Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ім. Є.О. ПАТОНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ДІАГНОСТИКА І ПРОГНОЗУВАННЯ РЕСУРСУ ЗВАРНИХ КОНСТРУКЦІЙ МЕТОДОМ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ

Спеціальність - 05.02.10 “ Діагностика матеріалів і конструкцій ”

Недосєка Станіслав Анатолійович

Київ-2010

Анотація

Недосєка С.А. Діагностика і прогнозування ресурсу зварних конструкцій методом акустичної емісії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.10 - "Діагностика матеріалів і конструкцій". Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, Київ, 2010 р.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми оцінки фактичного стану зварних конструкцій з накопиченими пошкодженнями та розробці методів акустико-емісійної діагностики й моніторингу, що мають метою завчасно, на основі прогнозування руйнівного навантаження та залишкового ресурсу, виявити небезпеку виникнення тріщин та не припустити руйнування.

На основі комплексного дослідження процесу накопичення пошкоджень у матеріалах в процесі деформування та експлуатаційного напрацювання виявлені загальні закономірності зміни ряду структурно-чутливих параметрів, у тому числі кількості подій АЭ, амплітуд та часу зростання сигналів АЕ до максимуму у залежності від формування пошкодженості, що дозволило сформулювати критерії оцінки пошкодженості та залишкового ресурсу матеріалів за даними АЕ.

Показано, що у пластичних матеріалах існує кореляційний зв'язок між виникненням і зростанням пор та акустичною емісією, що забезпечує принципову можливість застосування методу АЭ для оцінки та прогнозування стану металевих матеріалів на ранніх стадіях накопичення пошкоджень, що передують появі тріщин. Розроблена математична модель, що пов'язує АЕ та акустичні властивості матеріалу з процесом накопичення пошкоджень, з урахуванням впливу об'ємного розподілу пошкоджень та геометрії концентратора на проходження крізь матеріал акустичних сигналів. Модель дозволяє створювати еталони АЭ для різноманітних умов формування пошкодженості у матеріалі.

Вдосконалена методика аналітичного розрахунку хвиль АЕ, які виникають і розповсюджуються у матеріалі, шляхом розбиття сумарної хвилі на елементарні, які потім складають за хвильовими числами та комплексними частотами. Виконані розрахунки акустичних хвиль, що виникають і розповсюджуються у стрижневих та плоских елементах конструкцій, показали залежність спектру, форми і амплітуд хвиль від товщини матеріалу.

Розроблений та підтверджений експериментально метод прогнозу руйнівного навантаження, оснований на порівнянні даних реальних АЕ випробувань з еталонами, які отримують за допомогою математичної моделі накопичення пошкоджень, представлених у вигляді вектору стану матеріалу. Ефективність методу прогнозування підтверджена численними експериментами на зразках та конструкціях, зокрема для серії сталевих зварних зразків, марка матеріалу та характеристики міцності яких були заздалегідь невідомі.

Наукові результати, отримані у роботі, підтверджені на практиці при аналізі стану діючих конструкцій, впроваджені та застосовуються в виробничих умовах під час діагностичного контролю та безперервного АЕ моніторингу труб, барабанів котлів, судин тиску, сховищ та обладнання цехів виробництва аміаку, на мостових переходах труб аміакопроводу.

Ключові слова: акустична емісія, пошкодженість, АЕ сканування, прогноз, руйнівне навантаження, залишковий ресурс, моніторинг.

Аннотация

Недосека С.А. Диагностика и прогнозирование ресурса сварных конструкций методом акустической эмиссии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.10 - "Диагностика материалов и конструкций". Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2010 г.

Диссертация посвящена решению проблемы оценки фактического состояния сварных конструкций с накопленными повреждениями и разработке методов акустико-эмиссионной диагностики и мониторинга, имеющих целью заблаговременно, на основе прогнозирования разрушающей нагрузки и остаточного ресурса, выявить опасность возникновения трещин и не допустить разрушения.

Метод акустической эмиссии является одним из наиболее эффективных неразрушающих методов контроля состояния конструкций и имеет ряд серьезных преимуществ при его использовании в промышленных условиях. Это стало причиной выбора метода АЭ в качестве предмета научных исследований и разработки на его основе новых методов оценки состояния материалов, выполненных в диссертации.

Для решения задач диссертации были объединены современные подходы в таких научных направлениях как континуальная механика, акустика и математическое моделирование. Результаты исследования АЭ, полученные при механических испытаниях образцов на статическое растяжение, сопоставлены с экспериментальными данными, полученными дополнительными методами: АЭ сканированием, определением ударной вязкости, взвешиванием в жидкости, LM-твердости и металлографическим анализом. Показано, что влияние сварного соединения на АЭ свойства материала состоит в увеличении числа событий АЭ с увеличением объема металла, составляющего зону термического влияния.

На основе комплексного исследования процесса накопления повреждений в материалах в процессе деформирования и эксплуатационной наработки выявлены общие закономерности изменения ряда структурно-чувствительных параметров, в том числе количества событий АЭ, амплитуд и времени нарастания сигналов АЭ до максимума в зависимости от формирования поврежденности, что позволило сформулировать критерии оценки поврежденности и остаточного ресурса материалов по данным АЭ. Показано, что в пластичных материалах существует корреляционная связь между возникновением и ростом пор и акустической эмиссией, что обеспечивает принципиальную возможность применения метода АЭ для оценки и прогнозирования состояния металлических материалов на ранних стадиях накопления повреждений, предшествующих появлению трещин.

Формализован и применен объектный подход к решению задачи, описывающей возникновение, рост и взаимодействие множественных пор в процессе накопления повреждений при деформировании, а также возникновение вследствие этого волн АЭ. Это позволило существенно упростить решение задачи за счет инкапсуляции базовой функциональности модели в объектах, моделирующих поры, и обеспечить в рамках того же самого алгоритма моделирование возникновения и развития разнообразных полей повреждений в разных условиях с учетом влияния концентрации напряжений.

Разработана математическая модель, связывающая АЭ и акустические свойства материала с процессом накопления повреждений, трактуемого как возникновение, рост и взаимодействие сферических пор с учетом влияния объемного распределения повреждений и геометрии концентратора на прохождение через материал акустических сигналов. Модель позволяет создавать эталоны АЭ для различных условий формирования поврежденности в материале. Усовершенствована методика аналитического расчета возникающих и распространяющихся в материале волн АЭ путем разбиения суммарной волны на элементарные составляющие по волновым числам и комплексным частотам. Выполненные расчеты возникающих и распространяющихся в стержневых и плоских элементах конструкций акустических волн показали зависимость спектра, формы и амплитуд волн от толщины материала. Разработан и подтвержден экспериментально метод прогноза разрушающей нагрузки, основанный на сравнении данных реальных АЭ испытаний с эталонами, получаемыми при помощи математической модели накопления повреждений, представленных в виде вектора состояния материала.

Научные результаты, полученные в работе, подтверждены на практике при анализе состояния действующих конструкций, внедрены и применяются в производственных условиях при диагностическом контроле и непрерывном АЭ мониторинге труб, барабанов котлов, сосудов давления,хранилищ и оборудования цехов производства аммиака, на мостовых переходах труб аммиакопровода.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, поврежденность, АЭ сканирование, прогноз, разрушающая нагрузка, остаточный ресурс, мониторинг.

Abstract

Nedoseka S.A. Diagnostics and forecasting for resource of welded structures by acoustic emission method. - The Manuscript.

The dissertation of Dr. Tech. Sci. scientific degree on a specialty

05.02.10 - "Diagnostics of materials and structures". E.O. Paton Electric Welding Institute, NAS of Ukraine, Kiev, 2010.

The dissertation is devoted to decision of condition estimation for welded structures with the cumulated damages actual problem and methods for acoustic-emission diagnostics and monitoring development, with the purpose, on the basis of forecasting the ultimate loading and a residual resource, to define the danger of cracks occurrence and to prevent destruction.

On the basis of complex research of damages accumulation process in materials during deformation and operating time the common laws for some structural-sensitive parameters change, including amounts of AE events, amplitudes and the time of AE signals up to a maximum increase are revealed depending on damage formation, that has allowed to formulate the criteria of damage and residual resource estimation for materials by AE data. It is shown, there is a correlation in plastic materials between voids occurrence, connection and growth and acoustic emission that provides a basic opportunity of AE method application for estimation and forecasting of metal materials condition at early damages accumulation stages previous to occurrence of cracks. The mathematical model connecting AE and acoustic properties of a material with the process of damages accumulation, developed as spherical voids occurrence, growth and interaction is developed in view of damages volumetric distribution and concentrator geometry influence on acoustic signals passage through material. The model allows creating AE templates for various conditions of damage formation in a material. The technique of analytical calculation of AE waves arising and moving in material is advanced by splitting a total wave into elementary components on wave numbers and complex frequencies. The executed calculations of acoustic waves arising and extending in rod and flat elements of structures have shown dependence of a spectrum, the form and amplitudes of waves on thickness of material. The method of the ultimate loading forecast, based on given real AE tests comparison with the templates received by mathematical model of damages accumulation, submitted as a vector of material condition is developed and confirmed experimentally.

The scientific results of work has the practical acknowledgement at the analysis of working structures condition, are introduced and applied under production conditions at diagnostic check and continuous АE monitoring of pipes, boilers, pressure vessels, ammonia storehouses manufacture equipment, on bridge transitions of ammonia pipes.

Key words: acoustic emission, damage, AE scanning, forecast, ultimate load, residual resource, monitoring.

акустичний емісія зварний хвиля

1. Загальна характеристика роботи

У числі завдань, що постають перед сучасною промисловістю, енергетикою і транспортом, забезпечення безпечної експлуатації та оцінка реального залишкового ресурсу конструкцій, вузлів та агрегатів займає одне з найбільш важливих місць. Вельми перспективним направленням у вирішенні даної проблеми є застосування технічної діагностики, основаної на неруйнівних засобах контролю. Метод акустичної емісії (АЕ) є одним з найбільш ефективних неруйнівних методів, який має ряд серйозних переваг під час його використання у промислових умовах. Це стало причиною вибору методу АЕ у якості предмету наукових досліджень та розробки на його основі нових методів оцінки стану матеріалів, виконаних у дисертації.

Робота присвячена питанням оцінки фактичного стану металевих конструкцій на стадіях, що передують виникненню тріщин, розробці методів АЕ діагностики й моніторингу, що ставлять метою завчасно виявити небезпеку та не допустити руйнування. Для вирішення завдань дисертації було потрібно об'єднати сучасні підходи у таких наукових напрямках як континуальна механіка, акустика та математичне моделювання. Виконання роботи було б неможливим без використання сучасних комп'ютерних технологій.

На базі великого обсягу комплексних експериментальних досліджень конструкційних металевих матеріалів сформульована й вирішена задача прогнозування руйнівного навантаження та залишкового ресурсу металоконструкцій, у тому числі із зварними з'єднаннями, з застосуванням методу АЕ. Результати роботи знайшли практичне застосування у діагностиці конструкцій, що експлуатуються, у тому числі магістральних газопроводів, судин тиску та при створенні (вперше в Україні) систем безперервного АЕ моніторингу на об'єктах зберігання і транспортування рідкого аміаку.

Зв'язок з науковими програмами. У першу чергу слід відзначити роботи у рамках Державної програми "Ресурс" (цільова комплексна програма НАН України "Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин").

Дослідження також виконані у ІЕЗ ім. Є. О. Патона за наступними темами на 2002-2009 рр.:

- 9.8.59/55 "Розробка та дослідження приладу для контролю промислових конструкцій методом акустичної емісії";

- 1.6.1.59.33 "Розробка (на основі комп'ютерної технології та засобу акустичної емісії) наукових підходів щодо досліджень деградації і руйнувань матеріалів, що пройшли регламентний термін експлуатації і працюють у умовах низьких температур і середовищ аналогічних аміаку";

- 1.6.1.59.1 "Розробка методів аналітичного дослідження параметрів акустичної емісії та створення систем безперервного моніторингу технічного стану відповідальних зварних конструкцій";

- 9.8.59/38 "Розробка і випуск нормативних документів у галузі АЕ діагностування конструкцій: підготовка та атестація персоналу; технологія АЕ діагностування".

Мета роботи - створення науково обґрунтованих критеріїв і методів оцінки поточного стану та прогнозування ресурсу матеріалів зварних конструкцій за даними АЕ, розробка систем безперервного АЕ моніторингу промислових конструкцій.

Основні завдання досліджень:

1. Проведення комплексного дослідження закономірностей накопичення пошкоджень у металевих матеріалах внаслідок деформування та експлуатаційного напрацювання з метою встановлення взаємозв'язку між АЕ та іншими фізичними характеристиками матеріалу.

2. Розробка критеріїв оцінки пошкодженості та залишкового ресурсу за даними АЕ.

3. Дослідження виникнення й розповсюдження хвиль АЕ у процесі накопичення пошкоджень та створення математичної моделі, яка пов'язує акустичні властивості матеріалів з накопиченими пошкодженнями.

4. Розробка та експериментальне підтвердження методики прогнозу руйнівного навантаження, основаної на створеній моделі.

5. Розробка і впровадження програмного забезпечення та методики АЕ контролю для комплексів безперервного моніторингу промислових підприємств.

Для вирішення зазначених завдань виконані експериментальні дослідження зразків, у тому числі випробування на статичну міцність з реєстрацією АЕ, визначення ударної в'язкості, твердості, АЕ сканування, вимір щільності зважуванням проб у рідині, металографічні дослідження. Експериментальні дані отримані також при короткочасних АЕ випробуваннях промислових об'єктів та під час їх безперервного моніторингу. Теоретична частина роботи включала розробку математичного апарату, створення та програмну реалізацію на комп'ютері математичних моделей, аналітичне та чисельне рішення диференціальних та інтегральних рівнянь.

Наукова новизна:

1. Вперше сформульоване й виконане універсальне рішення задачі прогнозу руйнівного навантаження та залишкового ресурсу за даними АЕ для металевих матеріалів з накопиченими пошкодженнями, основане на математичному моделюванні, у вигляді вектору стану, еталонів АЕ для полів пошкоджень, що розвиваються у різноманітних умовах, та наступному їх розпізнанні шляхом порівняння з реальними АЕ даними.

2. Підтверджена провідна роль пор у механізмі виникнення АЕ для пластичних металевих матеріалів на стадіях, що передують виникненню тріщин.

3. Встановлена залежність між пошкодженістю матеріалів та зміною структурно-чутливих параметрів, вимірюваних методами АЕ, АЕ сканування, ударної в'язкості, розсіювання твердості та визначення залишкового об'єму порожнин зважуванням у рідині, на основі чого сформульовано узагальнений критерій оцінки пошкодженості

W_П = 1- П_ПОШК / П_ПЕРВ,

де П - структурно-чутливий параметр, індекси "пошк" та "перв" означають відповідно пошкоджений та первинний стан матеріалу.

4. Запропоновано критерій оцінки залишкового ресурсу матеріалів з експлуатаційним напрацюванням, оснований на статистичній обробці та побудові логарифмічного тренду для результатів оцінки пошкодженості структурно-чутливими методами металу труб з різних газопроводів України з терміном напрацювання до 50 років.

5. Вперше формалізований та успішно застосований об'єктний підхід до розв'язання задачі, що описує виникнення, зростання і взаємодію множинних пор у процесі накопичення пошкоджень під час деформування, а також появу внаслідок цього хвиль АЕ. Це дозволило істотно спростити рішення задачі за рахунок інкапсуляції базової функціональності моделі у об'єктах, що моделюють пори, та забезпечити моделювання розвитку різноманітних полів пошкоджень у рамках того ж самого алгоритму.

6. Створена та експериментально підтверджена математична модель, яка пов'язує виникнення АЕ та зміну параметрів акустичних сигналів, що проходять через матеріал, з процесом накопичення пошкоджень, під яким розуміється виникнення, зростання та з'єднання пор у процесі деформування матеріалів. Модель дозволяє описувати розвиток полів пошкоджень для різних випадків просторового розподілу пор у матеріалі, довільних співвідношень їхніх розмірів, при різному напружено-деформованому стані, та створювати на базі цього еталони АЕ для різних випадків розвитку пошкодженості.

7. Вдосконалена методика аналітичного розрахунку хвиль АЕ, що виникають від точкового джерела і розповсюджуються у матеріалі, шляхом розбиття сумарної хвилі на елементарні, що складаються за хвильовими числами та комплексними частотами. Отримані характеристики хвиль АЕ для різних умов, що дозволяє оцінювати вплив геометрії об'єктів контролю та параметрів датчиків на результати АЕ випробувань. На підставі отриманих рішень вперше реалізована принципова можливість відновлювати первинні сигнали АЕ за даними вимірювань, що виконуються приладами АЕ контролю.

Достовірність отриманих результатів та висновків. Експериментальні дослідження проведені на стандартизованому обладнанні та апаратурі, яка пройшла метрологічну атефстацію. Для встановлення експериментальних залежностей використовували партії з декількох зразків з наступною статистичною обробкою даних. Зроблені у роботі наукові висновки узагальнюють результати експериментальних досліджень, виконаних різними методами, комп'ютерного моделювання та аналітичних розрахунків. Встановлені фізичні залежності носять, як правило, простий функціональний характер та легко простежуються на графіках. Відповідність даних, отриманих різними методами, подана графічно і підтверджується розрахунковими коефіцієнтами кореляції. Запропонована методика прогнозу руйнівного навантаження за даними АЕ перевірена випробуванням великої кількості зразків та конструкцій. Отримані наукові результати та зроблені висновки вкладаються у єдину фізичну картину та не містять протиріч.

Наукове значення роботи. Робота розвиває науковий напрямок АЕ діагностики, у ній створена методика кількісної оцінки пошкодженості та прогнозування ресурсу діючих конструкцій за результатами АЕ вимірів. Оцінка побудована на фундаментальних властивостях АЕ і може бути застосована до багатьох конструкційним матеріалів, різноманітних об'єктів контролю, типів АЕ систем та датчиків. Задача оцінки стану матеріалу у дисертації послідовно поширена на широкий спектр об'єктів - від випробувань зразків до безперервного АЕ моніторингу великих промислових конструкцій та виробничих цехів.

Практична значимість:

1.За участю автора створені державні стандарти України та інші нормативні документи, що регламентують випробування конструкцій методом АЕ.

2.Методичні розробки, виконані у дисертації, використані при розробці програмного забезпечення для більш ніж 10 експертних систем технічної діагностики сімейства ЕМА, переданих підприємствам для виконання завдань діагностики та безперервного моніторингу зварних конструкцій.

3.Проаналізований стан матеріалу трубопроводу у різноманітних регіонах України з оцінкою їхнього залишкового ресурсу, результати у вигляді звіту з рекомендаціями і карти стану трубопровідного транспорту України передані підприємству Укртрансгаз для практичного використання.

4.Для ряду промислових об'єктів оцінений рівень накопичених пошкоджень і виданий прогноз руйнівного навантаження за результатами АЕ випробувань, що стало основою для видачі висновків щодо про їхнього стану.

5.Розроблений і застосований для оцінки металу реальних конструкцій метод визначення деградації властивостей матеріалів за результатами акустичного сканування.

6.Проведені випробування великого числа зразків та конструкцій, оцінка стану яких виконана з використанням розробок автора та за його участю.

7.Для реалізації розроблених моделей створені комп'ютерні програми, що дозволять проводити віртуальний експеримент з накопичення пошкоджень у матеріалах з отриманням змінених акустичних властивостей і виникненням АЕ у широкому діапазоні властивостей матеріалів, полів пошкоджень і граничних умов.

8.Прогноз руйнівного навантаження перевірений експериментально, у реальному часі, для широкого класу матеріалів на зразках і діючих конструкціях. Алгоритм прогнозування реалізований у вигляді спеціалізованого програмного забезпечення, його ефективність підтверджена Держспоживстандартом України.

9.Наукові результати, отримані автором, знайшли застосування у відділі статичної міцності ІПМіц НАН України ім. Г.С. Писаренка та у відділі технічної діагностики ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України.

10. Розробки дисертації впроваджені на ряді промислових підприємств України, у тому числі Одеському припортовому заводі, Миколаївському глиноземному заводі, УДП "Укрхімтрансаміак", ЗАТ "ЦКБА".

11. Результати проведених досліджень покладено у основу курсу лекцій з АЕ діагностики, що вже більше 10 років викладаються автором для слухачів Держгірпромнагляду України.

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить результати теоретичних експериментальних досліджень та методичних розробок, виконаних особисто автором або за його безпосередньої участі. Розроблені методи прогнозу руйнівного навантаження та ресурсу матеріалів конструкцій на основі АЕ [24, 38, 41, 44, 53]. Запропонований метод оцінки пошкодженості за результатами АЕ сканування [1-6, 10, 12, 14, 24, 27, 31]. Встановлені найбільш інформативні залежності параметрів сигналів АЕ від пошкодженості матеріалу [3, 8, 11, 18, 51, 53]. Розроблена методика вирішення динамічної задачі теорії пружності для хвиль, що утворюються у пластинах за виникнення й розвитку у них внутрішніх дефектів [16, 26, 33, 51]. Розроблені метод і програми для моделювання акустичної емісії [7, 38, 44]. Створені комп'ютерні програми і проведені розрахунки хвильових процесів у деформованому матеріалі [6, 12, 33, 51]. Запропоновані та реалізовані у вигляді методик та комп'ютерних програм технології АЕ випробувань та безперервного моніторингу відповідальних об'єктів промисловості, що впроваджені на підприємствах України [8, 9, 13, 15, 17, 19, 20, 23, 25, 28-30, 42, 43, 48-50, 52]. Розроблені, погоджені з Держгірпромнаглядом України та введені у практику діагностичного контролю на підприємствах України стандарти та керівні матеріали з застосування методу АЕ [21, 22, 29, 32, 34-37, 39, 40, 45-47].

Апробація результатів роботи. Результати роботи доповідались на міжнародній конференції "Acoustic Emission 99" (Брно, 15-17 червня 1999 р.), Комісії XI "International Institute of Welding" (Флоренція, 9-14 липня, 2000 р.), міжнародній конференції "Joining technologies of dissimilar materials and structural integrity problems of so jointed materials" (Любляна, 12-15 липня 2001 р.), VII міжнародній конференції з неруйнівного контролю (Балатон, 5-6 вересня 2001 р.), 3-й міжнародній конференції "NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components" (14-16 листопада 2001 р., Севілья), міжнародній конференції "Зварювання і споріднені технології" (Київ, 22-26 квітня 2002 р.), науково-технічному семінарі "Прогресивні технології зварювання у промисловості" (Київ, 20-22 травня 2003 г.), міжнародній науково - технічній конференції "Динаміка, міцність та ресурс машин і конструкцій" (Київ, 1-4 листопада 2005 р.), 16-й щорічній міжнародній конференції та виставці "Сучасні засоби та методи неруйнівного контролю та технічної діагностики" (Ялта, 1-5 жовтня 2008 р.), міжнародній конференції "Зварювання та споріднені технології - у третє тисячоліття" (ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України, 24-26 листопада 2008 р.), 6-й Національній науково - технічній конференції UkrNDT - 2009, 9-12 червня 2009 р.

2. Основний зміст роботи

У розділі 1 розглянуті завдання, що стоять перед АЕ діагностикою, та сучасний стан робіт у даній області в Україні та за кордоном. Показані наявні проблеми у оцінці стану матеріалу діючих конструкцій та особлива роль методу АЕ у їхньому вирішенні. Сформульовані основні існуючі напрямки наукових досліджень у галузі АЕ:

1. Розв'язання задач механіки щодо виникнення і розповсюдження акустичних сигналів від різних типів дефектів.

2. Математичне моделювання сигналів АЕ від різних джерел у матеріалах, у тому числі від тріщин, що розвиваються.

3. Встановлення функціональної залежності між параметрами АЕ та реальними процесами у матеріалах, що деформуються.

4. Опис процесів, пов'язаних з розповсюдженням акустичних сигналів у матеріалах, з використанням статистичних підходів.

5. Виявлення дефектів у різних об'єктах, включаючи визначення координат джерела АЕ та його класифікацію.

6. Оцінка поточного стану конструкцій за результатами АЕ випробувань.

7. Прогнозування працездатності та залишкового ресурсу реальних конструкцій.

Зазначено, що до теперішнього часу методи, які б дозволяли за даними АЕ визначати поточний та прогнозувати майбутній стан матеріалів конструкцій за відсутності тріщин, ще не були створені.

Сформульовані вимоги до апаратного та програмного забезпечення систем АЕ діагностики, проаналізовані найбільш передові розробки у даній області. На підставі зроблених висновків окреслені основні етапи вирішення завдань дисертації та коло потребуючих вирішення методичних питань, таких як модернізація наявного обладнання та апаратури, доопрацювання існуючого та створення нового програмного забезпечення, розроблення методик випробувань та аналітичних досліджень.

У розділі 2 викладені методичні питання дисертації. Основні класи матеріалів, для яких виконували дослідження, включають трубні сталі (20, 09Г2С, 19Г, 17Г1С, 17ХГ1С, 14ХГС, 15ПС), сталі 12ХН3МФА, 15Х2МФА, ВНС25, У8, 65Г, Ст3, 08Х18Н10Т та алюмінієві сплави АМГ6, АМЦН2, АМЦС, Д16Т. Ряд означених металів був досліджений як у вхідному стані, так і після експлуатаційного напрацювання, що дозволило оцінити зміну їх акустичних та фізичних властивостей.

Основним методом проведення досліджень, застосованим у роботі, було статичне навантаження зразків різної конфігурації до руйнування включно з одночасною реєстрацією параметрів АЕ. У випадках, коли вимагалося точно відстежувати стадійність накопичення пошкоджень у матеріалах під час навантаження, застосовували метод повних діаграм деформування. Метод заснований на додаванні у силовий ланцюг системи навантаження додаткових елементів, що підвищують її жорсткість та забезпечують контрольований приріст деформації навіть на стадіях виникнення і зростання тріщини. Аналіз та обробка результатів випробувань повинні були показати, чи існує кореляція АЕ даних з процесом накопичення пошкоджень у матеріалах та чи є можливість оцінити небезпеку накопичених пошкоджень і залишковий ресурс матеріалів з напрацюванням за даними АЕ. Результати підтверджували додатковими експериментальними методами. У якості найбільш важливого з яких запропонований добре відомий, у дослідженнях властивостей матеріалів, метод АЕ сканування, до реалізацій якого можна віднести зокрема ультразвукову дефектоскопію.

Сканування матеріалу проводили акустичними сигналами, що генеруються від зовнішнього джерела, з наступним записом сигналів АЕ апаратурою. Завдаючи (для дільниць матеріалу з різним ступенем накопичених пошкоджень) на вході сигнал з відомими постійними характеристиками, на виході одержують різні сигнали. За зміною параметрів сигналу можна судити про ступінь накопичених у матеріалі пошкоджень, незалежно від причин їх появи.

Під час математичного моделювання на комп'ютері процесів накопичення пошкоджень у матеріалах при їх деформуванні та супутніх змін АЕ у матеріалі, а також його акустичних властивостей, застосували оригінальний підхід, оснований на об'єктному представленні нещільного середовища. Одним з переваг даного підходу є можливість моделювати процес накопичення пошкоджень у їх розвитку, враховуючи складні взаємозв'язки акустичних властивостей матеріалу з виникненням, зростанням і злиттям пор в умовах самих різноманітних полів пошкоджень.

Розв'язання аналітичних задач у рамках даної роботи робили із застосуванням методу інтегральних перетворень. Системи диференціальних рівнянь, призначених для розрахунку переміщень при аналітичних розрахунках хвильових процесів у матеріалі, складені з використанням теореми розкладу Гельмгольца, що дозволяє представити векторне поле у вигляді суми двох полів - безвихрового та соленоїдального.

Обробку результатів АЕ випробувань проводили за допомогою програмного забезпечення систем АЕ діагностики ЕМА-3, розробленого за участю автора. Для оцінки похибки вимірів був використаний так званий W-критерій, при цьому розрахунки похибок - автоматизовані.

У розділі 3 для встановлення взаємозв'язку АЕ з пошкодженістю матеріалу, накопиченої внаслідок експлуатаційного напрацювання, та оцінки його залишкового ресурсу виконані дослідження конструкційних сталей з різним терміном напрацювання, які представляють магістральні газопроводи різних регіонів України. Результати дослідження АЕ, отримані під час механічних випробувань зразків на статичний розтяг, зіставлені з експериментальними даними, отриманими додатковими методами: АЕ скануванням, визначенням ударної в'язкості, зважуванням у рідині, LM-твердості та металографічним аналізом. У якості матеріалу без пошкоджень випробувані зразки з тих самих сталей, вибраних з аварійного запасу. У результаті випробувань встановлені загальні для різних матеріалів закономірності зміни інформативних параметрів АЕ внаслідок експлуатаційного напрацювання. Випробувані сталі можна поділити за АЕ властивостями на матеріали, що у процесі експлуатації стають більш крихкими, внаслідок чого сумарне число подій АЕ (від початку випробування до руйнування) знижується, та на матеріали, що розміцнюються за рахунок накопичення розсіяних пошкоджень, внаслідок чого сумарне число подій АЕ збільшується.

Вплив зварного з'єднання на АЕ властивості матеріалу полягає у збільшенні числа подій АЕ, тим більшому, чим більше об'єм металу, що складає зону термічного впливу. У результаті узагальнення отриманих експериментальних даних сформульована гіпотеза, що у пластичних матеріалах на стадіях деформування, які передують виникненню тріщин, кількість подій та характер АЕ у цілому визначається полем пошкоджень, що склалися у матеріалі, а основною причиною виникнення АЕ є процес динамічного виникнення і злиття пор. Для перевірки даної гіпотези використали АЕ сканування малогабаритних зразків у трьох взаємно-перпендикулярних напрямках, дослідження ударної в'язкості, розсіяння твердості, а також прямий метод зважування проб металу у рідині, оснований на законі Архімеда. Наявність пористої структури у істотно пошкоджених (за даними АЕ та додаткових методів) металів підтверджена металографічними дослідженнями.

Отримані результати показали, що дані декількох інструментальних методів можуть бути успішно використані для визначення пошкодженості досліджених матеріалів, якщо їх узагальнити шляхом використання формального критерію пошкодженості, сформульованого як

W_П = 1- П_ПОШК / П_ПЕРВ,

де П - параметр, що відбиває зміни деякої властивості матеріалу у процесі накопичення пошкоджень, П_ПОШК, П_ПЕРВ - значення параметру П відповідно для матеріалу у пошкодженому та первинному стані.

Для результатів АЕ випробувань характерним була відмінність АЕ картини як для випробувань зразків з різних матеріалів, так і для випробувань зразків, вирізаних з сусідніх дільниць, у зв'язку з чим при розрахунку W_АЕ для кожної групи випробуваних матеріалів (3 зразка у вхідному стані та 3 після експлуатаційного напрацювання) використовували найбільш структурно-чутливий параметр П_АЕ, що являє собою одну з трьох лінійних комбінацій: A(lnК); A(К); (К). Тут A - сума амплітуд АЕ подій, К - коефіцієнт корекції результатів розрахунку за числом подій N (К=aN^m), оператор у декартових координатах визначається за формулою

 ).

Величини а та m являють собою константи матеріалу, що визначаються експериментально під час випробувань зразків.Розрахунок пошкодженості W_АЕ виконували для трьох перерахованих параметрів за вказаними формулами, після чого вибирали найбільше значення.

Аналіз результатів АЕ сканування малогабаритних зразків дозволив встановити зв'язок зміни параметрів акустичних сигналів, які рухаються крізь матеріал, з об'ємом накопичених пошкоджень, що дозволило сформулювати критерій пошкодженості у вигляді

,

де індекс "перв" означає матеріал у первинному стані, "пошк" - матеріал з накопиченими пошкодженнями, величина V=A/R має фізичний зміст швидкості зростання амплітуди вихідного сигналу до максимальної величини A за час R.

Під час оцінки пошкодженості за зміною ударної в'язкості ?W_УВ у якості вхідного значення приймали її величину для матеріалу у стані постачання, у якості пошкодженого - значення після експлуатаційного напрацювання.

Для результатів зважування малих проб у рідині критерій W_Р був сформульований як

W_Р = 1 - (V_{ЗАЛ. МАКС} - V_ЗАЛ ) / V_{ЗАЛ. МАКС},

де V_ЗАЛ - поточний об'єм порожнин, що утворилися, V_{ЗАЛ. МАКС} - об'єм порожнин у максимально пошкодженому матеріалі (визначений експериментально на пробах матеріалу зруйнованого трубопроводу після аварії).

При визначенні пошкодженості W_LM методом LM-твердості (розробленим під керівництвом академіка НАНУ А.О. Лебедєва) пошкодженість визначали як коефіцієнт варіації

,

що показує, наскільки великим є розсіяння величин твердості H_i, що складають розглянуту сукупність з n вимірів, у порівнянні з середнім значенням .

Якщо залежність пошкодженості від напрацювання, отриману кожним з описаних вище методів, апроксимувати експонентною залежністю та побудувати відповідну лінію тренду, отримані у результаті криві не тільки мають загальну тенденцію зміни, але й розміщені достатньо близько.

Слід відзначити, що найгірший збіг кривої W_Р з іншими може бути пояснений малим набором наявних статистичних даних. Однак, порівняння параметру W_Р з даними інших методів представляється виправданим з тієї причини, що він прямим чином відображує об'єм накопичених у матеріалі пошкоджень. Середнє арифметичне значення пошкодженості W_CР для чотирьох інших методів може бути описане рівнянням

W_CР = ae^bt,

де t - термін експлуатаційного напрацювання, a=0.1352, b=0.0333. Параметром пошкодженості W_CР можна скористуватися для визначення залишкового ресурсу випробуваних матеріалів, причому - за даними будь-якого з чотирьох інструментальних методів.

Для цього побудуємо номограму у координатах "Пошкодженість - залишковий ресурс", скористувавшись рівнянням кривої W_CР і враховуючи, що у точці W_CР =1 залишковий ресурс повинен приймати значення 0.

Розмістимо дані на номограмі та опишемо їх логарифмічною залежністю, потім екстраполюємо її до значення пошкодженості W_CР =0. Отримане рівняння відповідної лінії тренду, що має вигляд

t_ЗАЛ =n ln (W_CР) + m,

де t_ЗАЛ - залишковий ресурс, n = -30.03, m=- 0.115, може бути використане для визначення залишкового ресурсу досліджених матеріалів за відомою пошкодженістю. Запропонована методика дозволяє узагальнювати результати експериментальних даних, отриманих різними методами. Щоб переконатися у її працездатності, порівняємо залишковий ресурс, отриманий таким чином для результатів АЕ випробувань, АЕ сканування, вимірів ударної в'язкості і розсіяння твердості. Порівняльний аналіз залишкового ресурсу для деяких пар наборів експериментальних даних.

Найбільш важливим результатом виконаних у розділі досліджень слід вважати кореляцію розрахункових значень пошкодженості і залишкового ресурсу, отриманих на підставі даних різних методів - механічних випробувань зразків з записом АЕ, АЕ сканування, ударної в'язкості, LM-твердості, зважування у рідині. Це підтвердило принципову можливість розробки критеріїв оцінки стану матеріалу за даними АЕ у умовах відсутності тріщин.

У розділі 4 виконане детальне експериментальне та теоретичне обґрунтування запропонованого методу кількісної оцінки накопичених у матеріалі пошкоджень за даними АЕ сканування. На базі результатів розділу 3, а також випробувань ряду зразків з модельних матеріалів в умовах рівноважного деформування та при динамічних навантаженнях, підтверджена наявність однакового для різних матеріалів функціонального зв'язку між пошкодженістю та зміною параметрів скануючих сигналів після їх проходження крізь матеріал, що може бути описаний критерієм пошкодженості W_СКАН. Це зробило можливим побудову математичної моделі накопичення пошкоджень, що пов'язує збільшення об'єму пор у матеріалі під час деформування із зміною його акустичних властивостей.

Розроблена аналітична модель проходження хвиль АЕ крізь середовище з поглинанням, базове рівняння для якого у випадку запису навантаження стрижня у вигляді функції f(p) = f₀ ((z)) може бути записане як

,

де U_z - переміщення уздовж осі стрижня 0; С₁ - швидкість руху хвилі; - час руху, a - коефіцієнт поглинання, (z) - функція Дірака). Рішення, отримане після застосування методу інтегральних перетворень у вигляді

,

де , I₀ - модифікована функція Беселя нульового порядку, показало якісно тотожний з експериментом результат зміни параметрів АЕ при збільшенні опору середовища, але математичний апарат, що використовували для цього, потребує побудови дуже складних рівнянь при вирішенні більш ємкої задачі щодо виникнення та взаємодії у процесі деформування множинних розсіяних пошкоджень типу пор. Це зробило потрібним пошук принципово нових підходів до пошуку таких рішень.

Саме таким стало використання об'єктного підходу. Була створена та реалізована у вигляді комп'ютерної програми структурна модель накопичення пошкоджень, що пов'язує зміни акустичних властивостей матеріалу з виникненням, зростанням та взаємодією множинних сферичних пор у процесі деформування. Фізична частина моделі враховує, що розмір пор достатньо малий у порівнянні з розмірами зразка, щоб, у відповідності з принципом Сен-Венана, на достатній відстані від пори ефекти, викликані її присутністю, не впливали. Хвиля, що виникла під час сканування зразка, є плоскою та являє собою лінійне переміщення у напрямку продовжної осі. Вплив бокових поверхонь не враховується.

При чисельному рішенні матеріал розбивається на продовжні елементи, поперечні розміри яких повинні бути менш у 5-10 разів від розміру пори. Рух хвилі крізь матеріал представлений у вигляді руху суми її енергетичних складових. Енергію хвилі представимо як інтеграл вигляду або при чисельному рішенні відповідну суму, де е - енергія елементарної хвилі, відповідна площі f поперечного перетину елементу. Перекриття елементу призводить до повного затухання елементарної хвилі. Енергію сигналу E приймемо пропорційною квадрату амплітуди сигналу A². Таким чином отримаємо

, ,

де N - число елементів, i - порядковий номер елементу. Час зростання сигналу до максимуму R являє собою суму часів зростання елементарних хвиль з енергією е_i. Кожна пора, яка перекриває шлях елементарній хвилі, подовжує R на одиничну величину. Припускаємо лінійний закон збільшення тривалості R від числа М перекритих елементів.

Зростання об'єму пор відображує S-образну криву накопичення пошкоджень, описану феноменологічною залежністю

V = V₀+ nл^1/n+ m (1-(1+л)^1/n ),

де V- об'єм накопичених у матеріалі пошкоджень,V₀- початковий об'єм пошкоджень, л - деформація, n та m - експериментальні константи. Розподіл пор уздовж зразка визначається нормальним законом. По перетину зразка координати пор підкоряються випадковому закону для гладкого зразка, нормальному закону з різними коефіцієнтами розподілу для зразків з концентраторами.

Перекриття порою i-го елементу призводить до повного затухання i-ї частини енергії сигналу, тобто втрачається e_i. Відповідно, амплітуда втрачає

,

де М - число елементів, перекритих порами. Оскільки процеси, пов'язані з відбиттям сигналів, напряму врахувати складно, у формули для розрахунку параметрів АЕ сигналів після проходження їх крізь матеріал необхідно ввести коефіцієнт

К_відб = бК,

де б - експериментальна константа, К - коефіцієнт концентрації напружень. Амплітуда скануючого сигналу на виході A = A₀ - К_відб A = A₀ - бКA, час зростання сигналу

R = R₀ + К_відб R = R ₀ + бК R.

Припускаємо, що після навантаження зразка реалізується нормальний закон розподілу пор по довжині зразка. Х:

М(х)=М₀+,

де безрозмірна величина М₀ - первинна рівномірна пористість. Тут К_ум = К_ум (K) - коефіцієнт, що відбиває властивості матеріалу та умови навантаження, x_m - середньостатистичний центр розподілу пор, або, інакше, математичне очікування, x - поточна координата, S_x - параметр нормального розподілу.

Відношення N/M загального числа елементів до числа елементів, перекритих порами, однозначно визначає у матеріалі поле, що склалося, пошкоджень. Структурна модель дозволяє визначити момент злиття двох близько розташованих пор у момент досягнення напруженнями в області перетинки між порами межі міцності за допомогою рівняння, що враховує концентрацію напружень, аналогічного формулі Бриджмена,

K = 1 / 3 + ln(1 + R_min / 2R₁),

де R_min - відстань між порами, R₁ - радіус меншої з двох пор.

Проведені чисельні експерименти показали, що можна з досить високою точністю розраховувати реальний об'єм пор V у матеріалі, прийнявши у приведеній вище формулі

n = N V_cp,

де N - кількість пор у матеріалі, V_cp - об'єм середньостатистичної пори.

Таким чином, можна вирішувати як пряму, так і зворотну задачі - за заданою пошкодженістю визначати зміну параметрів акустичних сигналів та навпаки. При цьому різні частини моделі взаємно перевіряють одна іншу.

Модель була також доповнена алгоритмом, який дозволяє розраховувати вплив глибини і конфігурації кутових та радіальних виточок на параметри акустичних сигналів, що розповсюджуються крізь матеріал. З ростом глибини виточки та її загостренням вплив на зменшення амплітуди сигналу та на збільшення часу його зростання до максимуму амплітуди збільшується.

На підставі результатів, отриманих у розділі 4, можна не тільки визначати об'єм накопичених у матеріалі пошкоджень, але й оцінювати характер їхнього розподілу у різних перетинах об'єкту контролю на підставі даних АЕ сканування, якщо є можливість провести декілька вимірів у різних точках об'єкту контролю, у тому числі скануючи у різних напрямках, як це було зроблено з призматичними зразками у розділі 3.

У розділі 5 сформульовані й вирішені задачі щодо виникнення та розповсюдження хвиль АЕ у пластинах з урахуванням впливу обох границь. Показано, які види хвиль вносять найбільш істотний вклад у АЕ, які параметри смуги частот, що реєструються, є найбільш придатними для їхньої реєстрації і як розмір пори, що виникла, пов'язаний з амплітудними характеристиками отриманого АЕ сигналу. Створено універсальний варіант розрахунку, при якому можуть бути отримані рішення хвильових рівнянь з будь-якою комбінацією параметрів пружної хвилі стосовно до хвильової задачі у пластині з мікродефектом, що виникає на будь-якій глибині. Рішення задачі виконане методом інтегральних перетворень, що дозволяє скласти всі рішення, виражені нескінченно малими елементарними хвилями, які задовольняють граничним, початковим та фізичним умовам, та отримати загальну сумарну хвилю, що розповсюджується по пластині.

Подання внутрішнього дефекту у вигляді комбінації б+ - функції дозволяє моделювати початкову пошкодженість матеріалу пластини у вигляді сферичної пори, виникнення або зміна об'єму якої призводить до випромінювання акустичної хвилі.

Рівняння, що описують розповсюдження пружних хвиль у пластині, можна записати у вигляді



Де та ш - функції, які визначають переміщення у пластині; t - час; н - коефіцієнт Пуасона; C₁, C₂ - швидкості розповсюдження продовжної та поперечної хвиль відповідно; С, р, - параметри елементарних хвиль у пакеті, що утворює хвилю (швидкість, частота, хвильове число);

.

Вирішимо рівняння у припущенні, що тіло обмежене з двох сторін та виконані умови _z = _rz = 0 при z = 0; .

При цьому початкові умови задачі визначаються функцією (t - t₀), що вказує на те, що при t = t₀ виникло, а при t = t₀ + 0 зникло джерело випромінювання.

Застосувавши перетворення Лапласа відносно часу t (з параметром p) та перетворення Ганкеля щодо координати r, отримаємо:

Інтегральне перетворення, виконане над деяким виразом одноразово, будемо позначати однією горизонтальною рискою згори над ним, дворазове - двома рисками.

Швидкості розповсюдження продовжної та поперечної хвиль С₁ та С₂ є константами матеріалу:

, ,

де E - модуль пружності, н - коефіцієнт поперечної деформації (коефіцієнт Пуасона), с - щільність матеріалу у одиницях системи СІ. Основною особливістю рішення задачі у даній постановці є те, що параметрам перетворення a та р надається фізичний зміст - хвильове число та комплексна кругова частота елементарної хвилі.

Розглянемо спочатку випадок, коли швидкість хвилі у пластинах менша швидкості С₂ (хвиля Релея). Рішення задачі будемо шукати у вигляді

де

,

н - коефіцієнт Пуассона, А, В, С - константи, що потребують визначення.

Підставивши значення функцій у рівняння та вирішивши їх, визначимо переміщення поверхні пластини.

Застосувавши зворотні перетворення Лапласа й Ганкеля до виразу

при z=0, отримаємо:

, де .

Величину переміщень w на поверхні пластини (z=0) визначимо після підстановки значень коефіцієнтів А, В, С у вираз для розрахунку переміщень та інтегрування в означених межах. Значення коефіцієнтів А, В, С отримаємо, вирішуючи систему рівнянь:

Розрахунки показують, що величина переміщень для товстої пластини у напрямку осі r, викликаних дією продовжної хвилі, приблизно у 2 рази менше переміщень, викликаних поперечною хвилею, тому у подальшому їх не враховували.

Рівняння залежності між хвильовим числом та С_? / С₂

,

де ,

назвемо спектральним, оскільки воно повністю визначає характеристики елементарних складових хвиль, що утворять сумарну хвилю.

Розглянемо тепер випадок, коли швидкість хвилі у пластинах перевищує величину швидкості С₂ (хвиля Лемба). Рішення рівнянь для цього випадку запишемо у вигляді:

;

,

де н - коефіцієнт Пуассона, А, В, С - константи, які потребують визначення,

Процес розв'язання рівнянь аналогічний попередньому.

Спектральне рівняння пластини для випадку, коли С С₂ , буде мати вигляд:

Після виконання зворотного перетворення Ганкеля щодо ? та Лапласа, щодо р отримаємо рівняння переміщень поверхні пластини при z=0 з прийнятими початковими умовами:

Інтегрування отриманих рівнянь переміщень виконується на комп'ютері чисельним методом наступним чином: з спектрального рівняння знаходять значення швидкостей С_i для кожного заданого значення хвильового числа. Для вибраного r_j будують по осі для усіх k порядків коренів С_i сумарне щодо k значення підінтегральної функції. Інтегрують вираз для отриманих значень підінтегральної функції та переходять до наступного значення r_j+1. Повторюють вищезазначені дії для всіх значень r_j.

Програмування проведене у рамках об'єктно-орієнтованої моделі. Результат розрахунку відображується за допомогою електронних таблиць Microsoft Excel у числовому та графічному вигляді. Процес чисельного рішення рівнянь вимагає великого числа ітерацій, особливо при розрахунках з великою точністю і надзвичайно дрібним кроком розбиття, порядку 0.0001, так і по r. Час для отримання розрахункових даних, у залежності від діапазону встановлюваних змінних, може займати до декількох годин. Очевидно, що для аналізу параметрів хвиль АЕ у реальному часі на даному етапі розвитку потрібне використання інших алгоритмів, а застосування у такому сенсі розробленої методики - питання майбутнього, що залежить напряму від прогресу обчислювальної техніки.

У результаті розв'язання складених рівнянь отримані спектральні характеристики хвиль АЕ та значення переміщень, викликаних коливаннями пластини, для різних швидкостей та різновидів хвиль (Релея та Лемба). Спектральний склад хвиль та переміщення суттєво залежать від товщини пластини та частотної смуги пропускання датчика АЕ. Розрахунки свідчать про те, що технічне застосування може мати здебільшого аналіз хвиль Лемба, а хвилі Релея у більшості випадків не виявляють істотного впливу на картину АЕ у пластинах. На підставі розробленої методики розрахунку хвиль можна ефективно аналізувати спектр пружних коливань поверхні пластин при створенні методик контролю стану матеріалів методом АЕ. Отримані у розділі результати можуть бути використані для створення методики відновлення вхідного сигналу АЕ за прийнятими датчиком даними.

...