Введение к работе
Актуальность работы
В связи с широким применением в отечественной промышленности новых материалов и технологий, предельной работой узлов и агрегатов и постоянным усовершенствованием промышленного оборудования резко возрастают требования к обеспечению его надежности и эксплуатационной безопасности.
Поэтому, разработка методик количественной оценки структурных изменений в твердом теле к исследование общих закономерностей кинетики накопления повреждений становится необходимым звеном в решении актуальной задачи идентификации реальной дефектности. При этом весьма актуальна и значима диагностика состояния изделий и конструкций. Особую роль в задачах оценки степени повреждения структуры играет диагностика, использующая методы неразрушающего контроля. Одним из перспективных методов неразрушающего контроля являются акустические методы. Объясняется это тем, что упругие волны реагируют на все происходящие в контролируемой среде процессы, выполняют функции универсального датчика, поставляющего сведения о контролируемой среде. Обзорный анализ показал, что одним из перспективных путей решения этой проблемы следует признать метод акустической эмиссии (АЭ).
Надо отметить, что практическое применение метода АЭ для решения задач технической диагностики сопряжено с определенными трудностями. Распространяющийся в объекте акустический сигнал претерпевает существенные искажения; возникающие в процессе испытаний и эксплуатации акустические шумы и помехи тоже распространяются в объекте и воздействуют на входные устройства АЭ-системы. Будучи похожими по форме на сигналы, возбуждаемые дефектообразованием, они приводят к ложным срабатываниям, что заставляет предъявлять повышенные требования к такой характеристики аппаратуры АЭ-контроля, как помехоустойчивость.
Несмотря на большое количество как оригинальных исследований, так и работ обзорного характера, обсуждаемую проблему нельзя считать окончательно решенной. Таким образом, создание критериев для
исследования характеристик сигналов АЭ и акустических помех, изучение характеристик материалов и изделий, поиск связей между параметрами состояния конструкции и характеристиками сигналов, решение задач идентификации акустических сигналов, представляется весьма актуальным.
Сложность и насыщенность задач современных исследований в этой области требует разработки и совершенствования методов цифровой анализа и обработки сигналов. Главной целью такой обработки является эффективное и достоверное выделение полезных составляющих из общей суммы зарегистрированных сигналов и преобразование их в форму, удобную для дальнейшего использования и интерпретации. Поэтому разработка новых эффективных методик анализа сигналов является одной из перспективных и актуальных научно-технических задач в современной экспериментальной области по АЭ.
Большой вклад в развитие исследований по таким вопросам как физико-механические и статистические аспекты прочности кристаллических и аморфных тел, физические свойства при различных внешних воздействиях, моделирование акустического излучения дислокаций и микротрещин, распространение упругих волн, а также применение метода АЭ в физических исследованиях, задачи неразрушающего контроля и диагностики, внесли такие ученые и организаторы науки как Н.П. Алешин, В.М. Баранов, Г.А. Бигус, К.Б. Вакар, В.А. Грешников, Ю.М. Гуфан, Ю.Б. Дробот, В.П. Дудкевич, Л.К. Зарембо, B.C. Иванова, В.И. Иванов, В.В. Калинчук, B.C. Куксенко, A.M. Лексовский, А.А. Ляпин, Н.А. Махутов, Г.Б. Муравин, В.В. Муравьев, В.Д. Нацик, А.Я. Недосека, В.А. Плотников, В.В. Поляков, Л.М. Рыбакова, Г.А. Сарычев, А.Н. Серьезнов, Л.Н. Степанова, А.С. Трипалий, В.М. Финкель, И. Ахенбах, С. Вахавиолос, X. Данеган, П. Гиллис, Д. Джеймс, С. Карпентер, Р. Коллакот, А. Тетельман, А. Поллок, X. Хатано и другие.
Цель диссертационной работы
Изучить процессы деформации и разрушения металла, с использованием информативных параметров акустической эмиссии; Разработать комплексную методику идентификации дефектов, полученных в результате спектрального и частотного анализа сигнала АЭ работающего
оборудования, обеспечивающий повышение качества распознавания сигнала и его особенностей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать возможности существующих методов и средств перазрушающего контроля при оценке степени деградации конструкционных металлических материалов;
исследовать и систематизировать данные о влиянии процессов деформации па структуру, механические и акустические свойства конструкционных металлических материалов и установить соответствующие корреляционные соотношения;
дать научно-техническое обоснование применения акустико-эмиссионного метода для оценки поврежденностн конструкционных материалов в промышленных испытаниях, нагруженных внутренним давлением, на основе выявленных закономерностей изменения характеристик контролируемого материала и параметров акустических волн;
провести анализ практических результатов промышленного применения АЭ-контроля;
определить основные акустические характеристики и обосновать выбор измеряемых акустических характеристик, чувствительных к процессам деградации исследуемых конструкционных материалов;
- провести анализ (спектральный и частотный) сигнала АЭ;
кратко изложить теорию и практику применения вейвлет-
преобразований при анализе сигналов в технической диагностике и нераз-рушающем контроле;
исследовать некоторые характерные особенности единичного импульса АЭ, ранее не поддававшихся объяснению:
научно обосновать и разработать комплексный метод анализа оценки дефектов длительно работающего оборудования (на основе частотно-временного анализа импульса АЭ);
проанализировать возможность использования полученных результатов исследований в задачах контроля повреждений в
конструкционных материалах акустико-эмиссионным методом и проверить работоспособность предложенных решений на длительно эксплуатируемых промышленных объектах.
Методы исследования
Анализ акустического тракта проводился на основании положений акустики и теории радиотехнических цепей и сигналов. Теоретическая часть работы выполнена на основе численного решенач уравнений динамической теории упругости и уравнений нелинейной акустики. Все задачи диссертационного исследования решены на основе применения акусто-эмиссионных измерений.
Объектами исследования служило технологическое оборудование, которое используется в химической и нефтегазовой промышленности, энергетике. Исследованию подвергались материалы с различной исходной структурой в состоянии, характерном для реальных конструкций в период эксплуатации. Нагрузка оборудования осуществлялась на серийных испытательных машинах и натурных объектах.
При оценке работы реальных конструкций использовались экспериментальные данные, полученные на натурных объектах в условиях нормальной эксплуатации для данного типа конструкции. При обработке данных, при расчетах и математическом моделировании акустических сигналов применялись оригинальные и стандартные программные продукты АЕ Correlation Expert, Vallen TR-Vicwer, AGU-Wavelet и PACshare Wavelets. В экспериментах использовалась следующая аппаратура: многоканальная акустико-эмиссионная система «DISP-52» фирмы «РАС» (США).
Научные положения, выносимые на защиту
Основные связи параметров акустических сигналов и механики разрушения, повышающие качество оценки поврежденности технических изделий. Обоснование использования акустического метода для определения характеристик повреждений.
Комплексная методика идентификации типов источника АЭ работающего оборудования (на основе частотно-временного анализа сигнала).
Критерии идентификации источников сигналов акустической
эмиссии необходимых для описания и идентификации физических процессов и механизмов, преобладающих на стадии деформации и разрушения материалов.
Необходимые метрологические характеристики измерительных приборов, обеспечивающие более качественное проведение АЭ-коитроля и более достоверную интерпретацию его результатов.
Экспериментальная проверка предложенной методики для контроля механических характеристик материала без нарушения его эксплуатаиионных и прочностных характеристик и результаты практического использования на промышленных объектах.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке научно-технической методики идентификации типов источника в металлических материалах с помощью акустической эмиссии и создании критериев классификации сигналов АЭ; при этом источники АЭ классифицированы на два основных типа: пластическая деформация и образование микро- и макротрещин.
Алгоритм исследования заключался в следующем:
Усовершенствование и упрощение теоретических выкладок связи параметров акустических сигналов с параметрами механики разрушения и с параметрами развивающихся дефектов, что обеспечит более точное построение теоретических моделей и надежность экспериментальных исследований сигналов.
Обоснование применения вейвлет-преобразования при анализе акустических нестационарных сигналов.
Научное обоснование и разработка комплексной акустической методики идентификации типов источника АЭ длительно работающего оборудования (на основе частотно-временного анализа сигнала).
Создание качественных критериев классификации сигналов АЭ для описания и идентификации физических процессов и механизмов на стадии деформации и разрушения материалов.
Комплексное исследование по метрологическому обеспечению работы измерительной системы.
Практическая ценность работы
В настоящее время метод АЭ широко применяется не только для исследовательских целей, но и интенсивно внедряется в промышленность как неразрутающий метод контроля. При этом фиксируются фазовые превращения, определяются такие дефекты, как поры, закалочные трещины, включения, поэтому идентификация и классификация источников АЭ при проведении производственного контроля объекта является одной из наиболее важных и принципиальных технологических ситуаций. Результаты работы опубликованы в печатных журналах, докладывались на научных всероссийских и международных конференциях и получили одобрение специалистов. Работа будет иметь большое значение для специалистов в области неразрушающего контроля, а ее результаты -значительные дальнейшие перспективы.
Внедрение результатов работы
Результаты исследований использовались при диагностировании сосудов высокого и низкого давления, магистральных трубопроводов и паропроводов, а также высокотемпературных протяженных объектов, применяемых в химической и нефтегазовой промышленности, энергетике. Кроме того, полученные результаты используются в учебном процессе на кафедре ИТиКТ СПбГУ ИТМО при выполнении курсовых и бакалаврских работ по измерительным технологиям.
Апробация работы
Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на:
IV Межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО, 2007 г.;
Политехническом симпозиуме «Молодые ученые -промышленности Северо-Западного региона». СПб, 2007 г.;
XXXVII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, 2008 г.;
Международной научно-практической конференции «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически
опасных производственных объектах. Технический надзор, диагностика и экспертиза». Уфа, 2008 г.:
V Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых в СПбГУ ИТМО, 2008 г.;
Конкурсной программе инновационных проектов Инновационно-технологического центра СПбГУ ИТМО "УМНИК", 2008 г.;
Персональный грант ка проведение диссертационного кандидатского исследования для аспирантов от правительства Санкт-Петербурга и комитета но науке и высшей школы, 2008 г.:
VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых в СПбГУ ИТМО, 2009 г.;
- Всероссийской научно-практической конференции
«Информационные технологии о профессиональной деятельности и
научной работе» Марийского государственного технического университета.
Йошкар-Ола, 2011 г.
Публикации
Основное содержание диссертационной работы отражено в 9 публикациях, в том числе 1 публикация в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура и объем диссертации
