Лекция 17 АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ Физические основы акустико-эмиссионного контроля Явление акустической эмиссии (АЭ) известно с начала прошлого столетия как «крик олова» треск, возникающий при деформировании оловянных стерженьков и слышимый ухом. Долгое время это явление не находило практического применения. И только с середины прошлого столетия, когда выяснилось, что разрушению нагруженных конструкций предшествует излучение упругих волн широкого частотного диапазона, по регистрации которых можно предсказать и, главное, предотвратить катастрофические последствия разрушения нагруженных конструкций, начались систематические исследования АЭ. Явление АЭ и причины, его порождающие, оказались значительно более сложными, чем предполагали на начальном этапе изучения. Лишь к середине 70-х годов была разработана высокочувствительная аппаратура и собран экспериментальный материал, достаточный для решения практических задач. Нормативные документы ГОСТ 27655–88, определяет акустическую эмиссию АЭ как излучение материалом механических упругих волн, вызванное динамической локальной перестройкой его внутренней структуры. Со временем к АЭ стали относить высокочастотное акустическое излучение, источником которого является истечение жидкостей и газов через сквозные дефекты в сосудах и трубопроводах, а также акустические сигналы, сопровождающие трение твердых тел. В настоящее время полагают, что АЭ явление, сопровождающее едва ли не все физические процессы в твердых телах и на их поверхности, а возможность ее регистрации определяется лишь порогом чувствительности используемой аппаратуры.

АЭ возникает как при протекании процессов на микроуровне в твердых телах, так и при макроявлениях, связанных, например, с деформированием материалов и разрушением конструкций. Поэтому регистрация АЭ и анализ ее параметров предоставляют широкие возможности для исследования свойств материалов, их взаимодействия с жидкими и газообразными средами, а также диагностики состояния энергонапряженных конструкций. По сравнению с другими методами НК, например, методом ультразвуковой дефектоскопии, рентгеновским контролем и др., метод АЭ обладает рядом преимуществ. К ним в первую очередь относятся: обнаружение развивающихся в ходе эксплуатации и, следовательно, наиболее опасных дефектов в нагруженных компонентах реакторной установки; контроль в реальном масштабе времени возрастания поврежденности материала при испытаниях трубопроводов и сосудов давления, входящих в состав ЯЭУ; возможность проведения эксплуатационного контроля энергетической установки; возможность определения месторасположения дефектов трещин, зон пластической деформации, утечек и др., находящихся достаточно далеко от приемных преобразователей; возможность для отдельных сценариев развития аварий ЯЭУ предсказывать и заблаговременно предупреждать разрушение металлоконструкций и оборудования; быстрое обнаружение разрыва или течи в труднодоступных сосудах давления и трубопроводах при развитии аварийной ситуации; совместимость АЭ-метода с другими методами НК, что позволяет за счет использования нескольких независимых методов повысить надежность результатов контроля; возможность проведения дистанционного автоматизированного контроля в радиационно опасных помещениях атомной станции.

Практика показывает, что применение метода АЭ на объектах атомной энергетики позволяет: повысить безопасность эксплуатации энергетической установки, выявив потенциальные очаги разрушения конструкций; сократить время на проведение инспекционных и диагностических обследований конструкций и оборудования; обосновать увеличение коэффициента использование установленной мощности (КИУМ) энергоблоков за счет контроля и диагностики энергонапряженного оборудования; повысить безопасность и улучшить условия труда оперативного и ремонтного персонала АЭС. Разумеется, как и всякий метод неразрушающего контроля, АЭ-метод не лишен недостатков - это, прежде всего: необходимость создавать дополнительные нагрузки на диагностируемый объект, кроме случаев, когда эти нагрузки предусмотрены регламентами эксплуатации или обслуживания; отсутствие общепринятых соотношений, связывающих параметры АЭ-сигналов с поврежденность материала контролируемого объекта; трудности выделения АЭ-сигналов на фоне сильных шумовых помех, сопровождающих работу диагностируемого объекта.

Благодаря выше указанным достоинствам, возможности испытания больших и малых объектов при различных режимах нагружения, в том числе и термонагружении конструкций, метод АЭ нашел применение для контроля материалов и диагностики оборудования АЭС. Достаточно отметить следующий факт. Сварные соединения ответственных трубопроводов АЭС подвергаются сплошному рентгеновскому контролю. Однако, если достоверность выявления плоскостных дефектов этим методом составляет около 45 %, то при акустико-эмиссионном диагностировании достоверность существенно выше и достигает 85 %. Когда применение рентгеновского метода затруднено, акустико-эмиссионный контроль становится единственным для оценки трещинообразования в сварных соединениях элементов конструкций ЯЭУ.

Виды акустической эмиссии При акустико-эмиссионном контроле регистрируют колебания контролируемого объекта, источником которых являются разнообразные физические процессы в материале объекта. С помощью электромеханических преобразователей упругие колебания преобразуют в электрические сигналы и анализируют их параметры. АЭ является случайным процессом, то есть процессом, параметры которого случайным образом изменяются во времени. Методы обработки сигналов и их информативные параметры зависят от типа регистрируемой АЭ. Разделение акустической эмиссии на два типа связано со следующими обстоятельствами. В силу дискретной природы строения вещества дискретны и происходящие в них процессы. Непрерывность наблюдаемых процессов является следствие усреднения большого числа отдельных элементарных событий. Эти события приводят к микродеформированию твердого тела, как правило, столь незначительному, что оно не может быть зарегистрировано обычными измерительными средствами. Однако большое количество элементарных событий поток событий может привести к макроскопическим явлениям, заметно изменяющим энергетическое состояние тела. Например, пластическая деформация металлов в нормальных условиях в основном является результатом перемещения дислокаций линейных дефектов кристаллической решетки. Признаки движения отдельной дислокации зарегистрировать непросто. Однако перемещение под действием напряжений большого числа дислокаций на макроуровне проявляется как остаточная или пластическая деформация металла.

При изменении энергетического состояния тела часть энергии высвобождается в виде излучения упругих волн. Эти волны и есть акустическая эмиссия. Если количество элементарных событий, приводящих к излучению упругих волн, велико, а энергия, высвобождаемая при каждом событии, мала, то отдельные АЭ-сигналы, накладываясь друг на друга, воспринимаются как слабый непрерывный шум, называемый непрерывной АЭ. В этом случае из-за малости энергии, высвобождаемой при единичном событии, энергетическое состояние тела меняется незначительно. Поэтому вероятность осуществления следующего такого события практически не зависит от предыдущего. Вследствие этого характеристики непрерывной АЭ меняются во времени сравнительно медленно, рис. 1 а. Если в результате отдельных событий энергетическое состояние твердого тела меняется существенным образом, то за малый промежуток времени излучаются упругие волны, энергия которых может на много порядков превосходить энергию волн при непрерывной эмиссии. Излучение упругих волн при этом носит взрывной или импульсный характер. Число отдельных энергетических скачков существенно меньше, чем в случае излучения непрерывной эмиссии. Влияние каждого предыдущего события на последующее становится существенным, и процесс возникновения упругих волн уже нельзя рассматривать как стационарный. Общее количество импульсов АЭ сравнительно невелико, но они имеют большую амплитуду. Такая эмиссия получила название дискретной, рис. 1 б. Подобная эмиссия наблюдается, например, при докритическом подрастании трещин в металлах, обладающих малой пластичностью. Рис.1. Типы акустической эмиссии: а непрерывная; б дискретная. аб

Разделение АЭ на непрерывную и дискретную достаточно условно, поскольку возможность раздельной регистрации АЭ-импульсов зависит лишь от характеристик используемой аппаратуры ее разрешающей способности. Кроме того, увеличивая уровень дискриминации сигналов непрерывной акустической эмиссии, рис. 1 а, можно регистрировать только высокоамплитудные выбросы акустического сигнала, то есть формально перейти от регистрации непрерывной к регистрации дискретной АЭ, хотя очевидно, что сущность явления АЭ при этом не изменится. На практике, как правило, приходится иметь дело с эмиссией обоих типов. Например, докритическое подрастание трещин в металлах под действием внешних и внутренних факторов происходит скачкообразно. Продолжительные периоды стабильного состояния трещины, при некотором возможном возрастании пластической деформации в ее вершине, чередуются с моментами времени, когда трещина меняет свою длину с околозвуковой скоростью, переходя в новое равновесное состояние. Такой переход связан с изменением напряженного состояния разгрузкой материала в окрестности трещины и сопровождается излучением упругих волн, регистрируемых преобразователем как сигнал дискретной АЭ. В промежутках между скачками, при протекании пластической деформации в вершине трещины, наблюдается характерная для пластического деформирования непрерывная АЭ. Кроме того, в течение этого времени в зоне пластической деформации происходит образование и развитие микротрещин. Этим процессам также сопутствует излучение импульсов дискретной АЭ. На докритической стадии развития трещины ее средняя скорость продвижения мала, и она еще не представляет серьезной опасности для конструкции. Возникающая акустическая эмиссия служит предвестником разрушения задолго до его опасной стадии катастрофического роста трещины. Для прогнозирования разрушения используют дискретную составляющую эмиссии из-за простоты регистрации сигналов большой амплитуды. Заметим, что сходная картина имеет место и в процессе развития усталостных трещин.

Основные источники акустической эмиссии в металлах Согласно существующим на настоящий момент представлениям можно выделить следующие основные источники АЭ, действующие на разных структурных уровнях в металлах: 1. Механизмы, ответственные за пластическое деформирование: процессы, связанные с движением дислокаций консервативное скольжение и аннигиляция дислокаций, размножение дислокаций по механизму Франка-Рида; отрыв дислокационных петель от точек закрепления и др.; взаимодействие дислокаций с препятствиями примесными атомами, другими дислокациями, границами зерен; зернограничное скольжение; двойникование. 2. Механизмы, связанные с фазовыми превращениями и фазовыми переходами первого и второго рода: превращения полиморфного типа, в том числе мартенситные; образование частиц второй фазы при распаде пересыщенных твердых растворов; фазовые переходы в магнетиках и сверхпроводниках; магнитомеханические эффекты из-за смещения границ и переориентации магнитных доменов при изменении внешнего намагничивающего поля. Излучение непрерывной АЭ связывают с процессами пластического деформирования металлов и другими физическими процессами в твердых телах. Так ползучесть материала на первой (нестационарной) и второй (стационарной) стадиях сопровождается непрерывной АЭ. На третьей стадии, помимо непрерывной наблюдается также и дискретная эмиссия, обусловленная образованием и развитием микротрещин. Аналогичная ситуация имеет место при коррозии под напряжением, конечная стадия которой коррозионное растрескивание сопровождается акустическими вспышками дискретной АЭ.

Эффект Кайзера Для непрерывной акустической эмиссии характерно проявление эффекта Кайзера. Он заключается в отсутствии или существенном уменьшении эмиссии при повторном нагружении объекта вплоть до того момента времени, когда нагрузка при повторном нагружении не достигнет максимального значения, достигнутого в предыдущем цикле. Суть эффекта Кайзера поясняется на рис. 2, на котором сплошной линией показано изменение нагрузки в двух циклах нагружения материала; штриховой горизонтальной линией максимальное значение нагрузки в первом цикле нагружения. Вертикальные линии записанные с помощью самописца выбросы АЭ-сигнала. Видно, что при повторном нагружении эмиссия практически отсутствует вплоть до момента времени t 0, когда нагрузка при повторном нагружении достигнет максимального значения нагрузки первого цикла. При дальнейшем увеличении нагрузки эмиссия восстанавливается. Рис. 2. Пояснение эффекта Кайзера: изменение нагрузки во времени; максимальное значение нагрузки в первом цикле нагружения; момент времени достижения во втором цикле нагружения максимального значения нагрузки первого цикла

В поликристаллических металлических материалах появление непрерывной АЭ обычно связывают с пластической деформацией отдельных зерен поликристалла. Практически акустическая эмиссия при повторном нагружении начинает проявляться несколько раньше, чем достигается первоначальный максимальный уровень напряжений, а полностью восстанавливается несколько позже достижения этого уровня. Отжиг материала после первичного деформирования приводит к нарушению эффекта Кайзера, причем с возрастанием степени отжига увеличивается степень восстановления характеристик АЭ-сигналов. При полном отжиге материала акустическая эмиссия восстанавливается до первоначального уровня. Эффект Кайзера не наблюдается при появлении трещин. Это обусловлено тем, что средняя по объему материала деформация не характеризует деформацию отдельных его областей из-за наличия концентраторов напряжений в вершине трещин. При повторном нагружении деформация вблизи вершин трещин может превысить ранее достигнутую, что приводит к появлению акустической эмиссии.

Информативные параметры акустической эмиссии Следует различать параметры отдельных импульсов дискретной АЭ, потоков импульсов и параметры непрерывной АЭ. 1. Импульсы или сигналы АЭ в общем случае представляют собой суперпозицию всех типов упругих волн, способных распространяться в контролируемом объекте. Импульсы АЭ характеризуются 2.амплитудой; 3.длительностью; 4.формой; 5. частотным спектром; 6. временем появления. Форма импульса связана с его частотным спектром и зависит от ряда факторов. Она определяется физическим процессом, в результате которого появилось акустическое излучение, передаточными функциями элементов акустического тракта, по которому распространяется импульс от места возникновения до приемного преобразователя, частотной полосой приемного преобразователя. Форма импульса также зависит от затухания и дисперсии упругих волн. Поскольку затухание волн увеличивается с пройденным расстоянием и сильно возрастает с увеличением частоты, то в импульсе, прошедшим большое расстояние от источника к приемнику, будут преобладать низкочастотные составляющие спектра. Так как произведение ширины спектра импульса на его длительностью по порядку величины равно единице, то затухание высокочастотных составляющих спектра, и, следовательно, уменьшение его ширины приводят к увеличению длительности регистрируемого импульса. Импульс АЭ обладает широким частотным спектром, то есть представляет собой суперпозицию множества упругих гармонических волн разной частоты. Из-за дисперсии различные составляющие распространяются с разной скоростью. Это приводит к фазовому сдвигу между частотными составляющими импульса. Он возрастает с увеличением пройденного расстояния. В результате форма регистрируемого импульса искажается, причем искажение тем существенней, чем больше расстояние между источником и приемником упругих волн.

Информативные параметры акустической эмиссии Следует различать параметры отдельных импульсов дискретной АЭ, потоков импульсов и параметры непрерывной АЭ. 1. Импульсы или сигналы АЭ в общем случае представляют собой суперпозицию всех типов упругих волн, способных распространяться в контролируемом объекте. Импульсы АЭ характеризуются 2.амплитудой; 3.длительностью; 4.формой; 5. частотным спектром; 6. временем появления. Форма импульса связана с его частотным спектром и зависит от ряда факторов. Она определяется физическим процессом, в результате которого появилось акустическое излучение, передаточными функциями элементов акустического тракта, по которому распространяется импульс от места возникновения до приемного преобразователя, частотной полосой приемного преобразователя. Форма импульса также зависит от затухания и дисперсии упругих волн. Поскольку затухание волн увеличивается с пройденным расстоянием и сильно возрастает с увеличением частоты, то в импульсе, прошедшим большое расстояние от источника к приемнику, будут преобладать низкочастотные составляющие спектра. Так как произведение ширины спектра импульса на его длительностью по порядку величины равно единице, то затухание высокочастотных составляющих спектра, и, следовательно, уменьшение его ширины приводят к увеличению длительности регистрируемого импульса. Импульс АЭ обладает широким частотным спектром, то есть представляет собой суперпозицию множества упругих гармонических волн разной частоты. Из-за дисперсии различные составляющие распространяются с разной скоростью. Это приводит к фазовому сдвигу между частотными составляющими импульса. Он возрастает с увеличением пройденного расстояния. В результате форма регистрируемого импульса искажается, причем искажение тем существенней, чем больше расстояние между источником и приемником упругих волн.

При небольших расстояниях между источником АЭ и приемником влияние дисперсии и затухания волн на форму импульса невелико. Если регистрация АЭ проводится преобразователем с узкой полосой пропускания, который, как правило, обладает более высокой чувствительностью по сравнению с широкополосным, то частота АЭ-сигнала определяется, главным образом, основной частотой преобразователя, рис. 3. После усиления и детектирования импульса определяется его огибающая, максимальное значение которой принимается за амплитуду АЭ-сигнала. t, с Рис. 3. Форма импульса АЭ, поступающего с первичного преобразователя, имеющего узкую полосу пропускания t, с Рис. 3. Форма импульса АЭ, поступающего с первичного преобразователя, имеющего узкую полосу пропускания Поскольку частотный спектр АЭ-импульсов зависит от трудно измеряемых в реальных ситуациях передаточных функций акустического тракта и приемного преобразователя, он практически не используется в качестве информативного параметра.

Потоком АЭ-сигналов называется последовательность импульсов, у которых случайными величинами является амплитуда и время появления. Поток сигналов можно характеризовать: 1. амплитудным распределением; 2.амплитудно-временным распределением; 3. средним значением амплитуды импульсов; 4. дисперсией амплитуды; 5. распределением временных интервалов между импульсами; 6. средней частотой их появления; 7. спектральной плотностью; 8. корреляционной функцией. Каждая из характеристик связана с порождающим АЭ физическим процессом и содержит информацию о его развитии. Для потока импульсов дискретной АЭ вводят следующие информативные параметры. Общее число импульсов число зарегистрированных импульсов дискретной АЭ за время наблюдения. Этот параметр используется для описания потоков неперекрывающихся импульсов, то есть импульсов, длительность которых меньше промежутков времени между ними. Общее число импульсов характеризует процессы, связанные с разрушением материалов, и указывает на число отдельных актов зарождения и распространения дефектов в конструкциях.

Активность АЭ общее число импульсов, отнесенное к единице времени. Информативность этого параметра такая же, как и предыдущего, но с большей детализацией во времени, что позволяет проследить динамику процесса разрушения. Суммарная АЭ число зарегистрированных превышений (выбросов) АЭ-сигналов установленного уровня в течение заданного интервала времени. Скорость счета число зарегистрированных превышений АЭ-сигналов установленного уровня в единицу времени. Эта характеристика является производной суммарной АЭ по времени. Иногда ее называют интенсивностью АЭ. Амплитудное распределение импульсов АЭ функция, указывающая количество импульсов АЭ, амплитуда которых заключена в малом интервале от A до, A+dA отнесенное к этому интервалу dA. Если за время наблюдения зарегистрировано N Σ импульсов, то

Анализ амплитудного распределения и изменение его во времени позволяет проследить развитие физических процессов, являющихся источником АЭ-сигналов, в частности, проследить рост поврежденности материала в будущем очаге разрушения. В качестве примера на рис. 4 показано изменение текущего амплитудного распределения АЭ-сигналов, регистрируемых при нагружении сварного стального образца с увеличением времени действия нагрузки Из рис. 4 видно, что по мере увеличения времени в амплитудном распределении возрастает доля импульсов АЭ с высокой амплитудой, что свидетельствует о формировании и развитии очага разрушения в сварном соединении. В дальнейшем в сварном шве появилась макротрещина, рост которой завершил разрушение образца. Рис. 4. Изменение амплитудного распределения АЭ-сигналов со временем при нагружении стальной образца со сварным соединением под действием постоянной растягивающей нагрузки

Из рис. 4 видно, что по мере увеличения времени в амплитудном распределении возрастает доля импульсов АЭ с высокой амплитудой, что свидетельствует о формировании и развитии очага разрушения в сварном соединении. В дальнейшем в сварном шве появилась макротрещина, рост которой завершил разрушение образца. Амплитуда, амплитудное и амплитудно-временное распределения являются важнейшими характеристиками акустического излучения. Амплитуда импульсов АЭ и, следовательно, параметры соответствующих амплитудных распределений зависят от многих факторов. Эти факторы можно разделить на две группы по характеру влияния на амплитуду импульсов АЭ, табл. 2. Эти сведения оказываются полезными при анализе и интерпретации данных контроля и позволяют предсказать, каким образом изменится амплитуда излучения при смене режимов или условий АЭ-диагностики. Спектральная плотность дискретной АЭ характеризует мощность процесса в единичной полосе частот. Спектральная плотность характеризует скорость протекания процесса, инициирующего сигналы АЭ.

Таблица 2. Факторы, оказывающие влияние на амплитуду импульсов АЭ Факторы, повышающие амплитуду АЭФакторы, понижающие амплитуду АЭ Высокая прочность материала и низкая пластичность Высокая скорость нагружения и деформирования Анизотропия свойств Неоднородность материала Большая толщина конструкции Низкая температура материала Повышенная дефектность структуры материала Крупнозернистая структура материала Высвобождение упругой энергии за счет трещинообразования Отсутствие текстуры материала Низкая прочность материала и высокая пластичность Низкая скорость нагружения и деформирования Изотропность структуры материала Однородность материала Малая толщина конструкции Высокая температура материала Бездефектность структуры материала Малый размер зерна Высвобождение упругой энергии за счет пластического деформирования Наличие текстуры материала