Способ акустико-эмиссионного контроля конструкций

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля конструкций, включая сосуды давления, трубопроводы, авиационные и железнодорожные конструкции, мосты, а так же конструкции и изделия из хрупких материалов, таких как фарфоровые изоляторы, стекла транспортных средств, кольца подшипников и другие с использованием метода акустической эмиссии.

Известен способ диагностирования металлических конструкций (см. патент RU №2339938 от 27.11.2008), включающий прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения металлической конструкции циклической нагрузкой, регистрацию динамических деформаций, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, регистрацию времени прихода акустических сигналов и вычисление по нему координат развивающихся дефектов, при этом одновременно с регистрацией динамической деформации выполняется регистрация времени прихода сигнала акустической эмиссии при минимальном пороге, равном минимальному уровню шумов, и максимальном пороге, равном U_nopmax=(U_nopmin+U_доб), (где U_доб - добавочное значение порогового уровня, равного разности между минимальным и максимальным уровнями шумов), а по измеренной деформации осуществляется определение фазы нагрузки, по которой выполняется кластеризация для каждого акустического сигнала, находится целевая функция кластеризации и если число сигналов в таком кластере превышает заданный порог по количеству акустических сигналов, то это соответствует наличию дефекта с координатами, равными координатам центра кластера.

Недостатком данного способа является невозможность контроля материалов и элементов конструкции, которые подвержены быстрому и неконтролируемому разрушению при воздействии циклической нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому решению является акустико-эмиссионный способ диагностирования металлических конструкций (см. патент RU №2537747 от 10.01.2015), включающий прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения конструкции, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, предварительно устанавливают критические значения нагрузки Р_кр и коэффициента регрессии k_кр, характеризующего изменение числа сигналов акустической эмиссии к изменению нагрузки для бездефектной конструкции, затем конструкцию нагружают до значения нагрузки, превышающей рабочую на (5…10)%, регистрируют при этом число сигналов и нагрузку линейного участка стационарной акустической эмиссии, регистрируют при этом коэффициент регрессии k₀, после чего конструкцию нагружают циклической нагрузкой, амплитудное значение которой повышают постепенно на (2…5)%, и при достижении превышения на (15…20)% рабочей нагрузки нагружение прекращают, если в процессе контроля k₀<k_кp, то конструкцию считают бездефектной, а при значении k₀>k_кp конструкцию бракуют.

Недостатком способа, принятого за прототип, является невозможность контроля объектов, циклическое нагружение которых может вызвать быстрое и неконтролируемое разрушение, а так же необходимость использования специализированного нагружающего устройства. Кроме того, в процессе нагружения регистрируются паразитные сигналы из неподверженных дефектообразованию областей контролируемого объекта, которые вносят неопределенность в результаты контроля, т.о. проводить контроль в процессе эксплуатации контролируемого объекта не представляется возможным.

Техническая задача - расширение технологических возможностей акустико-эмиссионного контроля элементов конструкции, подверженных хрупкому и неконтролируемому разрушению, а так же возможность проведения контроля конструкций сложной формы, в элементах которых в процессе эксплуатации уровень механических напряжений может существенно отличаться.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе акустико-эмиссионного контроля конструкций, включающем прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения контролируемого объекта, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, предварительно устанавливают порог деформации, равный среднеквадратическому значению деформации при отсутствии внешних воздействий на контролируемый объект, и критическое значение амплитуды сигнала акустической эмиссии, которое определяют как среднее значение амплитуды сигналов от развивающегося дефекта, нагружение контролируемого объекта осуществляют ударной нагрузкой, регистрируют динамические деформации, определяют максимальное значение деформации от удара, по которому оценивают силу воздействия на контролируемый объект, постепенно увеличивают ударную нагрузку, но не более 150% от эксплуатационной нагрузки, фиксируют последнее превышение порога деформации, после чего производят регистрацию акустико-эмиссионных сигналов в течение времени релаксации упругих напряжений в контролируемом объекте и при превышении амплитуды сигнала ее критического значения изделие бракуют

Способ иллюстрируется графиком, на котором представлена зависимость деформации и амплитуды акустико-эмиссионного сигнала от времени.

Предложенный способ реализуется следующим образом. На контролируемый объект устанавливают пьезоантенну, которая состоит из трех или более преобразователей акустической эмиссии. Регистрацию и оцифровку сигналов осуществляют с помощью акустико-эмиссионной системы с частотой дискретизации не менее 2 МГц. Предварительную обработку и фильтрацию сигналов осуществляют с помощью аппаратных и программных цифровых фильтров. Устанавливают тензорезистор для регистрации деформаций на поверхности контролируемого объекта с помощью быстродействующей тензометрической системы. Устанавливают порог деформации R=5⋅σ (см. график), где σ - среднеквадратическое значение сигнала на выходе тензорезистора при отсутствии внешних воздействия на контролируемый объект и критическое значение амплитуды (А_кр на графике), определяемое по значениям амплитуды акустико-эмиссионного сигнала от развивающихся дефектов в ходе предварительно проведенных экспериментов с дефектными объектами из того же материала, что и контролируемый объект. Проводят серию нагружений контролируемого объекта ударной нагрузкой, фиксируют максимальное значение деформации (R_макс на графике), по которому определяют силу воздействия на контролируемый объект. Ударную нагрузку постепенно увеличивают на 5%, но не более 150% от эксплуатационной нагрузки. В процессе нагружения с помощью быстродействующей тензометрической системы регистрируют деформации контролируемого объекта, вызванные ударной нагрузкой. Фиксируют превышения установленного на начальном этапе порога деформации. Если в течение интервала времени, вдвое большего периода собственных колебаний контролируемого объекта (Т₀ на графике), не зафиксировано превышений порога деформации, то начинают регистрацию сигналов акустической эмиссии. В случае отсутствия акустико-эмиссионных сигналов в течение интервала времени, равного времени релаксации упругих напряжений в контролируемом объекте (Т₁ на графике), переходят к следующему циклу нагружения. И на этапе нагружения при появлении сигналов акустической эмиссии, амплитуда которых больше критического значения, контролируемый объект считают дефектным.

Пример 1. Предложенный способ был экспериментально опробован на стальных листах 200×300 мм толщиной 1 мм без видимых дефектов и с видимым дефектом типа трещина. На листы устанавливали акустическую антенну из четырех преобразователей акустической эмиссии, которые располагались по углам объекта контроля. Преобразователи подключали к разным каналам акустико-эмиссионной системы СЦАД 16.03 (свидетельство RU.C.27.007.A №39729, зарегистрировано в Государственном реестре средств измерений №18892-10). В центр листов наклеивали пленочный тензорезистор типа ПКС 12-200. Деформации регистрировали быстродействующей микропроцессорной тензометрической системой «Динамика-1» (сертификат RU.C.28.007.A №25487, тип зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений №32885-06) с частотой дискретизации 64 кГц. Критическое значение амплитуды определяли как среднее значение амплитуд сигналов от роста трещин в процессе нагружения объектов из того же материала, что и контролируемый объект, которое составило 1781 ед. АЦП при коэффициенте усиления АЭ системы равном 10. Устанавливали порог деформации равный 5⋅σ, который составил 125 относительных единиц. За значение σ принимали среднеквадратическое значение показаний тензометрической системы, зарегистрированных в течение 60 сек без внешнего воздействия на контролируемый объект, которое составило 25 относительных единиц. Нагружение осуществляли серией из 15 ударов груза, свободно падающего с заданной высоты стального шарика диаметром 6 мм и массой 1,2 г с высоты от 100 до 1000 мм по траектории, перпендикулярной к плоскости объекта. Регистрировали деформации, вызванные ударом груза о поверхность контролируемого объекта. По форме сигнала деформации (см. график) от падения груза определяли период собственных колебаний контролируемого объекта, который составил 0,14 мс. Прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии осуществляли с момента времени последнего превышения порога деформации, которое составило 132 относительных единицы, зафиксированного через 6,37 мс после момента удара. Затем производили оцифровку акустических сигналов с частотой дискретизации 2 МГц, их предварительную обработку и фильтрацию помех. В результате эксперимента были зарегистрированы 8 сигналов акустической эмиссии с амплитудой от 1783 до 1993 ед. АЦП, и зафиксирован рост трещины для стального листа с видимым дефектом при силе воздействия, эквивалентной падению груза с высоты 600 мм, что соответствовало 120% от эксплуатационной нагрузки. Следовательно, видимый дефект был подтвержден предложенным способом, контролируемый объект забракован. Для стального листа без видимых дефектов при силе воздействия, эквивалентной падению груза с высоты 800 мм, что соответствовало 150% от эксплуатационной нагрузки, не было зарегистрировано сигналов с амплитудой выше критического значения, контролируемый объект был признан годным. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.

Пример 2. Аналогичный эксперимент был проведен на стеклянных листах 200×300 мм, толщиной 3 мм без видимых дефектов и с видимыми дефектами типа трещина. По форме сигнала деформации (см. график) от падения груза определяли период собственных колебаний контролируемого объекта, который составил 0,2 мс. Критическое значение амплитуды определяли как среднее значение амплитуд сигналов от роста трещин в процессе нагружения объектов из того же материала, что и контролируемый объект, которое составило 1348 ед. АЦП при коэффициенте усиления АЭ системы равном 10. Для стеклянного листа с видимым дефектом были зарегистрированы 12 сигналов с амплитудами от 1392 до 1618 ед. АЦП при нагрузке, эквивалентной падению груза с высоты 400 мм, что соответствовало 130% от эксплуатационной нагрузки. Следовательно, видимый дефект был подтвержден предложенным способом, контролируемый объект забракован. Для стеклянного листа без видимых дефектов были зарегистрированы 6 сигналов акустической эмиссии с амплитудами от 1351 до 1418 ед. АЦП при нагрузке, эквивалентной падению груза с высоты 700 мм что соответствовало 150% от эксплуатационной нагрузки, видимых дефектов не было зафиксировано, но контролируемый объект был забракован. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.

Также был проведен эксперимент со статическим нагружением контролируемых объектов. В отличие от прототипа, уменьшается вероятность регистрации паразитных сигналов из области, наименее подверженной дефектообразованию, так как воздействие от ударной нагрузки сосредоточено в некоторой локальной области контролируемого объекта. Кроме того, заявленный способ позволяет обнаруживать дефекты, которые при воздействии статической нагрузкой не выявлялись без разрушения контролируемого объекта. При этом отсутствует необходимость в специализированном нагружающем устройстве, что обеспечивает оптимальность временных затрат и дает возможность проведения контроля без вывода из эксплуатации контролируемого объекта.