Акустико-эмиссионный контроль резервуаров

АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ КОНТРОЛЬ

Цель работы. Изучение основных физических принципов акустико-эмиссионного контроля. Применение метода акустической эмиссии для обследования резервуаров без вывода из эксплуатации. Ознакомление со средствами сбора и обработки информации при диагностике объектов.

 

Общие положения

Под акустической эмиссией (АЭ) понимается возникновение в среде упругих волн, вызванных изменением ее состояния под действием внешних или внутренних факторов. Акустико-эмиссионный метод основан на анализе этих волн. Целью АЭ контроля является обнаружение, определение координат и слежение (мониторинг) за источниками акустической эмиссии.

Метод акустической эмиссии (АЭ) является чувствительным к любым видам структурных изменений в широком частотном диапазоне работы (обычно от 10 до 1000 кГц). Оборудование способно регистрировать не только хрупкий рост трещин, но также процессы развития локальной пластической деформации, затвердевания, кристаллизации, трения, ударов, течеобразований и фазовых переходов.

Принципиальная схема АЭ контроля приведена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Схема АЭ контроля на трубопроводе:

1–преобразователь АЭ (приемник); 2–блок усиления; 3–блок фильтрации; 4– центральный блок сбора и обработки информации на базе индустриального компьютера; 5–объект контроля; 6– источник АЭ; t1 – время прихода сигнала на первый приемник; t2 – время прихода сигнала на второй приемник

 

Основные приложения, в которых используют АЭ метод контроля:

- периодический контроль целостности конструкций;

- контроль целостности конструкции в период опрессовки;

- контроль работоспособности объекта при пневмоиспытании;

- мониторинг (длительный контроль с одновременной обработкой результатов в режиме реального времени) целостности объекта;

- контроль процесса сварки;

- контроль износа и соприкосновения оборудования при автоматической механической обработке;

- контроль износа и потерь смазки на объектах;

- обнаружение потерянных частей и частиц оборудования;

- обнаружение и контроль течей, кавитации и потоков жидкости в объектах;

- контроль химических реакций, включающий контроль коррозионных процессов, а также процессов жидко-твердого перехода, фазовых превращений.

Большинство конструкционных материалов начинают при нагружении испускать акустические колебания в ультразвуковой части спектра еще задолго до разрушения.

Изучение и регистрация этих волн стала возможной с созданием специальной аппаратуры.

Регистрация сигнала от источника АЭ осуществляется одновременно с шумом постоянного и переменного уровня (рисунок 2). Шумы являются одним из основных факторов, снижающих эффективность АЭ контроля.

Для подавления шумов и выделения полезного сигнала обычно применяют два метода: амплитудный и частотный.

 

 

Рисунок 2 – Общая схема регистрируемого сигнала АЭ на фоне шумов:

1 – осцилляции; 2 – плавающий порог;

3 – осцилляции без учета плавающего порога; 4 – шум

Амплитудный заключается в установлении фиксированного и плавающего уровня дискриминационного порога UП, ниже которого сигналы АЭ аппаратура не регистрирует. Фиксированный порог устанавливается при наличии шумов постоянного уровня, плавающий – переменного.

Частотный метод подавления шумов заключается в фильтрации сигнала, принимаемого приемниками АЭ, с помощью низко- и высокочастотного фильтров (ФНЧ/ФВЧ). В этом случае для настройки фильтров перед проведением контроля предварительно оценивают частоту и уровень соответствующих шумов.

Сигналы от источника АЭ типа трещины характеризуются тем, что их испускает один источник, они кратковременны, а время их поступления на преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ) отражает расстояние до трещины. Положение источника АЭ на плоскости находят методами триангуляции. По скорости распространения волны в материале и разности времен прихода сигнала на разные ПАЭ рассчитывают местоположение множества точек для источника АЭ, которые будут находиться на окружностях радиусами R1, R2 и R3 от соответствующих ПАЭ (рисунок 3).

 

 

Рисунок 3 – Схема локации источника АЭ на плоскости

Характерными особенностями метода АЭ контроля, определяющими его возможности и область применения, являются следующие:

• метод АЭ контроля обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности;

• чувствительность метода АЭ контроля весьма высока. Он позволяет выявить в рабочих условиях приращение трещины порядка долей миллиметра, что значительно превышает чувствительность других методов;

• свойство интегральности метода АЭ контроля обеспечивает контроль всего объекта с использованием одного или нескольких преобразователей АЭ контроля, неподвижно установленных на поверхности объекта;

• метод АЭ контроля обеспечивает возможность проведения контроля объектов без удаления их гидро- или теплоизоляции. Для проведения контроля достаточно вскрыть изоляцию только в местах установки преобразователей, что многократно снижает объем восстановительных работ;

• метод обеспечивает возможность проведения дистанционного контроля недоступных объектов, таких, как подземные и подводные трубопроводы, аппараты закрытых конструкций и т.п.;

• метод позволяет проводить контроль различных технологических процессов и процессов изменения свойств и состояния материалов и имеет меньше ограничений, связанных с их свойствами и структурой;

АЭ метод может быть использован также для оценки скорости развития дефекта и, соответственно, оценки остаточного ресурса контролируемого объекта. Регистрация АЭ позволяет определить образование свищей, сквозных трещин, протечек в уплотнениях, заглушках и фланцевых соединениях.

Существенным недостатком метода является сложность выделения полезного сигнала из помех, когда дефект мал. Вероятность выявления сигнала АЭ высока только при резком развитии дефекта, поэтому метод АЭ контроля рекомендуется применять в сочетании с другими методами неразрушающего контроля.

 

Акустико-эмиссионный контроль резервуаров

АЭК проводится для выявления развивающихся дефектов сварных соединений и основного металла стенки и днища резервуара.

Для проведения АЭ контроля резервуаров используется многоканальная АЭ система, обеспечивающая регистрацию сигналов акустической эмиссии от дефектов в сварных соединениях и основном металле трех нижних поясов стенки резервуара за один цикл проведения контроля.

Перед проведением работ по АЭ контролю следует:

- максимально устранить источники акустических помех;

- откалибровать АЭ аппаратуру;

- определить уровень шума и радиус зоны приема датчиков.

При проведении АЭ контроля производится непрерывное наблюдение за поступающими данными. Если в ходе нагружения будет отмечено аномальное увеличение активности АЭ – источники АЭ IV (Е) класса опасности, то для предупреждения возникновения аварии (аварийной утечки), испытания приостанавливаются до выяснения причин обнаруженного явления.

На основе полученных и обработанных данных источники АЭ в сварных соединениях и основном металле стенки резервуара оцениваются по степени опасности:

I - пассивный;

II - активный;

III - критически активный;

IV - катастрофически активный.

На основе полученных и обработанных данных АЭ контроля днища источники сигнала оцениваются по степени опасности:

А - очень слабая коррозия;

B - ранняя стадия развития коррозии;

С - локальная коррозия;

D - сильная коррозия днища;

E - очень сильная коррозия днища, обнаружена утечка.

В случае оценки состояния днища по категории Е необходимо немедленно вывести резервуар из эксплуатации и провести полную техническую диагностику.

В случае обнаружения источников АЭ II, III или IV классов или в случае, когда интерпретация АЭ источников затруднена, производится УЗ контроль участков стенки резервуара в местах обнаружения источников АЭ. Окончательная оценка выявленных источников АЭ осуществляется по результатам УЗК. Дефекты, являющиеся источниками АЭ III или IV классов недопустимы.

 

Аппаратура АЭ контроля

Выпускаемые акустико-эмиссионные приборы и системы используются для контроля и диагностики различных промышленных объектов: магистральных и технологических трубопроводов, баллонов, сосудов давления, резервуаров нефтепродуктов, грузоподъемного оборудования и т.д.

 

 

Рисунок 4 – Преобразователи акустической эмиссии

Преобразователи акустической эмиссии, кроме моделей во взрывозащищенном исполнении, имеют режим автоматического тестирования самого датчика, который благодаря излучению волн позволяет также производить проверку работоспособности соседних датчиков и акустико-эмиссионной системы в целом.

Чувствительная пьезоэлектрическая система герметизирована специальным эластичным герметиком. Весь объем корпуса, включая электронную схему, залит эпоксидным компаундом с повышенной адгезией к нержавеющей стали. Преобразователи имеют износостойкий керамический протектор или протектор из нержавеющей стали.

Модели преобразователей различаются по рабочей полосе частот, напряжению питания, коэффициенту усиления предварительного усилителя, исполнению (обычное герметичное или взрывозащищенное герметичное), материалу протектора.

Преобразователи акустической эмиссии крепятся на контролируемый объект с помощью магнитных прижимов.

 

 

Рисунок 5 – Магнитные прижимы

 

Управление системой, сбор и анализ данных обеспечивается специальными программами. Например, в программный пакет AE Studio, поставляемый вместе с акустико-эмиссионной системой входят:

· «Корал» – программа и технология обработки данных акустико-эмиссионного контроля линейных объектов (линейные участки технологических и магистральных нефте-, газо-, продуктопроводов и т.д.);

· «Буря» – пакет независимых одна от другой программ и технология обработки данных акустико-эмиссионного контроля объемных объектов (резервуаров, нефтяных танков, сферических оболочек и т.д.).

Пакет программ «Буря» предназначен для комплексной, детальной обработки акустико-эмиссионной информации, полученной в результате контроля промышленных объектов и включает в себя следующие программы обработки данных:

· «Днище» – программа обработки данных акустико-эмиссионного контроля плоских днищ круглой формы, не имеющих возможности для установки на них датчиков акустической эмиссии (днища РВС). Особенностью программы является возможность использования дополнительных датчиков, которые расставляются на стенке резервуара, для фильтрации акустико-эмиссионных событий с днища от событий, произошедших в верхней части объема РВС.

 

 

Рисунок 6 – Программа обработки данных «Днище»

· «Сфера» – Программа обработки данных акустико-эмиссионного контроля сферических объектов (сферические хранилища и резервуары, сферические днища емкостей). Включает отдельную программу «Сфера-Д», необходимую для рисования карты объекта и создания файла координат расстановки датчиков на сферической поверхности с упорядоченной таблицей расстояний между приемниками.

· «Цилиндр» – Программа обработки данных акустико-эмиссионного контроля цилиндрических объектов (цистерн, колонн, стенок РВС). Включает отдельную программу Цилиндр-Д, необходимую для рисования карты объекта и создания файла координат расстановки датчиков на цилиндрической поверхности с упорядоченной таблицей расстояний между приемниками.

 

 

Рисунок 7 – Программа обработки данных «Сфера»

 

Рисунок 8 – Программа обработки данных «Цилиндр»

 

 

Рисунок 9 – Резервуар с характерными дефектами