Акустическая эмиссия

Применимость метода акустико-эмиссионного контроля

Метод акустико-эмиссионного контроля может использоваться, как для мониторинга, так и для периодического диагностирования, освидетельствования, экспертизы опасных производственных объектов; сосудов, работающих под давлением и других видов сооружений, подведомственных Ростехнадзору, в т.ч.:

• напорные трубопроводы, запорно-регулирующая арматура на них;
• изотермические, вертикальные резервуары для хранения углеводородного сырья и продуктов его переработки;
• мостовые сооружения;
• мачты и башни;
• ответственные строительные конструкции и др.

Для проведения исследования на поверхности крепятся специальные преобразователи, усилители, приборы для приема, обработки и регистрации сигнала.

Наибольшую эффективность акустико-эмиссионный способ демонстрирует при неразрушающем контроле объектов промышленного назначения в следующих ситуациях:

• при выявлении источников акустической эмиссии в месте их расположения во время проверки эксплуатируемых объектов, неразрушающий контроль производится одним из регламентируемых методов – радиационной, ультразвуковой, магнитной или капиллярной дефектоскопии. В этом случае объем неразрушающего контроля уменьшается, поскольку при использовании регламентируемых методов объект исследования должен сканироваться по всей поверхности или объему;
• в случае ведения проверки несколькими методами. Такой подход используется в случае обнаружения дефектов сверхнормативных размеров или возникновении сомнений в достоверности полученных результатов, выполняется проверка акустико-эмиссионным способом, итоги которого служат основанием для принятия решения о принятии объекта исследования в эксплуатацию;
• при выявлении одним из регламентированных методов неразрушающего контроля дефекта, акустико-эмиссионный способ используется для отслеживания его дальнейшего развития. В этом случае допускается экономный вариант системы проверки с применением одно- или малоканальной конфигурации аппаратуры для акустико-эмиссионный способа;
• согласно требованиям нормативных документов Ростехнадзора при проведении пневматических испытаний сосудов (при гидравлических испытаниях использование акустико-эмиссионного способа рекомендовано), работающих под давлением, акустико-эмиссионный способ используется в качестве сопровождающего, обеспечивающего безопасность испытаний. В этом случае применение акустико-эмиссионного способа должно предотвратить возможность катастрофического разрушения;
• при необходимости оценки остаточного ресурса объекта исследования и принятия решения о возможности его дальнейшей эксплуатации, для чего используется специальная методика. Достоверность полученных выводов во многом зависит от объема и качества информации о состоянии материала и модели дальнейшего развития его повреждений.

Неразрушающий контроль конструкций и изделий акустико-эмиссионным способом проводится:

• во всех случаях, регламентированных действующими нормативным документами или проектно-технологической документацией;
• в случаях, когда нормативно-технологической документацией предусмотрен неразрушающий контроль конструкций или изделий одним из регламентированных методов, однако его проведение, по разным причинам, невозможно;
• при согласовании в установленном порядке использования акустико-эмиссионного способа вместо использования одного из регламентированных методов неразрушающего контроля.

Акустико-эмиссионный способ позволяет подучить важную информацию о развитии деформаций в исследуемом объекте.

Принцип действия акустико-эмиссионного способа

Поскольку акустико-эмиссионный способ предназначен для фиксации и анализа упругих и переходных звуковых волн, возникающих в теле объекта исследований из-за изменений его кристаллической решетки (деформаций, кристаллизации, внешних воздействий и др.), он считается пассивным и реализуется в следующей последовательности:

• в соответствии с программой исследований закрепляются пьезоэлектрические преобразователи акустической эмиссии;
• объект исследования загружается проектной нагрузкой на определенное программой время (часто измерения производятся во время приемо-сдаточного тестирования);
• в случае образования трещин, возникновения коррозии, другом изменении кристаллической решетки материала исследуемого объекта, возникает упругая волна, колебания которой воспринимаются датчиками и преобразую их в электрический сигнал;
• сигнал, пройдя через усилитель и многоканальную систему обрабатывается автоматически или вручную, выполняется анализ шумов, замеряются характеристики полезной части сигнала с целью локализации источника сигнала и присвоения м класса опасности.  

Исследования методом акустической эмиссии производятся отдельно на каждом конкретном объекте. Начинается исследование с подготовительного этапа, когда собирается информация об акустических характеристиках материала, его геометрических показателях, продолжительности эксплуатации, видах и объемах произведенных ремонтов, сервисных работах. До начала исследований должны быть разработаны и согласованы с заказчиком программа исследований, операционная технологическая карта и другие необходимые документы. По результатам исследования оформляются заключение, протокол и отчет, которые согласовываются с заказчиком.

Достоинства и недостатки метода акустической эмиссии

Преимущественное использование акустико-эмиссионного способа для неразрушающего контроля ответственных изделий, конструкций и их элементов объясняется следующими факторами:  

• способностью метода следить за процессом разрушения кристаллической решетки, а не фиксировать ее фактическое состояние на момент проверки, причем классификация дефектов производится не по размерам, а по степени их опасности для дальнейшей работы изделия или конструкции;
• особой чувствительностью к нарастанию величины дефекта – акустико-эмиссионный способ способен уловить прирост несплошности объекта исследования на десятые доли миллиметра. Согласно расчетам, максимальная чувствительность метода позволяет зафиксировать увеличение на 1 мкм трещины длиной 1 мкм;
• возможностью обнаружения при помощи акустической эмиссии как трещин разных видов, так и расслоений, материала, его водородного охрупчивания и др.;
• интегральностью – несколько датчиков способны следить за состоянием объектов большой величины;
• способностью обнаружения дефектов вне зависимости от их вида, расположения, пространственной ориентации и величины;
• возможностью использования акустико-эмиссионного способа для неразрушающего контроля конструкций и изделий любых видов, размеров, конфигурации, изготовленных из различных материалов;
• возможностью исследования объекта одновременно с поведением на нем испытаний разного рода. Поскольку в ходе испытаний объект работает под нагрузкой, а его напряженное состояние приводит к образованию дефектов различных видов, акустическая эмиссия сообщает об образовании свищей, возникновении трещин, повреждениях прокладок и уплотнителей. Анализ полученной в ходе исследований информации позволяет своевременно обнаружить дефект и предотвратить его дальнейшее развитие, что повысит безопасность испытаний, а также предупредив возникновение аварийной ситуации и соответствующие финансовые потери;
• относительно простая подготовка к исследованию. Для установки группы датчиков достаточно ограниченного участка поверхности, причем для этого зачастую не требуется лесов вокруг всего объекта. Например, для подготовки вертикального резервуара достаточно автовышки;
• возможность локализации дефекта, что исключает необходимость исследований другого вида и упрощает ведение восстановительных работ.  

Акустико-эмиссионный способ позволяет оценить остаточный ресурс исследуемого объекта, он дополняет результаты исследований ультразвуковым, радиографическим, капиллярным и магнитопорошковым методами. Этот метод дает возможность:

• выполнять проверку поверхности исследуемого объекта любой площади без сканирования поверхности - передвижения по ней датчиков;
• сократить объем неразрушающего контроля другими методами (ультразвуковым, радиографическим, капиллярным и магнитопорошковым), оставив их только для мест с непонятными источниками акустической эмиссии;
• выполнять проверку результатов дефектоскопии при возникновении сомнений в их достоверности;
• следить за развитием повреждений, обнаруженных в результате проверки другими способами.

Однако метод неразрушающего контроля с использованием акустической эмиссии не свободен от недостатков, в число которых входят:

• наличием помех в виде механических, электромагнитных, импульсных и непрерывных шумов, которые не позволяют провести детальный анализ сигналов акустической эмиссии. Выявить акустическую эмиссию объекта исследования в условиях шума и при небольшом приращении дефекта, практически невозможно. Подобная проблема решается использованием акустических фильтров, а также более тонкой настройкой порога срабатывания всех каналов;
• обязательная нагрузка на объект исследования, а в связи с тем, что естественную загрузку детально повторить невозможно, воспроизводимость исследования весьма затруднена. Акустико-эмиссионный способ оценивает процесс образования дефектов, при этом информация об их фактических размерах информация отсутствует.

Достоинства и недостатки акустической эмиссии позволяют определить конкретный вид проверочных операций, где способ может продемонстрировать свою эффективность.

Аппаратура для фиксации акустической эмиссии

При неразрушающем контроле изделий, конструкций и их элементов методом акустической эмиссии используются:

• преобразователи разных видов, от которых зависит чувствительность и диапазон рабочих частот. Они закрепляются на поверхности исследуемого объекта при помощи струбцин, магнитов, хомутов, клея, а их контакт с поверхностью достигается посредством использования глицерина, машинного масла, эпоксидной смолы (без отвердителя). Датчики подлежат ежегодной калибровке с использованием эталонных преобразователей, а информация о проведенной процедуре должны вноситься в паспорт преобразователя;
• мобильные и стационарные многоканальные системы обработки результатов акустической эмиссии конструкций и изделий, оснащенные специальным программным обеспечением. Разные виды этих систем обладают большими вычислительными мощностями, в их состав входят предусилители, блок калибровки системы, а также блок предварительной обработки и преобразования. Системы предназначены для оперативной обработки информации об энергии ударов акустической эмиссии, их амплитуде, координатах, временных характеристиках, показателях нагрузки и т.д., поступающих в режиме реального времени. Элементы системы должны соответствовать амплитудно-частотным характеристикам, показателям диапазона частот, размерам динамического диапазона, величине коэффициента усиления предусилителя и др.

Сложная и наукоемкая аппаратура для неразрушающего контроля методом акустической эмиссии выпускается зарубежными и отечественным предприятиями. Однако большинство зарубежных моделей сейчас недоступны из-за санкций, поэтому потребители ориентируются на продукцию отечественных производителей. Основную часть российских приборов такого назначения выпускают:

• московская научно- производственная фирма «Диатон», осуществляющая деятельность в рамках Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», продукция которой - акустико-эмиссионные системы «Малахит» и акустико-эмиссионные датчики, предназначенные для неразрушающего контроля наземных и подводных объектов, работают в т.ч. во взрывопожароопасных зонах;
• научно-производственное объединение «Алькор» из Дзержинска Нижегородской области, работающее с 1991 г. - ведущее отечественное предприятие в области разработки, выпуска и сервисного сопровождения мобильных и портативных акустико-эмиссионных диагностических комплексов «Эксперт», а также разработки и выпуска преобразователей акустической эмиссии высокой эффективности;
• московская компания ООО «Интерюнис-ИТ», созданная в 2012 г. с целью разработки и выпуска высокоэффективной акустико-эмиссионной аппаратуры для неразрушающего контроля конструкций и изделий на опасных производственных и объектах гражданского назначения высокого класса ответственности. Компанией выпускаются универсальный акустико-эмиссионный прибор неразрушающего контроля «Юнископ», многоканальные цифровые акустико-эмиссионные комплексы «A-Line».    

Аппаратура для неразрушающего контроля акустико-эмиссионным способом выбирается применительно к конкретным задачам, которые предстоит решить с ее помощью.

Практическое применение акустического метода

Исследование конструкций или изделий с использованием акустической эмиссии проводится в следующей последовательности:

• визуальное ознакомление с объектом исследования, определение оптимального режима проверки (разовый, периодический, разово-периодический) и набора средств (мобильных или стационарных) для неразрушающего контроля;
• анализ имеющейся проектной и исполнительной документации, поскольку для акустико-эмиссионного способа необходимо определение материала объекта исследования и его акустических характеристиках (скорость распространения ультразвука, плотность, коэффициент затухания звука, модуль сдвига, ударное волновое сопротивление и др.), сроках строительства и времени запуска в эксплуатацию, информация о выполненных ранее ремонтах, диагностике и пр.;
• разработка и согласование с заказчиком программы работ по проведению неразрушающего контроля акустико-эмиссионный способом, включая мероприятия, реализация которых является обязанностью заказчика (доступ к месту работ, загрузка, координация работ с эксплуатационным персоналом и пр.). В программе должны быть определены параметры шумов, указаны марки преобразователей акустической эмиссии, виды и способы их крепления, а также места установки, среда, обеспечивающая контакт прибора и поверхности объекта исследования, квалификационные требования к участникам исследования. В программе должен быть перечень параметров, подлежащих регистрации, а также перечень источников акустической эмиссии с указанным конкретными требованиями к их оценке;
• производится расстановка преобразователей акустической эмиссии согласно утвержденной в программе работ схеме – непосредственно на поверхности объекта исследования или с привлечением волновода. Места установки преобразователей должны быть очищены от защитно-декоративных покрытий до основного материала. В ходе предварительной разметки особое внимание уделяется местам сварных швов, околошовной зоне, метам приварки парубков, других фитингов и прочим зонам концентрации напряжений. При расстановке преобразователей желателен полноценный охват поверхности исследуемого объекта;
• выполняется тестирование и отладка каналов акустической эмиссии. Для проверки используются специальные карандаши с легко ломающимся грифелем (имитаторов Су-Нильсена). С целью обеспечения достоверности результатов исследования проверяется отсутствие искажений сигнала, а также соблюдение нормативной частоты помех, производятся измерения амплитуды, частоты выбросов, энергию акустической эмиссии и другие характеристики по каждому каналу;
• выполняются предварительные, основные, рабочие испытания объекта исследований, в ходе которых, по разработанному в программе исследований графику, выполняется нагружение и параллельно с ним регистрируются сигналы акустической эмиссии. Режим нагружения рассчитывается при разработке программы исследования с учетом продолжительности эксплуатации испытываемого объекта, свойств материала, из которого он изготовлен, а также условия проведения исследований и др.;
• выполняется сложная и важная процедура – фильтрация шумов и помех, к которым относятся различные явления, от разбрызгивания воды и работы насосов при испытаниях до воздействия природных осадков. Идентификация электромагнитных и акустических шумов, выделение полезных сигналов производится при помощи экранирования, стробирования аппаратуры, с использованием различного рода фильтров;
• производится измерение и анализ характеристик акустической эмиссии в сопоставлении с параметрами их нагружения, а также локализация источников сигналов акустической эмиссии. В ходе их локализации, при определении координат источника учитывается поправка на погрешность измерений, вызванная различием реального пути распространения волны от предварительно рассчитанного. В ходе исследования зарегистрированные сигналы акустической эмиссии с определенными их характеристиками фиксируются на цифровых носителях и обрабатываются Программное обеспечение, специально разработанное для акустической эмиссии, дает возможность определить расположение источников сигнала, строить графики их амплитуды, фиксирует зоны повышенной концентрации источников (кластеры индикаций). Полученные координаты повреждений накладываются на конфигурацию объекта;
• составляется отчет о проведенных исследованиях, в котором источникам сигналов акустической эмиссии присваиваются классы опасности, дается заключение о состоянии объект исследования и возможности его дальнейшей эксплуатации. В отчете источник акустической эмиссии, в зависимости от числа импульсов, скорости счета, суммарного счета, концентрации источников и других показателей относится к I, II, III или IV классу опасности, т.е. классифицируется как пассивный, активный, критически активный или катастрофически активный источник акустической эмиссии. Также в отчете приводятся исходные данные, характеризуется испытательная аппаратура, описывается подготовка к исследованиям и другая информация.

Скорость и достоверность результатов исследования во многом зависит тот полноты и степени проработки программы работ по проведению неразрушающего контроля акустико-эмиссионным способом.

Сравнение методов неразрушающего контроля

Нормативные документы по методу акустической эмиссии

При разработке программы исследований методом акустической эмиссии и их проведении следует использовать положения действующих нормативных документов:

• ГОСТ Р 52727-2007 Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика. Общие требования;       
• ГОСТ 27655-88 Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения;
• Госгортехнадзор России. ПБ 03-593-03 Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов.и их проведении следует использовать положения действующих нормативных документов;
• ГОСТ Р 52727-2007 Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика. Общие требования;       
• ГОСТ 27655-88 Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения;
• Госгортехнадзор России. ПБ 03-593-03 Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов.