ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ (АЭ) ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛА ПАРОПРОВОДОВ ТЭС В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

Петрова Валентина Александровна

канд. техн. наук, доцент, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк

Патанин Андрей Владимирович

аспирант, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк

Петров Валерий Иванович

канд. техн. наук, технический директор ООО «Виртуаль»,

 г. Новокузнецк

Меденков Александр Анатольевич

аспирант, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк

Нефедов Владилен Михайлович

старший преподаватель Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк

E-mail: Medenkov_AA@inbox.ru

APPLICATION OF A METHOD OF AN ACOUSTIC EMISSION (АE) FOR RESEARCHES DEFECTS OF METAL STEAM PIPE LINES TES IN LABORATORY CONDITIONS

Valentina Petrova

K.t.s., senior lecturer, Siberian state industrial university,

Of Novokuznetsk

Andrew Patanin

The post-graduate student, Siberian state industrial university, Novokuznetsk

Valerij Petrov

K.t.s., technical director ООО «Виртуаль»,

of Novokuznetsk

Alexandr Medenkov

The post-graduate student, Siberian state industrial university, Novokuznetsk

Vladilen Nefedov

 The higher teacher the Siberian state industrial university

Аннотация

Приведена методика и результаты исследований применения АЭ в качестве метода неразрушающего контроля при определении дефектности металла паропроводов в лабораторных условиях.

ABSTRACT

The procedure and outcomes of researches of application АЭ is adduced as a method of a nondestructive examination at determination of presence of defects of metal of steam pipe lines in laboratory conditions.

Ключевые слова: акустическая эмиссия; амплитуда; спектр частот; сталь; частотный диапазон.

Keywords: an acoustic emission; voltage; a frequency spectrum; steel; frequency band.

Полученные в работах [1,2] результаты позволили сформулировать требования к регистрирующей аппаратуре, предназначенной для контроля материалов методом акустической эмиссии:

·прибор должен обладать максимальной чувствительностью, приведенной ко входу, обеспечивающей регистрацию сигналов АЭ малой амплитуды (движение скоплений дислокаций);

·значительным динамическим диапазоном, поскольку наряду с сигналами малой амплитуды осуществляется регистрация сигналов с большой амплитудой (скачок трещины);

·так как амплитуда является информативным параметром, необходимо наличие амплитудной селекции - минимальное количество компараторов — три;

·поскольку исследование АЭ на реальных объектах связано с отстройкой от промышленных шумов, необходимы фильтры (заграждающие или полосовые);

·сигналы акустической эмиссии излучаются в широком спектре частот, поэтому полоса пропускания прибора должна быть максимальной при минимуме неравномерности амплитудно-частотной характеристики усилительного и преобразующего тракта;

·учитывая полученные результаты по частотному спектру излучения, возникает необходимость в качестве нового параметра сигналов АЭ использовать частотную селекцию, то есть предусмотреть перестройку прибора в нужном частотном диапазоне;

·так как исследуемые объекты имеют конечные размеры, при подрастании дефектов излучаемые волны претерпевают множественные отражения, то наряду с полезной информацией регистрируются отраженные сигналы, следовательно, необходимо учитывать эти эффекты;

·при использовании прибора с большим диапазоном регистрации частот необходимо применение преобразователя с амплитудно-частотной характеристикой, близкой к линейной в рабочем диапазоне частот.

Для отработки методики АЭ—контроля использовались образцы стали 12Х1МФ, вырезанные из паропроводов как в исходном состоянии с различной структурой, так и паропроводов, отработавших различный срок. Использовались образцы диаметром 42 мм и толщиной стенки 6 мм. Длина образца составляла 40мм. Образцы испытывали на сплющивание согласно ГОСТ 8695-75. К образцу точечной сваркой крепили волновод, изготовленный из стали Х18Н10Т, другой конец волновода заканчивался площадкой для крепления пьезопреобразователя.

Для регистрации сигналов акустической эмиссии использовались две системы. Первая — анализатор спектра СА -100 параллельного типа с диапазоном рабочих частот 0,02—2,02 МГц. В этом случае применялись широкополосные преобразователи, выполненные на основе керамики ПКР. Вторая система представляла собой широкополосный с блоком фильтров прибор с полосой пропускания 0,1—2,0 МГц. Данный регистратор АЭ оборудован комплектами датчик - предварительный усилитель, выполненными по резонансной схеме на различных частотах.

Испытания осуществлялись на бездефектных образцах, в состоянии поставки, для определения оптимального частотного диапазона регистрации сигналов акустической эмиссии при отстройке от шумов нагружающего устройства. В дальнейшем проводили эксперименты с образцами, имеющими различные дефекты: поры, раковины наружные и внутренние трещины и т. д. Параллельно осуществляли запись нагрузка-время и визуальный контроль наружной поверхности образцов.

Изменение чувствительности, анализатора, приведенной ко входу, приводит к уменьшению сигналов АЭ на низких частотах и, незначительно, на верхних. Типичные кривые нагрузки от времени, а также зависимости суммарной АЭ по трем уровням дискриминации по амплитуде, представлены на рисунке 1.

Аналогичные результаты приведены на рисунке 2, где представлены амплитудно-частотные характеристики сигналов акустической эмиссии в зависимости от частоты регистрации бездефектного образца (а) и образца с внутренней трещиной (б).

Аналогичные результаты приведены на рисунке 2, где представлены амплитудно-частотные характеристики сигналов акустической эмиссии в зависимости от частоты регистрации бездефектного образца (а) и образца с внутренней трещиной (б). Испытания образцов без дефектов и образцов с раковинами и трещинами технологического происхождения также приводят к подобным результатам; рисунки 2 (а, б), где стрелками показаны частоты, ответственные за развитие трещин. В этом случае испытывались образцы размерами 42×40×6 мм на сплющивание, изготовленные из металла пароперегревателей как в состоянии поставки, так и после различных сроков эксплуатации.

Время нагружения для всех образцов было одинаковым и регулировалось скоростью повышения нагрузки с пульта испытательной машины. На рисунке 3 стрелками показаны частоты сигналов акустической эмиссии, вызванные развивающейся макротрещиной.

После определения оптимального частотного диапазона регистрации сигналов АЭ производилась настройка системы датчик-предварительный усилитель основного прибора, с которым проводились дальнейшие испытания. На рисунке 4 приведен график изменения активности сигналов акустической эмиссии от времени нагружения.

Рисунок 1. Зависимости прилагаемой нагрузки и сигналов АЭ для трех уровней дискриминации от времени при использовании широкополосного прибора

Рисунок 2. Амплитудно-частотные характеристики сигналов акустической эмиссии при испытаниях бездефектных образцов (а) и образцов с трещинами (б, указаны стрелками)

Повышение активности АЭ на начальном этапе объясняется наличием окалины на испытываемых образцах и ее отслаиванием. Однако следует отметить, что количество сигналов акустической эмиссии и скорость их нарастания на начальном этапе практически в два раза меньше, чем на этапе предразрушения.

Рисунок 3. Амплитудно-частотные характеристики сигналов АЭ при деформировании бездефектного образца (а) и образца с раковиной (б, стрелками указано повышение амплитуды на различный частотах) при чувствительности, приведенной ко входу, 20 мкВ

Очевидно, что за резкое увеличение АЭ ответственна развивающаяся трещина. Для подтверждения этого был испытан ряд аналогичных образцов график для одного из которых приведен на рисунке 5. Следует отметить, что зависимости 4 и 5 практически идентичны, поэтому после достижения пика активности сигналов АЭ нагружение прекращалось и проводился металлографический анализ.

При примерно одинаковой глубине внутренних трещин (образцы вырезались из одного паропровода по три на один эксперимент) в первом случае трещина вышла на поверхность, длина раскрытого участка составляла 10—12 мм, в других случаях раскрытия не происходило. Замеры производились на измерительном микроскопе и показали хорошее соответствие по данному количеству исследованных образцов. При начальных размерах внутренних трещин 0,10—0,12 мм и толщине стенки 6 мм при нагружении трещины проходили расстояние 5,2—5,35 мм до снятия нагрузки. Особо следует отметить, что по сигналам АЭ четко выявляется этап предразрушения образцов с эксплуатационными дефектами.

Рисунок 4. Изменение активности сигналов АЭ со временем нагружения при испытании образца с внутренней трещиной. Линией показано время появления наружной трещины при визуальном контроле

Рисунок 5. Изменение активности сигналов акустической эмиссии во время нагружения при испытаниях образцов с внутренними трещинами для металлографического контроля

Таким образом, предварительно определен частотный диапазон сигналов акустической эмиссии от развивающихся дефектов при контроле приборами резонансного типа, что позволяет их дальнейшее использование на работающем теплоэнергетическом оборудовании.

Список литературы:

1.Казаков В.В. Исследование процессов деформирования материалов с записью сигналов акустической эмиссии / В.В. Казаков, В.И. Петров, Н.А Челышев // Известия вузов. Черная металлургия. — 1985. — № 12. — С. 132—133.

2.Петров В.И. Исследование некоторых закономерностей акустической эмиссии при деформировании материалов / В.И. Петров, В.В. Казаков, Н.А. Челышев // Известия вузов. Черная металлургия. — 1986. — № 2. — С. 151—152.