Разработка методики идентификации источников акустической эмиссии при контроле сварных трубопроводов на основе комплексных информативных параметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.11, кандидат технических наук Дорохова, Елена Германовна

• Дорохова, Елена Германовна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дорохова, Елена Германовна

Введение

Глава 1.Постановка задачи исследования.

1.1. Краткая характеристика объекта исследований.

1.2.Основные виды разрушения трубопроводов и анализ дефектности материала труб.

1.3.Возможность применения метода АЭ для диагностики структурно неоднородных материалов.

1.4. Оценка существующих диагностических критериев при АЭ контроле.

Выводы к главе 1 и задачи исследования.

Глава 2.Анализ акустического тракта АЭ системы.

2.1.Источники АЭ в неоднородном металле.

2.1.1.Связь источника АЭ с дефектом материала.

2.1.2 .Пространственно-временная классификация источников АЭ

2.2.Сигнал АЭ в акустическом тракте системы.

2.3 .Вероятностная модель идентификации дефекта - источника АЭ.

2.4.Информативные параметры АЭ при контроле неоднородных материалов.

2.4.1.Традиционные параметры АЭ и информативность формы распределений этих параметров.

2.4.2.Энтропия спектрального распределения энергии как компонент комплексного статистического параметра АЭ.

2.4.3.Энтропия амплитудного распределения сигналов АЭ и возможность идентификации стадий разрушения с ее помощью. 54 Выводы к главе 2.

Глава 3.Идентификация источников АЭ и дефектов сварных соединений.

3.1. Экспериментальное подтверждение возможности использования вероятностной энтропии для идентификации источника АЭ.

3.2.Идентификация стадий предразрушения. Испытания на малоцикловую усталость в лабораторных условиях.

3.3.Идентификация дефектов. Разрушающие испытания плети газопровода в натурных условиях.

3.4.Анализ результатов АЭ обследования вырезанных участков труб при испытаниях на полигоне. 80 Выводы к главе 3.

Глава 4.Методические рекомендации для АЗ контроля сварных соединений трубопроводов.

4.1.Многоуровневая методика идентификации источника АЭ.

4.2.Методика обработки результатов АЭ измерений.

4.3.Идентификационные параметры и методика обработки результатов АЭ испытаний в условиях немногочисленных данных.

4.4. Рекомендации по определению оптимального числа и объема выборок данных АЭ измерений.

4.5. Описание программного комплекса

ЕМТИАЕ.

4.6. Инструкция оператора по применению Методики идентификации источников АЭ в режиме мониторинга

Выводы к главе 4. Выводы к работе. Литература. Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики идентификации источников акустической эмиссии при контроле сварных трубопроводов на основе комплексных информативных параметров»

Проблема качества и надежности материалов, изделий и конструкций является одной из актуальных проблем современного научно-технического развития, особенно для ответственных конструкций, эксплуатирующихся в экстремальных условиях при высоких нагрузках, в условиях больших и частых перепадов температур, в контакте с агрессивными средами. К таким конструкциям относятся различные трубопроводы и резервуары, аварии на которых влекут за собой значительные потери ресурсов, материальные убытки и наносят существенный ущерб окружающей среде. Безаварийная работа этих объектов зависит как от свойств конструкционных материалов и сварных соединений, так и от своевременного обнаружения опасных дефектов, которое возможно при регулярном и эффективном контроле [1-3].

В последнее время, в связи с возрастанием эксплуатационной нагрузки на трубопроводы, естественным "старением" конструкций и оборудования, в том числе в климатических условиях крайнего Севера, а также расширением эксплуатации сероводородосо-держащих месторождений, возрастает как вероятность лавинных разрушений, так и материального ущерба.

Главными причинами лавинных разрушений магистральных трубопроводов, локальных разрушений труб в установках комплексной подготовки газа являются хрупкие разрушения металла, инициаторами которых являются трещины. Наиболее вероятные места образования опасных трещин - сварные швы, фланцевые соединения, места сгибов, переходов и т.п. Трещины образуются из дефектов, имеющихся в сварных соединениях или в самом материале трубопровода. Их развитию под нагрузкой до критических размеров, при которых начинается лавинное разрушение, предшествуют определенные стадии состояния предразрушения.

Исследования последних десятилетий, направленные на предотвращение хрупких разрушений сварных трубопроводов, привели к частичному решению этой проблемы путем подбора оптимального химического состава стали, использования термообработки, разработки новых конструкций труб (спиралешовных, многослойных, бандарированных) и применения специальных ловушек для трещин при лавинных разрушениях [4-8].

В настоящее время стала очевидна необходимость разработки и широкого внедрения методов контроля и диагностики эксплуатационного состояния сварных трубопроводов для непрерывного или периодического контроля прочности и герметичности таких объектов. Это связано с тем, что такие трубопроводы спроектированы с учетом, во-первых, ремонтопригодности, а во-вторых, с учетом критерия "утечки до разрушения", т.е. образования сквозных дефектов малого раскрытия, приводящих к малым утечкам, предшествующим лавинным разрушениям большой протяженности. Эти факторы дают возможность предотвратить последствия катастрофических разрушений и восстановить поврежденные участки. Однако технически осуществить непрерывный контроль за состоянием материалов и сварных соединений трубопроводов невозможно без поднятия на более высокий уровень методов и средств контроля и диагностики состояния объекта контроля. Для этого необходимо обнаруживать все зоны с имеющимися, или вновь образованными дефектами, появившимися по мере эксплуатации. Наряду с представлениями информации качественного характера, диагностические системы должны постоянно или периодически количественно оценивать размеры зоны повреждения, степень опасности дефектов, остаточный ресурс объекта контроля.

Необходимость оценки состояния исследуемого объекта на основе полной и достоверной информации требует использования результатов не отдельных измерений, а больших потоков данных, получаемых как при испытаниях, так и при мониторинге в процессе эксплуатации, поскольку только в этом случае можно добиться своевременного оповещения о возникновении и развитии опасного дефекта и устранить его или условия его развития до наступления аварийной ситуации или катастрофы [1,9-13].

Среди различных методов неразрушающего контроля особой чувствительностью к процессам, происходящим в материале, обладает метод акустической эмиссии (АЭ). Основная особенность этого метода - выявление дефекта в материале по излучению им ,упругих волн при каком-либо нагружении - делает его весьма эффективным инструментом при продолжительном мониторинге и испытаниях труднодоступных и крупногабаритных объектов. Однако развитие этого метода тормозится отсутствием надежных методик обработки АЭ информации, дающих возможность уверенно идентифицировать источник АЭ и дефект.

Прямое измерение параметров дефектов трубопровода с использованием метода АЭ, УЗК и других методов контроля не всегда возможно, а косвенное определение по немногочисленным данным затруднено из-за больших погрешностей, малых отношений сигнал/шум и неоднозначной связи сигнала с контролируемым дефектом. Это происходит по причине сильных флуктуаций многочисленных влияющих факторов, как присущих самому объекту контроля, так и окружающей среды [14,15].

Сложность обработки акустико-эмиссионного сигнала обусловлена целым рядом причин, среди которых основными являются ограниченность, неоднородность, нелинейность и анизотропия среды распространения акустических волн, шумоподобный характер самого сигнала, а также постоянное присутствие разнообразных по природа и локализации помех.

Пространственная и временная неопределенность проявления дефекта в материале конструкции делают необходимым статистический подход к интерпретации данных акустико-эмиссионных испытаний. В то же время достоверность выявления дефекта и определение тенденции его развития должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить своевременность принятия того или иного решения, например об устранении дефекта или условий его развития [16-21].

Несмотря на перспективность метода АЭ, его широкое и надежное использование сдерживается трудностью и неоднозначностью интерпретации результатов АЭ измерений. В связи с этим данная работа, направленная на создание методики идентификации источников АЭ на основе комплексных информативных параметров АЭ с широким использованием статистического анализа, программных средств и вычислительной техники представляется актуальной. Необходимость данной работы связана также с тем, что в ней, во-первых, получает дальнейшее* развитие методика использования комплексных параметров АЭ, преимущество которых доказано предшествующими авторами (Муравиным Г.Б., Шипом В.В. и другими); во-вторых, упрощение процедуры идентификации источника АЭ достигается за счет переноса основной части обработки информации из аппаратурной части АЭ системы в часть программного обеспечения, что, кроме того, обеспечивает гибкость, мобильность и сочетаемость с различными АЭ приборами, так как исходными данными разрабатываемой методики являются простые традиционные параметры АЭ, например, амплитуда, счет, скорость счета и координаты источника.

Существенное повышение точности результата обеспечивается измерением нескольких разнородных параметров и определением по ним неизвестного типа дефекта с использованием все более сложных и многоуровневых алгоритмов обработки данных. Дальнейшее повышение точности и достоверности контроля достигается выбором наиболее информативной совокупности измеряемых параметров.

Данная работа в основном направлена на повышение эксплуатационной надежности сварных соединений технологических и транспортных трубопроводов за счет более информативной обработки данных, полученных при АЭ контроле объектов, а также упрощение и автоматизация процедуры принятия решения на основе разработанных алгоритмов распознавания образов.

В работе впервые дано обоснование информативности формы как спектрального распределения сигнала АЭ, так и распределения вероятности амплитуд. Предлагается численный параметр, характеризующий информативность формы - энтропия распределения вероятности параметров АЭ. Выявлены качественные и количественные различия между эллипсами рассеивания, соответствующими различным стадиям развития дефекта, а также дефектам, имеющим различную природу, на основе чего доказана возможность идентификации источника акустической эмиссии и стадий развития разрушения на основе пространственных различий статистических образов источников АЭ в координатах "средняя амплитуда - энтропия амплитудного распределения". Показана возможность идентификации процессов, имеющих одну физи

-10 ческую природу, на основе анализа статистических параметров потока случайных данных АЭ измерений.

Практические результаты работы заключается в том, что

1) разработанные алгоритмы могут быть использованы при создании новой АЭ аппаратуры в качестве основы для аппаратных схем, так и программного обеспечения;

2)появилась возможность проводить диагностику сложных объектов, используя сравнительно простые АЭ приборы, ПЭВМ и набор параметров АЭ;

3)даны рекомендации по выбору измеряемых параметров АЭ и технике измерений;

4) разработанные методики позволяют идентифицировать как различные стадии развития дефекта, так и дефекты имеющие различную природу.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на 6-ти Международных конференциях. Содержание диссертации изложено в . публикациях и отражено в ряде научно-технических отчетов и статей.

Заключение диссертации по теме «Методы контроля и диагностика в машиностроении», Дорохова, Елена Германовна

6. Результаты работы использованы при разработке методики аку-стико -эмиссионного мониторинга Главного Монумента памятника Победы на Поклонной Горе;

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дорохова, Елена Германовна, 2000 год

1. Шип B.B. Проблемные вопросы акустико-эмиссионной диагностики развития дефектов в сварных соединениях трубопроводов // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. - 1991. - №2. - С. 120-128.

2. Методы акустического контроля металлов /Н.П.Алешин, В.Е.Белый, А.Х.Вопилкин и др.; Под ред. Н.П.Алешина.- М.: Машиностроение,! 989. 456 с.

3. Методы акустического контроля металлов / Под ред. Н.П. Алешина.- М.: Машиностроение, 1989.- 456с.

4. Строительство магистральных трубопроводов: Справочник / В.Г.Чирсков, В.Л.Березин, Л.Г. Телегин и др. М.: Недра, 1991. 475 с.

5. Дуговая сварка стальных трубчатых конструкций / И.А. Шмелева, М.З. Шейнкин, И.В. Михайлов и др. М.: Машиностроение, 1985. - 232 с.

6. Коллакот Р. Диагностика повреждений / Пер. с англ.- М.: Мир,1989.- 512 с.

7. Баранов В.М. Акустические измерения в ядерной энергетике.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 320 с.

8. Зиневич A.M., Глазков В.И., Котик В.Г. Защита трубопроводов и резервуаров от коррозии.- М.: Недра, 1975 -288 с.9.0нищенко A.M., Шумаков А.Б. Повышение достоверности измерений и контроля в горном деле.- М.: ИГД им. A.A. Скочин-ского, 1996. 63 с.

9. Шип В.В. Акустико-эмиссионная диагностика залог качества трубопроводов / / Бюллетень строительной техники. - 1990. - №9. С.28-29.

10. Шип В.В., Муравин Г.Б., Чабуркин В.Ф. Вопросы применения метода акустической эмиссии при- диагностике сварных трубопроводов // Дефектоскопия. 1993. - № 8.-С. 17.-23.

11. Буйло С.И. Вероятностно информационные аспекты оценки достоверности результатов неразрушающего контроля и диагностики прочности твердых тел // Дефектоскопия. - 1996.-№5.- С. 20-25.

12. Буйло С.И. Использование статистических моделей акустической эмиссии и повышение достоверности результатов АЭ метода // Дефектоскопия. 1996.- №5. - С. 26-34.

13. Хретинин И.О., Сабиров У.Н. Атлас: Учебное пособие по технологии и техническим средствам обслуживания и ремонта трубопроводов различного назначения. Сургут: Сургутский научно - инженерный центр диагностики и ремонта трубопроводов, 1992 г.- 170 с.

14. Шип В.В., Жиденко Г.Л. К распознаванию образов дефектов при оперативной диагностике качества сварки / / Автоматическая сварка. 1982. - № 9.- С.22-24.

15. Волченко В.Н. Оценка и контроль качества сварных соединений с применением статистических методов. М.: Изд-во стандартов, 1974.-160 с.

16. Волченко В.Н. Контроль качества сварных конструкций: Учебник для техникумов.- М.: Машиностроение, 1986.-152 с.

17. Горбунов А.И., Лыков Ю.И. Влияние амплитудно частотной характеристики объекта контроля на измерение спектров акустической эмиссии. // Дефектоскопия.- 1988.- №12.- С. 32- 41.

18. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса / В.М. Баранов, А.И. Гриценко, A.M. Карасевич и др. М.:Наука, 1998. - 304 с.

19. Неразрушающий контроль качества сварных конструкций. / В.А. Троицкий, В.П.Радько, В.Г.Демидко и др.- Киев: Техника, 1986.- 159с.

20. РД 39-132-94. Правила по эксплуатации, ревизии, ремонту и отбраковке нефтепромысловых трубопроводов. Введены с 01.07.94. - М.: НПО ОБТ, 1994. - 356 с.

21. Куркин С.А., Николаев Г.А. Сварные конструкции. Технология изготовления, механизация, автоматизация и контроль качества в сварочном производстве.- М.: Высшая школа, 1991.398 с.

22. Бигус Г.А., Ермаков М.Н., Андреев А.Г. Методика и результаты акустико-эмиссионного обследования потенцильно опасных участков магистральных газопроводов / / Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 1997.- № 3.- С. 53 - 56

23. Трипалин A.C., Буйло С.И. Акустическая эмиссия. Физико-механические аспекты.- Ростов-н/Д: Изд-во РГУ.-1988.-160 с.

24. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. М.: Высшая школа, 1983.- 536 с.

25. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. 4-е изд. - М.: Радио и связь, 1986.- 512 с.

26. Лепендин Л.Ф. Акустика: Учебное пособие для втузов. -М.: Высшая школа., 1978.- 448 с.

27. Справочник по технической акустике / Пер. с нем. БД.Виноградова, Н.М. Колоярцева; Под ред. В.М. Спиридонова.- Д.: Судостроение, 1980. 440 с.

28. Ультразвук: Маленькая энциклопедия / Под ред. И.П. Го-ляминой. М.: Советская энциклопедия, 1979.- 400с.

29. Исакович М.А. Общая акустика. М: Наука, 1973.- 496 с

30. Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов / Пер. с франц. Под ред. В.В.Леманова. М.: Наука, 1982.- 424 с.

31. Зарембо Л.К., Тимошенко В.И. Нелинейная акустика. -М.: Изд-во МГУ, 1984. 104 с.

32. РД 03-131-97 "Сосуды, аппараты, котлы и технологические трубопроводы. Акустико-эмиссионный метод контроля". -Введен с 01.01.97. М.: Госгортехнадзор, 1996. - 41 с.

33. Иванов В.И., Быков С.П. Классификация источников акустической эмиссии / / Диагностика и прогнозирование разрушения сварных конструкций. 1985. - Вып. 1.- С. 67-74.

34. Иванов В.И. Развитие акустико-эмиссионных методов и средств технической диагностики корпусных объектов на основе изучения процессов формирования сигналов при деформации и разрушения металлов: Автореф. дис. . докт. техн. наук. М.: 1990. - 36 с.

35. Баранов. В.М. О выборе диагностических параметров и признаков в АЭ исследованиях и контроле / / 3-я Всесоюз. Науч. - произв. Конф. по акустической эмиссии: Сб. докладов и тези-120 сов.- Ч.1.- Обнинск, 1992. с.21 - 25.

36. Энергетические аспекты акустико-эмиссионного контроля развития трещин с использованием различных типов волн / Г.Б. Муравин, В.В. Шип, A.M. Лезвинская и др. // Дефектоскопия.- 1989,-No 8-С. 16-25.

37. Шип В.В., Чабуркин В.Ф., Дорохова Е.Г. Новые критерии распознавания источников акустической эмиссии при диагностике трубопроводов // Защита 95, II Международный конгресс: Сб. тезисов. - М., 1995. - С. 19.

38. Иванов В.И., Белов В.М. Акустико-эмиссионный контроль сварки и сварных соединений,- М.: Машиностроение, 1981.-184 с.

39. Шип В. В., Дорохова Е.Г. Новые комплексные информативные параметры акустической эмиссии для диагностики сварных соединений / / Сварочное производство. 1995.- №3 (724). - С.35-38.

40. The application of complex information parameter to acoustic emission for diagnostic during the stage of fracture / Ship V.V., Muravin G.B., Samoilova I.S., Dorokhova E.G. // Nondestructive Testing and Evaluation. 1997.-V. 13. - P. 57-71.

41. Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушаю-щего контроля в ядерной энергетике / Под ред. К.Б.Вакара. М.: Энергоатомиздат, 1980. - 216 с.

42. Муравин Г.Б., Симкин Я.В., Мерм^н А.И. Идентификация механизма разрушения материалов методами спектрального анализа сигналов акустической эмиссии // Дефектоскопия. 1989.-№4.- С. 8-15.

43. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. О.И. Хабарова, Г.А. Сидоровой; Под ред. И.С.Рыжака. М.: Мир, 1990. - 584 с.

44. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн: Учебное пособие. М.: Наука, 1984.- 432 с.

45. Корн Г.,Корн Т. Справочник по математике.- М.: Наука, 1974.- 832с.

46. Подстригач Я.С., Ломакин В.А., Коляно Ю.М. Термоупругость тел неоднородной структуры. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 368 с.

47. Биргер И.А. Стержни, пластинки, оболочки. М.: Физмат-лиг, 1992.- 392 с.

48. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов / В.Н. Волченко, В.Н. Ямпольский, В.А. Винокуров и др.; Под ред. В.В. Фролова. М.: Высшая школа, 1988. - 559 с.

49. Иванов В.И. Акустическая эмиссия в процессе когерентного разрушения // Доклады АН СССР. 1986. - Т. 287, № 2. -302 - 306.

50. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. 2-е изд. - М.:Наука, 1981. - 208 с.

51. Бендат Дж., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа / Пер. с англ. В.Е. Привальского М.:Мир,1983.-312 с.

52. Бендат Дж., Пирсол А. Спектральный анализ случайныйл;данных / Пер. с англ. В.Е. Привальского; Под ред. И.Н.Коваленко-М.:Мир, 1989.- 540 с.

53. Gornaja S.P., Aljoshin N.P. Attenuation of ultrasonic waves in austenitic steel welds / / Nondestructive Testing and Evaluation. -1997.-V.13. P. 149 - 168.

54. Буйло С.И. Количественное определение достоверности результатов акустико-эмиссионного метода контроля и диагностики // Дефектоскопия.- 1994.- № 10.- С. 17-25.

55. Ольшевский В.В. Статистические методы в гидролокации.- Л.: Судостроение, 1983. 280 с.

56. Статистическая теория обнаружения гидроакустических сигналов / В.И. Ильичев, А.Я. Калюжный, Л.Г. Красный и др. М.: Наука, 1992.-415 с.

57. Шип В.В., Дементьев А.Н. Методические основы акусти-ко эмиссионного контроля сварных соединений газопроводов // Диагностика и прогнозирование разрушения сварных конструкций. - 1987. - вып.5. - С.45-52.

58. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия.- М.: Изд-во стандартов, 1976.-272 с.

59. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика.- М.: Наука, 1979.- 496 с.

60. Фор А. Восприятие и распознавание образов / Пер. с фр. Под ред. Г.П.Катыса.- М.: Машиностроение, 1989. 272 с.

61. Вентцель Е.С. Теория вероятностей.- 4-е изд. М.: Наука, 1969.- 576 с.

62. Теребиж В.Ю. Анализ временных рядов в астрофизике. -М.: Наука, 1992. 392 с.

63. Климонтович Ю.Л. Турбулентное движение и структура хаоса.- М.: Наука, 1990.- 320 с.

64. Самойлова И. С. Разработка методики акустико-эмиссионного контроля сварных соединений трубопроводов и резервуаров с использованием волн различного типа: Автореф. дис. . канд. техн. наук.- М., 1993.- 16 с.

65. Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред.- М.: Наука, 1989.- 416 с.

66. Акустико эмиссионная диагностика развития усталостных трещин / В.В. Шип, А.П. Федосенко, А.Н. Дементьев и др. / / Современные проблемы сварочной науки и техники, Между-нар. научно-техническая конференция: Сб. тезисов. - Ростов н/Д., 1993. - С.20.

67. Финкель В.М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970. - 376 с.

68. Акустико эмиссионная система диагностики состояния ответственных металлоизделий / В.В. Шип, Г.А. Бигус, Е.Г. Дорохова и др. // Техническая диагностика й неразрушающий контроль. - 1997.- №3.- С.56-59.

69. Муравин Г.Б., Лезвинская Л.М. Исследование спектральной плотности сигналов АЭ // Дефектоскопия. 1982. - №7.С.10-15.