Особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов
Освещены некоторые особенности контроля разрушения материалов конструкций с применением метода акустической эмиссии. Рассмотрены возможные причины формирования поля повреждений на ранних стадиях деформирования. Показано, что высокая чувствительность метода АЭ и связанная с этим регистрация накапли...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
|---|---|
| Datum: | 2014 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2014
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102038 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов / А.Я. Недосека, С.А. Недосека // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 2. — С. 3-11. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102038 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Недосека, А.Я. Недосека, С.А. 2016-06-09T18:32:13Z 2016-06-09T18:32:13Z 2014 Особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов / А.Я. Недосека, С.А. Недосека // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 2. — С. 3-11. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0235-3474 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102038 620.19.30 Освещены некоторые особенности контроля разрушения материалов конструкций с применением метода акустической эмиссии. Рассмотрены возможные причины формирования поля повреждений на ранних стадиях деформирования. Показано, что высокая чувствительность метода АЭ и связанная с этим регистрация накапливающихся в процессе разрушения повреждений, в том числе на микроуровне, может привести к неоднозначным заключениям о состоянии материала. Приведены результаты испытаний образцов из материалов в состоянии поставки и отработавших значительный срок при эксплуатации конструкций. На примере кратковременных испытаний образцов и непрерывного мониторинга действующих конструкций показано, что влияние эффекта Кайзера на общую картину распределения АЭ событий не всегда может быть выявлено. Сделан акцент на необходимости учета выявленных особенностей при контроле промышленных конструкций. The paper highlights some features of monitoring structure material fracture with application of acoustic emission method. Possible reasons for formation of damage field at early deformation stages are considered. It is shown that the high sensitivity of AE method and the associated recording of damage accumulated during fracture, in particular on microlevel, may lead to unambiguous conclusions on material state. Results of testing samples from materials in as-delivered conditions and after a considerable period of operation in structure service are given. Example of short-time testing of samples and continuous monitoring of structures in service is used to show that the influence of Keiser effect on the overall pattern of AE event distribution cannot always be revealed. The need to allow for the revealed features in monitoring industrial facilities is emphasized. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Техническая диагностика и неразрушающий контроль Научно-технический раздел Особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов Features of application of acoustic emission method at destructive testing of materials Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов |
| spellingShingle |
Особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов Недосека, А.Я. Недосека, С.А. Научно-технический раздел |
| title_short |
Особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов |
| title_full |
Особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов |
| title_fullStr |
Особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов |
| title_full_unstemmed |
Особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов |
| title_sort |
особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов |
| author |
Недосека, А.Я. Недосека, С.А. |
| author_facet |
Недосека, А.Я. Недосека, С.А. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Features of application of acoustic emission method at destructive testing of materials |
| description |
Освещены некоторые особенности контроля разрушения материалов конструкций с применением метода акустической
эмиссии. Рассмотрены возможные причины формирования поля повреждений на ранних стадиях деформирования.
Показано, что высокая чувствительность метода АЭ и связанная с этим регистрация накапливающихся в процессе разрушения повреждений, в том числе на микроуровне, может привести к неоднозначным заключениям о состоянии материала. Приведены результаты испытаний образцов из материалов в состоянии поставки и отработавших значительный
срок при эксплуатации конструкций. На примере кратковременных испытаний образцов и непрерывного мониторинга
действующих конструкций показано, что влияние эффекта Кайзера на общую картину распределения АЭ событий не
всегда может быть выявлено. Сделан акцент на необходимости учета выявленных особенностей при контроле промышленных конструкций.
The paper highlights some features of monitoring structure material fracture with application of acoustic emission method.
Possible reasons for formation of damage field at early deformation stages are considered. It is shown that the high sensitivity
of AE method and the associated recording of damage accumulated during fracture, in particular on microlevel, may lead to
unambiguous conclusions on material state. Results of testing samples from materials in as-delivered conditions and after
a considerable period of operation in structure service are given. Example of short-time testing of samples and continuous
monitoring of structures in service is used to show that the influence of Keiser effect on the overall pattern of AE event
distribution cannot always be revealed. The need to allow for the revealed features in monitoring industrial facilities is
emphasized.
|
| issn |
0235-3474 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102038 |
| citation_txt |
Особенности применения метода акустической эмиссии при контроле разрушения материалов / А.Я. Недосека, С.А. Недосека // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2014. — № 2. — С. 3-11. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT nedosekaaâ osobennostiprimeneniâmetodaakustičeskoiémissiiprikontrolerazrušeniâmaterialov AT nedosekasa osobennostiprimeneniâmetodaakustičeskoiémissiiprikontrolerazrušeniâmaterialov AT nedosekaaâ featuresofapplicationofacousticemissionmethodatdestructivetestingofmaterials AT nedosekasa featuresofapplicationofacousticemissionmethodatdestructivetestingofmaterials |
| first_indexed |
2025-11-25T20:43:22Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:43:22Z |
| _version_ |
1850530628321148928 |
| fulltext |
3ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014
УДК 620.19.30
НЕКОТОРыЕ ОсОбЕННОсТИ ПРИмЕНЕНИя мЕТОДА
АКУсТИчЕсКОй эмИссИИ ПРИ КОНТРОлЕ РАЗРУшЕНИя
мАТЕРИАлОВ
А. Я. НЕДОСЕКА, С. А. НЕДОСЕКА
Иэс им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Освещены некоторые особенности контроля разрушения материалов конструкций с применением метода акустической
эмиссии. Рассмотрены возможные причины формирования поля повреждений на ранних стадиях деформирования.
Показано, что высокая чувствительность метода Аэ и связанная с этим регистрация накапливающихся в процессе раз-
рушения повреждений, в том числе на микроуровне, может привести к неоднозначным заключениям о состоянии мате-
риала. Приведены результаты испытаний образцов из материалов в состоянии поставки и отработавших значительный
срок при эксплуатации конструкций. На примере кратковременных испытаний образцов и непрерывного мониторинга
действующих конструкций показано, что влияние эффекта Кайзера на общую картину распределения Аэ событий не
всегда может быть выявлено. сделан акцент на необходимости учета выявленных особенностей при контроле промыш-
ленных конструкций. библиогр. 19, рис. 7.
К л ю ч е в ы е с л о в а : акустическая эмиссия, разрушение материалов, эффект Кайзера
Успешная эксплуатация диагностических си-
стем на основе акустической эмиссии (Аэ) позво-
ляет расширить область их применения в сторону
управления процессом контроля и эксплуатаци-
ей оборудования, производящим основной про-
дукт предприятий. При этом предъявляются более
высокие требования к контролирующему обору-
дованию и его программному обеспечению, что
требует более детального изучения и интерпре-
тации Аэ, возникающей в процессе разрушения.
Представляемая статья является фрагментом этой
большой работы и посвящена исследованию неко-
торых особенностей регистрации разрушения ма-
териалов с использованием явления Аэ.
Известно, что поставляемые на изготовление
сварных конструкций материалы имеют началь-
ные дефекты. Последующая сборка элементов
конструкции вносит свои дефекты, связанные с
особенностями технологии сборки. Как правило,
большинство дефектов в процессе освоения кон-
струкции выявляются контролем и исправляются.
часть из них может быть незамечена в начале экс-
плуатации, но затем проявляется и исправляется.
это макродефекты, они обнаруживаются суще-
ствующими методами контроля. следует также
отметить, что значительные коэффициенты запа-
сов прочности, устанавливаемые разработчика-
ми конструкций, в большинстве случаев снимают
на определенный период эксплуатации проблему,
связанную с негативным влиянием оставшихся,
не выявленных при контроле дефектов.
Рассмотрим дефекты на микроуровне, которые
трудно определить, с одной стороны, из-за сложно-
сти методик такого контроля, а с другой – из-за того,
что они практически не влияют на несущую способ-
ность конструкции в момент ее испытаний и сдачи в
эксплуатацию и операции по их выявлению теря-
ют практический смысл.
В состоянии поставки элементов конструкций
на сборку подавляющее большинство дефектов,
находящихся на микроуровне, по данным иссле-
дователей составляет от 106 1/см3 и выше [1]. Ко-
личество дефектов связано с видом материала,
способом его изготовления, способом изготов-
ления конструкции, условиями ее эксплуатации.
При эксплуатации готовой конструкции происхо-
дят необратимые изменения в структуре материа-
ла, связанные с физико-химическими процессами,
протекающими в нем под воздействием внешних
условий и эксплуатационной нагрузки. Дефекты
развиваются, в устье образующихся микротре-
щин накапливаются пластические деформации,
сами трещины соединяются и это приводит с те-
чением времени к постепенному старению мате-
риала, главным признаком которого является его
охрупчивание (рис. 1). К такой картине приводит,
Рис. 1. схема развития микротрещин в поперечном сечении пластины в результате действия растворенных газов: а, б – два
среза по времени (размеры трещин для наглядности увеличены); в – поверхность разрушенного при испытании на ударную
вязкость образца из материала трубы (сталь типа 09Г2с) газопровода после 48 лет эксплуатации (х6)
© А. я. Недосека, с. А. Недосека, 2014
4 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014
например, механизм трансформации водорода на
поверхности микротрещины. Как известно, атом
водорода свободно перемещается внутри атом-
ной решётки, имея размеры меньшие, чем межа-
томное расстояние. В то же время такие атомы,
попадая в микротрещину и обмениваясь энерги-
ей с ее поверхностью, приобретают структуру
молекул, имеющих значительно большие разме-
ры и меньшую подвижность. Внутри микротре-
щины создаются громадные давления – от 103 до
104 мПа [2, 3]. это приводит к ее подрастанию,
вследствие которого внутреннее давление падает,
а затем процесс повторяется. Кроме того, молеку-
лярный водород является веществом поверхност-
но-активным, что приводит к снижению величины
энергии разрыва межатомных связей. микроде-
фекты заполняют практически весь объем кон-
струкции. Концентрация напряжений в устье тре-
щинок приводит к появлению микропластических
деформаций.
Процессы старения материалов являются до-
статочно длительными и могут протекать десят-
ки лет. Таким образом, наличие микродефектов в
материалах можно представить как «мину замед-
ленного действия», которая может сработать спу-
стя 20…30 и более лет после начала эксплуатации
конструкции. сказанное подтверждают исследо-
вания, показывающие, что механические свойства
материалов изменяются с течением времени [4, 5].
При этом величина потерь в свойствах зависит от
условий эксплуатации конструкций и внешней
среды, в которой протекает эксплуатация.
существенным механизмом накопления по-
вреждений в материалах конструкций в про-
цессе эксплуатации является также механизм,
связанный с перемещением и группированием
дислокаций под воздействием внешних усилий.
Исследования показывают, что образование зон
пластических деформаций за счет перемещения
групп дислокаций приводит к образованию ми-
кротрещин и связанной с ними микропластич-
ностью, появляющуюся в устье трещин [6–14].
Такие групповые перемещения становятся чув-
ствительными для современной Аэ аппаратуры
и вполне достаточны для того, чтобы регистриро-
вать процесс разрушения материалов уже на уров-
не дислокационных перемещений [11, 15]. Так,
появление межкристаллитных трещин при растя-
жении затвердевающего металла достаточно на-
дежно обнаруживается с помощью Аэ [12].
Применение Аэ технологии имеет свои осо-
бенности, связанные с необходимостью выделе-
ния степени опасности процессов, протекающих в
материале, по данным Аэ. сигналы Аэ регистри-
руются практически во всем диапазоне накопле-
ния повреждений в материале – от уровня пере-
мещения групп дислокаций до формирования и
развития макро- и магистральных трещин. Харак-
теристики же сигналов изменяются в зависимости
от объемов и интенсивности протекающих в мате-
риалах процессов разрушения.
В общем случае разрушение материалов по
данным Аэ может быть схематически представле-
но четырьмя стадиями.
1. На первой стадии состояние материала ха-
рактеризуется равномерными, неодновременными
для всей поверхности конструкции вспышками
сигналов Аэ, показывающими развитие микро-
дефектов, хаотически заполняющих объем кон-
струкции. Их развитие вызвано действием внеш-
них нагрузок и внутренних физико-химических
процессов, протекающих в материале в основном
за счет накопления в микротрещинах блуждаю-
щих в материале газов, таких как водород, азот и
др. (рис. 1). Аэ отслеживает эти процессы отдель-
ными импульсами, возникающими в местах раз-
рушения микродефектов. это хорошо иллюстри-
рует рис. 2, в нижней части которого показаны
некластеризованные импульсы Аэ, возникающие
сразу же с началом растяжения образца по всей
его длине.
2. На второй стадии появляются области, где
микродефекты по тем или иным причинам разви-
ваются более интенсивно. В этих областях пара-
метры Аэ соответственно изменяют свои значе-
ния, становясь более характерными для данного
этапа разрушения. Образующиеся кластеры групп
событий Аэ дают представление о состоянии ма-
териала и местах наиболее интенсивных процес-
сов разрушения на этой стадии.
3. На третьей стадии в некоторых из областей
накопившиеся микродефекты переходят в макро-
дефекты и кластеры событий Аэ в полном соот-
ветствии с этим приобретают другие информаци-
онные параметры. Появляются уточненные места
предполагаемого разрушения и подсчитывается
прогнозная разрушающая нагрузка.
4. На четвертой стадии появляются области,
где происходит достаточно быстрое слияние де-
фектов, образуются развивающиеся трещины. В
этом случае Аэ информация приобретает кри-
тическое значение, характеризуя начало и разви-
тие разрушения. Выделяется, как правило, один
кластер, характеризующий место разрушения
(рис. 2).
В зависимости от величины и опасности на-
чальных дефектов в эксплуатируемой конструк-
ции последовательность наступления той или
иной стадии разрушения может быть различной.
механизм разрушения материалов с примене-
нием Аэ метода рассматривался многими учены-
ми. В то же время следует отметить, что результа-
ты таких исследований в сильной мере зависят от
применяемой Аэ аппаратуры, ее чувствительно-
5ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014
сти и возможностей по обработке и анализу Аэ
информации. Глубина исследований в этом на-
правлении тесно связана с разрешающей способ-
ностью Аэ аппаратуры и возможностями ее про-
граммного обеспечения, позволяющего проводить
анализ состояния материала по данным Аэ. В по-
следнее время компьютерные технологии, в том
числе программное обеспечение Аэ систем, бур-
но развиваются. Разработанная на базе последних
достижений в компьютерных технологиях Аэ ап-
паратура ЕмА 3.9 отличается большими возмож-
ностями с точки зрения получения и анализа Аэ
информации [4]. Возможность фиксировать, по-
мимо Аэ, также и другие параметры, связанные
с разрушением материалов, расширили ее приме-
нение в сторону увеличения анализа характерных
их комбинаций. Появились средства и технология
для более детального сопоставления при контроле
работоспособности конструкций показаний Аэ с
теми разрушающими процессами, которые проис-
ходят в материале при его деформировании.
следует также отметить, что протекающая
в материалах коррозия, наряду с отмеченными
выше процессами, часто приводит к снижению
несущей способности конструкций за счет изме-
нения рабочих сечений несущих элементов и по-
явления микро- и макротрещин. Дефекты такого
рода при их развитии также фиксируются при по-
мощи метода Аэ. В то же время фактор коррозии
может быть существенно уменьшен за счет вы-
полнения профилактических работ, а норматив-
ные запасы прочности и последующий регуляр-
ный контроль резко уменьшают влияние этого
фактора. Для анализа процесса накопления по-
вреждений бы ли проведены исследования разру-
шения образцов из различных сталей с анализом
их Аэ активности на различных стадиях разруше-
ния. Разрушение образцов выполнялось растяже-
нием в стандартной разрывной машине Р20.
четыре Аэ датчика устанавливались непо-
средственно на образце, как показано на рис. 3, и
позволяли определять параметры Аэ сигналов и
координаты их возникновения. Как показали ис-
следования, Аэ сигналы возникали в самом нача-
ле растяжения образцов по всей их длине и рас-
пределялись неравномерно. Для отслеживания
процесса разрушения выполнялась кластеризация
сигналов Аэ, как показано на рис. 2 в верхней его
части. Кластеризация позволяла выявить общую
закономерность развития разрушения с указанием
более наглядного места развивающегося процес-
са. Кроме того, кластеризация событий Аэ позво-
ляла запустить алгоритм прогнозирования места
разрушения образца и разрушающей нагрузки. На
рис. 3 представлены виды образцов для Аэ испы-
таний, гладкие и сварные образцы изготавлива-
лись в соответствии с ТУ-025Аэ–1986.
Анализируя результаты испытаний образцов из
стали 20 в состоянии поставки, представленных
на рис. 4, можно отметить, что с ростом нагруз-
ки неравномерно растет и количество Аэ собы-
тий. Амплитуда этих событий также неравномер-
на, что указывает на различную интенсивность
разрушения в процессе растяжения об-
разца. суммарное количество накапли-
вающихся повреждений растет (зеленая
кривая).
следует также отметить, что вели-
чина времени нарастания события Аэ
до своего максимального значения (Rt)
постепенно уменьшается по мере роста
нагрузки. Последнее свидетельствует о
постепенном упрочнении материала об-
разца и преобладании хрупкой состав-
ляющей в его разрушении. В конечной
части разрушения число событий Аэ
невелико, что позволяет сделать вывод
о слиянии микро- и макродефектов и
постепенного образования разрушаю-
щей трещины [4].
Рис. 2. Распределение сигналов Аэ по длине образца при ис-
пытаниях растяжением. В нижней части графика представле-
но распределение сигналов Аэ без кластеризации
Рис. 3. Образцы для исследования влияния сварки и видов сварных соеди-
нений на акустические характеристики материалов. материал соединения
– сталь 17Гс; δ = 8; сварка ручная; режим сварки I = 210…220 A; электрод
УОНИ-13/45
6 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014
На рис. 4, б показано разрушение образца из
той же стали после длительной эксплуатации в
трубе газопровода (32 года). Первое, на что сле-
дует обратить внимание, это незначительное по
сравнению с материалом без наработки количе-
ство Аэ событий в начальной фазе нагружения,
в данном случае вплоть до нагрузки, равной 0,6
разрушающей. В качестве причины этого факта
можно, в частности, предположить действие эф-
фекта Кайзера: рабочее давление в газопроводе
в какой-то момент времени соответствовало на-
грузке, при которой все дефекты, имевшиеся на
тот момент в материале трубы, развились. Даль-
нейшее развитие дефектов, согласно Кайзеру, на-
чинается только при более высоких нагрузках,
чем максимальная зарегистрированная для дан-
ного трубопровода, о чем и свидетельствует гра-
фик рис. 4, б. В то же время видно, что все-таки
имеется небольшое количество Аэ событий и при
меньшей нагрузке, чем 0,6 разрушающей. это
свидетельствует о том, что в процессе эксплуата-
ции появлялись новые дефекты, а длительная ра-
бочая нагрузка не превышала ту, которая привела
к срабатыванию эффекта Кайзера в дефектах, поя-
вившихся до новообразованных. При дальнейшем
нагружении образца с превышением предельной
для данной трубы рабочей нагрузки картина из-
менения параметров Аэ подобна приведенной на
рис. 4, а.
В некоторых случаях эффект Кайзера может
быть слабо выражен или вообще неразличим.
это происходит тогда, когда процессы трещино-
образования в материале в процессе его эксплу-
атации протекают более интенсивно, благодаря
неблагоприятным внешним и внутренним усло-
виям, и становятся доминирующими в процессе
разрушения. Так, испытания некоторых сталей,
эксплуатирующихся в условиях неблагоприятных
с точки зрения образования микродефектов и их
роста, показывают результаты, где эффект Кайзе-
Рис. 4. Результаты испытаний на растяжение образцов из стали 20 в состоянии поставки (а) и после эксплуатации трубы газо-
провода из этого материала в течение 32 лет (б): А – амплитуда сигналов Аэ; Р – нагрузка, кг; N – суммарное число событий
Аэ на каждом этапе нагружения; Rt – «райс тайм» – время нарастания Аэ сигнала до максимального значения; справа при-
ведены параметры каждого измерения: радиус кластера, в котором собирались события Аэ; координата места разрушения и
погрешность определения координаты места разрушения S(X), а также значения измеренных величин
7ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014
ра практически неразличим. В рамках выполне-
ния данной работы были испытаны также стали
09Г2с; 19Г; 17Г1с; 17ХГ1с; 14ХГс. Результаты
испытаний этих сталей не приводятся. Они прак-
тически подобны полученным для стали 20. Раз-
ница заключается только в распределении Аэ со-
бытий и проявлении эффекта Кайзера – от явно
выраженного до неразличимого. Испытание об-
разцов, представленное на графиках рис. 4, ука-
зывает также на постепенное упрочнение матери-
ала, о чем свидетельствует неуклонное с ростом
нагрузки снижение величины времени нарастания
сигналов Аэ (Rt).
Здесь же следует отметить, что среди всех ис-
пытанных образцов не было идентичных по рас-
пределению событий Аэ. Акустико-эмиссионная
картина различна даже для любых двух образцов,
вырезанных из металла на соседних участках тру-
бы. На основании большого объема имеющихся
экспериментальных данных можно сделать оче-
видный вывод, что Аэ в материале в значитель-
ной степени определяется полем развивающихся
повреждений, независимо от причин их возникно-
вения. Под повреждениями здесь будем понимать
любые изменения структуры и свойств материа-
ла вследствие деформирования, термического, хи-
мического воздействия или эксплуатационной на-
работки. Отметим также, что значительную часть
таких повреждений на ранних стадиях деформи-
рования составляют такие несплошности структу-
ры, как поры и микротрещины.
Теоретически данный вывод означает, что в
двух объектах одинаковой конфигурации и с оди-
наковым полем повреждений при соблюдении
одинаковых условий нагружения должна наблю-
даться одинаковая во времени и пространстве кар-
тина распределения сигналов Аэ.
На рис. 5 представлены результаты испытаний
на растяжение сварных образцов из стали 17Гс,
выполненных ручным способом электродом
Рис. 5. Результаты испытаний на растяжение образцов из стали 17Гс: a – стыковое соединение со сваркой с двух сторон (тип
G, D, B – на рис. 3); (описание параметров то же, что и на рис. 4 )
8 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014
Рис. 6. Резервуар, наполненный жидкостью до уровня 7,5 м, контролируемая поверхность 3500 м2. Показано окно програм-
мы диагностической Аэ аппаратуры ЕмА 3.9 в момент очередного наблюдения. На цилиндрической поверхности резервуара
видны Аэ события, зарегистрированные в данный момент времени (а). В следующий момент времени картина Аэ событий
изменилась (б). Красной линией показан уровень налива жидкости
Рис. 7. схематическое изображение боковой поверхности хранилища, представленного на рис. 6, а. Прямоугольниками с
флажками показаны места расположения кластеров Аэ событий, возникших в данный момент времени. На флажках указа-
но число событий в данном кластере. Цвет флажка условно градуирован по степени опасности от зеленого (не опасного) до
красного. Цифрами по горизонтали указаны координаты по окружности хранилища, по вертикали с правой стороны – высота
в метрах, красной линией – уровень налива (на рис. 6, б обозначения те же)
9ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014
УОНИ-13/45. Режим сварки – ток I = 210…220 A
(сталь толщиной 8 мм). сварка встык выполня-
лась с неполным проплавлением, что оставляло в
средней части по толщине пластины зазор вели-
чиной 4 мм (рис. 3, образцы G, D, E). Для свар-
ных соединений были взяты пластины, вырезан-
ные из труб газопровода, проработавшего 36 лет.
Как и для большинства металлов, проработавших
определенное количество лет, в данном случае на-
блюдается значительно меньшее количество Аэ
событий до вполне определенного момента, ког-
да, очевидно, перестал действовать эффект Кайзе-
ра и Аэ стала фиксироваться в полном соответ-
ствии с активностью развивающихся дефектов.
следует также отметить, что Аэ события в рас-
сматриваемом случае отличаются от событий в
сплошных образцах. это объясняется как наличи-
ем собственно сварного шва, так и наличием кон-
центратора – сварного соединения. Проведенные
эксперименты со сварными швами с небольшим
тепловложением не позволили полностью восста-
новить упругие свойства металла после длитель-
ной эксплуатации, что и привело к частичному
срабатыванию эффекта Кайзера. Распределение
Аэ событий отражает суммарную картину воз-
действия на данный материал наработки и сварки.
Процесс разрушения конструкций интенси-
фицируют также остаточные напряжения, всегда
имеющиеся в сварных конструкциях. следует от-
метить неоднородность распределения остаточ-
ных напряжений, особенно в области сварного
соединения. Изменения в структуре шва и около-
шовной зоны, возникающие при сварке, приводят
к изменению размеров кристаллов в районе шва.
межкристаллитное проскальзывание приводит к
перераспределению напряжений первого рода за
счет появления напряжений второго рода, связан-
ных с движением кристаллов. существенное ис-
кажение поля напряжений в районе сварного шва
негативно отражается на развитии микроразруше-
ния в металле.
сказанное выше позволяет сделать акцент на
некоторых практических вопросах Аэ контроля.
В частности, анализируя проведенные исследова-
ния, можно сделать ошибочное предположение,
что достаточно исключить регистрацию первого
этапа разрушения ввиду его незначительности,
чтобы алгоритм оценки состояния материала не
был искажен большим количеством «малознача-
щей» информации. Однако на практике ситуация
обстоит иначе. Несмотря на то, что разрушение
на микроуровне очень часто замедляется и разви-
тие трещин останавливается, все же нет уверен-
ности в том, что процесс не возобновится именно
в местах появления первичных очагов разруше-
ния, особенно после длительного периода эксплу-
атации. Появление этих очагов должно служить
объектом внимания контролера, места появления
Аэ активности должны быть зафиксированы, их
следует учитывать при общем анализе работоспо-
собности конструкции. Данная особенность была
замечена, в частности, при контроле резервуаров
для хранения жидких продуктов.
Каждый контролируемый участок материала
конструкции имеет индивидуальные акустиче-
ские свойства, в связи с чем обычная статисти-
ческая обработка информации затруднена. Для
оценки состояния материала по данным Аэ тре-
буется кластерный анализ, объединяющий раз-
розненные в пространстве и времени события Аэ
по некоторым заданным признакам, и индивиду-
альная обработка информации из каждого класте-
ра. Особенно важно это для сильно зашумленных
промышленных объектов, где акустический фон
от действия оборудования может достигать уров-
ня сигналов Аэ или даже превышать его.
эффект прекращения Аэ в материалах при по-
вторном нагружении (эффект Кайзера) во многих
случаях на практике в чистом виде не проявляет-
ся. эта особенность требует разработки специаль-
ных алгоритмов обработки информации для рас-
познавания реального хода процесса разрушения
материала. Здесь, помимо электронных средств
выделения полезного сигнала из общего потока
Аэ информации, все более актуальными стано-
вятся математические методы обработки Аэ дан-
ных, основанные как на анализе отдельных ин-
формативных параметров сигналов Аэ, так и на
укрупненной оценке получаемой информацион-
ной картины в целом с применением разнообраз-
ных статистических методов или распознавания.
При контроле материала действующих кон-
струкций методом Аэ периодически возникают
ситуации, когда на основании текущей информа-
ции трудно сделать вывод о работоспособности
материала, тем более оценить ее с точки зрения
влияния на несущую способность конструкции
спустя некоторое время. это связано, в первую
очередь, со вторичными процессами по отноше-
нию к основным процессам разрушения, проте-
кающим в материалах от действия рабочих на-
грузок. Например, на рис. 6 представлены два
момента контроля крупногабаритного резервуара
для хранения жидких продуктов. В первом слу-
чае (рис. 6, а), акустическая активность достаточ-
но высока. Видны кластеры различных уровней
предупреждения, разбросанные по всей поверх-
ности резервуара (контролируемая поверхность
более 3000 м2) – от зеленого до красного. Одна-
ко следует отметить, что данная картина являлась
временной, характеризующей лишь ситуацию,
сложившуюся в данный момент времени. Как
было сказано выше, чувствительность аппарату-
ры достаточно высока и позволяет регистрировать
10 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014
Аэ события при микроперемещениях в развитии
дефектов. Уже в следующий момент времени кар-
тина может резко измениться. Так, на рис. 6, б со-
бытия Аэ исчезли, а общий показатель уровня
опасности приобрел допустимый зеленый цвет, в
верхней части окна над схемой корпуса резерву-
ара видна зеленая полоса индикатора опасности,
показывающая, что резервуар работает в нормаль-
ном, штатном режиме.
Для эффективного анализа таких ситуаций с
точки зрения их влияния на кратковременную и
долговременную несущую способность конструк-
ций требуется обеспечить ряд необходимых усло-
вий, к которым относятся:
– быстродействующая и высокочувствительная
аппаратура Аэ контроля;
– программное обеспечение, реализующее в
реальном времени фильтрацию, кластеризацию,
кратковременный и долговременный статистиче-
ский анализ получаемых данных;
– база данных по акустическим свойствам ма-
териала конструкции;
– накопление данных по Аэ активности кон-
струкции, опасным местам и возникновению кри-
тических ситуаций в процессе непрерывного мо-
ниторинга конструкции;
– разработка и использование математических
методов многопараметрического анализа данных
в условиях нестационарных случайных процессов
и при наличии помех.
системы Аэ контроля, обеспечивающие боль-
шую часть приведенных выше условий, в насто-
ящее время созданы и постоянно совершенству-
ются прежде всего с точки зрения обработки,
анализа и интерпретации получаемых данных. На
рис. 6 справа информационное окно последней
версии диагностической системы ЕмА 3.9. Ап-
паратура и программное обеспечение используют
новейшие достижения в области Аэ технологии,
в области исследований разрушения материалов с
применением метода Аэ, в компьютерных техно-
логиях [7, 8, 15].
Показательным является окно программы в про-
цессе непрерывного мониторинга резервуара. В цен-
тральной части окна показана схема контролируе-
мого резервуара, на боковой поверхности которого
в процессе эксплуатации отражаются все Аэ собы-
тия в принятом для классификации опасности цвете.
Цвета приняты от зеленого – «не опасно» до красно-
го – наивысшая степень опасности.
В правой части окна отображена в графиче-
ской форме мгновенная, соответствующая дан-
ному моменту времени информация по основ-
ным параметрам контроля. В верхнюю часть
окна выведены основные параметры, управля-
ющие отображением и обработкой информации.
левая часть окна позволяет оператору получить
дополнительную информацию о параметрах кон-
троля в процессе его выполнения. На схеме ре-
зервуара черными точками показаны места уста-
новки Аэ датчиков.
Простота управления режимами контроля и в
то же время достаточно полный охват основных
функций управления позволяют сравнительно
легко освоить работу этой техники и получать на
практике удовлетворительные результаты, вплоть
до прогнозирования разрушающей нагрузки и
остаточного ресурса материала конструкций.
Отметим также, что непрерывное получение и
анализ Аэ информации, оценка состояния мате-
риалов в реальном времени, предупреждение об
опасности, накопление статистических данных и
расчет ресурса конструкций осуществляются си-
стемами мониторинга в полностью автоматиче-
ском режиме, и после первоначальной настройки
в процессе запуска уже не требуют вмешательства
человека в свою работу [16]. В процессе монито-
ринга происходит набор данных, который позво-
ляет со временем детальнее учитывать многие из
рассмотренных в данной статье вопросов и повы-
шать, таким образом, точность оценки состояния
материалов по данным Аэ.
Выводы
Дефекты структуры материалов, по данным
Аэ исследований [1-7, 9-14, 19] начинают фор-
мироваться на микроуровне, как правило, за счет
перемещения групп дислокаций и внутренних фи-
зико-химических процессов, не прерывно проте-
кающих в металлах. микротрещины и поры по-
степенно растут, образуя сеть, в результате чего
пластические свойства материала постепенно
изменяются.
Аэ информация, связанная с перемещением дис-
локаций, не всегда свидетельствует о критическом
состоянии материала, например, в случае, когда
развитие трещин в материале блокируется его пла-
стическими свойствами. Процессы разрушения на
микроуровне при этом протекают незначительный
период времени. В дальнейшем Аэ информация мо-
жет исчезнуть с информационного экрана или резко
уменьшиться, показывая, что развитие зарегистри-
рованных ранее дефектов замедлилось или остано-
вилось. В то же время область появления этой ин-
формации, ее количественные характеристики могут
быть исходными показателями при оценке возмож-
ности последующего с течением времени разруше-
ния в этой области.
При одинаковых условиях нагружения распре-
деление Аэ событий в материале того же самого
объекта неравномерно и в каждой точке контро-
ля различно. Для двух различных объектов оди-
наковой конфигурации, находящихся в анало-
гичных температурно-силовых условиях, также
11ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2, 2014
характерно отличие Аэ картины. Данное явле-
ние, вероятнее всего, объясняется разницей в по-
лях имеющихся и развивающихся повреждений.
соответственно, логично предположить, что при
полностью идентичных полях повреждений и
температурно-силовых условий будет зарегистри-
рована идентичная картина Аэ в материале.
Возникающий в материалах эффект прекраще-
ния Аэ при повторном нагружении (эффект Кайзе-
ра), во многих случаях на практике «в чистом виде»
не проявляется. Для распознавания реального хода
процесса разрушения материала с учетом эффекта
Кайзера необходима разработка специальных мето-
дик и алгоритмов обработки информации.
Рассмотренные особенности формирования Аэ
событий при разрушении образцов растяжением
свидетельствуют о необходимости разработки спец-
ифических алгоритмов и программ для их анализа и
учета в основном алгоритме контроля состояния ма-
териала с тем, чтобы можно было выделить на фоне
значительного количества Аэ информации ту, ко-
торая наилучшим способом может характеризовать
развивающиеся в материале процессы.
Для получения более полной Аэ информа-
ции, возникающей при разрушении материалов,
целесообразно наряду с лабораторными иссле-
дованиями выполнять также исследования при
непрерывном мониторинге эксплуатирующихся
конструкций.
1. Ионов В. Н., Селиванов В. В. Динамика разрушения дефор-
мируемого тела. – м.: машиностроение, 1987. – 272 с.
2. Смиян О. Д. Распространение водорода в зоне деформа-
ционных трещин // Журн. физ. химии. – 1980. – 54, № 11.
– с. 2913–2917.
3. Оценка состояния материалов с использованием метода
акустической эмиссии. Перспективы и проблемы / Е. В.
черняева, Д. И. Галкин, Д. л. мерсон и др. // Дефекто-
скопия. – 2013. – № 3. – с. 3–14.
4. Акустическая эмиссия и ресурс конструкций: Теория,
методы, технологии, средства, применение / б. Е. Патон,
л. м. лобанов, А. я. Недосека и др. – Киев: Индпром,
2012. – 312 с.
5. Сыромятникова А. C. Деградация физико-механическо-
го состояния металла труб магистрального газопровода
при длительной эксплуатации в условиях низких клима-
тических температур // Тр. VI Евразийского симпозиума
по проблемам прочности материалов и машин для реги-
онов холодного климата. 24–29 июня 2013 г. (к 75-летию
акад. В. П. ларионова). – Т.2. – якутск: яНЦ сО РАН,
2013. – 332 с. – с. 38–44.
6. Панасюк В. В., Андрейкив А. Е., Партон В. З. механика
разрушения и прочность материалов: справ. пособие:
Т. 1. Основы механики разрушения. – Киев: Наук. думка,
1988. – 488 с.
7. Механіка руйнування і міцність матеріалів: довідн. по-
сібник / Під заг. ред. В. В. Панасюка. – Т. 5. – Київ: Наук.
думка, 2001. – 1134 с.
8. Недосека А. Я. Основы расчета и диагностики сварных
конструкций / Под ред. б. Е. Патона. – Киев: Индпром,
2008. – 815 с.
9. Скальский В. Р., Сімакович О. Г. Експериментальна аку-
стико-емісійна оцінка зародження мікротріщин // Техн.
диагностика и неразруш. контроль. – 2013. – № 1. –
с. 35–38.
10. Broek D. Some contributions of electron fractography to the
theory of fracture// International metallurgical reviews. –
1974. – 19. – P. 135–182.
11. Terelman A. S., Chow R. Acoustic emission testing and
microcraking processes / American society for testing and
materials. 1972. – Library of congress catalog card number;
72-75896. – P. 30–40.
12. Matsushita A., Endo I., Yoshida M. Criteria of solidification
cracking of Al–Mg and Al–Si alloys by acoustic emission
method // J. of the Japan institute of light metals. – 2012. –
62, № 3. –P. 104–108.
13. Frederick J. R., Felbeck D. K. Dislocation motion as a
source of acoustic emission: American society for testing and
materials. – 1972. Library of congress catalog card number;
72-75896. – P. 129–139.
14. Gillis P. P. Dislocation motions and acoustic emissions\\ i
bid. 72-75896. – P. 20–29.
15. Недосека А. Я., Недосека С. А. Акустическая эмиссия
и ресурс конструкций // Техн. диагностика и неразруш.
контроль. – 2008. – № 2. – с. 5–19.
16. Десятирічний досвід впровадження безперервно-
го акустико-емісійного моніторингу сховищ аміа-
ку Одеського припортового заводу / О. с. Васильев,
А. А. Грузд, А. О. йолкін и др. // Хім. пром-сть України.
– 2012. – № 3. – с. 43–51.
17. Недосека С. А. К стандартизации применения XML
(extenseve markup language) в автоматизированных си-
стемах Аэ диагностики // Техн. диагностика и неразруш.
контроль. – 2005. – № 2. – с. 9–16.
18. Скальский В. Р., Андрейків О. Є., Сергієнко О. М. Оцін-
ка водневої пошкодженості матеріалів за амплітудами
сигналів акустичної емісії // Там само. – 1999. – № 1.
– с. 17–27.
19. Недосека А. Я., Недосека С. А. Об оценке надежности
эксплуатирующихся конструкций (состояние вопроса и
перспектива развития) // Там же. – 2010. – № 2. – с. 7–17.
The paper highlights some features of monitoring structure material fracture with application of acoustic emission method.
Possible reasons for formation of damage field at early deformation stages are considered. It is shown that the high sensitivity
of AE method and the associated recording of damage accumulated during fracture, in particular on microlevel, may lead to
unambiguous conclusions on material state. Results of testing samples from materials in as-delivered conditions and after
a considerable period of operation in structure service are given. Example of short-time testing of samples and continuous
monitoring of structures in service is used to show that the influence of Keiser effect on the overall pattern of AE event
distribution cannot always be revealed. The need to allow for the revealed features in monitoring industrial facilities is
emphasized. 19 References, 7 Figures.
K e y w o r d s: acoustic emission, materials fracture, Keiser effect
Поступила в редакцию
25.10.2013
|