Тестирование акустической эмиссии : ПОЛНОЕ Руководство

Акустико-эмиссионный контроль (AET) — это метод пассивного неразрушающего контроля (NDT), который обнаруживает дефекты в объектах путем мониторинга характера ультразвуковых волн напряжения внутри конструкций и материалов с помощью прикрепленного набора датчиков AE . Эти датчики АЭ будут преобразовывать волны напряжения в электрические сигналы и передавать эти сигналы на внешнее оборудование/устройство для обработки.

Акустико-эмиссионное тестирование или мониторинг акустической эмиссии использует звуковые волны для обнаружения и локализации дефектов в конструкциях и материалах. Его часто используют в обрабатывающей и строительной отраслях для обнаружения трещин, дефектов, коррозии и других дефектов.

Тестирование акустической эмиссии также называется акустической эмиссией (AE), акустическим тестированием (AT), акустическим неразрушающим контролем или тестированием AE.

В этом руководстве мы будем использовать эти термины как взаимозаменяемые.

Акустико-эмиссионный контроль широко считается одним из наиболее распространенных и полезных методов неразрушающего контроля. Этот метод позволяет инспекторам собирать ценные данные о материалах, не причиняя им никакого вреда.

Одним из основных преимуществ испытаний акустической эмиссии является то, что они позволяют инспекторам изучить полную историю нагрузки материала, не вызывая при этом каких-либо повреждений. Это означает, что материал можно тщательно проанализировать и оценить без ущерба для его целостности.

В прошлом акустико-эмиссионные испытания преимущественно использовались при проверке и обслуживании дорогостоящих конструкций, главным образом из-за связанных с ними высоких затрат. Однако недавние достижения значительно сократили расходы, связанные с оборудованием АЭ, сделав его более доступным и доступным для различных целей контроля.

Вот меню, которое поможет вам ориентироваться в этом руководстве:

• Что такое акустоэмиссионное тестирование и как оно работает?
• Метод акустической эмиссии
• Оборудование для испытаний на акустическую эмиссию
• Каковы преимущества и ограничения?

Что такое акустоэмиссионное тестирование и как оно работает?

Акустико-эмиссионное тестирование — это процесс, в котором акустические волны используются для обнаружения и определения местоположения трещин, дефектов, коррозии и других дефектов или повреждений в конструкциях и материалах. От металлов до бетона и композитов, его можно использовать с широким спектром материалов. Его часто используют в строительстве, мостах, автомобильной и аэрокосмической промышленности.

При испытании на акустическую эмиссию, когда часть оборудования подвергается внешнему воздействию, такому как изменение давления, нагрузки или температуры, это вызывает высвобождение энергии в виде акустических волн, возникающих в результате внезапного перераспределения напряжения внутри материала. . Эти акустические волны затем распространяются через материал и достигают поверхности, где они обнаруживаются и регистрируются датчиками АЭ.

При тестировании акустической эмиссии обычно используется ультразвук в диапазоне частот от 20 килогерц (кГц) до 1 мегагерца (мГц). (Один килогерц эквивалентен тысяче циклов в секунду, а один мегагерц — одному миллиону циклов в секунду).

Вот некоторые определения терминов, которые будут использоваться в этой статье:

• Ультразвуковой . Термины «ультразвук» и «ультразвук» относятся к звуковым волнам высоких частот, которые невозможно услышать человеческому уху.
• Акустическая эмиссия . Термин акустическая эмиссия относится к генерации переходных упругих волн во время быстрого высвобождения энергии локализованного напряжения внутри материала.

Откуда берется акустическая эмиссия?

Акустическая эмиссия возникает, когда материал находится под напряжением, либо из-за удерживания тяжелой нагрузки, либо из-за резких перепадов температуры.

В частности, акустическая эмиссия (АЭ) возникает при механическом нагружении материалов и конструкций, сопровождающемся последующими структурными изменениями, приводящими к возникновению локализованных источников упругих волн. В результате в материале возникают незначительные поверхностные смещения, вызванные быстрым высвобождением накопленной упругой энергии внутри или на его поверхности в виде упругих волн или волн напряжения.

Акустическая эмиссия обычно связана с каким-либо дефектом или повреждением конструкции, излучающей их. Целью проведения АЭ-тестирования является выявление и оценка любых потенциальных проблем или отклонений, связанных с этими акустическими эмиссиями. Инспекторы полагаются на эту акустическую эмиссию как на ориентиры для обнаружения и оценки структурных дефектов или повреждений, присутствующих в системе.

Источниками акустической эмиссии могут быть:

• Развитие деформации и разрушения
• Пластическая деформация за счет движения дислокаций и текучести.
• Поломка волокон, растрескивание и расслоение матрицы.
• Разрыв, инициированный фрагментами оксида, карбида и сульфида.
• Разрушение из-за неметаллических включений, лежащих между зернами металла.
• Растущие трещины на поверхности металла: лучший источник акустической эмиссии высокой амплитуды
• Разрушение агрегата, закрытие пустот
• Утечки, коррозия в сосудах под давлением и трубопроводах
• Продукты коррозии, образующиеся на поверхностях трещин
• Охладить, растрескиваться
• плавление
• Фазовое преобразование
• Тепловая нагрузка

История испытаний акустической эмиссии

По сравнению с испытанием магнитными частицами или контролем проникновения красителей, испытание акустической эмиссией является относительно недавним дополнением к области неразрушающего контроля (NDT).

Его первое применение можно отнести к началу 1980-х годов, когда инспекторы начали использовать его для проверки композитов с полимерной матрицей (ПМК).

Датчики, используемые для регистрации акустической эмиссии, используют пьезоэлектрический материал. Пьезоэлектричество означает генерацию электрических зарядов в результате приложения механического напряжения. Чтобы понять эту концепцию, представьте, что с помощью крана аккуратно устанавливают гранитную плиту на крышу автобуса.

Поскольку тяжелый гранит оказывает давление на автобус вниз, он создает напряжение и впоследствии приводит к образованию электрических зарядов. Эти заряды демонстрируют явление пьезоэлектричества.

Открытие пьезоэлектричества можно приписать Пьеру Кюри и Полю-Жаку Кюри в 1880 году. Однако его практическое применение не было исследовано до начала 1920-х годов, когда Уолтер Кэди экспериментировал с использованием пьезоэлектричества для стабилизации электронных генераторов.

Примерно шестьдесят лет спустя исследователи начали исследовать использование пьезоэлектричества для обнаружения дефектов в композитах с полимерной матрицей. В настоящее время датчики, используемые при испытаниях акустической эмиссии, известны как пьезоэлектрические датчики акустических волн. Эти датчики применяют колебательное электрическое поле для генерации механической волны, которая распространяется через материал и впоследствии преобразуется обратно в электрическое поле, которое могут измерить инспекторы.

Хотя акустико-эмиссионное тестирование является многообещающим методом неразрушающего контроля, оно все еще находится на ранних стадиях разработки и требует дальнейших исследований и доработок, прежде чем его можно будет считать полностью надежным и автономным методом контроля.

Одно из интригующих и новых применений тестирования акустической эмиссии предполагает его потенциальное использование для обнаружения землетрясений до их возникновения. Однако это конкретное приложение также находится на начальной стадии и требует дальнейшего развития.

Общие приложения и отрасли для

Инспекторы обычно используют AE для поиска:

• Коррозия — на поверхностях различных типов материалов.
• Удаление покрытий — защитных покрытий, нанесенных на материалы.
• Неисправности/дефекты — для контроля сварки и других общих дефектов.
• Утечки — в трубопроводных системах или резервуарах для хранения.
• Частичные разряды — от компонентов, находящихся под высоким напряжением.
• Обрыв проводов/тросов — подвесного, вантового, связного арочного моста

В частности, AE обычно используется для проверки на растрескивание, коррозию, расслоение и поломку волокна.

Вот некоторые из наиболее распространенных применений для испытаний на акустическую эмиссию:

• Оценка долговечности самолета
• Мониторинг состояния мостов ( подробнее об осмотрах мостов )
• Мониторинг коррозии бетона ( узнайте больше о мониторинге коррозии )
• Обнаружение частичного разряда электрических трансформаторов
• Осмотр сосудов под давлением ( узнайте больше об осмотрах сосудов под давлением )
• Обнаружение утечек в трубопроводах и напорных системах;
• Проверка устойчивости стенок шахты;
• Проверка структурной целостности : Бетонные конструкции, такие как мосты и здания; Металлические конструкции, такие как сосуды под давлением, трубопроводы, резервуары для хранения, изолированные стрелы подъемных рабочих платформ, конструкции самолетов и стальные тросы; Композитные конструкции, такие как конструкции самолетов, конструкции для автоспорта и композитные балки;
• Вращающиеся машины : Вращающиеся машины, такие как обнаружение раннего износа подшипников и коробок передач ;
• Электрооборудование : Электрооборудование, такое как обнаружение частичного разряда в трансформаторах и вводах;
• Инспекции ветровых турбин ;

Акустико-эмиссионный контроль и ультразвуковой контроль

Хотя и акустико-эмиссионное тестирование, и ультразвуковое тестирование используют ультразвук, они представляют собой разные методы контроля.

При испытаниях на акустическую эмиссию инспекторы полагаются на обнаружение акустической эмиссии, исходящей от дефектов внутри материала. Этот метод особенно ценен для определения того, подвергается ли конструкция перегрузке, и это единственный вариант неразрушающего контроля, который возможен в процессе производства. Примечательно, что акустико-эмиссионный контроль не требует использования внешней энергии, в отличие от ультразвукового контроля, поскольку акустическую эмиссию генерирует сам материал или конструкция.

Напротив, ультразвуковой контроль предполагает передачу ультразвуковых волн от внешнего источника через материал или конструкцию. Любое прерывание или отклонение, наблюдаемое в волновой структуре, означает наличие дефекта в точной точке прерывания.

Ультразвуковой контроль является одним из хорошо зарекомендовавших себя традиционных методов неразрушающего контроля. В отличие от обычного ультразвукового контроля, AET — это метод, который оценивает эластичность волн, вызванных неоднородностями, образовавшимися внутри образца.

Тестирование акустической эмиссии в сравнении с сейсмическими испытаниями:

В сейсмической отрасли используются низкие частоты в диапазоне 0–10 Гц, а в испытаниях АЭ используются более высокие частоты в диапазоне 20–400 Гц. Более высокие частоты более эффективны в шумной обстановке.

Сейсмическая отрасль размещает датчики на расстоянии многих миль от источника, а при испытаниях АЭ датчики размещаются примерно через каждые 10–15 футов.

Метод акустической эмиссии

Метод акустической эмиссии основан на идентификации и преобразовании упругих волн высоких частот в электрические сигналы. Это достигается путем непосредственного крепления пьезоэлектрических преобразователей к поверхности контролируемой конструкции и приложения к ней нагрузки. Датчики АЭ связаны с конструкцией, а выходной сигнал каждого датчика акустической эмиссии (во время загрузки конструкции) усиливается с помощью малошумящего предусилителя. Усиленный сигнал затем фильтруется для устранения нежелательных шумов и впоследствии обрабатывается с использованием подходящего электронного оборудования.

Чтобы начать АЭ-тестирование, инспекторы инициируют процесс, тщательно очищая поверхность объекта, предназначенного для проверки, и проводят исследование затухания, чтобы спланировать расположение датчиков.

После тщательной очистки датчики акустической эмиссии аккуратно позиционируются на исследуемой конструкции или материале.

Для обеспечения эффективной передачи акустического сигнала датчики АЭ крепятся к конструкции с помощью соответствующей контактной жидкости , например, клея или смазки.

После надежной установки датчики AE обнаруживают и преобразуют любые присутствующие волны напряжения внутри материала в электрические сигналы для анализа инспектором.

Затем инспектор подключает датчики АЭ к монитору через экранированные коаксиальные кабели, позволяя им просматривать данные в виде читаемых результатов и необработанной информации. Интерпретируя эти данные, инспекторы могут определить области напряжения на проверяемом объекте, а также места потенциальных дефектов, возникающих в результате напряжения.

Количество датчиков акустической эмиссии, необходимых для конкретной конструкции, зависит от различных факторов, в том числе:

• Сложность испытуемого материала или конструкции.
• Размер конструкции.
• Тип испытуемого материала.

Существует два метода тестирования АЭ: переходный и непрерывный. Метод переходных процессов фиксирует всплески АЭ, которые превышают порог (уровень громкости), и извлекает такие характеристики, как пиковая амплитуда, энергия сигнала и продолжительность всплеска. Эти характеристики затем используются для оценки состояния тестируемого компонента. Этот метод хорошо подходит для проверки конструкций на наличие таких дефектов, как трещины.

Непрерывный метод фиксирует все АЭ в течение заданного периода времени, например 1/10 секунды. Затем извлекаются такие характеристики, как средний уровень сигнала и среднеквадратические значения (RMS). Этот метод хорошо подходит для применений, где присутствует много фоновых АЭ или мала амплитуда АЭ, например, при тестировании коробок передач или обнаружении утечек.

Тестирование акустической эмиссии может проводиться в лаборатории, а также в полевых условиях как в течение относительно коротких периодов времени, например нескольких часов, так и более длительных периодов, например нескольких месяцев. Методы беспроводной передачи данных позволяют анализировать данные удаленно.

Приложения

• Мониторинг сосудов под давлением во время гидростатических испытаний
• Мониторинг незакрепленных деталей во время эксплуатации
• Бетонные конструкции, такие как мосты и здания.
• Металлические конструкции, такие как сосуды под давлением, трубопроводы, резервуары для хранения, конструкции самолетов и стальные тросы.
• Композитные конструкции, такие как конструкции самолетов, конструкции для автоспорта и композитные балки.
• Вращающиеся машины, такие как обнаружение раннего износа подшипников и коробок передач.
• Электрооборудование, такое как обнаружение частичного разряда в трансформаторах и вводах.
• Обнаружение утечек клапанов
• Обнаружение утечек в трубопроводах и системах давления
• Обнаружение утечек в резервуаре судна СПГ (вторичный барьер – новые и находящиеся в эксплуатации конструкции)

Эффект Кайзера

Эффект Кайзера относится к явлению, при котором объект не проявляет никакой акустической эмиссии до тех пор, пока уровень напряжения не превысит ранее приложенное напряжение.

В 1950 году исследователь Кайзер обнаружил, что металлы обладают способностью сохранять максимальное пережитое ими напряжение, тем самым «запоминая» его.

В результате эффекта Кайзера инспекторы могут не выявить разрушающее напряжение в конструкции с помощью AE, если оно не превышает предыдущее максимальное напряжение, которому подвергалась конструкция.

Оборудование для испытаний на акустическую эмиссию

Когда материалы трескаются, деформируются или иным образом повреждаются, они издают своего рода звук. Иногда эти звуки громкие и очевидные. В других случаях они гораздо более незаметны, и для их обнаружения необходимо использовать специальное оборудование. Обнаружение этих более тонких звуков с помощью тестирования акустической эмиссии (AET) может выявить трещины и другие образующиеся дефекты, которые, если их не устранить, могут вызвать серьезные проблемы, такие как отказ оборудования в будущем.

Акустико-эмиссионные испытания могут проводиться как в полевых условиях с использованием портативных приборов, так и в стационарных лабораторных условиях. Обычно полная система состоит из датчиков АЭ , предусилителей, фильтров и усилителей, а также оборудования для измерения, отображения и хранения данных, такого как осциллографы, вольтметры и персональные компьютеры.

Вот типы акустико-эмиссионного оборудования, используемого при акустико-эмиссионном НК.

Датчики акустической эмиссии / Преобразователи акустической эмиссии / Тензодатчики

Эти устройства собирают необработанные данные об акустической эмиссии. Их еще называют:

• датчики АЭ
• Пьезоэлектрические преобразователи
• Пьезоэлектрические датчики
• Тензодатчики

Акустическая эмиссия (AE) Список моделей датчиков/преобразователей

Наиболее широко используемые датчики для испытаний акустической эмиссии (АЭ) обычно состоят из двух наборов встречно-штыревых датчиков. Эти датчики состоят из двух гребенчатых массивов металлических электродов, которые сцепляются друг с другом, напоминая застежку-молнию.

Для различных применений доступны различные типы датчиков акустической эмиссии для неразрушающего контроля (NDT):

• Воздушно-десантный
• Дифференциальный датчик АЭ
• Плоская частотная характеристика
• Общее назначение
• Высокая температура
• Интегральный предусилитель
• Искробезопасный датчик AE
• Низкочастотный датчик акустической эмиссии
• Средняя частота
• Миниатюра
• Метро
• Подводный
• Широкополосный датчик автоэкспозиции

Предварительные усилители акустической эмиссии (AE)

Предварительный усилитель AE используется для усиления выходного сигнала датчика акустической эмиссии , что позволяет инспекторам легко интерпретировать и анализировать данные. В сочетании с соответствующим обучением эти инструменты позволяют инспекторам точно определять и обнаруживать дефекты в материале, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными невооруженным глазом.

Иногда возникает необходимость использования предусилителя из-за слабых сигналов напряжения, вырабатываемых датчиками акустической эмиссии. Эти сигналы могут иметь мощность всего несколько микровольт и могут затухать при передаче на большие расстояния. Чтобы решить эту проблему, исходный сигнал датчика необходимо многократно усилить перед передачей. Обычно используется коэффициент усиления 40 дБ, а затем усиленный сигнал передается в блок сбора сигнала через высокочастотные коаксиальные кабели.

Предварительный усилитель акустической эмиссии работает по аналоговой схеме и принимает на вход сигнал напряжения с датчика. Затем он производит усиленный аналоговый сигнал. Помимо усиления, предусилитель должен обладать функциями согласования и преобразования импеданса. Оно также должно включать меры по защите от поражения электрическим током и быть оборудовано для устранения явлений блокировки. Кроме того, он должен быть способен обрабатывать относительно большой выходной динамический диапазон.

Предварительный усилитель AE

Система сбора данных

Система сбора данных действует как важнейшее связующее звено между датчиками АЭ и программным обеспечением для анализа. Его основная функция — собирать сигналы от датчиков АЭ, которые первоначально усиливаются предусилителями, а затем преобразовывать их в цифровой формат данных, который может быть легко обработан и интерпретирован программным обеспечением. Этот важный шаг обеспечивает точное представление и готовность к анализу необработанных данных.

Система сбора данных

Программное обеспечение для анализа

Программное обеспечение для анализа обеспечивает одновременную визуализацию сигналов акустической эмиссии в режиме реального времени. Несомненно, программное обеспечение для анализа играет жизненно важную роль в оборудовании AET. Его значение заключается в его способности расшифровывать цифровые данные, предоставляемые системой сбора данных, и превращать их в ценную информацию. Используя передовые алгоритмы и методы распознавания образов, программное обеспечение может точно определить местоположение, величину и характеристики дефектов или аномалий в материале. Эта возможность играет важную роль в обеспечении эффективного анализа и оценки инспектируемого вещества.

Программное обеспечение для анализа – SWAE

Каковы преимущества и ограничения?

Акустико-эмиссионное тестирование — это качественный метод неразрушающего контроля. Он отличается от большинства других методов неразрушающего контроля (НК) в двух ключевых отношениях. Во-первых, источником сигнала является сам материал, а не внешний источник. Во-вторых, акустическая эмиссия обнаруживает движение, в то время как большинство других методов обнаруживают существующие геометрические нарушения.

Акустико-эмиссионное тестирование имеет множество преимуществ перед другими методами. К ним относятся:

• Возможен непрерывный мониторинг во время эксплуатации с сигнализацией
• Могут быть проведены предварительные и эксплуатационные испытания.
• За целыми структурами можно наблюдать из разных мест.
• Возможен онлайн-мониторинг компонентов и системы.
• Повышенная чувствительность по сравнению с традиционными методами тестирования.
• Более короткое время испытаний по сравнению с другими методами неразрушающего контроля
• Мониторинг в реальном времени
• Возможна оценка в реальном времени и удаленное сканирование.
• Способность обнаруживать ряд механизмов повреждения, включая, помимо прочего, разрывы волокон, трение, удары, растрескивание, расслоение и коррозию на ранних стадиях, прежде чем они станут серьезными проблемами.
• Может проводиться в процессе эксплуатации, при квалификационных (проверочных) испытаниях или опытно-конструкторских испытаниях.
• Может определять источники повреждений и различать их по акустическим сигнатурам.
• Глобальный мониторинг конструкции
• Оценивает конструкцию или машину в реальных условиях эксплуатации.
• Неинвазивный метод
• Эксплуатация в опасных средах, включая высокие температуры, высокие давления, а также агрессивные и ядерные среды.
• Можно проводить удаленно
• Может обнаружить повреждения в дефектах, к которым трудно получить доступ с помощью традиционных методов неразрушающего контроля.

Однако метод имеет и некоторые ограничения:

• Ограничиваясь оценкой структурной целостности или состояния машины путем выявления проблем, для полной диагностики проблем обычно требуется дальнейшая проверка.
• Невозможно обнаружить дефекты, которые могут присутствовать, но не перемещаются и не растут.
• Может быть медленнее, чем другие методы неразрушающего контроля.
• Влияние окружающего шума и затухание сигналов могут привести к ухудшению качества изображения.
• Требуются сложные устройства обработки данных.
• Результаты AE твердо зависят от знаний и опыта поставщика услуг.

---