автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Разработка методики акустико-эмиссионного контроля криогенного оборудования с учетом влияния параметров акустического канала

научно-производстьзнное общинные

по технологии шшюстгоаш у п .¡п "шиизм]]!"

• I.

На правах рукописи

шргазов вшм адгауошч

разработка методики" акустико-эшссшнного ■ контроля кр.10гшш) оборудования с учетом влияния параметров акустического канала

Специальность 05.02.11 - "Методы контроля и диагностика

в машиностроении

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технически наук

.Москва

•1994 г.

работа гаголнена в научно-пгоизвогственнон >бьединешш Криогенмаш и научно-производственном объединении ЦНИЛТНАШ

Научный руководитель д. т. н.. профессор Иванов В. И

Официальные оппоненты д. т. н.. профессор Баранов В.

к. т. н., доиеит ешп в. в.

Ведущее предприятие ИЛЭ (Институт атошсИ энергш)

Зашита состоится _199'1 г. иа

заседании специализированного совета ДПЗ. 03. 03 в научно-производственном объединении по технологии машиностроения (ЦШШТМАШ по адресу:

109088. Москва, Шарикоподшипниковская ул. . 4.

Ваш отзыв, заверенный печатью, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО

щшитшш.

Телефон для справок 275-85-33

Автореферат разослан "_____"______________1994 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, к. т. н. : в. Н. Ушаков

АЕТУАЛЬНОСТЬ ТЕКИ Введение в действие Госгортехнадзорон РФ в "Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов , работающих под давлением" пункта 4.6.17 ¡"Гидравлическое испытание допускается заменять шевнатическим при условии контроля этого испытания методой акустической змисси (АЭ)" - поставило перед предприятиями криогенного машиностроения проблему применения АЭ контроля при пневматических испытаниях криогенных резервуаров, цистерн. аппаратов при их изготовлении. Возникла также необходимость АЭ контроля при очередных и внеочередных техшгсескнх освидетельствованиях после монтажа и в процессе эксплуатации, при обследовании« обьектов с целью определения вознохности продления первоначально установленного времени эксплуатации криогенных установок выработавших свой ресурс. Для использования метода АЭ в промышленности необходика разработка нормативно-технической документации (НТД), предназначенной для контроля определенного класса обьектов. в частности, методики (инструкции) для контроля изделий криогенной техники.

Диагностика сосудов и других обьектов, работающих под давлением, с яельс продления срока эксплуатации становится наиболее актуальной особенно на данном этапе - перехода прс-нышлености Российской федерации к рыночной экономики, т. к. предприятия, владейте указанными изделиями, не состоянии своевременно модернизировать установки и вынуждены некоторое вреня эксплуатировать сушествушше.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Целью работе является обеспечение безопасности проведения пневматических испытаний изделий криогенной техники при изготовлении и технических освидетельствованиях, а такхе повышение надежность криогенного оборудования, безопасно!'* эксплуатации. Для ьчедрения метода АЭ необходима ссотЕетс-твукшя НТД. Анализ ыешейся НТД показывает, что ни с дин из сушествшжх сташш оов как зарубежных, так ;; отечественных не ноже,- быть непосредственно использован д-л АС- кснт;;-ля криогенн. к сосудов, подвергаемых пиеЕМСиспытаннян. Это

связано с отличиями в Форм?» размера!, материале, условиях кагружения. Вследствии этого возникла необходимость создания методики .О контроля криогенного оборудования с учетом влияния акустического канала, т. к. залным элементом различия нехду видами продукшш на^аостроения, подвергаемых аэ контролю, является акустический канал (аю.

Для достижения сформулированной выше дели необходимо решение сяедлжих научных задач :

!. Прозести анализ прохождения дискретных сигналов АЭ через преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ), позводягший вобрать информативные параметры АЭ.

2. оценить устойчивость параметров АЭ к вариации параметров акустического канала, в частности, толщины контактного слоя и переустановки ОАЭ.

3. Выбрать тип характеристики и доказать, что при исследовании свойств ак и разработке критериев классиФихапии источников аэ импульсные характеристики яеляотся определятинл в сравнении с частотными.

1. Исследовать влияние акустической нагрузки на Формирование импульсных характеристик, а также особенностей АК, характерных для изделий криогенной техники.

5. Экспериментально определить влияние акустического канала на регистрируемые параметры сигнал .-■з АЭ и на критерии КЛаС-сификздии источников АЭ.

5. В результате проделанной работы дополнить алгоритм обобщенной нетодики АЭ контроля новыни параметрами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА полученных результатов заключается в следующем: на основе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на выявление закономерностей, обуславливаюсь передачу информации от источнжа АЭ до преобразователя акустической эмиссии (ЕАЭ) включительно, разработана методика АЭ контроля криогенного оборудования с учетом влияния акустического канала.

-Разработан алгоритм и выполнено численное моделирование прохождения импульсных сигналов через ПАЭ . Из результатов моделирования следует, что как узксяолосный, так и ши-

роксполоскый паз, используемые в ^рактаке аз контроля, не сохраняют 4оркг входных сигналов. Впервые введено понятие и получены "динамические" характер.'.стики резонансного и - еирэ-козолосвогс ЛАЭ. гзязыва>:сие изменение параметров входных сигналов с изкенияки параметров сигналов на выходе паз. Зависимости носят монотонный характер для зсех трех использованных для расчета аэ-ик~ульсов. Ксзло отметить лиеь некоторую "нелинейность" зависимостей ери относительно болызц значениях энергии и амплитуды. Эта "нелинейность" на представленных 'динамических* зависимостях связана не с истинными нелинейными характеристиками преобразователя, а с трансформацией спектра исходного сигнала после прохождения ПАЭ.

- Выявлены основные особенности АЬ , характерные для изделии криогенной техник: импульсные характеристики ПАЗ, регистрируемые в основном с сболсчкоэкх. тонкостенных конструкции, имеют слоглгкй кодовый состав, являющийся Сункдией расстояния между источником АГ- к ПАЭ и ортотрслностк конструктивных элементов.

-Проведена теоретическая и экспериментальная опенка устойчивости параметров сигнала АЗ к изменению тсляшны контактного слоя и переустановки ПАЭ. что позволяет предъявлять обоснованные требования к чистоте поверхности. Наиболее устойчивыми параметрами являются максимальное значение амплитуды и энергия.

-На основании экспериментально определенных акустических свойсте типовых изделий криогенного машиностроения выполнена количественная опенка елйяния АЕ на критериальные соотношения, используемые для классификации источников АЭ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. На основании результатов диссертационной работы составлена инструкция АЭИ -1-90 и методика обследования криогенных установок, выработавших сг-:й ресурс, что позволяет проводить пневматические испытания на герметичность и прочность сосудов, работавших под давлением. и диагностику возаухо-разделителькых установок (В-"/'.

Экспериментально исследована возможность работы серийных ПАЭ в условиях криогенных температур и избыточного

давления (до го атм), что доказывает вознохность диагностики (мониторинга) циклически нагруженных изделий в процессе всего времени эксплуатации.

проведения криогенных

АПРОБАЦИЯ. Основные результаты доложены на всесоюзных и международных научно-практических конференциях в г. Киеве и в г. Москве.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы защищены двумя авторскими свидетельствами, во материалам работ опубликовано пять статей.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Решение поставленных задач осуществлялось путей проведения численного моделирования и структурно-калибровочных измерения на образцах, моделях и реальных изделиях криогенной техники. При проведении вычислительных экспериментов использовалась вычислительная техника. Экспериментальные исследования 'проводились с использованием выпускаемых серийно АЭ систем.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на 139 страницах машинописного текста, иллюстрируется 45 рисунками, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и: об наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБСТЫ. В первой главе дана краткая характеристика криогенного оборудования и необходимость использования метода АЭ.

Анализ сусествпсщей литературы, посвяшекк:й проблемам АЭ предопределяет необходимость проведения дополнительных исследований относительно -опросов формирования, распространения сигналов АЭ. Акустический канал ¡А£! является каналом передачи информашш. поэтому при разработке методики АЭ контроля криогенного оборудования основное внимание уделено именно ад.

Бо второй глазе -роЕеден акали? работа акустического канала. Акустический какал р=:дог.ен на составные слементы:

-э-

обьект контроля (ОБ) - контакта® слой (КС! - преобразователь акустической эмиссии (ЕАЭ) и выполнена опенка влияеия каждого элемента в отдельности на передачу инС>ориации АЭ. Пгженяекке для оденок ПАЭ аналитические подходы, расчетные недели и эквивалентные схемы не в достаточно;: мере отражают реальные процессы прохождения сигналов через пьезоэлектрический преобразтзатель. Еследствне указанных обстоятельств, е диссертационной работе были предприняты попытки численного моделирования прохождения сигналов через преобразователи (резонансного и сирокопслосного типа!. Алгоритм описан выражениями (!-7), в качестве пробных сигналов использовались модели сигналов аз ;1-з;.

ивхи)-- а-г-е" ' , п; ивх(г): а-ье (2)

ивхи)-- а-е6? Бикм.-г) 131 Спектральная реакция пепи ?бых на входное воздействие определяется через передаточные характеристик!', четырехполюсника Бд: * » .¿л*

Бзг^,)ивх-е <П (4)

* " . * . » I

| евых i и бвх | ♦ | £и1 (5;

агЁ5зых:агеБвх ♦ аггБс (6: Кспользуя обратное преобразован!!? Фгрье. окончательно получаем выражение реакдин ПАЭ:

1текх= 1 гвых-е йг 1?) Результатом вычислительного эксперимента являются импульсные характеристики (реакция паз на входные сигналы ; 1-3)). Рассмотрение Форм импульсных характеристик показывает следушее: при лрехохдежпя сигнала через узкополоснын и гирокопслоскы;': паэ, испсльзггные в практике аг- контроля, <?оркы еходнье сигналов не сохраняктся. Поэтому для адекватности информации об развивавшееся деСект-г. прс^едягн]': через паэ было введено понятие и построены ' лирические* характеристик:! паз : зависимости. связыва):.-ие изменения параметров зкодных сигналов с изменениями параметре? сигналов на выходе паг-.

Расчеты п::-:а?али. что изменение амплитуды (длительности! вг.еднег? импульсе приведи? к изменение суммарного счета, длительнее-: и энергии сигналов ка выходе гезонаясно-гс л ди?;копслс.с:-::го лаг- . При этом для выбранного набора

паранетров зависимости суммарного счета и длительности импульсов на выходе ПАЭ для ряда Форм импульсов имеет максимум, а также участки нарастания и уменьшения значений параметров. Эти эффекты можно объяснить особенностями взаимодействия спектров входных сигналов с АЧХ и <*>ЧХ преобразователя. Зависимости выходных параметров сигналов от входных носят монотонный характер для всех трех использовании для расчета АЭ-импуяьсов. Кокно отметить лишь некоторую "нелинейность" зависимостей при относительно больших значениях энергии и амплитуды. Эта "нелинейность" не связана не с истинными нелинейными характеристиками преобразователя, а с трансформацией спектра исходного сигнала после прохождения ПАЭ. Еще большее влияние на параметры прошедшего импульса оказывают передаточные характеристики (АЧХ и ФЧХ) узкополосного преобразователя. Значение энергии, амплитуды выходных сигналов на порядок меньше для узкополосного ПАЭ, чем для широкополосного для идентичных входных сигналов. Здесь нужно отметить не только уменьшение наклона зависимостей, но и уменьшение энергии и амплитуды на выходе при увеличении этих параметров на входе ПАЭ. Этот эффект также объясняется Фильтрующим действием ПАЭ, а именно: импульс, имеющий малую амплитуду, имеет также малую длительность (более крутой фронт) И, следовательно, широкий спектр. При увеличении амплитуды (длительности) энергия сигнала растет - крутизна нарастания уменьшается, в спектре импульса все больше преобладают составляющие более низкой частоты. Этим объясняется спадающий характер "динамической" характеристики суммарного счета для широкополосного преобразователя, т. к. несущая частота сигнала на выходе ПАЭ будет уменьшаться. Отмеченные особенности, выявленные при численном моделировании прохождения акустических сигналов через преобразователи, необходимо учитывать при выборе параметров контроля, разработке критериев классификации источников АЭ и интерпретации результатов контроля.

Следующим вагон в исследовании акустического канала было выполнение вычислительного эксперимента по оценке влияния контактного слоя КС на устойчивость значений параметров АЭ и импульсных характеристик. Нас интересуют изменения па-

раметров АЭ в зависимости от вариации толщины КС в пределах, наиболее часто использующихся в практике АЭ контроля. Бее остальные параметры эксперимента поддерживались неизменными. Необходимо таксе отметить, что затухание звука в материалах в расчете не учитывалось, алгоритм вычислительного эксперимента описан выражениями (1-7). для оценки влияния КС была рассмотрена пяти-слойная колебательная систена, включающая пьезоэлектрический преобразователь резонансного типа S750B Фирмы Д/Э, нагруженный на полубесконечное пространство через идеализированный КС с параллельныни границами. Выполнение вычислительного эксперимента проходило в два этапа: в первом - расчитывались передаточные характеристики системы обь-ект-ПАЭ с Фиксированными толшинани КС (0; 0,005; 0,01; 0,075; 0,1; 0.25; 0,5; 0,75; 1.0; 1.25; 5, 0; 10 мм). Анализируя полученные при расчете данные, ножно сказать следующее: кроме основного резонансного пика наблюдается серия резонансных пиков на других частотах. Их количество увеличивается при увеличении толщины КС. Чувствительность ПАЭ (максимальное значение АЧХ на резонансной частоте) при увеличении толщины КС изменяется не монотонно. Следующий этап вычислительного эксперимента - определеление сигналов на выходе ПАЭ при изменении толщины КС Н=о- 10 мм. Для толщин до 1мм параметры: максимальное значение сигнала um, энергия V, суммарный счет Н, длительность фронта и спада изменяются мало, при увеличении толщины КС до Юмн появляются существенные отличия, особенно во фронте - появляется задержка для положительной полуволны с максимальной амплитудой. Из анализа видно, что' наиболее устойчивыми к изменению толшны КС параметрами АЭ являются длительность фронта -время достижения наксинума, максимальное значение сигнала, энергия. Длительность спада.сумнарный счет более чувствительны к изнененкю толлины КС. Можно Еыделнть три интервала 0-0. ihm; ;0, i-1mh; 1-Юнн. Из этого разбиения следует выде- , лить интервал толщин 0-0.1мм, в котором параметры АЭ имеют меньший разброс свояк -'гпчечкй. что соответствует поверхности с шероховатостью в диапазоне R=0,2-100.

Так как параметры АЭ имеют различную размерность,

избыла введена характеристика, которая в безразмерных величинах позволяла бы оценивать устойчивость количественно. Наиболее; удобным, простым по Форме и достаточным по содержанию в данном случае является коэффициент вариации:

Vsg/X (8)

где ¿-среднеквадратичное отклонение. X - среднее значение параметра. Прове денные расчета, показывают, что толщины контактного слоя, обеспечивагаего акустическую связь контроли-руеного объекта с ПАЭ. оказывает определенное влияние на значение регистрируемых параметров сигналов АЗ. Наибольшее влияние имеет место для толщины контактного слоя в диапазоне о, 1 - 1,0 нн. При этон амплитуда инпульса меняется в пределах до 1TZ, число выбросов до зох. Следует отметить, что влияние толщины ЕС на чувствительность ПАЭ (максимальное значение амплитуды) в два раза меньше чек для ультразвуковых преобразователей. . Это объясняется тем, что акустический сигнал при УЗК проходит ЕС дважды. Учитывая, что параметры сигналов АЭ в реальных 'условиях изменяются в значительно больших пределах, влияние толщины контактного слоя можно считать несущественный и нет необходимости предъявлять специальные требования к- чистоте обработки поверхности.

Проведена экспериментальная оценка влияния контактного слоя на параметры АЭ. Влияние» "которое сказывает ЕС, сводится к определению изменений параметров сигнала АЭ .которые зависят от толшины и инпеданса КС. Для этого был проведен Физический эксперимент. В качестве акустической нагрузки использовался стальной блок (1S0«170*150). Излучаксий ПЭП возбуждался единичным электрическим импульсом: V=90 Б. t=0,1мкс и был зафиксирован на зсе время испытаний. Толика ЕС между ПАЭ и объектом контроля ;ок; не измерялась, но приемный датчик переустанавливался перед каждым измерением в одно и тоже место. Оценка устойчивости параметров определялась выражением íSj. Параметры оигналоз АЭ определялись из импульсных характеристик (ИХ). По согяасозаЕпе глицериновый ¿1- превосходит SC из лластилина ico максимальному значен;?» лмллитуд) в 2,2 ?аза для Д9£Сс и з 3 раза для ПИЗ. Лз всех параметров АЭ для обеих zit-üíkod наиболее устойчивым параметром являет-

ся максимальное значение амплитуды 7-0,1. параметры АЭ регистрируемые через КС из глицерина в среднем в 1,5-2 раза устойчивее параметров АЭ чем - через КС кз пластилина. Визуальный анализ их показывает, что спад, Фронт ИХ для КС из пластилина имеет меяыпугэ длительность, чей для КС - глицерина. Приведены результата оценю! влияния установки датчика АЭ Д9202 на поверхность провода мн, КС - наело. Из результатов следует, что установка на такую поверхность оказывает существенное . влияние на устойчивость суммарного счета - устойчивость N на порядок хуже устойчивости максимального значения амплитуды, п^ла проведена оценка влияния передачи сигналов АЗ с листовой конструкции через стержневой волновод. Форна ИХ практически не зависит от степени прижатия волновода, наличия контактной смазки, диаметра контакта. От влияния перечисленных Факторов изменяются главки образом максимальные значения амплитуд: при сухон контакте - прижатие (Р=100 нс/т) увеличивает максимальное значение амплитуды в 2, 3 раза, использование контактной смазки уменьшает степень влияния прижатия волновода практически до нуля. Использование груза (прижатие) позволяет передавать сигналы АЭ, не применяя контактную сказку.

В НК преобразователи описываются преимущественно с использованием частотных параметров, а именно, амплитудными и Фазо-'гастотаыни характеристиками. Частотные подходы имеют сзтпесга януе недостатки, основные из которых можно видеть из следующих положений:

1. При построении критериеп окзвки состояния контролируемых

обьекто./. используг гея те параметры сигнала акустической эмиссий (аэ), которые легче получить ??з импульсных хзракте-ристик -преобразователя, не?:?ли из частотных.

2. Трудность получения згллитудзоа и ососеино ФаэочапотнсЯ характеристики, которую в пастоаьге время получают пргяку ■ чгеттенмо расчетным вгтен.

Использование характеристик 11ЛЗ в час?!"'гаси пли :: мшон лредста^лешг-1 дол.хнх конечно определяться необходимой Формой представления хс-иттирусмого ярг.аесса. При анализе АЭ 'чат^г-кала ш инеем тп* со с :охасунчгск::., импульсным

пропессон и поэтону предпочтительнее пользоваться импульсными характеристиками ПАЭ. При исследовании процессов истечения рабочих тел (жидкости или газа), а также процессов трения. резания твердых тел. коррозии и ряде других, мы имеем дело с непрерывной АЭ. В этих случаях порой удобнее контролировать процессы, анализируя их частотные характеристики. Соответственно параметры преобразователей следует представлять в частотной области. Переходу к широкому использованию ИХ, тан. где это действительно нужно, мешает привычка иыс-лить частотными представлениями. Для облегчения процесса покажем. что в импульсной характеристике содержится полная информация о частотных свойствах преобразователя и получение оценок частотных параметров ПАЭ из его ИХ не представляет больших сл .-жностей. Для доказательства выше изложенного, разработан алгорим и построены из реакции ПАЭ (импульсных характеристик) анплитудно -частотные характеристики с учетом длительности входных сигналов. Построенные частотные характеристики сравнивались с исходными. Из этого сравнения следует. что определение АЧХ для резонансного ПАЭ из импульсной характеристики сводится к определению длительности периода несушей частоты и погрешность определения частоты резонанса составляет 5'/. при построении АЧХ для широкополосного ПАЭ отмечена зависимость АЧХ от длительности входных сигналов и погрешность при построении АЧХ (по широкополосности) составляет 17'/.

Известно, что на Формирование импульсных характеристик акустического канала главным образом влияет источник АЭ, геометрия и механические свойства акустической нагрузки. Механический импульс АЭ. имевший Форму видеоимпульса и длительность вблизи источника 1 икс и менее, вдали от источника при распространении в акустическом канале превращается в оссил-лируюашй радиоимпульс длительностью порядка нескольких миллисекунд. Таким образом, происходит полная потеря информации о Форме первоначального имп/льса. его длительности . В этих условиях одними из немногих параметров единичного импульса АЭ. который сохраняет устойчивость, является энергия сигнала и его амплитуда. Вследствие этого были исследованы зависи-

ности амплитуды акустического сигнала при распространении его по конструкциям различных криогенных сосудов. В качестве объектов были выбраны две типовые модели сосудов, зЬкизы которых приведены в диссертации. В случае, когда между приемным и излучашим ПАЭ находится сварной шов, характер сигнала сохранялся. Однако, амплитуда сигнала несколько уменьшалась (на 3 - 4 дБ), что можно считать несущественной величиной. Несколько больше было уменьшение амплитуды сигнала, когда сигнал проходил через сварной шов, соединяющий две обечайки различной толщины, уменьшение амплитуды составляло б дБ. Ребра жесткости вносят значительную анизотропию в акустические свойства сосуда. Так, затухание сигнала на расстоянии ка 1 м без ребер жесткости составляет порядка в - 9 дБ, а зат> -хание, когда между излучателей и приенникон также 1 н , но 3 - 10 ребер жесткости, составляет 27 - 30 дБ. проведенные ис-следования влияния особенностей акустического канала в buz? наличия сварных ивой, изменения толщины стенки, наличие приваренных ребер жесткости, стрингеров и других конструктивных элементов, которые определяют конструктивную анизотропию и влияют на параметры акустических волн, подтвердили необходимость тщательного изучения контролируемой конструкции и влияния особенностей конструкции при разработке конкретных не-тодик контроля.

непосредственно перед проведением экспериментальных работ были, исследованы различные по Физическому принципу работа имитаторы АЭ: неханические и электромеханические, л данной работе наиболее тщательно исследовались ультразвуке вые имитаторы: ИПК - излучатель прямой, пьезопластины кото poro имеют форму квадрата, и илПК, пьезопластины которого инеют Форму диска, источник Хсу-Нильсена и стальной шарик падающий с высоты Н -120н м и ¿Знм. Главным условием использования того или иного имитатора АЭ на практике является устойчивость регистрируемых параметров A?. самым стабильным имитатором fó:0) является ПЭГ. Устойчиессть работы источника Хсу-Нильсона исследовалась для трех р:злччнкх длин грифеля L : 1,5 им, L = 3 км. L = Ч мм, проводилось по 12 изломов для каждой длины. В качестве акустическо.; нагрузки использо-

вался стальной блок (170* 180»150 ). из анализа зарегистрированных параметров следует, что чем короче, длина грифеля, тем больше максимальное значение амплитуды события АЭ. Наиболее стабильными параметрами АЭ для всех длин грифеля являются максимальное значение амплитуды, длительность фронта . Следует также отметить, что параметры АЭ для длин грифеля 4 нм более стабильны, чем при других длинах. При использовании в качестве имитатора взаимодействие стального шарика диаметром 1-10 нм с поверхность» ОК, падающего с определенной высоты Н параметры сигналов АЭ от срабатывания этого источника мало отличаются от источника Хсу-Нильсена, однако устойчивость его работы намного хуже. Анализ импульсных характеристик определяет некоторое различие имитаторов АЭ , однако при калибровке АЭ систем, данные изменения не существенны , следует лишь отнетить необходимость использования единого имитатора для сравнения или переноса результатов АЭ контроля.

В связи с необходимостью проведения в НПО КРИОГЕННАЯ диагностики и мониторинга методом АЭ изделий криогенной техники при эксплуатации была выполнена экспериментальная оценка возмохности работы акустического канала в условиях криогенных температур. К специфике работы при низких температурах относится процесс кипения,' температурной релаксации, сохранение акустических свойств КС и работоспособности ПАЭ. При кипении азота возникает пунозой сигнал, амплитуда (30-40 йЬ) которого зависит от интенсивности кипения. При небольшой интенсивности амплитуда сигнала невелика и не сказывается на проведении АЭ контроля. Большая интенсивность кипения, как правило, связана с изменением температурного голя объекта контроля. В этих условиях серьезную помеху АЭ контролю оказывают сигналы, возникающие в результате тенпературной релаксации элементов конструкции. Амплитуда акустических сигналов релаксации достигает порядка 70 - 80 дБ, что полностью исключает возможность контроля объектов в этих условиях. Вследствии этого необходимо проводить АЭ контроль в условиях изотермического состояния контролируемого объекта.

При сравнении параметров сигналов АЭ, зарегистрирован-

1Ш от имитаторов на воздухе и в зикон а; оте. различия пе отмечено. Таким образом, нозшо констатировдть.' что пьезоэлектрические свсйсгЕа ПЛЭ не изменяются при покенешш их в жидкий азот. Поэтом:- для контроля объектов, находящихся при температуре жидкого ;зота, ¡icsho использовать преобразователи АЭ обшего применения.

Третья глава посвящена опенке влияния акустического канала на критерии классификации источников АЭ. 3 этой связи резалась задача экспериментального исследования акустических сзойстз объектов, предетавдягсшх собой волноводы. Исследование акустических свойств канала проводились на моделях и натурных объектах, изготовленных из стали 12Х18НЮТ с толщинами стенки 3.5 и 10 ми. Развивающийся источник АЭ моделировался УЗК имитатором, па него подавались последовательно сигналы прямоугольной Форкп трех амплитуд : Ur=40 В. Ur--6О В, Ur-110В с Фиксированной длительность» 0. 5нкс. Были зарегистрированы все параметры сигналов АЭ и построены зависимости (названными "динамическими") параметров сигнала АЭ в Функции расстояния между источником АЭ и ПАЭ. Для сосудов из нержавеющих сталей толпился 3,5-40 ин характерно сильное ослабление УЗ колебаний по экспоненциальному закону (EOdB) на расстоянии 0,.8 н и незначительное (10 dB) - на расстоянии от О, S до 3 нетров» что сильно сказывается при регистрации таких параметров, как максимальное значение амплитуды и энергии. Параметры АЭ - суммарный счет, длительность сигнала АЭ - практически не зависят расстояния на исследуемом интервале. Длительность фронта сигнала АЭ монотонно увеличивается на интервале от 0 до 1,2 м за счет "расхождения" мод волн Лейба. Для алюминиевых спавов ослаблаление сигналов АЭ не существенно ( не превышает 2 dB на 3 метра ) и изменяется по линейному закону.

Далее, на любом расстоянии между ПАЭ и источником АЭ при наличии необходимого набора параметров АЭ, входящих в тот или иной критерий классификации источника АЭ, была смоделирована работа источника АЭ и выполнена оценка влияние расстояния (акустического канала) на рассматриваемые критерии: В настоящее вреня для оценки и классификации источников

АЭ согласно НР204-86 рекомендованы четыре наиболее известных критерия: . интегральный, интегрально-динамический, амплитудный и локально-динамический. В аппаратуре Фирмы РАС часто используется критерий НОНРАС.

Наиболее простым с точки зрения практической реализации является амплитудный критерий, который в том или ином виде применяется в другой НТД по АЭ, где измеренное максимально значение амплитуды А1 зарегистрированного события АЭ сравнивается с Абр :

А1 < Абр не опасно, А1 > Абр • - опасно, где величина Абр определяется из эксперимента при разработке амплитудного критерия для конкретных материалов, дефектов, геометрии объекта контроля.

Для амплитудного критерия основное влияние акустического канала характеризуется ослаблением акустических волн в контролируемой конструкции;

Локально-динамический критерий производит оценку по каждому событию из 1-го источника, начиная с 3-го (в реальной масштабе времени). Для каждого события Формируются величины ч

v-*н^/ н; и v (1+ар^ /Рк. -Р10 )-1 где, К - интервал наблюдения, Л - номер события,

N1 - суммарное превышение порога дискриминации для 1 -го источника за время или значение параметра испытания Ри ,

р^- значение параметра испытания при регистрации 1-го события

При моделировании работы источника АЭ с помощью экспериментальных "динамических" характеристик на различных расстояниях нежду источником АЭ и ПАЭ обнаружено, что влияние рассматриваемого АК на локально-динамический критерий сводится к появлению погрешностей при определении величины V в пределах от -IV- до +26/.. Влияние же затухания - компенсируете.

Влияние акустического канала на интегральный критерий аналогично его влиянию на локально-динамический. Для краткости рассмотрим только те аналитические зависимости критерия, на которые АК оказывает непосредственное влияние: Форми-

руется величина Г. характеризушая активность источника:

интенсивность источника на каждом интервале дРк(дгк):

Л = Як / V, ^ А{, где V > 1 - коэффициент, определенный из эксперимента.

А;.- среднее значение амплитуды. 3 результате проведения моделирования работы источника с помопгью экспериментальных "динамических" кривых, определено следующее: влияние АК - на интегральный критерий равно14Х (главным образом на величину П, влияние ослабления - компенсируется.

В интегральнс-динаническом критерии японского стандарта классификации источников АЭ АК главным образон влияет на определение энергии и при вычисление индекса концентрации для определенного (к - го) источника:

где Н*- число событий, локализованных и принадлежащих одному источнику (к - ну),

стандартное отклонение от средней координаты к - го источника.

Рассматриваемый критерий в достаточной мере устойчив к влиянию АК, однако при его использовании для контроля криогенных (тонкостенных) сосудов следует обратить внимание на алгоритм локации, т.к. для реализации критерия требования к точности локации источника АЭ достаточно жесткие - не более 5 У- Тогда как из "динамической" кривой длительности следует, что при измерении РВП по пересечении порога по огибающей Фронта при фиксированном пороге погрешность точности локации ножет достигать 9*. При определении энергии АЭ необходимо восстанавливать значение энергии АЭ до истинного с учетом затухания.

В технологии ШНРАС оценочный критерий конструируется на базе энергетической интенсивности источника АЭ. Согласно

с 1 при н = О, н > о

С = Нк / 5Г (6.)

этой технологии определяются две величины: исторический показатель Н в нонент вренени определяется как отношение среднего значения энергии к последних импульсов АЭ к среднем/ значению энергии всех Н зарегистрированных в процессе испытания импульсов АЭ: н _ н

нГ+Ь-1 5. £1 А-г 2 Ее Значение Ж является Функцией К. Опасность Б определяется как средняя энергия 10 импульсов с наибольшей энергией, зарегистрированных на данный момент испытаний:

1=10

- 2 £•

Влиякие АК на критерий НОНРАС (разработанного на базе энергетической интенсивности) характеризуестя затуханием.

В четвертой главе приведен обобщенный алгоритм разработки методики АЭ контроля с учетом влияния особенностей акустического канала. Впервые алгоритм методики АЭ контроля, составленной в эвристической Форме был разработан в основных параметрах проф. Нвановын В. И.. В данной работе проведена конкретизация данного алгоритма и согласно ему разрабатывалась методика АЭ контроля криогенного оборудования. Согласно этому алгоритму разработка методики основывается на двух группах данных, полученных в результате следующих исследованиях: •

1. Исследование параметров акустического канала.

2. Исследование АЭ свойств материала ко.

Дершй пункт дает возможность разрабатывать методические приемы проведения проведения АЭ контроля, второй пункт -построить критерии оценки источников АЭ.

Рассмотрим систему априорных данных, которые необходимо иметь для построения иетодики АЭ контроля. В первую очередь необходимо инеть данные об акустических свойствах объекта, к таким свойствам откосятся скоросга звука к затухание. Значение скоростей волн необходимо для расчета координат источников АЭ. Так для изделий криогенной техники определены следуюиие значения скоростей : Си- продольной, С„-группобой представлены в табл. I. Скорость С,- поперечной волны получены расчетным путей с использование}! значений

ПРОДОЛЬНОЙ волям.

табл.1

К Материал Акустичская нагрузка С,_*10?н/с С5»10?м/с с^» 1С* м/с Затухание дБ/СМ

1 12Х13Н10Т образцы 5.26 2.89 - 1

АКТ ■ 6.31 3,21 - 0,25

2 112Х18Н10Т оболочечные 5, 32-5. 37 2.93-2.95 2,98 -

АНГ конструкции 5.72 3.15 3.1 0. 25

ЗЕание заттхазия необходимо для. восстановления энергетических параметров источников АЭ до истинного. В обпем случае необходимо знание затухания всех Типов волн, которые использованы для контроля. Результаты определения затухания приведены в табл. 1 . следует отметать, что з оболочечных конструкциях яз нерхазеюшей стали 12Х1вН10Т величиза затухания равна: на расстоянии до 1н 15-20 дБ/и и далее 1н - 1-2 ДБ/№

Понимо чисто акустических параметров материала необходимо знать специфические АЭ свойства, которые определяются механизмом контролируемого динамического. процесса (ростом третины. скачкон пластической деформации). Результаты данных исследований в данной работе не приведены.

След7шим принципиальным моментом является создание критерия предельного состояния контролируемого объекта по параметрам АЭ. Критерием предельного состояния, как правило, является неравенство.. которое удовлетворяется при некотором сочетай-,1И параметров АЭ и параметров нагрузки. Детальное сб-сухзекие результатов работ по определению критерия предельного состояния контролируемых изделий выходит за ранки диссертационной работа. Источники АЭ оцениваются с использованием амплитудного и локально-динамического критериев. Р основу анплитудного критерия положено значение амплитуд зарегистрированных импульсов АЭ. В основу локалько-ди-:-:амичес:<ого критерия положено значение темпа нарастания суммарной АЭ при определенен (локальном) значении параметра :-:1гр-/же.-:;гя I внутреннего дазления или времен:!;. Источники АЭ разделится на 4 класса.

-16-"-. . , По параметр/ сунмарноя АЭ (локально-динаническяй)

подход:

1 - источат АЭ (пассивный источник), который" зарегистрирован на определенном этапе пагружения, после чего из зоны расположения данного источника сигналы АЭ не регистрируются. Для данного источника характерно значение п<1, где п -параметр классификации, определяемый из соотношения: п=лНР/ЛРН .

2 - источник АЭ (активный источник), регистрируемый на протяжении всего врененк наблюдения. Для данного источника характерно значение nal. . _

3 - источник АЭ (критически активный источник), для которого паранетр классификации находится в пределах 1<п<2.

4 - источник АЭ (катастраФически активный источник), для которого параметр классификации п>2.

По амплитудному параметру (амплитудный подход): i

1 - соответствует однократной регистрации сигнала амплитудой не превышавшей 40 дБ (слабый источник),

2 - соответствует регистрации импульсов амплитуда которых "лежит в диапазоне 40-50 дБ (сильный источник).

3 - соответствует регистрации хотя бы одного импульса анпли-туда которого превышает 50 дБ (критический источник),

4 - источник , который вырабатывает сигналы амплитудой более 50 дБ в количестве более 5 (катастраФическии источник).

При достижении источником АЭ класса 3 по амплитуднону параметру либо класса 3 по параметру суммарной АЭ на любой стадии нагружения производится остановка испытания и сброс давления.

Анализ прохождения и преобразования, сигналов АЭ в акустическон канале по зленентан конструкции показывает, что в делом изделия криогенной техники пригодны для контроля методой АЭ. Гак сложные конструктивные элененты - поясные короба, шпангоуты, ребра жесткости, врезки, юбки, переходы толщин проводят акустические колебания с некоторой потерей энергии, что предопределяет использование многоканальных АЭ систем. Анализ комплексного коэффициента передачи акустической волны через конструктивные элененты необходин для каждого конкретного типа сосудов.

Раэработка критериев классификации о-лшэз аэ трезу-ет проведения исследовательских работ связанные как правчло с разрушением различного типа обрапов. неделе!'!. Акустический какал • характерный геомгтрш образцов значительные образом отличается от реальных изделий. В таблице 2 приведены параметры акустических . сигналов при возбуждении источника Хсу-Нильсена в изгибных образцах в виде призм н в реальные изделиях, показывающие сушестзенное влнянне масштабного ^актера (геометрии) на основные параметры АЭ.

Табл. 2

Материал Призматические образцы Листовые конструкции

йакекм. ?гтач. им (В) Длительн. сигнала t (MC) КозФФ. разннох. Нзксин. знач. 1'м (В) Длите л ьн. сигнала t (МКС) КозФФ. разкяод.

АНГ-5 (б) lEXiSHiOl 2,0-2.2 1,0-1,2 1,5-2,0 0.01-0,02 600-1000 10-20 1,4 1,1 20 25 6-7 5-5

Анализ форта сигналов и их параметров при разработке конкретных значений критериев определяемых на образцах и моделях обязывает корректировать критерии классификаои. учитывая влияние масштабного Фактора. Так напринер, для амплитудного критерия разрабатываемого для изделий из алюминиевых сплавов максимальные значения амплитуды в реальных конструкциях в средней на 6 дБ меньше нежели регистрируемые на образцах.

Выбор схемы расположения ПАЭ определяется геонетрией (размерами) контролируемого изделия ; архитектурой и матобеспечением АЭ системы, а также результатами калибровки, которую необходимо проводить и после АЭ контроля для подтверждения достоверности результатов лэ контроля. Калибровка базы антенной решетки определяется перед проведением АЭ контроля нового объекта.

Анализ ошибок определения коордшат показывает следу-шее, известно что локация источников АЭ по сигналам АЭ дискретного типа вычисляется по разности времен прихода (РВП). РВП определяется по точке пересечения порога дискре-тизашш с Фронтон огибающей сигнала АЭ. Для оболочечных конструкций характерно следующее, если ПАЭ находится рядом с

кстсчникон аэ то рба будет определятся гс самой скоростной коде волны Ленба с=5б00-б000 н/с, по нере увеличения расстояния нежду ПАс и источником начинают влиять дна основных Фактора затухание и "расползание " нод волны Лемба приводе-иее к сушественнону .изненени» Формы (длительности от 30 до 200 икс) фронта сигнала АЭ. Это лризодит к тону, что точка пересечения порога дискриминации ^ огибагсей будет определятся по другой менее скоростной ноде водны Ленба с=2900-3900 м/с. Погрешность определения координат связаны, в основном, с разбросон нонента пересечения сигнала порогового напряжения, а также : погрешность определения временных интервалов ; наложения во вренени сигналов, а также действия нескольких источников. Пог-репность определения координат при АЭ контроле изделий криогенной техники составляет до 92.

Оценка влияния конкретного акустического канала на используеные критерии показывает следующее:

- для амплитудного критерия основное влияние акустического канала характеризуется ослаблением акустических волн в контролируемой конструкции; '

- влияние рассматриваемого М на локально-динамический кри- . теряй сводится к появлению погрешности при определении величины п в пределах от -132 до +2Б/. Влияние ослабления на величину и - компенсируется.

Нагрухение криогенных сосудов, аппаратов осуществляется только пнеБнатически. Пневмэиспытания, в процессе которых производится АЭ контроль, подразделяются на предварительные и рабочие. Предварительное нагрухение проводят несколькими последовательными циклами. Диапазон изменения ' нагрузки 0-0,25Р, где Р - расчетное давление сосуда. Нагрухение производится со скоростью повышения давления Р .определяемой по формуле: 0,1»Ряр/120 [НПа/с]. Рабочие испытания должны ¡меть не менее с циклов подьена давления с несколькими стугеняни выдерхки на заданных урогаях. скорость подьемг давления та хе . что и при предварительном нагрухекиет.. Типовая программа нагрухення приведена на рис.45. Регистрация АЭ производится е течение всего процесса нагрухенкя.

Таким образом, в данном разделе бы.: приведен анализ

неоехояшых элементов, состаачяюпвн методик*/ аэ контроля и Фактически определен алгоритн, пользуясь которым возможно в дальнейшей проводить разработки методик АЭ контроля конкрет-ныхобьектов. Для конкретных объектов макет отсутствовать тот или иной зленент методики.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ. На основе теоретических и экспериментальных исследований направленных на выявление закономерностей. обуславливавшихся передачу информации от источника АЭ до преобразователя акустической эмиссии (ПАЭ) включительно, разработана методика АЭ контроля криогенного оборудования с учетом влияния акустического канала.

1. Разработан алгоритм и выполнено численное моделирование прохождения импульсных сигналов через ПАЭ . Из результатов моделирования следует, что как узкополосный, так и широкополосный ПАЭ, используемые в практике АЭ контроля, не сохраняют Форму входных сигналов. Впервые введено понятие и получены "динамические" характеристики резонансного и широкополосного ПАЭ, связывающие изменение параметров входных сигналов с измениями параметров сингалов на выходе ПАЭ. Расчеты показали, что изменения амплитуды входного импульса приводит к изменению суммарного счета, амплитуды и энергии сигналов на выходе ПАЭ. При этом для определенного набора параметров зависимости амплитуды, энергии импульсов на выходе ПАЭ для ряда Форм импульсов имеют максимум, а также участки нарастания и уменьшения значений параметров. Отмеченные нелинейности на представленных "динамических" зависимостях связаны с трансформацией спектра исходного сигнала после прохождения ПАЭ. Еае большее влияние на параметры прошедшего импульса оказывают частотные характеристики резонансного преобразователя. Здесь следует отметить не только уменьшение наклона зависимостей, но и уменьзение энергии и амплитуды на выходе при увеличении этих параметров на входе ПАЭ.

2. Предложен алгоритм построения амплитудно-частотной характеристики из импульсной, показывающий, что инпульсные характеристики ПАЭ являются более информативными, чем АЧХ и что исследование свойств акустического канзла с помощью импульсных характеристик является необходимым' условием при

- гг —СС—

разработке критериев классификации;

3. Выявлены основные особенности АК , характерные для изделий криогенной техники: импульсные характеристики ПАЭ. регистрируемые в основной с -оболочечных. тонкостенных конструкций инеют сложный нодсвый состав, являющийся функцией расстояния между источником АЭ и ПАЭ и ортстропности конструктивных зленентов. Длительность фронта, при изотропном распространении акустического сигнала линейно увеличивается по мере увеличения расстояния мехду ПАЭ и источником АЭ, что приводит к увеличению погрешности локздки до 9'<. С другой стороны, на длительность импульсной характеристики оказывает влияние затухание, так при изотропном распространении акустического сигнала затухание (для стали 12Х13Н10Т, толпн-ны 3-12 мм) составляет 10-15 дБ до 1 нетра, далее З-б дБ . а при наличии подкрепляющих элементов - затухание нсхет доходить до 30 дБ. Для уменьшения погрешности локации, определение разности Бренени прихода следует вычислять по Еренени Фиксации максимального значения амплитуды.

4. Проведена теоретическая и экспериментальная оценка устойчивости параметров сигнала АЭ к изменению толгиек контактного слоя и переустанови! ПАЭ, что позволяет предъявлять обоснованные требования к чистоте поверхности Наиболее устойчивыми параметрами являются наксинальнее значение амплитуды и энергия.

5. Экспериментально исследована возможность работы серийных ПАЭ в условиях криогенных тензератур и избыточного давления (до 20 атн), что доказывает возможность проведения диагностики (мониторинга) особо нагруженных криогенных изделий в процессе всего времени эксплуатации.

6. На основании экспериментально определенных акустических свойств типовых изделий криогенного машиностроения выполнена количественная опенка влияния АК на критериальные сооношения. испсльзуеные для классификации источников АЭ. чтс повышает надежность и достоверность принятия решения при браковке изделия.

На основании результатов диссертационной работы составлена инструкция АЗИ -1-90 и нетодкха обследования крио-

генныз установок выработавши своя ресурс, что позволяет проводить пнезматичесхие испытания на герметичность и прочность сосудоз. работающих под давлением, и диагностику воз-духо-раздзлятельных установок.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Иванов 3. И.. Ниргазов В. А. Численное моделирование прохождения импульсных сигналов через акустические преобразователи. "Дефектоскопия*, 1990, N5, с. 15 - 22.

2. Ниргазоз В. А., Муратов в. И. и Кисилевсхий А. Б. Способ контроля дефектов в изделиях по сигналам акустичесой эмиссии. А. .с. Н1637533 .приоритет ст 30.03. ?9.

3. Иванов В. И., Ниргазов В. А. Устойчивость параметров акустической эмиссии при изменении толщины контактного слоя преобразователь - объект. "Техническая диагностика и неразру-иагпшй контроль*. 51. 1992. с. 27 - 31.

4. Язанов В. И., ниргазов В. А. и др. Исследование свойств акустического канала при акустико-змиссионнон контроле. •Техническая диагностика и неразрушаюсий контроль", 1991. Н1. с. 31 - 38.

5. Муратов В. Н.. Ниргазов В.А., Филин К.В. и др. Способ контроля материалов. А. с. 51755171, приоритет 23. 02. 90.

6. Иванов В. Я.. Ниргазоз В. А. н др. Исследование акустических параметров сварных конструкций при АЭ контроле. ИЭС. тез. доклада на международной конференции "Сзарные конструк-шш". Киев, 1990.

7. Иванов В.И., Ниргазов В.А. Об особенностях частотных и импульсных характеристик преобразователей акустической эмиссии. "Дефектоскопия", 5 1, 1993. с. 22-28.

8. Нуратов В. Н., Северияов А. Д., Ниргазов В. А. Опенка безаварийного состояния конструкций по параметрам акустической эмиссии. ШНТИхимнеФтекаш, тез. докладов Бсесоюзн. научно-технической конФ. "Основные направления создания и совершенствования сосудов, аппаратов и трубопроводов высокого давления. Иркутск., 1991.

9. Иванов б. н.. Ннргазов б. а. и др. Исследование н отработка методики акустико-эмиссионного контроля сосудов из аусте-нитной стали. ЦИНТИхиннеФтенаш, тез. домадов Всесоюзной научно-технической конф. "Основные направления создания н совершенствования сосудов, аппаратов и трубопроводов высокого давления. Иркутск. 1991.

10. Плотников в. в., Ниргазов в. а. и др. Контроль состояния и прогнозирование работоспособности криогенных сосудов с помощью нетода акустической эмиссии в услоеиях производства и эксплуатации. ШНТИхиннеФтемаш. тез. докладов Международной научно-практической конференции "Криогенная техника - науке к производству", Носква, 1991.

11. Иванов В. И., Варфоломеев Б. И.. Ниргазов В. А. и др. Исследование параметров АЭ при деформировании и разрушении алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей, ММ. тез. докладов Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физической природы АЭ и прогнозирование разрушения", Киев, 1989.

12. Иванов В.И., Игнатов В.Н., ниргазов Б.А. и др. Особенности ■ АЭ контроля тонкостенных сосудов давления. ИФН. тез. докладов Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы Физической природы АЭ и прогнозирование разрушения", Киев, 1969.

13. Иванов В.И., Игнатов В.Н., Ниргазов В.А. и др. Результаты испытаний сосудов из нержавеющей стали 12Х18Н10Г. ИЭС, тез. докладов Международной конФ. "Сварные конструкции", Киев. 1990.

14. Ушаков В. Н.. Еербинский В. Г.. Красковский А. С.. Ниргазов В. А. Оптимизация параметров наклонных преобразователей с согласующими слоями на основе компьютерного эксперимента. "Дефектоскопия, Н8, 19£9. с. 3 - 19.

Пс~- :с£:-:с ; .-.¿-четь 29.¿4.54 г. Зв::вз 4С т;:се;.: 1С0'_

Г^'пг.а МПС 1^171 Игр^копо:^:^—конская,4