. Каждый этап не должен превышать четырех часов непрерывного контроля.

Зонный контроль используют в случаях невозможности либо нецелесообразности определения координат источников АЭ. Для использования указанного подхода предварительно подготавливают исходную информацию, необходимую для выбора и применения того или иного критерия, обработку данных следует производить на ЭВМ, входящей в систему АЭ-контроля.

Программа обработки АЭ информации должна определять местоположение источников АЭ сигналов либо по времени прихода сигналов на преобразователь АЭ, либо по амплитуде и отображать их положение в виде индикаций источника АЭ на карте локации (а в процессе контроля - на дисплее). На карте локации выделяют зоны повышенной концентрации (кластеры) индикаций АЭ, которые в совокупности формируют полный образ источника АЭ. Производят сопоставление местоположения полученных зон и технологической топологии объекта с целью отделения возможных источников механических шумов, не связанных с развивающимися дефектами, от источников АЭ.

Информация о зонах концентрации индикаций АЭ регистрируется и обрабатывается с использованием заложенных программ для построения предусмотренных графиков по каждой выделенной зоне и проведения классификации источников АЭ.

Оценка результатов контроля 

После обработки принятых сигналов результаты контроля представляют в виде идентифицированных и классифицированных источников АЭ.

При принятии решения по результатам АЭ контроля используют данные, которые должны содержать сведения обо всех источниках АЭ, их классификации и сведения относительно источников АЭ, параметры которых превышают допустимый уровень. Допустимый уровень источника АЭ устанавливает исполнитель при подготовке к АЭ контролю конкретного объекта.

Классификацию источников АЭ выполняют с использованием следующих параметров сигналов: суммарного счета, числа импульсов, амплитуды (амплитудного распределения), энергии (либо энергетического параметра), скорости счета, активности, концентрации источников АЭ. В систему классификации также входят параметры нагружения контролируемого объекта и время.

Выявленные и идентифицированные источники АЭ рекомендуется разделять на четыре класса.

Источник I класса - пассивный источник.

Источник II класса - активный источник.

Источник III класса - критически активный источник.

Источник IV класса - катастрофически активный источник.

Выбор системы классификации источников АЭ и допустимого уровня (класса) источников рекомендуется осуществлять каждый раз при АЭ контроле конкретного объекта.

Рекомендуемые действия персонала, выполняющего АЭ контроль при выявлении источников АЭ того или иного класса, следующие:

 Источник I класса (пассивный):

    -   регистрируют   для   анализа      динамики его последующего развития.  

 Источник II класса (активный):   

- регистрируют и следят за развитием ситуации в процессе выполнения данного контроля;

 - отмечают в отчете и записывают рекомендации  по проведению дополнительного контроля с использованием других методов.

 Источник III класса   (критически активный):

-регистрируют и следят за развитием ситуации в процессе выполнения данного контроля;

- предпринимают  меры  по  подготовке  возможного сброса нагрузки.

 Источник IV  класса (катастрофически активный):

     - производят немедленное уменьшение нагрузки до 0, либо до величины, при которой  класс  источника АЭ снизится до уровня II или III класса;

  - после сброса нагрузки проводят осмотр объекта и при необходимости контроль другими методами. 

Каждый более высокий класс источника АЭ предполагает выполнение всех действий, определенных для всех источников более низких классов.

При положительной оценке технического состояния объекта по результатам АЭ контроля или отсутствии зарегистрированных источников АЭ применение дополнительных видов неразрушающего контроля не требуется. Если интерпретация результатов АЭ контроля неопределенна, рекомендуется использовать дополнительные виды неразрушающего контроля.

Окончательная оценка допустимости выявленных источников АЭ и индикаций при использовании дополнительных видов НК осуществляется с использованием измеренных параметров дефектов на основе нормативных методов механики разрушения, методик по расчету конструкций на прочность и других действующих нормативных документов.

Системы классификации источников акустической эмиссии и критерии оценки технического состояния объекта

 Результаты АЭ контроля представляют в виде перечня зарегистрированных источников АЭ, отнесенных к тому или иному классу в зависимости от значения параметров АЭ. Такую оценку производят для каждого источника АЭ сигналов. Оценку технического состояния контролируемого объекта проводят по наличию в нем источников АЭ того или иного класса.

Применение конкретных систем классификации источников АЭ и критериев оценки технического состояния объектов зависит от механических и акустико-эмиссионных свойств материалов контролируемых объектов. Выбор системы классификации и критериев оценки состояния объекта проводят, используя перечисленные ниже системы классификации и критерии оценки состояния контролируемого объекта. Допускается применение других систем классификации и критериев оценки (и соответствующих значений параметров сигналов АЭ, определяющих классы источников и критерии оценки) при наличии обоснования их применения.

Выбор системы классификации и критериев оценки производят перед выполнением АЭ контроля и фиксируют в технологии контроля, разработанной на основе данного документа или приведенной в соответствие с ним. После этого исполнитель производит соответствующую настройку аппаратуры и разработку требуемого программного продукта (при необходимости).

Существуют следующие критерии:

- Амплитудный критерий

- Интегральный критерий

- Локально-динамический критерий

- Интегрально-динамический критерий. (Стандарт NDIS 2412-80, Япония)

Правила оценки класса опасности источников по этим критериям подробно описаны в ПБ 03-593-03 и приводиться не будут.