Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы безопасности магистральных нефтепроводов и постановка задачи исследования 4
1.1. Магистральные нефтепроводы, сварка и дефекты 8
1.2. Аварийность и повреждаемость магистральных нефтепроводов 14
1.3. Обзор существующих методов контроля и оценки поврежденности 39
1.4. Постановка задач исследований 43
Выводы к главе 1 48
Глава 2. Применение метода акустической эмиссии для оценки поврежденности металла 49
2.1. Физическая природа акустической эмиссии при оценке поврежденности металла 54
2.2. Механизм излучения АЭ на уровне изменений микроструктуры 56
2.3. Акустическая эмиссия при пластической деформации металлов 59
Выводы к главе 2 71
Глава 3. Экспериментальные исследования поврежденности металла 72
3.1. Влияние степени пластической деформации на параметры акустической эмиссии 73
3.2. Исследование влияния параметров испытаний на спектральные образы сигналов акустической эмиссии 79
3.3. Изменение спектральных образов с увеличением поврежденности 88
3.3.1. Для основного металла 8 8
3.3.2. Для сварных соединений 92
Выводы к главе 3 95
Глава 4. Разработка методики безобразцовой экспресс-диагностики поврежденности металла эксплуатируемых нефтепроводов, сочетающей методы индентирования и акустической эмиссии 97
4.1. Экспресс-диагностика поврежденности металла эксплуатируемых нефтепроводов, на основе методов индентирования и акустической эмиссии 98
4.2. Определение характеристик механических свойств металла трубопроводов по результатам испытаний на твердость 102
4.2.1. Методика определения характеристик механических свойств металла трубопроводов с использованием корреляционных соотношений между значениями твердости и искомыми механическими свойствами 104
4.2.2. Методика определения характеристик механических свойств металла трубопроводов по диаграмме вдавливания шарового индентора 106
4.3. Методика оценки дефектов на основе акустико-эмиссионного контроля 113
4.4. Методика определения спектральных характеристик сигналов АЭ при различных стадиях повреждения трубопроводов 116
Выводы к главе 4 124
Выводы к работе 125
Литература
- Аварийность и повреждаемость магистральных нефтепроводов
- Механизм излучения АЭ на уровне изменений микроструктуры
- Исследование влияния параметров испытаний на спектральные образы сигналов акустической эмиссии
- Определение характеристик механических свойств металла трубопроводов по результатам испытаний на твердость
Введение к работе
Актуальность работы. Система нефтепроводов является одним из важнейших элементов экономики страны, обеспечивающим практически все отрасли промышленности сырьем, топливом, энергией. В то же время она является источником опасности для тех регионов, где проходят нефтепроводы и расположены нефтехранилища. Аварии на нефтепроводах приводят к тяжелым последствиям, в том числе и для окружающей среды, населенных пунктов, промышленных и гражданских объектов. Некоторые аварии приводят к катастрофам.
Главной особенностью современных магистральных нефтепроводов (МН) является несоответствие между проектно-нормативными требованиями, предусматривающими срок эксплуатации 30-35 лет, и фактическим возрастным составом трубопроводной системы. Более 50% нефтепроводов эксплуатируются свыше 30 лет, и существует реальная перспектива и потребность увеличения срока эксплуатации до 50-100 лет. При таких больших сроках эксплуатации МН существенными становятся изменения по всем основным аспектам, определяющим безопасность: фактическое состояние трубопровода, условия и режимы эксплуатации, уровень развития приборной и методической базы для проведения комплексной оценки технического состояния металла МН. При длительной эксплуатации неизбежно происходит снижение защитных свойств изоляции, возникают и растут дефекты труб, появляются участки с существенными изменениями структуры и физико-химических свойств.
Процесс разрушения материалов начинается с локализации пластической деформации вблизи структурных неоднородностей и концентраторов напряжения, вызывающих формирование зоны деформации, накопление в ней микродефектов и, в конечном счете, образование трещин. Закономерностями формирования и размер зоны пластической деформации зависят от структуры материала и локального напряженного состояния. Условиями разрушения является концентрация механических напряжений и их высокий градиент. Наибольшей структурной неоднородностью обладает металл сварных соединений трубопроводов, кроме того, большинство концентраторов напряжений имеет сварочное происхождение. В этой связи длительная эксплуатация МН приводит к тому, что именно сварные соединения подвергаются более интенсивному коррозионному воздействию и изменению механических свойств (прежде всего, охрупчи-ванию). Если учесть большое количество сварных стыков, их роль в обеспечении безопасности нефтепроводов являются весьма существенной.
Современная концепция технической диагностики и неразрушающего контроля (НК) МН базируется на методах обнаружения макродефектов в виде разрывов сплошности, снижающих прочность участка трубопровода. Совершенствование методов и средств НК в последние десятилетия позволило существенно поднять чувствительность и надежность выявления дефектов в металлоконструкциях. Однако, несмотря на высокую техническую и методическую оснащенность НК и «жесткий» технический контроль надзорными органами, техногенные аварии продолжаются. Более того, нередки ситуации, когда разрушение МН происходили сразу
после планового дефектоскопического и технического освидетельствования. Это обусловлено появлением новых видов разрушения, которые уже не могут быть объяснены с позиции существующих концепций макродефектов. Если при относительно небольшом времени эксплуатации МН формирование отказов зависит от условий нагружения и поведения дефектов, заложенных при изготовлении прокатного листа и труб, проведении строительно-монтажных работ, то процессы повреждения металла, возникающие при длительной эксплуатации, интенсивно протекают глобально по всему объёму металла, а особенно - в местах концентрации напряжений и деформаций. Для учета динамики изменения механических свойств металла требуется переход на новый уровень диагностики, основанный на исследовании поведения и развития микроуровня. Таким образом, проблема оценки технического состояния нефтепроводов является весьма актуальной.
Объектом исследования данной работы является линейная часть МН. Диаметры МН в основном находятся в диапазоне 530 - 1420 мм, толщина стенки 7 - 20 мм, рабочие давления 4,0 - 10 МПа. Трубопроводы выполнены из стальных труб в подземном исполнении.
Цель работы. Повышение безопасности нефтепроводов при длительной эксплуатации путем совершенствования системы технического диагностирования.
Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих задач:
Определение причин и анализ последствий изменений механических свойств металла нефтепроводов в процессе эксплуатации.
Выбор методов НК, позволяющих обнаруживать наличие и развитие повреж-денности металла МН.
Выявление наиболее чувствительных к структурному состоянию материала параметров сигналов акустической эмиссии (АЭ), возникающих в процессе инден-тирования.
Исследование влияния параметров испытаний на спектральные образы сигналов АЭ.
Разработка методики безобразцовой экспресс-диагностики поврежденности металла эксплуатируемых нефтепроводов.
Основой для решения данных задач явились труды академических (ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова), отраслевых (ГУП «ИПТЭР», ОАО «ВНИИСТ», ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова) институтов, лабораторий и кафедр высших учебных заведений (МГТУ им. Н.Э. Баумана, ТГУ, СПбГУ, ЮФУ, РГУНГ им. И.М. Губкина), специалистов ОАО «АК «Транснефть», ОАО «ВМЗ», работы ведущих ученых: Н.П. Алёшина, Г.А. Бигуса, СИ. Буйло, Е.С. Васина, В.М. Горицкого, А.Г. Гумерова, К.М. Гумерова, В.Ф., О.М. Иванцова, О.М. Недзвец-кой, В.М. Матюнина, Д.Л. Мерсона, Д.Е. Мещерякова, В.Ф. Терентьева, Е.В. Черняевой, К.М. Ямалеева и других. Кроме того, в работе использованы и обобщены данные о фактическом техническом состоянии МН, результаты диагностики методами внутритрубных и шурфовых обследований. В работе использованы также результаты испытаний современных средств и методов диаг-
ностики, аналитические, эмпирические и численные методы моделирования процессов, положения теорий вероятности и математической статистики, теории прочности и механики разрушения, теории тепловых процессов и сварки.
В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты, представляющие научную новизну:
Экспериментально доказано, что при индентировании локального участка МН информацию о сигнале АЭ, связанную с протеканием процессов пластической деформации, переносят поверхностные волны.
Обнаружено, что по мере приближения к месту разрушения количество сигналов АЭ, вызванных индентированием, уменьшается от 2 до 10 тем сильнее, чем ближе участок индентирования к месту разрушения; это подтверждает теоретическое предположение о том, что процесс возникновения циклической трещины в металле нефтепровода обусловлен развитием его дислокационной структуры.
Обнаружено, что о степени циклической поврежденности металла можно судить по форме спектра сигналов АЭ, возникающих в процессе индентирования. Установлено, что спектральный образ сигналов АЭ, возникающих при одноосном растяжении и при индентировании, одинаков.
Впервые обнаружено, что при увеличении степени циклической поврежденности трубных сталей более 65±5% в спектре сигналов АЭ, излучаемых при индентировании, появляется дополнительный высокочастотный пик (отношение максимумов спектральной плотности в основном типе сигналов АЭ, возникающих при индентировании, более 0,1). Показано, что характер изменения спектра сигналов АЭ стали 20, возникающих при индентировании, одинаков для основного металла и заводского сварного соединения (сварка ТВЧ).
Защищаемые положения.
Установленные идентичные зависимости между АЭ параметрами сигналов, излучаемых при пластической деформации в процессе одноосного растяжения, и параметрами АЭ в процессе вдавливания твердосплавного элемента.
Результаты экспериментальных исследований процессов распространения рэлеевских волн от места индентирования до датчика АЭ.
Зависимости степени циклической поврежденности металла длительно эксплуатируемых трубных сталей и вида спектральных характеристик АЭ сигналов, излучаемых пластически деформируемым слоем под индентором.
Идентичность спектральных характеристик АЭ процессов, вызванных индентированием участков основного металла и сварного соединения.
Практическая значимость диссертации
Разработана практическая методика безобразцовой экспресс-диагностики поврежденности длительно эксплуатируемых МН с использованием переносных динамических твердомеров и одноканальных АЭ приборов, использующих широкополосный датчик, устанавливаемый в непосредственной близости от места индентирования.
Доказано, что степень поврежденности металла МН и сварных соединений, вызванная циклическим воздействием при длительной эксплуатации МН,
определяет спектральные характеристики сигналов АЭ, регистрируемых датчиком, расположенным в непосредственной близости от места индентирования. 3. Сформулирована концепция определения частоты контроля степени по-врежденности различных участков нефтепроводов при их регулярном освидетельствовании путем оценки величины изменения между спектральными максимумами спектров сигналов АЭ, регистрируемых при индентировании. Реализация данной концепции позволит более обоснованно назначить безопасные режимы эксплуатации нефтепроводов, определить необходимый объем ремонтных работ, исключить неоправданно жесткие требования, тем самым решать задачу оптимизации затрат.
Достоверность результатов подтверждена в ходе экспериментальных исследований на образцах, вырезанных из реальных нефтепроводов после длительной эксплуатации, испытанных на динамических разрывных машинах в условиях циклического нагружения вплоть до разрушения. Сопоставление результатов фрактографии изломов с данными индентирования и результатами обработки АЭ исследований этих же образцов указывают на совпадение предположений с окончательными выводами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XV , XVI, XVII Международной конференции "Современные методы и средства НК и ТД" (г. Ялта, 2007, 2008, 2009 г.г.), XXVII и XXIX тематическом семинаре «Диагностика оборудования и трубопроводов компрессорных станций» (пос. Небуг, 2008, 2010 г.г.), V-ой Евразийской научно-практической конференции "Прочность неоднородных структур ПРОСТ-2010" (г. Москва, 2010 г.), II научно-технической конференции «Диагностика технического состояния оборудования и сооружений в технологических системах добычи, подготовки и трубопроводного транспорта нефти и газа» (г. Москва, 2010 г.), на научных семинарах кафедры "Технологии сварки и диагностики" МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 научных работ, из них З в печатных изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка цитируемой литературы, включающего 82 наименования. Содержание диссертации изложено на 135 машинописных листах, включая 37 рисунков, 18 таблиц.
Аварийность и повреждаемость магистральных нефтепроводов
Приведенная классификация и категории трубопроводов определяют в основном требования, связанные с обеспечением прочности или неразрушимости труб. Необходимость в такой классификации объясняется различием условий, в которых будет находиться трубопровод на тех или иных участках местности, и возможными последствиями в случае разрушения трубопровода на них. От дельные участки нефтепроводов могут относиться к высшей категории В, категории I или II. К высшей категории В относятся трубопроводные переходы через судо- и несудоходные реки при диаметре трубопровода 1000 мм и более. К участкам категории I относятся под- и надводные переходы через реки, болота типов II и III, горные участки, вечномерзлые грунты. К участкам категории II относятся под- и надводные переходы через реки, болота типа и, косогорные участки, переходы под дорогами и т.д.
В состав МН входят: линейные сооружения, головные и промежуточные перекачивающие и наливные насосные станции и резервуарные парки. В свою очередь, линейные сооружения согласно СНиП 2.05.06 - 85 включают: трубопровод (от места выхода с промысла подготовленной к дальнему транспорту товарной нефти) с ответвлениями и лупингами, запорной арматурой, переходами через естественные и искусственные препятствия, узлами подключения нефтеперекачивающих станций, узлами пуска и приема очистных устройств и разделителей при последовательной перекачке, установки электрохимической защиты трубопроводов от коррозии, линии и сооружения технологической связи, средства телемеханики трубопровода, линии электропередачи, предназначенные для обслуживания трубопроводов, и устройства электроснабжения и дистанционного управления запорной арматурой и установками электрохимической защиты трубопроводов; противопожарные средства, противоэрозионные и защитные сооружения трубопровода; емкости для хранения и разгазирования конденсата, земляные амбары для аварийного выпуска нефти, здания и сооружения линейной службы эксплуатации трубопроводов; постоянные дороги и вертолетные площадки, расположенные вдоль трассы трубопровода, и подъезды к ним, опознавательные и сигнальные знаки местонахождения трубопровода; пункты подогрева нефти указатели и предупредительные знаки.
Основной, наиболее протяженной частью МН является линейная часть (ЛЧ). ЛЧ современных МН состоит из элементов называемых трубами, которые представляют собой сварные металлические цилиндрические оболочки длиной до 11,2 м, толщиной до 30 мм. На трассе трубы свариваются между собой в нитку, образуя собственно трубопровод. Как правило, МН заглубляют в грунт на глубину 0,8 м до верхней образующей трубы, если большая или меньшая глубина заложения не диктуется особыми геологическими условиями или необходимостью поддержания температуры перекачиваемого продукта на определенном уровне (например, для исключения возможности замерзания скопившейся воды). Для МН применяют цельнотянутые или сварные трубы диаметром 300—1420 мм. Толщина стенок труб определяется проектным давлением в трубопроводе, которое может достигать 10 МПа. Трубопровод, прокладываемый по районам с вечномерзлыми грунтами или через болота, можно укладывать на опоры или в искусственные насыпи.
Особую значимость в нефтепроводе играют сварные швы, общая протяженность которых, как показывают расчеты, в 1,5 раза превышает длину самого трубопровода. Поэтому важным звеном трубопроводного строительства является дальнейшее усовершенствование сварочного производства. Широкое применение в трубопроводном и резерву арном строительстве получили: сварка плавлением и сварка давлением. В случае сварки плавлением металлы нагреваются, связь между их атомами начинает ослабевать при определенной температуре, тело становится более пластичным, затем оно теряет свою форму и, наконец, переходит в жидкое состояние и возникает самопроизвольное перемешивание металлов, в процессе которого устанавливается их междуатомная связь, а при последующем понижении температуры происходит совместная кристаллизация. При сварке давлением основным фактором в процессе сварки является давление, под действием которого происходит смятие «выступов», существующих на поверхности металла даже при любом способе механической обработки, и сближение свариваемых тел на расстояние, необходимое для возникновения междуатомного взаимодействия. В этом случае могут происходить процессы взаимной диффузии, а иногда частичной взаимной кристаллизации.
Для соединения труб большого диаметра разработана и внедрена автоматическая двусторонняя сварка поворотных стыков труб на трубосварочных базах. Значительный эффект при сварке достигается за счет специальной обра ботки кромок труб в трассовых условиях с целью уменьшения количества наплавленного металла. Кроме того, разработана и внедрена орбитальная сварка неповоротных стыков МН порошковой проволокой с принудительным формированием шва. Существенно повысились производительность ручной электродуговой сварки неповоротных стыков МН и темп сооружения трубопроводов за счет организации крупных бригад сварщиков и максимальной их специализации. Для соединения труб большого диаметра дальнейшее развитие получила электроконтактная сварка, которая позволяет увеличить производительность сварочных работ в 3—5 раз по сравнению с производительностью при ручной электродуговой сварке. Развитие трубопроводного транспорта связано со строительством большого числа резервуарных парков, насосных и компрессорных станций. Для снижения трудоемкости выполнения горизонтальных швов стенки резервуара при полистовом методе монтажа все большее применение находит автоматическая сварка с полупринудительным формированием шва. Значительного снижения трудоемкости сварочных работ достигают при выполнении вертикальных швов стенки резервуара с применением автоматических устройств. Индустриальный метод применения автоматической сварки стенки, днища и крыши резервуара в заводских условиях позволяет сократить в 3 - 4 раза продолжительность строительно-монтажных работ на монтажной площадке.
Механизм излучения АЭ на уровне изменений микроструктуры
Одной из важнейших особенностей длительно эксплуатируемых нефтепроводов является их естественное старение. Старение - многофакторный процесс, который выражается в том, что все материалы, из которых сделаны трубопроводы, постепенно теряют свои эксплуатационные характеристики. Это проявляется в охрупчивании, а в ряде случаев и растрескивании, металла труб и сварных соединений, эксплуатируемых, как правило, в условиях малоциклового нагружения [20].
При этом остаётся относительно высоким число аварий, вызванных разрушениями труб от строительно-монтажных и заводских дефектов. Большинство из этих дефектов имеет сварочное происхождение или примыкает к сварным швам. При длительной эксплуатации трубопроводов именно сварные соединения наиболее подвергаются старению. Большая часть разрывов трубопроводов приходится на сварные соединения и зону термического влияния.
Вместе с тем, расследование аварий на МН во многих случаях указывает на усталостный характер разрушения [21]. Накопление повреждений металла, в основном, происходит на концентраторах напряжений, какими являются сварные швы, строительно-монтажные дефекты, механические повреждения. Однако в настоящее время отсутствуют объективные и физически обоснованные методы экспресс-оценки уровня накопленных в процессе циклического нагружения усталостных повреждений, что во многом затрудняет задачу корректного определения остаточного ресурса.
При оценке безопасности длительно эксплуатируемых нефтепроводов одним из важнейших показателей является остаточный ресурс металла труб и сварных соединений в условиях эксплуатации трубопроводов. Оценить остаточный ресурс только расчетными методами не представляется возможным из-за того, что механические свойства металла труб и сварных соединений неодинаковы во всех точках. Наибольшие изменения свойств металла происходят в концентраторах напряжений, особенно в их вершинах. Из этих областей невозможно вырезать образцы для испытаний. Таким образом, вопрос об экспериментальном безобразцовом определении показателя поврежденно-сти в настоящее время является актуальным.
За последние годы разработаны и совершенствуются более эффективные и перспективные методы неразрушающего контроля, в частности, магнитного. Один из таких методов основан на физическом явлении изменения магнитного поля конструкции или детали при повышении внутренних механических напряжений, связанных с развивающимися в ферромагнитном материале (чугун, сталь) деформациями. Этот метод выявления и оценки степени опасности развития дефектов по изменению градиента магнитного поля в зонах концентрации напряжении известен как метод магнитной памяти металла. Метод достаточно эффективен и производителен, но требует непосредственного контакта приборов с контролируемой поверхностью, что вызывает те же дополнительные материальные и временные расходы по вскрытию трубопроводов, что и традиционные методы неразрушающего контроля.
Перспективным направлением [22] при решении задач оценки поврежденное металла является использование связи электрофизических и механических свойств конструкционных сталей. Механические и электрофизические свойства металлов взаимосвязаны на уровне кристаллической решетки. Деформация кристаллической структуры, зарождение и развитие дефектов сопровождаются изменением механических и электрофизических свойств металлов.
По мнению авторов [23, 24] наглядным параметром степени исчерпания исходного ресурса в процессе статических и циклических нагружений является коэрцитивная сила металла исследуемого изделия. В процессе продви 45 жения металла от состояния поставки до состояния разрушения величина коэрцитивной силы Нс возрастает в 2-3 раза (в зависимости от марки материала). На основе коэрцитиметрии удается оценить степень исчерпания остаточного ресурса, а при известном режиме эксплуатации - остаточный ресурс. Однако подобный подход к определению поврежденности не учитывает явления магнитомеханического гистерезиса, а также сильной зависимости магнитных характеристик материала (в том числе коэрцитивной силы) от структуры и химического состава исследуемого материала, которые не однородны в рамках одного объекта. В отношении сварных соединений, структурная неоднородность которых в зоне термического влияния, очень велика, существующие на сегодняшний день методики, позволяют получить интегральную оценку коэрцитивной силы на исследуемом участке. В данном случае информативность коэрцитивной силы в части оценки степени поврежденности металла трубопровода очень мала, и позволяет лишь выявить участки с аномально высоким значением коэрцитивной силы. В этой связи применение указанного метода сдерживается отсутствием надежных критериев наступления предельного состояния.
Более перспективными в отношении оценки поврежденности являются акустические методы в силу их высокой чувствительности к любым изменениям микроструктуры [25]. Другим методом, используемым для определения критической поврежденности, является измерение скорости распространения ультразвуковых волн. В работе [26] установлено, что при циклическом нагружении скорость распространения ультразвуковых волн непрерывно падает с ростом числа циклов нагружения
Исследование влияния параметров испытаний на спектральные образы сигналов акустической эмиссии
Метод кинетического индентирования позволяет безобразцовым способом определять на основании экспериментальных данных упругие и пластические свойства металла ( погрешность для ат и тв составляет ±10%, а для F и 8 - ± 20 % ), необходимые для расчета остаточного ресурса. Недостатком является отсутствие оценки степени поврежденности металла, т.к. нет надежных критериев достижения состояния, соответствующего необратимой поврежденности.
Схема испытаний методом кинетического индентирования путём вдавливания индентора приведены на рис 3.4 [58]. Рисунок 3.4. Испытания методом кинетического индентирования: а) про филь отпечатка; б) схема типичной диаграммы непрерывного вдавливания непрерывного сферического индентора; в) диаграмма вдавливания Р - а; г) условная а - є (нижняя) и истинная S-є (верхняя) диаграммы растяжения в пределах равномерной деформации На рис. 3.5 приведена схема испытаний с использованием АЭ. Схема акустико-эмиссионного комплекса для проведения эксперимента
Инициирование АЭ осуществлялось путем внедрения твердосплавного конического индентора со скоростью 1,0 мм/мин на испытательной машине ИМ-4А. Максимальная нагрузка на индентор составляла 1000 Н. Для регистрации и преобразования АЭ сигналов в электрические применяли широкополосный датчик АЭ MSAE-L2 и усилитель MSAE-FA010 с общим усилением 87 dB. АЧХ датчика АЭ представлена на рис. 3.6
Схема экспериментальной установки показана на рис. 3.7. Установка функционально представляет собой две платы аналого-цифрового преобразователя производства ЗАО «Руднев-Шиляев», работающие под управлением персонального компьютера (ПК). Платы выполнены в конструктиве PCI и устанавливаются внутрь ПК. Плата «медленного» АЦП марки J1A-1.5PCI-14 (одноканальный АЦП с мультиплексором на входе) в ходе эксперимента ведет непрерывный сбор медленно меняющихся параметров (RMS) и сохраняет их на диске. Плата «быстрого» АЦП марки ЛА-н20-12РС1 имеет буферную память и работает в «пакетном» режиме, с большой скоростью записывая во внутреннюю память фрагмент сигнала (по превышению порога или сигналу от таймера). Затем этот фрагмент (фрейм) записывается в файл на диске.
Для исключения регистрации посторонних шумов порог дискриминации аппаратуры устанавливался на 6 дБ выше среднеквадратичного отклонения шумового сигнала, а также использовалась фильтрация частот ниже 50 кГц.
Внешний вид нагружающего устройства установки: 1 - блок нагружения с коническим индентором; 2 - испытываемый образец; 3 - датчик акустической эмиссии
Все зарегистрированные сигналы АЭ с использованием методики [59] цифрового распознавания и анализа спектральных образов разбивали на группы по форме кривой спектральной плотности, и анализировали спектральные портреты (усредненная форма кривой спектральной плотности мощности) Для выяснения типов волн, обуславливающих возникновение того или иного спектрального портрета при индентировании, были проведены эксперименты по оценке влияния:
В результате проведённых экспериментов в соответствии со схемами рис. 3.9 установлено: 1. Расположение датчика на поверхности индентирования или на обрат ной поверхности влияет на форму спектрального образа, так как спектраль ные образы формируют различные типов волн. 2. Очевидно, что с ростом расстояния от источника г до места расположния датчика должен наблюдаться рост преобладания амплитуды рэлеевских волн над объемными пропорционально т.к. в отличие от объемных волн, затухающих с расстоянием по закону /г , рэлеевские волны, распространяясь вдоль поверхности, убывают обратно пропорционально
Таким образом, при увеличении расстояния до датчика вклад объемных волн в формирование спектрального портрета должен уменьшаться, что в свою очередь должно сказываться на форме спектрального портрета.
Подобие формы спектральных портретов свидетельствует о том, что наибольший вклад в формирование спектрального портрета вносят рэлеевские волны, в то время как объемные волны почти не участвуют в процессе формирования спектрального портрета.
Незначительное различие форм спектрального портрета при г 100мм обусловлено вкладом отраженных объемных волн, которые существенно затухают с расстоянием, и при г 100мм (толщина объекта контроля 7 мм) существенного вклада объемных волн не наблюдается.
Ранее в работе [36] по результатам серии экспериментов для стали 20 был сделан вывод о том, что изменение скорости нагружения на два порядка не приводит к изменению количества регистрируемых сигналов АЭ, виду средней спектральной плотности и распределению сигналов в координатах «энергия - медианная частота». При этом в процессе индентирования регист рация сигналов АЭ происходит в основном на этапе внедрения острия инден тора в металл и равномерно в процессе всего нагружения. Согласно прове 88 денному анализу сигналов АЭ, полученных при вдавливании конического индентора с наконечником из твёрдого сплава с углом 120 при вершине и твердосплавного шарика диаметром 1,588 мм, отличий в спектральных характеристиках АЭ не установлено, хотя кинетическая диаграмма твердости имеет явные отличия, также отличается среднее количество сигналов АЭ за эксперимент и среднее квадратическое значение непрерывной АЭ.
Таким образом, по результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод о том, что: для регистрации импульсов АЭ с минимальными искажениями в процессе индентирования необходимо устанавливать датчик на поверхности ин-дентирования, т.к. в этом случае наибольший вклад в формирование спектрального портрета вносят рэлеевские волны; расстояние от места индентирования до датчика АЭ, при котором спектральный портрет формируется только за счет рэлеевских волн, зависит от толщины и материала объекта контроля и должно определяться экспериментально; влияние скорости нагружения и типа индентора не использовать данную характеристику как показатель процессов
Для оценки влияния циклического нагружения на параметры АЭ, были проведены сравнительные исследования образцов основного металла, предварительно разрушенных в результате: статических испытаний на одноосное растяжение (А) и малоцикловых испытаний (выдержавших соответственно 3400 (Б) и 16000 (В) циклов нагружений).
Индентирование проводилось на трех характерных участках (рис. 3.9): в недеформированную область I (зона захвата), в область относительно равномерной деформации II и область локализованной деформации («шейка»). Датчик АЭ устанавливался на образцах через слой контактной жидкости с постоянным усилием прижима 2 Н.
Определение характеристик механических свойств металла трубопроводов по результатам испытаний на твердость
При оценке дефектов металла трубопроводов АЭ необходимо: - своевременно обнаружит опасные участки, оценить максимальные напряжения состояния металла и определить конфигурацию дефекта; - ранжировать участки с обнаруженными дефектами по степени опасности.
О природе источников АЭ можно судить по форме и частотному спектру сигналов [78]. Для этого необходима классификация сигналов, различающихся по определённому спектральному параметру (параметрам), который в свою очередь оценивается для каждого отдельного события АЭ. В ряде работ предложено для решения этой задачи использовать только два параметра: медианную частоту и среднюю энергию [79] либо медианную частоту и полную энергию [80]. Данные АЭ, построенные в пространстве признаков «энергия - медианная частота», образуют скопления - кластеры. Наличие нескольких кластеров свидетельствует о различной природе источников АЭ и позволяет сортировать сигналы по природе их происхождения. При этом подобная оценка сигналов не учитывает распределение энергии внутри сигнала по частотам, т.к. энергия и медианная частота являются характеристикой АЭ события в целом, что является её недостатком. Данное положение учитывает наиболее перспективная, в настоящее время, методика цифрового распознавания образов [81].
Идентификация стадий нагружения объекта и лоцированных источников АЭ (дефектов) проводится при помощи критерия АПТ, а более углубленная с использованием комплексных, информативных параметров АЭ — эл 115 липсов рассеяния, построенных в координатах полная энергия - энтропия амплитудного (энергетического) распределения сигналов АЭ.
Источник АЭ можно считать идентифицированным в том случае, если определено его наличие, местоположение, а также совпадение набора наблюдаемых признаков с набором, характерным для данного типа источника АЭ. Вероятность совпадения наблюдаемых признаков РТ11П(Х) с эталонными Ргип определяется при сравнении соответствующих гипотез по одному из критериев согласия (х2 - критерий, критерий Колмогорова и т.п.) [82].
Однако вероятностная идентификация дефектов - источников АЭ на основе измерения классических параметров АЭ, в первую очередь амплитуды сигналов, и активность N часто приводит к тому, что области значений Ах и Nx для разных дефектов сильно пересекаются. Соответственно, вероятности выявления АЭ методом различных реальных дефектов будут близки.
С целью определения развивающегося дефекта вычисляется энтропия амплитудного распределения сигналов АЭ. Такие высокоорганизованные процессы, как подрастающие трещины (выделение большой энергии за малый промежуток времени), будут иметь гораздо меньшую информационную энтропию, чем процесс протечки продукта через сквозной дефект или пластическая деформация.
Для определения типа дефекта строится эллипсоид рассеяния — область значений многомерного вектора, координатами которого являются параметры х, Н, А, можно описать эллипсоидом рассеяния.
При отсутствии дефектов возможными источниками АЭ являются различные микропроцесссы, протекающие в металле и сварных соединениях. Соответствующий им эллипсоид рассеяния значений х, Н, А будет располагаться в нижней части координатного пространства х, Н, А.
Диагностическим признаком является положение эллипса на диаграмме, представляющей проекции эллипсоидов на координатные плоскости: (А, х);(А, Н); (х, Н). При разных типах дефектов в лоцированной зоне контроли руемого материала вид эллипсов рассеяния с пороговой амплитудой An существенно различается.
При появлении хотя бы одного эллипса рассеяния в области, характерной для опасных источников, следует провести более точное определение координат источника путем более близкого расположения датчиков в локационной антенне.
Методика определения спектральных характеристик сигналов АЭ при различных стадиях повреждения трубопроводов Определение спектральных характеристик сигналов АЭ осуществляется при следующих предположениях: - сигнал АЭ рассматривается как случайный квазистационарный непрерывный сигнал с короткими импульсами, которые могут перекрываться внутри каждого кадра. - каждый кадр состоит из 2 п отчетов (например, 4096, п - целое число). - обрабатывается серия кадров, соответствующая одному испытанию. Основными этапами определения спектральных характеристик сигналов АЭ являются следующие.
Перед каждым испытанием вручную записывается 5-6 кадров шума, по которым вычисляется спектральная плотность шума и затем усредняется по всем этим отсчетам, что дает некоторый «образ» шума G0 (/).
На втором этапе происходит регистрация сигналов АЭ.
На третьем для каждого кадра серии выполняется дискретное преобразование Фурье (по алгоритму быстрого преобразования Фурье Кули-Тьюки) и вычислялся спектр мощности, сглаживаемый скользящим окном, (ширину окна можно задавать программно). В результате получали оценку спектральной плотности G,(f).
Затем спектр шума вычитался из каждой G,-(/), что дает функцию спектральной плотности: На последнем этапе результаты записываются в таблицу, по которой можно строить различные графики в одном из стандартных пакетов (например, Microsoft) (рис 4.3). Кроме того, спектры импульсов можно было наблюдать на экране визуально во время обработки или сохранять на диске.
