65306

Діагностика і прогнозування ресурсу зварних конструкцій методом акустичної емісії

Автореферат

Производство и промышленные технологии

Робота присвячена питанням оцінки фактичного стану металевих конструкцій на стадіях, що передують виникненню тріщин, розробці методів АЕ діагностики й моніторингу, що ставлять метою завчасно виявити небезпеку та не допустити руйнування.

Украинкский

2014-07-28

1016.6 KB

2 чел.

         НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ім.
 Є.О. ПАТОНА

                               Недосєка 

 Станіслав Анатолійович

УДК 681.518.5

  ДІАГНОСТИКА І ПРОГНОЗУВАННЯ РЕСУРСУ 

ЗВАРНИХ КОНСТРУКЦІЙ 

МЕТОДОМ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ

Спеціальність.02.10

         Діагностика матеріалів і конструкцій 

АВТОРЕФЕРАТ

        дисертації на здобуття наукового ступеня 

доктора технічних наук

                                     Київ-2010

Дисертація є рукопис

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 

Науковий консультант:   доктор технічних наук

      академік НАН України

    Лобанов Леонід Михайлович

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона 

НАН України, заступник директора

Офіційні опоненти:   доктор технічних наук

академік НАН України, професор

Махненко Володимир Іванович

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона 

НАН України, завідувач відділом

доктор технічних наук

Прокопенко Георгій Іванович

Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова

НАН України, завідувач відділом

доктор технічних наук, професор

Девін Леонід Миколайович

Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля

НАН України, завідувач лабораторії

Захист відбудеться  "2"  червня  2010 р.  о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, 03680, МСП, г. Київ - 150, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту електрозварювання 

ім. Є. О. Патона НАН України, 03680, МСП, г. Київ - 150, вул. Боженка, 11.

Реферат розісланий  "26"  квітня  2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради 

доктор технічних наук       Л.С. Киреєв

 

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

У числі завдань, що постають перед сучасною промисловістю, енергетикою і транспортом, забезпечення безпечної експлуатації та оцінка реального залишкового ресурсу конструкцій, вузлів та агрегатів займає одне з найбільш важливих місць. Вельми перспективним направленням у вирішенні даної проблеми є застосування технічної діагностики, основаної на неруйнівних засобах контролю. Метод акустичної емісії (АЕ) є одним з найбільш ефективних неруйнівних методів, який має ряд серйозних переваг під час його використання у промислових умовах. Це стало причиною вибору методу АЕ у якості предмету наукових досліджень та розробки на його основі нових методів оцінки стану матеріалів, виконаних у дисертації.

Робота присвячена питанням оцінки фактичного стану металевих конструкцій на стадіях, що передують виникненню тріщин, розробці методів АЕ діагностики й моніторингу, що ставлять метою завчасно виявити небезпеку та не допустити руйнування. Для вирішення завдань дисертації було потрібно об'єднати сучасні підходи у таких наукових напрямках як континуальна механіка, акустика та математичне моделювання. Виконання роботи було б неможливим без використання сучасних комп'ютерних технологій.

На базі великого обсягу комплексних експериментальних досліджень конструкційних металевих матеріалів сформульована й вирішена задача прогнозування руйнівного навантаження та залишкового ресурсу металоконструкцій, у тому числі із зварними з'єднаннями, з застосуванням методу АЕ. Результати роботи знайшли практичне застосування у діагностиці конструкцій, що експлуатуються, у тому числі магістральних газопроводів, судин тиску та при створенні (вперше в Україні) систем безперервного АЕ моніторингу на об'єктах зберігання і транспортування рідкого аміаку.

Зв'язок з науковими програмами. У першу чергу слід відзначити роботи у рамках Державної програми "Ресурс" (цільова комплексна програма НАН України "Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин"). 

Дослідження також виконані у ІЕЗ ім. Є. О. Патона за наступними темами на 2002-2009 рр.:

- 9.8.59/55 "Розробка та дослідження приладу для контролю промислових конструкцій методом акустичної емісії";

- 1.6.1.59.33 "Розробка (на основі комп'ютерної технології та засобу акустичної емісії) наукових підходів щодо досліджень деградації і руйнувань матеріалів, що пройшли регламентний термін експлуатації і працюють у умовах низьких температур і середовищ аналогічних аміаку";

- 1.6.1.59.1 "Розробка методів аналітичного дослідження параметрів акустичної емісії та створення систем безперервного моніторингу технічного стану відповідальних зварних конструкцій";

- 9.8.59/38 "Розробка і випуск нормативних документів у галузі АЕ діагностування конструкцій: підготовка та атестація персоналу; технологія АЕ діагностування".

Мета роботи - створення науково обґрунтованих критеріїв і методів оцінки поточного стану та прогнозування ресурсу матеріалів зварних конструкцій за даними АЕ, розробка систем безперервного АЕ моніторингу промислових конструкцій.

Основні завдання досліджень:

1. Проведення комплексного дослідження закономірностей накопичення пошкоджень у металевих матеріалах внаслідок деформування та експлуатаційного напрацювання з метою встановлення взаємозв'язку між АЕ та іншими фізичними характеристиками матеріалу.

. Розробка критеріїв оцінки пошкодженості та залишкового ресурсу за даними АЕ.

. Дослідження виникнення й розповсюдження хвиль АЕ у процесі накопичення пошкоджень та створення математичної моделі, яка пов'язує акустичні властивості матеріалів з накопиченими пошкодженнями.

. Розробка та експериментальне підтвердження методики прогнозу руйнівного навантаження, основаної на створеній моделі.

. Розробка і впровадження програмного забезпечення та методики АЕ контролю для комплексів безперервного моніторингу промислових підприємств.

Для вирішення зазначених завдань виконані експериментальні дослідження зразків, у тому числі випробування на статичну міцність з реєстрацією АЕ, визначення ударної в'язкості, твердості, АЕ сканування, вимір щільності зважуванням проб у рідині, металографічні дослідження. Експериментальні дані отримані також при короткочасних АЕ випробуваннях промислових об'єктів та під час їх безперервного моніторингу. Теоретична частина роботи включала розробку математичного апарату, створення та програмну реалізацію на комп'ютері математичних моделей, аналітичне та чисельне рішення диференціальних та інтегральних рівнянь.

Наукова новизна:

1. Вперше сформульоване й виконане універсальне рішення задачі прогнозу руйнівного навантаження та залишкового ресурсу за даними АЕ для металевих матеріалів з накопиченими пошкодженнями, основане на математичному моделюванні, у вигляді вектору стану, еталонів АЕ для полів пошкоджень, що розвиваються у різноманітних умовах, та наступному їх розпізнанні шляхом порівняння з реальними АЕ даними.

. Підтверджена провідна роль пор у механізмі виникнення АЕ для пластичних металевих матеріалів на стадіях, що передують виникненню тріщин.

. Встановлена залежність між пошкодженістю матеріалів та зміною структурно-чутливих параметрів, вимірюваних методами АЕ, АЕ сканування, ударної в'язкості, розсіювання твердості та визначення залишкового об’єму порожнин зважуванням у рідині, на основі чого сформульовано узагальнений критерій оцінки пошкодженості DWП = 1- ППОШК / ППЕРВ, де П - структурно-чутливий параметр, індекси "пошк" та "перв" означають відповідно пошкоджений та первинний стан матеріалу.

. Запропоновано критерій оцінки залишкового ресурсу матеріалів з експлуатаційним напрацюванням, оснований на статистичній обробці та побудові логарифмічного тренду для результатів оцінки пошкодженості структурно-чутливими методами металу труб з різних газопроводів України з терміном напрацювання до 50 років.

. Вперше формалізований та успішно застосований об'єктний підхід до розв'язання задачі, що описує виникнення, зростання і взаємодію множинних пор у процесі накопичення пошкоджень під час деформування, а також появу внаслідок цього хвиль АЕ. Це дозволило істотно спростити рішення задачі за рахунок інкапсуляції базової функціональності моделі у об'єктах, що моделюють пори, та забезпечити моделювання розвитку різноманітних полів пошкоджень у рамках того ж самого алгоритму.

. Створена та експериментально підтверджена математична модель, яка пов'язує виникнення АЕ та зміну параметрів акустичних сигналів, що проходять через матеріал, з процесом накопичення пошкоджень, під яким розуміється виникнення, зростання та з'єднання пор у процесі деформування матеріалів. Модель дозволяє описувати розвиток полів пошкоджень для різних випадків просторового розподілу пор у матеріалі, довільних співвідношень їхніх розмірів, при різному напружено-деформованому стані, та створювати на базі цього еталони АЕ для різних випадків розвитку пошкодженості.

. Вдосконалена методика аналітичного розрахунку хвиль АЕ, що виникають від точкового джерела і розповсюджуються у матеріалі, шляхом розбиття сумарної хвилі на елементарні, що складаються за хвильовими числами та комплексними частотами. Отримані характеристики хвиль АЕ для різних умов, що дозволяє оцінювати вплив геометрії об'єктів контролю та параметрів датчиків на результати АЕ випробувань. На підставі отриманих рішень вперше реалізована принципова можливість відновлювати первинні сигнали АЕ за даними вимірювань, що виконуються приладами АЕ контролю.

Достовірність отриманих результатів та висновків. Експериментальні дослідження проведені на стандартизованому обладнанні та апаратурі, яка пройшла метрологічну атестацію. Для встановлення експериментальних залежностей використовували партії з декількох зразків з наступною статистичною обробкою даних. Зроблені у роботі наукові висновки узагальнюють результати експериментальних досліджень, виконаних різними методами, комп'ютерного моделювання та аналітичних розрахунків. Встановлені фізичні залежності носять, як правило, простий функціональний характер та легко простежуються на графіках. Відповідність даних, отриманих різними методами, подана графічно і підтверджується розрахунковими коефіцієнтами кореляції. Запропонована методика прогнозу руйнівного навантаження за даними АЕ перевірена випробуванням великої кількості зразків та конструкцій. Отримані наукові результати та зроблені висновки вкладаються у єдину фізичну картину та не містять протиріч.

Наукове значення роботи. Робота розвиває науковий напрямок АЕ діагностики, у ній створена методика кількісної оцінки пошкодженості та прогнозування ресурсу діючих конструкцій за результатами АЕ вимірів. Оцінка побудована на фундаментальних властивостях АЕ і може бути застосована до багатьох конструкційним матеріалів, різноманітних об'єктів контролю, типів АЕ систем та датчиків. Задача оцінки стану матеріалу у дисертації послідовно поширена на широкий спектр об'єктів - від випробувань зразків до безперервного АЕ моніторингу великих промислових конструкцій та виробничих цехів.

Практична значимість:

1. За участю автора створені державні стандарти України та інші нормативні документи, що регламентують випробування конструкцій методом АЕ.

. Методичні розробки, виконані у дисертації, використані при розробці програмного забезпечення для більш ніж 10 експертних систем технічної діагностики сімейства ЕМА, переданих підприємствам для виконання завдань діагностики та безперервного моніторингу зварних конструкцій.

. Проаналізований стан матеріалу трубопроводу у різноманітних регіонах України з оцінкою їхнього залишкового ресурсу, результати у вигляді звіту з рекомендаціями і карти стану трубопровідного транспорту України передані підприємству Укртрансгаз для практичного використання.

. Для ряду промислових об'єктів оцінений рівень накопичених пошкоджень і виданий прогноз руйнівного навантаження за результатами АЕ випробувань, що стало основою для видачі висновків щодо про їхнього стану.

. Розроблений і застосований для оцінки металу реальних конструкцій метод визначення деградації властивостей матеріалів за результатами акустичного сканування.

. Проведені випробування великого числа зразків та конструкцій, оцінка стану яких виконана з використанням розробок автора та за його участю.

. Для реалізації розроблених моделей створені комп'ютерні програми, що дозволять проводити віртуальний експеримент з накопичення пошкоджень у матеріалах з отриманням змінених акустичних властивостей і виникненням АЕ у широкому діапазоні властивостей матеріалів, полів пошкоджень і граничних умов.

. Прогноз руйнівного навантаження перевірений експериментально, у реальному часі, для широкого класу матеріалів на зразках і діючих конструкціях. Алгоритм прогнозування реалізований у вигляді спеціалізованого програмного забезпечення, його ефективність підтверджена Держспоживстандартом України.

. Наукові результати, отримані автором, знайшли застосування у відділі статичної міцності ІПМіц НАН України ім. Г.С. Писаренка та у відділі технічної діагностики ІЕЗ  ім. Є.О. Патона НАН України.

. Розробки дисертації впроваджені на ряді промислових підприємств України, у тому числі Одеському припортовому заводі, Миколаївському глиноземному заводі, УДП "Укрхімтрансаміак", ЗАТ "ЦКБА".

. Результати проведених досліджень покладено у основу курсу лекцій з АЕ діагностики, що вже більше 10 років викладаються автором для слухачів Держгірпромнагляду України.

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить результати теоретичних експериментальних досліджень та методичних розробок, виконаних особисто автором або за його безпосередньої участі. Розроблені методи прогнозу руйнівного навантаження та ресурсу матеріалів конструкцій на основі АЕ [24, 38, 41, 44, 53]. Запропонований метод оцінки пошкодженості за результатами АЕ сканування [1-6, 10, 12, 14, 24, 27, 31]. Встановлені найбільш інформативні залежності параметрів сигналів АЕ від пошкодженості матеріалу [3, 8, 11, 18, 51, 53]. Розроблена методика вирішення динамічної задачі теорії пружності для хвиль, що утворюються у пластинах за виникнення й розвитку у них внутрішніх дефектів [16, 26, 33, 51]. Розроблені метод і програми для моделювання акустичної емісії [7, 38, 44]. Створені комп'ютерні програми і проведені розрахунки хвильових процесів у деформованому матеріалі [6, 12, 33, 51]. Запропоновані та реалізовані у вигляді методик та комп'ютерних програм технології АЕ випробувань та безперервного моніторингу відповідальних об'єктів промисловості, що впроваджені на підприємствах України  [8, 9, 13, 15, 17, 19, 20, 23, 25, 28-30, 42, 43, 48-50, 52]. Розроблені, погоджені з Держгірпромнаглядом України та введені у практику діагностичного контролю на підприємствах України стандарти та керівні матеріали з застосування методу АЕ [21, 22, 29, 32, 34-37, 39, 40, 45-47].

Апробація результатів роботи. Результати роботи доповідались на міжнародній конференції "Acoustic Emission 99" (Брно, 15-17 червня 1999 р.), Комісії XI "International Institute of Welding" (Флоренція, 9-14 липня, 2000 р.), міжнародній конференції "Joining technologies of dissimilar materials and structural integrity problems of so jointed materials" (Любляна, 12-15 липня 2001 р.), VII міжнародній конференції з неруйнівного контролю (Балатон, 5-6 вересня 2001 р.), 3-й міжнародній конференції "NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components" (14-16 листопада 2001 р., Севілья), міжнародній конференції "Зварювання і споріднені технології" (Київ, 22-26 квітня 2002 р.), науково-технічному семінарі "Прогресивні технології зварювання у промисловості" (Київ, 20-22 травня 2003 г.), міжнародній науково - технічній конференції "Динаміка, міцність та ресурс машин і конструкцій" (Київ, 1-4 листопада 2005 р.), 16-й щорічній міжнародній конференції та виставці "Сучасні засоби та методи неруйнівного контролю та технічної діагностики" (Ялта, 1-5 жовтня 2008 р.), міжнародній конференції "Зварювання та споріднені технології - у третє тисячоліття" (ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України, 24-26 листопада 2008 р.), 6-й Національній науково - технічній конференції UkrNDT - 2009, 9-12 червня 2009 р.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається з вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатку. Загальний об’єм роботи складає 300 сторінок друкованого тексту, включаючи 30 таблиць, 184 малюнки та список використаних літературних джерел з 322 найменувань на 34 сторінках.

Публікації. Загальне число наукових публікацій автора з теми дисертації складає 53, в тому числі 32 публікації у кваліфікаційних виданнях.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У розділі 1 розглянуті завдання, що стоять перед АЕ діагностикою, та сучасний стан робіт у даній області в Україні та за кордоном. Показані наявні проблеми у оцінці стану матеріалу діючих конструкцій та особлива роль методу АЕ у їхньому вирішенні. Сформульовані основні існуючі напрямки наукових досліджень у галузі АЕ:

. Розв'язання задач механіки щодо виникнення і розповсюдження акустичних сигналів від різних типів дефектів.

. Математичне моделювання сигналів АЕ від різних джерел у матеріалах, у тому числі від тріщин, що розвиваються.

. Встановлення функціональної залежності між параметрами АЕ та реальними процесами у матеріалах, що деформуються.

. Опис процесів, пов'язаних з розповсюдженням акустичних сигналів у матеріалах, з використанням статистичних підходів.

. Виявлення дефектів у різних об'єктах, включаючи визначення координат джерела АЕ та його класифікацію.

. Оцінка поточного стану конструкцій за результатами АЕ випробувань.

. Прогнозування працездатності та залишкового ресурсу реальних конструкцій.

Зазначено, що до теперішнього часу методи, які б дозволяли за даними АЕ визначати поточний та прогнозувати майбутній стан матеріалів конструкцій за відсутності тріщин, ще не були створені.

Сформульовані вимоги до апаратного та програмного забезпечення систем АЕ діагностики, проаналізовані найбільш передові розробки у даній області. На підставі зроблених висновків окреслені основні етапи вирішення завдань дисертації та коло потребуючих вирішення методичних питань, таких як модернізація наявного обладнання та апаратури, доопрацювання існуючого та створення нового програмного забезпечення, розроблення методик випробувань та аналітичних досліджень.

У розділі 2 викладені методичні питання дисертації. Основні класи матеріалів, для яких виконували дослідження, включають трубні сталі (20, 09Г2С, 19Г, 17Г1С, 17ХГ1С, 14ХГС, 15ПС), сталі 12ХН3МФА, 15Х2МФА, ВНС25, У8, 65Г, Ст3, 08Х18Н10Т та алюмінієві сплави АМГ6, АМЦН2, АМЦС, Д16Т. Ряд означених металів був досліджений як у вхідному стані, так і після експлуатаційного напрацювання, що дозволило оцінити зміну їх акустичних та фізичних властивостей.

Основним методом проведення досліджень, застосованим у роботі, було статичне навантаження зразків різної конфігурації до руйнування включно з одночасною реєстрацією параметрів АЕ (рис. 1). У випадках, коли вимагалося точно відстежувати стадійність накопичення пошкоджень у матеріалах під час навантаження, застосовували метод повних діаграм деформування. Метод заснований на додаванні у силовий ланцюг системи навантаження додаткових елементів, що підвищують її жорсткість та забезпечують контрольований приріст деформації навіть на стадіях виникнення і зростання тріщини. Аналіз та обробка результатів випробувань повинні були показати, чи існує кореляція АЕ даних з процесом накопичення пошкоджень у матеріалах та чи є можливість оцінити небезпеку накопичених пошкоджень і залишковий ресурс матеріалів з напрацюванням за даними АЕ. Результати підтверджували додатковими експериментальними методами. У якості найбільш важливого з яких запропонований добре відомий, у дослідженнях властивостей матеріалів, метод АЕ сканування (рис. 2), до реалізацій якого можна віднести зокрема ультразвукову дефектоскопію.

Сканування матеріалу проводили акустичними сигналами, що генеруються від зовнішнього джерела, з наступним записом сигналів АЕ апаратурою. Завдаючи (для дільниць матеріалу з різним ступенем накопичених пошкоджень) на вході сигнал з відомими постійними характеристиками, на виході одержують різні сигнали. За зміною параметрів сигналу можна судити про ступінь накопичених у матеріалі пошкоджень, незалежно від причин їх появи.

Під час математичного моделювання на комп'ютері процесів накопичення пошкоджень у матеріалах при їх деформуванні та супутніх змін АЕ у матеріалі, а також його акустичних властивостей, застосували оригінальний підхід, оснований на об'єктному представленні нещільного середовища (рис. 3). Одним з переваг даного підходу є можливість моделювати процес накопичення пошкоджень у їх розвитку, враховуючи складні взаємозв'язки акустичних властивостей матеріалу з виникненням, зростанням і злиттям пор в умовах самих різноманітних полів пошкоджень. 

Розв'язання аналітичних задач у рамках даної роботи робили із застосуванням методу інтегральних перетворень. Системи диференціальних рівнянь, призначених для розрахунку переміщень при аналітичних розрахунках хвильових процесів у матеріалі, складені з використанням теореми розкладу Гельмгольца, що дозволяє представити векторне поле у вигляді суми двох полів - безвихрового та соленоїдального.

Обробку результатів АЕ випробувань проводили за допомогою програмного забезпечення систем АЕ діагностики ЕМА-3, розробленого за участю автора. Для оцінки похибки вимірів був використаний так званий W-критерій, при цьому розрахунки похибок - автоматизовані.

У розділі 3 для встановлення взаємозв'язку АЕ з пошкодженістю матеріалу, накопиченої внаслідок експлуатаційного напрацювання, та оцінки його залишкового ресурсу виконані дослідження конструкційних сталей з різним терміном напрацювання, які представляють магістральні газопроводи різних регіонів України. Результати дослідження АЕ, отримані під час механічних випробувань зразків на статичний розтяг, зіставлені з експериментальними даними, отриманими додатковими методами: АЕ скануванням, визначенням ударної в'язкості, зважуванням у рідині, LM-твердості та металографічним аналізом. У якості матеріалу без пошкоджень  випробувані зразки з тих самих сталей,  вибраних з аварійного запасу. У результаті випробувань встановлені загальні для різних матеріалів закономірності зміни інформативних параметрів АЕ внаслідок експлуатаційного напрацювання. Випробувані сталі можна поділити за АЕ властивостями на матеріали, що у процесі експлуатації стають більш крихкими, внаслідок чого сумарне число подій АЕ (від початку випробування до руйнування) знижується, та на матеріали, що розміцнюються за рахунок накопичення розсіяних пошкоджень, внаслідок чого сумарне число подій АЕ збільшується.

Вплив зварного з'єднання на АЕ властивості матеріалу полягає у збільшенні числа подій АЕ, тим більшому, чим більше об’єм металу, що складає зону термічного впливу (рис. 4). У результаті узагальнення отриманих експериментальних даних сформульована гіпотеза, що у пластичних матеріалах на стадіях деформування, які передують виникненню тріщин, кількість подій та характер АЕ у цілому визначається полем пошкоджень, що склалися у матеріалі, а основною причиною виникнення АЕ є процес динамічного виникнення і злиття пор. Для перевірки даної гіпотези використали АЕ сканування малогабаритних зразків у трьох взаємно-перпендикулярних напрямках, дослідження ударної в'язкості, розсіяння твердості, а також прямий метод зважування проб металу у рідині, оснований на законі Архімеда. Наявність пористої структури у істотно пошкоджених (за даними АЕ та додаткових методів) металів підтверджена металографічними дослідженнями.

Отримані результати показали, що дані декількох інструментальних методів можуть бути успішно використані для визначення пошкодженості досліджених матеріалів, якщо їх узагальнити шляхом використання формального критерію пошкодженості, сформульованого як DWП = 1- ППОШК / ППЕРВ, де П - параметр, що відбиває зміни деякої властивості матеріалу у процесі накопичення пошкоджень, ППОШК, ППЕРВ - значення параметру П відповідно для матеріалу у пошкодженому та первинному стані.

Для результатів АЕ випробувань характерним була відмінність АЕ картини як для випробувань зразків з різних матеріалів, так і для випробувань зразків, вирізаних з сусідніх дільниць, у зв'язку з чим при розрахунку DWАЕ для кожної групи  випробуваних матеріалів (3 зразка у вхідному стані та 3 після експлуатаційного напрацювання) використовували найбільш структурно-чутливий параметр ПАЕ, що являє собою одну з трьох лінійних комбінацій: SA(lnК); SA(К); ). Тут SA - сума амплітуд АЕ подій, Ккоефіцієнт корекції результатів розрахунку за числом подій N (К=aNm), оператор  у декартових координатах визначається за формулою  ). Величини а та m являють собою константи матеріалу, що визначаються експериментально під час випробувань зразків. Розрахунок пошкодженості DWАЕ виконували для трьох перерахованих параметрів за вказаними формулами, після чого вибирали найбільше значення.

Аналіз результатів АЕ сканування малогабаритних зразків дозволив встановити зв'язок зміни параметрів акустичних сигналів, які рухаються крізь матеріал, з об’ємом накопичених пошкоджень, що дозволило сформулювати критерій пошкодженості у вигляді , де індекс "перв" означає матеріал у первинному стані, "пошк" - матеріал з накопиченими пошкодженнями, величина V=A/R має фізичний зміст швидкості зростання амплітуди вихідного сигналу до максимальної величини A за час R.

Під час оцінки пошкодженості за зміною ударної в'язкості DWУВ у якості вхідного значення приймали її величину для матеріалу у стані постачання, у якості пошкодженого - значення після експлуатаційного напрацювання.

Для результатів зважування малих проб у рідині критерій DWР був сформульований як DWР = 1 - (VЗАЛ. МАКС - VЗАЛ ) / VЗАЛ. МАКС, де VЗАЛ - поточний об’єм порожнин, що утворилися, VЗАЛ. МАКС - об’єм порожнин у максимально пошкодженому матеріалі (визначений експериментально на пробах матеріалу зруйнованого трубопроводу після аварії).

При визначенні пошкодженості DWLM методом LM-твердості (розробленим під керівництвом академіка НАНУ А.О. Лебедєва) пошкодженість визначали як коефіцієнт варіації , що показує, наскільки великим є розсіяння величин твердості Hi, що складають розглянуту сукупність з n вимірів, у порівнянні з середнім значенням .

Якщо залежність пошкодженості від напрацювання, отриману кожним з описаних вище методів, апроксимувати експонентною залежністю та побудувати відповідну лінію тренду, отримані у результаті криві не тільки мають загальну тенденцію зміни, але й розміщені достатньо близько (рис. 5). 

Слід відзначити, що найгірший збіг кривої DWР з іншими може бути пояснений малим набором наявних статистичних даних. Однак, порівняння параметру DWР з даними інших методів представляється виправданим з тієї причини, що він прямим чином відображує об’єм накопичених у матеріалі пошкоджень. Середнє арифметичне значення пошкодженості DW для чотирьох інших методів може бути описане рівнянням DW = aebt,  де t - термін експлуатаційного напрацювання, a=0.1352, b=0.0333. Параметром пошкодженості DW можна скористуватися для визначення залишкового ресурсу  випробуваних матеріалів, причомуза даними будь-якого з чотирьох інструментальних методів.

Для цього побудуємо номограму у координатах "Пошкодженість - залишковий ресурс", скористувавшись рівнянням кривої DW і враховуючи, що у точці DW =1 залишковий ресурс повинен приймати значення 0.

Розмістимо дані на номограмі та опишемо їх логарифмічною залежністю, потім екстраполюємо її до значення пошкодженості DW =0. Отримане рівняння відповідної лінії тренду, що має вигляд tЗАЛ =n ln (DW) + m, де tЗАЛ - залишковий ресурс, n = -30.03,          m=- 0.115, може бути використане для визначення залишкового ресурсу досліджених матеріалів за відомою пошкодженістю (рис. 6). Запропонована методика дозволяє узагальнювати результати експериментальних даних, отриманих різними методами. Щоб переконатися у її працездатності, порівняємо залишковий ресурс, отриманий таким чином для результатів АЕ випробувань, АЕ сканування, вимірів ударної в'язкості і розсіяння твердості. Порівняльний аналіз залишкового ресурсу для деяких пар наборів експериментальних даних поданий на рис. 7.

Найбільш важливим результатом виконаних у розділі досліджень слід вважати кореляцію розрахункових значень пошкодженості і залишкового ресурсу, отриманих на підставі даних різних методів - механічних випробувань зразків з записом АЕ, АЕ сканування, ударної в'язкості, LM-твердості, зважування у рідині. Це підтвердило принципову можливість розробки критеріїв оцінки стану матеріалу за даними АЕ у умовах відсутності тріщин.

У розділі 4 виконане детальне експериментальне та теоретичне обґрунтування запропонованого методу кількісної оцінки накопичених у матеріалі пошкоджень за даними АЕ сканування. На базі результатів розділу 3, а також випробувань ряду зразків з модельних матеріалів в умовах рівноважного деформування та при динамічних навантаженнях, підтверджена наявність однакового для різних матеріалів функціонального зв'язку між пошкодженістю та зміною параметрів скануючих сигналів після їх проходження крізь матеріал, що може бути описаний критерієм пошкодженості DWСКАН. Це зробило можливим побудову математичної моделі накопичення пошкоджень, що пов'язує збільшення об’єму пор у матеріалі під час деформування із зміною його акустичних властивостей.

Розроблена аналітична модель проходження хвиль АЕ крізь середовище з поглинанням, базове рівняння для якого у випадку запису навантаження стрижня у вигляді функції f(p) = f0 ((z)) може бути записане як , де Uz - переміщення уздовж осі стрижня 0; С1 - швидкість руху хвилі;    - час руху, a - коефіцієнт поглинання, (z) - функція Дірака). Рішення, отримане після застосування методу інтегральних перетворень у вигляді  , де  , I0 - модифікована функція Беселя нульового порядку, показало якісно тотожний з експериментом результат зміни параметрів АЕ при збільшенні опору середовища, але математичний апарат, що використовували для цього, потребує побудови дуже складних рівнянь при вирішенні більш ємкої задачі щодо виникнення та взаємодії у процесі деформування множинних розсіяних пошкоджень типу пор. Це зробило потрібним пошук принципово нових підходів до пошуку таких рішень.

Саме таким стало використання об'єктного підходу. Була створена та реалізована у вигляді комп'ютерної програми структурна модель накопичення пошкоджень, що пов'язує зміни акустичних властивостей матеріалу з виникненням, зростанням та взаємодією множинних сферичних пор у процесі деформування. Фізична частина моделі враховує, що розмір пор достатньо малий у порівнянні з розмірами зразка, щоб, у відповідності з принципом Сен-Венана, на достатній відстані від пори ефекти, викликані її присутністю, не впливали. Хвиля, що виникла під час сканування зразка, є плоскою та являє собою лінійне переміщення у напрямку продовжної осі. Вплив бокових поверхонь не враховується.

При чисельному рішенні матеріал розбивається на продовжні елементи, поперечні розміри яких повинні бути менш у 5-10 разів від розміру пори. Рух хвилі крізь матеріал представлений у вигляді руху суми її енергетичних складових. Енергію хвилі представимо як інтеграл вигляду  або при чисельному рішенні відповідну суму, де е - енергія елементарної хвилі, відповідна площі f поперечного перетину елементу. Перекриття елементу призводить до повного затухання елементарної хвилі. Енергію сигналу E приймемо пропорційною квадрату амплітуди сигналу A2. Таким чином отримаємо  , , де N - число елементів, i - порядковий номер елементу. Час зростання сигналу до максимуму R являє собою суму часів зростання елементарних хвиль з енергією еi. Кожна пора, яка перекриває шлях елементарній хвилі, подовжує R на одиничну величину. Припускаємо лінійний закон збільшення тривалості R від числа М перекритих елементів.

Зростання об’єму пор відображує S-образну криву накопичення пошкоджень, описану феноменологічною залежністю V = V0+ ne1/n+ m (1-(1+e)1/n ), де V- об’єм накопичених у матеріалі пошкоджень,V0- початковий об’єм пошкоджень, e - деформація, n та m - експериментальні константи. Розподіл пор уздовж зразка визначається нормальним законом. По перетину зразка координати пор підкоряються випадковому закону для гладкого зразка, нормальному закону з різними коефіцієнтами розподілу для зразків з концентраторами.

Перекриття порою i-го елементу призводить до повного затухання i-ї частини енергії сигналу, тобто втрачається ei. Відповідно, амплітуда втрачає, де М - число елементів, перекритих порами. Оскільки процеси, пов'язані з відбиттям сигналів, напряму врахувати складно, у формули для розрахунку параметрів АЕ сигналів після проходження їх крізь матеріал необхідно ввести коефіцієнт Квідб = aКs, де a - експериментальна константа, Кs - коефіцієнт концентрації напружень. Амплітуда скануючого сигналу на виході A = A0 - Квідб A = A0 - aКsA, час зростання сигналу R = R0 + Квідб R = R 0 +a Кs R.

Припускаємо, що після навантаження зразка реалізується нормальний закон розподілу пор по довжині зразка. Х: М(х)=М0+, де безрозмірна величина М0 - первинна рівномірна пористість. Тут Кум = Кум (Ks) - коефіцієнт, що відбиває властивості матеріалу та умови навантаження, xm - середньостатистичний центр розподілу пор, або, інакше, математичне очікування, x - поточна координата, Sx - параметр нормального розподілу.

Відношення N/M загального числа елементів до числа елементів, перекритих порами, однозначно визначає у матеріалі поле, що склалося, пошкоджень. Структурна модель дозволяє визначити момент злиття двох близько розташованих пор у момент досягнення напруженнями в області перетинки між порами межі міцності за допомогою рівняння, що враховує концентрацію напружень, аналогічного формулі Бриджмена, Ks = 1 / 3 + ln(1 + Rmin / 2R1), де Rmin - відстань між порами, R1 - радіус меншої з двох пор.

Проведені чисельні експерименти показали, що можна з досить високою точністю розраховувати реальний об’єм пор V у матеріалі, прийнявши у приведеній вище формулі n = N Vcp, де N - кількість пор у матеріалі, Vcp - об’єм середньостатистичної пори.

 Таким чином, можна вирішувати як пряму, так і зворотну задачі - за заданою пошкодженістю визначати зміну параметрів акустичних сигналів та навпаки. При цьому різні частини моделі взаємно перевіряють одна іншу. 

Модель була також доповнена алгоритмом, який дозволяє розраховувати вплив глибини і конфігурації кутових та радіальних виточок на параметри акустичних сигналів, що розповсюджуються крізь матеріал. З ростом глибини виточки та її загостренням вплив на зменшення амплітуди сигналу та на збільшення часу його зростання до максимуму амплітуди збільшується.

На підставі результатів, отриманих у розділі 4, можна не тільки визначати об’єм накопичених у матеріалі пошкоджень, але й оцінювати характер їхнього розподілу у різних перетинах об'єкту контролю на підставі даних АЕ сканування, якщо є можливість провести декілька вимірів у різних точках об'єкту контролю, у тому числі скануючи у різних напрямках, як це було зроблено з призматичними зразками у розділі 3.

У розділі 5 сформульовані й вирішені задачі щодо виникнення та розповсюдження хвиль АЕ у пластинах з урахуванням впливу обох границь. Показано, які види хвиль вносять найбільш істотний вклад у АЕ, які параметри смуги частот, що реєструються, є найбільш придатними для їхньої реєстрації і як розмір пори, що виникла, пов'язаний з амплітудними характеристиками отриманого АЕ сигналу. Створено універсальний варіант розрахунку, при якому можуть бути отримані рішення хвильових рівнянь з будь-якою комбінацією параметрів пружної хвилі стосовно до хвильової задачі у пластині з мікродефектом, що виникає на будь-якій глибині. Рішення задачі виконане методом інтегральних перетворень, що дозволяє скласти всі рішення, виражені нескінченно малими елементарними хвилями, які задовольняють граничним, початковим та фізичним умовам, та отримати загальну сумарну хвилю, що розповсюджується по пластині.

Подання внутрішнього дефекту у вигляді комбінації d+ - функції дозволяє моделювати початкову пошкодженість матеріалу пластини у вигляді сферичної пори, виникнення або зміна об’єму якої призводить до випромінювання акустичної хвилі.

Рівняння, що описують розповсюдження пружних хвиль у пластині, можна записати у вигляді

де j та y - функції, які визначають переміщення у пластині; t - час; n - коефіцієнт Пуасона; C1, C2 - швидкості розповсюдження продовжної та поперечної хвиль відповідно; Сa, р, a - параметри елементарних хвиль у пакеті, що утворює хвилю (швидкість, частота, хвильове число);

.

Вирішимо рівняння у припущенні, що тіло обмежене з двох сторін та виконані умови z =  rz = 0  при  z = 0; .

При цьому початкові умови задачі визначаються функцією (t - t0), що вказує на те, що при t = t0 виникло, а при t = t0 + 0 зникло джерело випромінювання.

Застосувавши перетворення Лапласа відносно часу t (з параметром p) та перетворення Ганкеля щодо координати r (з параметром a), отримаємо: 

Інтегральне перетворення, виконане над деяким виразом одноразово, будемо позначати однією горизонтальною рискою згори над ним, дворазове - двома рисками.

Швидкості розповсюдження продовжної та поперечної хвиль С1 та С2 є константами матеріалу: , , де E - модуль пружності, n - коефіцієнт поперечної деформації (коефіцієнт Пуасона), r - щільність матеріалу у одиницях системи СІ. Основною особливістю рішення задачі у даній постановці є те, що параметрам перетворення a та р надається фізичний зміст - хвильове число та комплексна кругова частота елементарної хвилі.

Розглянемо спочатку випадок, коли швидкість хвилі у пластинах менша швидкості С2 (хвиля Релея). Рішення задачі будемо шукати у вигляді

де , 

n - коефіцієнт Пуассона, А, В, С - константи, що потребують визначення.

Підставивши значення функцій  у рівняння та вирішивши їх, визначимо переміщення поверхні пластини.

Застосувавши зворотні перетворення Лапласа й Ганкеля до виразу  при z=0, отримаємо:

, де .

Величину переміщень w на поверхні пластини (z=0) визначимо після підстановки значень коефіцієнтів А, В, С у вираз для розрахунку переміщень та інтегрування в означених межах. Значення коефіцієнтів А, В, С отримаємо, вирішуючи систему рівнянь:

Розрахунки показують, що величина переміщень для товстої пластини у напрямку осі r, викликаних дією продовжної хвилі, приблизно у 2 рази менше переміщень, викликаних поперечною хвилею, тому у подальшому їх не враховували.

Рівняння залежності між хвильовим числом  та Сa / С2

  , де , назвемо спектральним, оскільки воно повністю визначає характеристики елементарних складових хвиль, що утворять сумарну хвилю.

Розглянемо тепер випадок, коли швидкість хвилі у пластинах перевищує величину швидкості С2 (хвиля Лемба). Рішення рівнянь для цього випадку запишемо у вигляді:

;

, де n - коефіцієнт Пуассона, А, В, С - константи, які потребують визначення,    

Процес розв'язання рівнянь аналогічний попередньому.

Спектральне рівняння пластини для випадку, коли С  С2 , буде мати вигляд: 

Після виконання зворотного перетворення Ганкеля щодо a та Лапласа, щодо р отримаємо рівняння переміщень поверхні пластини при z=0 з прийнятими початковими умовами: 

Інтегрування отриманих рівнянь переміщень виконується на комп'ютері чисельним методом наступним чином: з спектрального рівняння знаходять значення швидкостей Сi для кожного заданого значення хвильового числа ai. Для вибраного rj будують по осі ai для усіх k порядків коренів Сi сумарне щодо k значення підінтегральної функції. Інтегрують вираз для отриманих значень підінтегральної функції та переходять до наступного значення rj+1. Повторюють вищезазначені дії для всіх значень rj.

Програмування проведене у рамках об'єктно-орієнтованої моделі. Результат розрахунку відображується за допомогою електронних таблиць Microsoft Excel у числовому та графічному вигляді. Процес чисельного рішення рівнянь вимагає великого числа ітерацій, особливо при розрахунках з великою точністю і надзвичайно дрібним кроком розбиття, порядку 0.0001, як по a, так і по r. Час для отримання розрахункових даних, у залежності від діапазону встановлюваних змінних, може займати до декількох годин. Очевидно, що для аналізу параметрів хвиль АЕ у реальному часі на даному етапі розвитку потрібне використання інших алгоритмів, а застосування у такому сенсі розробленої методики - питання майбутнього, що залежить напряму від прогресу обчислювальної техніки.

У результаті розв'язання складених рівнянь отримані спектральні характеристики хвиль АЕ та значення переміщень, викликаних коливаннями пластини, для різних швидкостей та різновидів хвиль (Релея та Лемба). Спектральний склад хвиль та переміщення суттєво залежать від товщини пластини та частотної смуги пропускання датчика АЕ. Розрахунки свідчать про те, що технічне застосування може мати здебільшого аналіз хвиль Лемба, а хвилі Релея у більшості випадків не виявляють істотного впливу на картину АЕ у пластинах. На підставі розробленої методики розрахунку хвиль можна ефективно аналізувати спектр пружних коливань поверхні пластин при створенні методик контролю стану матеріалів методом АЕ. Отримані у розділі результати можуть бути використані для створення методики відновлення вхідного сигналу АЕ за прийнятими датчиком даними.

У розділі 6 розглянуте центральне питання дисертаційної роботи - прогнозування руйнівного навантаження матеріалів за результатами АЕ випробувань. Етапи вирішення задачі прогнозу:

1. Побудова моделі виникнення АЕ у матеріалі внаслідок зростання і злиття пор.

. Уточнення моделі на основі даних аналітичного розрахунку параметрів хвиль.

. Чисельне моделювання АЕ при різноманітних умовах формування пошкоджень.

. Створення бази еталонів АЕ для різноманітних умов формування пошкоджень і при різноманітних рівнях деформації.

. Побудова ітераційного алгоритму розпізнання образу для порівняння реальних даних АЕ з еталонами.

. Визначення ймовірного значення пошкодженості у області джерела АЕ, що зареєструвалося, на основі найбільш відповідного еталону.

. Визначення ймовірного значення навантаження, при якому відбудеться руйнування у області джерела АЕ, що зареєструвалося .

Основна ідея прогнозування - розпізнання під час АЕ випробування поточного значення пошкодженості матеріалу за даними АЕ та наявного навантаження, а після цьоговизначення руйнівного навантаження, відповідного до максимально дозволеної пошкодженості. Розпізнання базується на еталонах АЕ, що відповідають певним полям пошкоджень. Результати, отримані у розділах 3-5, показали, що у якості таких еталонів було б надзвичайно складним використати дані АЕ випробувань зразків або конструкцій, оскільки АЕ визначається полем пошкоджень у матеріалі, та навіть для сусідніх дільниць одного і того ж виробу може бути абсолютно різною. З іншого боку, цілком очевидно, що на практиці штучно створити необхідні поля пошкоджень у зразках або конструкціях на сучасному етапі не є можливим. У зв'язку з цим для створення еталонів використали моделювання АЕ, що викликано різноманітними полями пошкоджень. У результаті отримали еталони АЕ, що є достатньо абстрактними, не прив'язаними до конкретного матеріалу або виду навантаження.

Еталоном є набір станів матеріалу на декількох ітераціях, аж до переходу процесу злиття пор у неконтрольовану стадію, тобто досягнення локального критичного стану матеріалу. Фізична модель АЕ враховує, що амплітуда сигналів АЕ, згідно розрахункам розділу 5, пропорційна об’єму порожнин, що виникли у матеріалі. В якості основи для комп'ютерної моделі акустичної емісії використали модель зростання пор, розглянуту у розділі 4. Алгоритм виникнення, зростання та злиття нещільностей при деформуванні був доповнений новими можливостями для задання параметрів АЕ, що виникає під час деформування. Розглядалися як дискретна, так і безперервна АЕ. У якості джерел дискретної АЕ в модель закладені три основні можливі складові: виникнення нової пори, зростання пори та злиття двох або більше пор з утворенням нового об'єму. Зіставлення експериментальних та модельних даних дозволило визначити, що найбільша відповідність експерименту досягається тоді, коли присутні тільки двоє з чинників - виникнення пор та їхнє злиття. Зроблено великий обсяг чисельних експериментів для отримання еталонних характеристик руйнування при різному розміщенні пор у широкого спектрі умов накопичення пошкоджень. Отримані еталони для дрібних розсіяних пошкоджень, що розташовані на досить великій відстані, як для рівномірно розподілених, так і для розподілених за нормальним законом з різним ступенем концентрації у заданій області елементу матеріалу. Для випадкових розподілів також варіювали співвідношенням мінімальних та максимальних розмірів пор (від 1:1 до 1000:1) при максимальному розмірі пори 1 мм. 

Методика прогнозу руйнівного навантаження побудована на розпізнанні образу з застосуванням так званих "вчителя" та "самонавчання". При розпізнанні у якості класифікаційного признаку використали центр ваги фігури, отриманої шляхом ряду перетворень вектору, складеного з експериментально отриманих даних {t, A, e}пр, де t - час протікання процесу, A - узагальнена характеристика сигналів АЕ, e - приріст деформації відповідно. Названі параметри приведені ("пр") до відносної безрозмірної величини у межах 01. Отримавши із заданим ступенем ймовірності збіг з деяким еталоном за вибраними ознаками, припускають, що у даний момент його локальна деформація у області виникнення АЕ (яка визначає стан матеріалу) відповідає тому відсотку від руйнівної деформації C%, при якому сформований еталон.

Таким чином, для отримання прогнозного руйнівного навантаження слід виконати простий розрахунок Рпрогн=P (eпоточн)/C%=f (Рпоточн)/C%, де Рпрогн - прогнозне руйнівне навантаження, P (eпоточн) - поточне локальне навантаження, зв'язане з поточною локальною деформацією через діаграму деформування, f (Рпоточн) - поточне локальне навантаження, відповідне виміряному навантаженню, перерахованому у локальну деформацію через діаграму деформування. При роботі металу у пружній області вираз спрощується і стає звичайною лінійною залежністю Рпрогн = Рпоточн /C%.

У результаті роботи алгоритму розпізнання на виході одержують інформацію, який відсоток від руйнівної деформації досягнуто. При цьому можна згенерувати відповідне попередження про рівень небезпеки, а також спрогнозувати руйнівне навантаження. Алгоритм прогнозу руйнівних навантажень за даними АЕ формалізований у вигляді спеціалізованого програмного забезпечення для систем технічної діагностики сімейства ЕМА. Випробування зразків, проведені для перевірки дієздатності процедури розпізнання та прогнозу, показали достатньо високу точність запропонованої методики, як і наступна перевірка на конструкціях. У якості рекомендованих похибок оцінки стану матеріалу прийняті наступні: ±15% з імовірністю 95%. Це достатньо висока точність, тим не менше, допускається 5% випадків, у який прогноз буде невірний, коли відхилення прогнозного руйнівного навантаження від істинного перевищить 15%.

 Означена точність підтверджена сертифікатом Держспоживстандарту України, що видається на кожну систему ЕМА-3 після проходження процедури метрології.

Перевірка алгоритмів розпізнання і прогнозу проведена на великому масиві експериментальних даних. Зокрема, ефективність прогнозу показана для всіх випробувань стандартних зразків з трубних сталей, опис яких поданий у розділах 2 і 3. У числі інших отриманий прогноз для зразків, що були виготовлені шляхом зварювання вже зруйнованих зразків з різних сталей по місцю руйнування (табл.. 1). 

Таблиця 1.

Прогноз руйнівного навантаження для серії зварних зразків з різних металів.

Реальне руйнівне навантаження Рреал, кН

Прогнозне руйнівне навантаження Рпр, кН

Відносне відхилення прогнозного руйнівного навантаження від реального , %

34,80

33,54

-3,62

36,60

37,50

2,45

43,60

44,01

0,94

54,70

52,37

-4,2

63,60

63,75

0,23

46,20

46,11

-0,19

18,30

17,91

-2,13

48,10

48,00

-0,2

10,60

12,61

18,9

22,50

21,63

-3,8

13,80

13,35

-3,2

18,50

18,01

-2,64

24,90

25,90

4

18,70

20,93

11,9

15,60

15,75

0,96

При цьому якість шву не контролювали, створюючи додаткові умови "випадковості" руйнівного навантаження, і не була відома марка матеріалу. Стосовно до конструкцій слід відзначити успішне використання прогнозу при випробуваннях труб, що навантажували до руйнування.

У розділі 7 представлене промислове впровадження результатів виконаних у дисертації досліджень. На прикладі випробування барабанів котлів Миколаївського глиноземного заводу (МГЗ) показана ефективність застосування розробленої методики прогнозу для промислових конструкцій. Зокрема, у одному з  випробуваних виробів методом АЕ виявили велику кількість внутрішніх дефектів, що розвиваються. Акустико-емісійна картина для дефектного барабана суттєво відрізняється наявністю дискретної АЕ під час витримок (рис. 15). 

Розрахунок прогнозного руйнівного навантаження показав трикратне зниження фактичної границі міцності матеріалу. Означені результати АЕ випробування барабана котла підтвердили висновок щодо критичного стану матеріалу барабана та необхідність його заміни, попередньо зроблений лабораторією технічної діагностики МГЗ.

З використанням конкретного прикладу АЕ контролю лінії синтезу аміаку Одеського припортового заводу (ОПЗ) у пусконалагоджувальний період обґрунтована важливість переходу від періодичного контролю промислових об'єктів до їх безперервного АЕ моніторингу. Розроблені базові принципи побудови систем безперервного АЕ моніторингу, інтеграції їх у комп'ютерні мережі підприємств та забезпечення їхньої надійної роботи. Показана принципова важливість і практична реалізація у системах безперервного моніторингу ЕМА-3 наступних складових забезпечення надійної роботи: відмовостійкість, керованість, маштабоємність, автономність, віддалений доступ.

Запропонована універсальна система організації зберігання діагностичних даних та їх передачі по комп'ютерних мережах, у тому числі через Інтернет, на основі відкритого стандарту XML. Представлені результати впровадження розробок автора - створені вперше у Україні та діючі з 2002 р. системи безперервного АЕ моніторингу сховищ рідкого аміаку, цехів виробництва аміаку ОПЗ та мостового переходу аміакопроводу через р. Дніпро підприємства Укрхімтрансаміак.

Проведені розрахунки об'єктів контролю на міцність дозволили визначити найбільш напружені дільниці і оптимізувати розстановку датчиків АЕ. Використання стандартних мережевих засобів та протоколів дозволило інтегрувати створені системи ЕМА-3 у внутрішні комп’ютерні мережі підприємств та забезпечити віддалений контроль за ними через мережу Інтернет. Таким чином забезпечено технічний та консультаційний супровід експлуатації систем безперервного моніторингу фахівцями ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України.

Перші ж результати моніторингу дозволили одразу визначити коло небезпечних ділянок об’єктів контролю та визначити ступінь їх небезпеки на теперішній час та майбутнє. Постійно діючі алгоритми прогнозу руйнівного навантаження та залишкового ресурсу, наразі з індикацією поточного ступеню безпеки, наявністю доступу до даних контролю у реальному режимі часу через комп’ютерні мережі, дозволяють забезпечити принципово новий рівень автоматизації та очевидності процесу моніторингу. 

Економічний ефект від впровадження таких систем досягається за рахунок зменшення кількості та тривалості періодів зупинок виробництва для проведення контролю матеріалу стандартними засобами та за рахунок підвищення безпеки експлуатації конструкцій, які контролюються.

У підсумках розділу наведені основні джерела рентабельності безперервного АЕ моніторингу та важливість комплексного вирішення задачі контролю безпеки виробництва на всіх етапах, у відповідності з чим устаткуванню системами безперервного АЕ моніторингу підлягає весь технологічний цикл.

Таким чином, у дисертації послідовно, від досліджень на зразках і математичного моделювання до перевірки на конструкціях та впровадження у промисловість, вирішена актуальна науково-практична задача визначення стану металу діючих конструкцій методом АЕ, а результати розробок впроваджені на виробництві, увійшли до Державних стандартів України, відомчих інструкцій та методичних матеріалів з використання АЕ в умовах хімічної, нафтохімічної, нафтогазотранспортної та нафтогазопереробної галузей промисловості, використовуються під час навчання фахівців з неруйнівного контролю та діагностики методом АЕ.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації поставлена та вирішена не розв’язана до нинішнього часу задача оцінки за даними АЕ пошкодженості матеріалу діючих зварних конструкцій з прогнозуванням руйнівного навантаження та залишкового ресурсу. Розроблені методики випробувань, розрахунків та математичного моделювання дозволили дослідити процес накопичення пошкоджень у металевих матеріалах і встановити пов’язані з ним закономірності виникнення акустичної емісії та зміни акустичних властивостей, що склало основу для визначення поточного стану матеріалу за даними АЕ.

. Отримав подальший розвиток метод АЕ. Встановлена для пластичних матеріалів наявність взаємозв'язку між виникненням і зростанням пор та акустичною емісією забезпечує принципову можливість застосування методу АЕ для оцінки та прогнозування стану металевих матеріалів на ранніх стадіях накопичення пошкоджень, що передують появі тріщин. Показано, що за наявності зварного з'єднання інформативність методу АЕ суттєво зростає, оскільки події АЕ з'являються вже при невеликих навантаженнях, а їх кількість підвищується до 10 разів.

. У результаті комплексного дослідження матеріалу трубопроводів з різним експлуатаційним напрацюванням встановлено, що взаємозв'язок параметрів АЕ та ряду інших характеристик з пошкодженістю матеріалів може бути описаний за допомогою узагальненого критерію DWП = 1- ППОШК / ППЕРВ, де П - структурно-чутливий параметр, індекси "пошк" та "перв" означають відповідно пошкоджений та первинний стан матеріалу. Отримана експонентна залежність пошкодженості досліджених матеріалів від терміну експлуатаційного напрацювання, запропоновані логарифмічна залежність та номограма для визначення залишкового ресурсу за відомою пошкодженістю, встановленою одним з структурно-чутливих методів, що використані в роботі.

. Отримав подальший розвиток метод АЕ сканування. Встановлено, що амплітуда акустичних сигналів, що розповсюджуються крізь матеріал, із зростанням його пошкодженості падає, а час зростання до максимуму збільшується. Це дозволило використати зміну швидкості зростання сигналу у якості характеристики пошкодженості та на цій основі розробити методику кількісної оцінки пошкодженості матеріалів.

5. Побудована та підтверджена експериментально математична модель, яка дозволяє розраховувати вплив глибини і конфігурації кутових та радіальних концентраторів напружень на проходження крізь матеріал акустичних сигналів. Встановлено, що зміна параметрів сигналів пропорційна глибині виточки, а найбільший вплив на зменшення амплітуди сигналу та на збільшення часу його зростання до максимуму амплітуди мають концентратори з найгострішим кутом виточки.

. З застосуванням об’єктного підходу розроблена математична модель, що пов'язує акустичні властивості матеріалу з процесом накопичення пошкоджень, який трактується як виникнення, зростання та взаємодія сферичних пор, з урахуванням впливу об'ємного розподілу пошкоджень та геометрії концентратора на проходження крізь матеріал акустичних сигналів. Модель дозволяє створювати еталони АЕ для різноманітних умов формування пошкодженості у матеріалі.

. Вдосконалена методика аналітичного розрахунку хвиль АЕ, що виникають від точкового джерела, яке знаходиться на будь-якій глибині, та розповсюджуються у матеріалі, шляхом розбиття сумарної хвилі на елементарні, які потім складають за хвильовими числами та комплексними частотами. Виконані розрахунки акустичних хвиль, що виникають та розповсюджуються у стрижневих та плоских елементах конструкцій, показали залежність спектру, форми та амплітуд хвиль від товщини матеріалу. Встановлено, що датчиками АЕ реєструються здебільшого хвилі Лемба, які мають істотно більшу амплітуду у порівнянні з хвилями Релея, а діапазон робочих частот датчиків АЕ суттєво впливає на параметри хвиль, що реєструються. Показано, що частотні характеристики датчиків АЕ, які були використані у даній роботі, є оптимальними з погляду інформативності.

. Вперше розроблений та підтверджений експериментально, у тому числі для матеріалів із зварними з'єднаннями, метод прогнозу руйнівного навантаження, оснований на порівнянні даних реальних АЕ випробувань з еталонами, які отримують за допомогою математичної моделі накопичування пошкоджень, представлених у вигляді вектору стану матеріалу {t, A, e}пр, де t - час протікання процесу, A - узагальнена апаратурно-незалежна характеристика сигналів АЕ, e - деформація, приведені ("пр") до безрозмірних величин у межах 01.

. Розроблені вимоги до приладів АЕ контролю щодо інтерфейсу, стандартизації та уніфікації діагностичних даних, інтеграції у комп’ютерні мережі та відмовостійкості, потрібні для створення систем безперервного АЕ моніторингу потенційно небезпечних об’єктів виробництва з можливістю дистанційного керування ними та організації доступу до діагностичної інформації з комп’ютерних мереж підприємств та Інтернету.

10. Наукові результати, отримані в роботі, знайшли практичне підтвердження при аналізі стану діючих конструкцій, впроваджені та застосовуються у виробничих умовах під час діагностичного контролю та безперервного АЕ моніторингу труб, барабанів котлів (Миколаївський глиноземний завод), посудин тиску, сховищ та обладнання цехів виробництва аміаку (Одеський припортовий завод), на мостових переходах труб аміакопроводу (Укрхімтрансаміак). Розробки автора використані при створенні Державних стандартів України та спеціалізованої нормативної документації з періодичного АЕ контролю та безперервного моніторингу промислових об'єктів, програми підготовки фахівців з АЕ діагностики на курсах Держгірпромнагляду України. Метод прогнозу руйнівного навантаження реалізований у вигляді узагальненого алгоритму оцінки стану конструкцій у складі програмного забезпечення діагностичних АЕ систем ЕМА-3. 

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИССЕРТАЦІЇ

  1.  Недосека С.А., Богинич И.О. Применение аппаратуры "ЕМА" для оценки поврежденности стали 20 акустическим методом // Техн. диагностика и неразруш. контроль.- 1995.-1. - С. 66- 69.
  2.  Модель накопления повреждений в металлических материалах при статическом растяжении / А.А. Лебедев, Н.Г. Чаусов, С.А. Недосека, И.О. Богинич // Пробл. прочности.- 1995.-7. - С. 31 - 40.
  3.  Комплексная оценка поврежденности  материала при пластическом деформировании / А.А.Лебедев,  Н.Г.Чаусов, И.О. Богинич, С.А. Недосека // Пробл. прочности- 1996. -5. - C. 23-30.
  4.  Влияние предварительного циклического нагружения на процесс разрушения образцов из мартенситно-стареющей стали при статическом растяжении / Н.Г.Чаусов, А.А.Лебедев,  И.О. Богинич, С.А. Недосека, А.В. Войналович // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-1996.-3. - С. 32-39.
  5.  Влияние размера зерна на рост поврежденности металла при пластическом деформировании / А.А. Лебедев,  Н.Г. Чаусов, И.О. Богинич, С.А. Недосека // Пробл. прочности- 1997. -5. - C. 5-13.
  6.  Недосека С.А., Бойчук О.И. К математическому моделированию прозвучивания  (акустического сканирования) // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-1997-3.-С.3-11.
  7.  Недосека С.А. Объектный подход к решению задач механики несплошной среды и прогнозированию состояния материалов // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-1998-1.-С.13-21.
  8.  Недосека С.А. Причины возникновения повреждений и остаточный ресурс материала аварийного участка трубопровода ДашаваКиев // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-1998-1.-С.38-50.
  9.  Использование метода акустической эмиссии для экспресс-контроля разрушения бетонов с добавками пластификаторов / Н.Г. Чаусов, С.А. Недосека, И.О. Богинич, А.Я. Недосека, Н.Д. Гах // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-1998.-3.-С. 12-16.
  10.  Damage Estimation for Structural Materials by Acoustic Methods. N.G. Chausov, A.A. Lebedev and S.A. Nedoseka / 1-th International Conference on NDE in relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components. Nethelands, Amsterdam. October 20-22, 1998, pp 35-42.
  11.  Accelerated strength check by the acoustic emission method for concrete with additives N.G. Chausov, S.A. Nedoseka, N.D. Gakh / International Conference "Acoustic Emission 99" Brno, 15-17 June 1999, pp. 51-56.
  12.  Недосека С.А., Бойчук О.И. Постановка и решение динамической задачи вязкоупругости (к математическому моделированию прозвучивания)  // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-1999-1.-С.12-17.
  13.  Paton B.Е., Nedoseka А.J., Lobanov L.M., Nedoseka S.A. About experience of Ukraine in the solution of problems of safety control exploitation of welded structures and preservation of an environment // the Report IIW DOC XI -735on commission XI "International Institute of Welding", July 9-14, 2000, Florence, Italy. - pp. 1268-1274.
  14.  Оценка поврежденности металла действующих газопроводов методом АЭ-сканирования / А.А. Лебедев, А.Я. Недосека, Н.Г. Чаусов, С.А. Недосека // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-2001.-1.-С. 8-12.
  15.  Paton B.Е., Lobanov L.M., Nedoseka А.J., Nedoseka S.A. Technical diagnosticswelded structures prolongation possibility of exploitation estimation // J. of the International Institute of Welding..Vol. 45.pp. 201-205.
  16.  Недосека А.Я., Недосека С.А., Олейник Р.А. Распространение волн акустической эмиссии в пластинах от действия локального источника излучения // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-2001-3.-С.3-10.
  17.  A.Ja. Nedoseka, Sz.A. Nedoseka. Hegesztett szerkezetek diagnosztikaja uzemettetes kozben // VII Letesit Menytechnikai Konferencia, Balatonvilagos, 2001 IX. 5-6.O. 58-64. 
  18.  The Influence of Structural Changes in a Material in the Course of Loading on its Acoustic Properties / N. Chausov, A. Lebedev, S. Nedoseka // 3nd International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components, November 14-16, 2001, Seville Spain. - P. 117.
  19.  О непрерывном мониторинге резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов / Недосека А.Я., Грузд А.А., Яременко М.А., Недосека С.А, // Материалы международной конференции «Сварка и родственные технологии».-26 апреля 2002 г., г. Киев; УИЦ «Наука, техника, технология». - C. 68.
  20.  Контроль текущего состояния металла труб действующих газопроводов. Метод исследования и результаты / А.А. Лебедев, Н.Р. Музыка, Н.Л. Волчек, С.А. Недосека // Пробл. прочности..-2.- с.29-36.
  21.  ДСТУ 4223-2003. Котли, посудини під тиском і трубопроводи. Технічне діагностування. Загальні вимоги. / І.Г. Волошкевич, Е.Ф. Гарф, А.А. Грузд, В.І. Качанов, В.А. Долинський, В.І. Кір’ян, А.О. Лебедєв, Л.М. Лобанов, А.Я. Недосєка, С.А. Недосєка та ін. // Національний стандарт України. -Держспоживстандарт України.-2003.
  22.  ДСТУ 4227-2003. Настанови щодо проведення акустико-емісійного діагностування об’єктів підвищеної небезпеки. / А.Я. Недосєка, О.В. Андрейків, І.Г. Волошкевич, А.А. Грузд, А.О. Лебедєв, Л.М. Лобанов, С.А. Недосєка та ін.  // Національний стандарт України. -Держспоживстандарт України.-2003.
  23.  О непрерывном мониторинге резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов / А.Я. Недосека, А.А. Грузд, М.А. Яременко, С.А. Недосека // Материалы научно-технического семинара «Прогрессивные технологии сварки в промышленности».-22 мая 2003 г., г. Киев; УИЦ «Наука, техника, технология». - C. 85.
  24.  Оценка состояния металла труб после длительной эксплуатации в системе магистральных газопроводов  / А.А. Лебедев, С.А. Недосека, Н.Р. Музыка, Н.Л. Волчек // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-2003.-2.- С. 3-8. 
  25.  Недосека С.А. Контроль линии синтеза аммиака системой АЭ диагностики ЕМА-3У // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-2003.-4.-С.24-28.
  26.  Недосека А.Я., Недосека С.А., Волошкевич И.Г. Волны деформаций, возникающие при локальной перестройке структуры материалов // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-2004.-3.-С. 8-15.
  27.  Чаусов Н.Г., Недосека С.А., Пилипенко А.П. Комплексная оценка поврежденности пластичных материалов при различных режимах нагружения // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-2004.-3.-С. 16-21.
  28.  О непрерывном мониторинге хранилищ жидкого аммиака / А.Я. Недосека, С.А. Недосека, М.А. Яременко, А.А. Елкин, Ю.Ф. Курбатов, А.С. Васильев  // Автомат. сварка.. –№2.- С 10-17.
  29.  Недосека С.А. К стандартизации применения XML (eXtensive Markup Language) в автоматизированных системах АЭ диагностики // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-2005.-2.-С. 9-16.
  30.  Недосека С.А., Недосека А.Я. Диагностические системы семейства «ЕМА». Основные принципы и особенности архитектуры (Обзор) // Техн. диагностика и неразруш. контроль.-2005.-3.-С. 20-26.
  31.  Металофізичні аспекти руйнування реакторної сталі з врахуванням динамічних перевантажень / М.Г. Чаусов, П.В. Ясній, В.Б. Гладьо, С.А. Недосэка, А.П. Пилипенко // Тези доповідей Міжнародної науково-технічної конференції  "Динаміка, міцність та ресурс машин і конструкцій". - Київ.-1-4 листопада, 2005. - С. 14.
  32.  Методика перевірки працездатності перетворювачів сигналів акустичної емісії при температурах до 320 оС / А.А. Грузд, А.Я. Недосєка, С.А. Недосєка, М.А. Овсієнко, Л.Ф. Харченко та ін. // Стандарт технічного комітету України з стандартизації ТКУ 78 "ТДНК". - Київ. - 2005. - 9с.
  33.  Недосека А.Я., Недосека С.А., Волошкевич И.Г. О волнах Рэлея в пластинах ограниченной толщины // Техн. диагностика и неразруш. контроль.. –№ 3.  –С. 3-8.
  34.  Методичні рекомендації з акустико-емісійного діагностування обладнання основних виробництв хімічної, нафтохімічної та нафто газопереробної промисловості. Загальні вимоги / А.Я Недосєка, А.А. Грузд, С.А. Недосєка та ін. // Стандарт технічного комітету України з стандартизації ТКУ 78 "ТДНК". - 2006. -16с.
  35.  Автоматизированная система непрерывного акустико-эмиссионного мониторинга ЕМА-3С на аммиакохранилищах ST Одесского припортового завода. Методика проверки работоспособности / А.А. Грузд, А.Я. Недосєка, С.А. Недосєка, И.Г. Волошкевич и др. // Стандарт технического комитета Украины по стандартизации ТКУ 78 "ТДНК". - Киев. - 2006. - 26с.
  36.  СТП 50.06-2006. Технічна діагностика. Вимоги до підготовки і атестації персоналу з акустико-емісійного контролю та діагностування промислових об’єктів / А.Я. Недосєка, С.А. Недосєка, А.А. Грузд, М.А. Овсієнко, Л.Ф. Харченко та ін. // Стандарт технічного комітету України з стандартизації ТКУ 78 "ТДНК". - Київ. - 2006. - 28с.
  37.  СТП 50.07-2006. Методические рекомендации по акустико-эмиссионному диагностированию оборудования основных производств химической, нефтехимической и нефтегазоперерабатывающей промышленности / А.Я. Недосєка, С.А. Недосєка, А.А. Грузд, М.А. Овсієнко, Л.Ф. Харченко и др. // Стандарт технического комитета Украины по стандартизации ТКУ 78 "ТДНК". - Киев. - 2006. - 42с.
  38.  Недосека С.А. Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии // Техн. диагностика и неразруш. контроль.. –№ 2.  –С. 3-9.
  39.  Инструкция по акустико-эмиссионному мониторингу и диагностированию аммиакохранилищ типа SТ / А.Я. Недосєка, С.А. Недосєка, А.А. Грузд, Б.М. Ободовский, С.А. Кушниренко // Стандарт технического комитета Украины по стандартизации ТКУ 78 "ТДНК". - Киев. - 2007. - 11с.
  40.  СОУ 50.08-2007. Методика акустико-емісійного діагностування осушувачів повітря типу К-12. / А.Я. Недосєка, С.А. Недосєка, А.А. Грузд, М.А. Овсієнко, Л.Ф. Харченко та ін. // Стандарт технічного комітету України з стандартизації ТКУ 78 "ТДНК". - Київ. - 2007. - 12с.
  41.  Недосека А.Я., Недосека С.А. Акустическая эмиссия и ресурс конструкций (Обзор) // Техн. диагностика и неразруш. контроль.. –№ 2.  –С. 3-11.
  42.  Непрерывный АЭ мониторинг оборудования одесского припортового завода. Опыт и перспективы / А.Я. Недосека, С.А. Недосека, М.А. Яременко, А.Ю. Федчун, А.А. Ёлкин, Б.М. Ободовский, С.А. Кушниренко // Сб. докладов 16-й ежегодной международной научно-практической конференции и блиц-выставкиСовременные методы и средства неразрушающего контроля и технической діагностики", г. Ялта. 1октября 2008 г. - С. 76 - 85.
  43.  Об опыте применения АЭ технологии при непрерывном мониторинге оборудования Одесского припортового завода / А.Я. Недосека, С.А. Недосека, М.А. Яременко, А.Ю. Федчун, А.А. Ёлкин, Б.М. Ободовский, С.А. Кушниренко // Техн. диагностика и неразруш. контроль.. –№ 4.  –С. 85-95.
  44.  Недосека С.А. Оценка накопления повреждений и прогноз разрушения по данным АЭ // Материалы междунар. конф. "Сварка и родственные технологиив третье тысячелетие". Ин-т. Электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.24-26 ноября 2008 г. - С. 161.
  45.  Методика обследования трубопроводной арматуры акустико-эмиссионным методом / А.Я. Недосєка, С.А. Недосєка, А.А. Грузд, М.А. Яременко и др. // Стандарт технического комитета Украины по стандартизации ТКУ 78 "ТДНК". - Киев. - 2008. - 16с.
  46.  Методические рекомендации по акустико-эмиссионному диагностированию оборудования производств химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности с использованием аппаратуры ЕМА / А.Я. Недосєка, С.А. Недосєка, А.А. Грузд, М.А. Яременко, Б.М. Ободовский, С.А. Кушниренко // Стандарт технического комитета Украины по стандартизации ТКУ 78 "ТДНК". - Киев. - 2008. - 142с.
  47.  Інструкція експертного обстеження (технічного діагностування) стану металу посудин, що працюють під тиском, при використанні акустико-емісійного методу контролю / А.А. Грузд, А.Я. Недосєка, С.А. Недосєка, М.А. Овсієнко, Л.Ф. Харченко та ін. // Стандарт технічного комітету України з стандартизації ТКУ 78 "ТДНК". - Київ. - 2008. - 36с.
  48.  Исследование АЭ характеристик материалов при высоких температурах. Сообщение 1. Методика / Л.М. Лобанов, А.Я. Недосека, С.А. Недосека, А.А. Грузд, Л.Ф. Харченко // Техн. диагностика и неразруш. контроль.9. –№ 1.  –С. 5-10.
  49.  Недосека А.Я, Недосека С.А. Технология обеспечения безопасной эксплуатации конструкций на основе АЭ // Тез. докладов 6-й Национальной научно - технической конференции UkrNDT - 2009, 9-12 июня 2009 г. - С. 43.
  50.  Особенности функционирования технологических трубопроводов при высоких температурах / А.Я. Недосека, С.А. Недосека, Бойчук О.И. , С.А. Кушниренко, М.А. Яременко, А.Ю. Федчун, А.А. Ёлкин, Б.М. Ободовский // Техн. диагностика и неразруш. контроль.9. –№ 2.  –С. 5-10. 
  51.  Недосека А.Я., Недосека С.А. Акустическая эмиссия и квантовый характер разрушения материалов // Техн. диагностика и неразруш. контроль.9. –№ 3.  –С. 11-17.
  52.  Исследование АЭ характеристик материалов при высоких температурах. Сообщение 2. / Л.М. Лобанов, А.Я. Недосека, С.А. Недосека, А.К. Царюк, А.А. Грузд, Л.Ф. Харченко, М.А. Яременко // Техн. диагностика и неразруш. контроль.9. –№ 4.  –С. 5-13. 
  53.  Недосека С.А., Недосека А.Я. Комплексная оценка поврежденности и остаточного ресурса металлов с эксплуатационной наработкой // Техн. диагностика и неразруш. контроль.. –№ 1.  –С. 9-16.

АНОТАЦІЯ

Недосєка С.А. Діагностика і прогнозування ресурсу зварних конструкцій методом акустичної емісії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.10 - "Діагностика матеріалів і конструкцій". Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, Київ, 2010 р.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми оцінки фактичного стану зварних конструкцій з накопиченими пошкодженнями та розробці методів акустико-емісійної діагностики й моніторингу, що мають метою завчасно, на основі прогнозування руйнівного навантаження та залишкового ресурсу, виявити небезпеку виникнення тріщин та не припустити руйнування. 

На основі комплексного дослідження процесу накопичення пошкоджень у матеріалах в процесі деформування та експлуатаційного напрацювання виявлені загальні закономірності зміни ряду структурно-чутливих параметрів, у тому числі кількості подій АЭ, амплітуд та часу зростання сигналів АЕ до максимуму у залежності від формування пошкодженості, що дозволило сформулювати критерії оцінки пошкодженості та залишкового ресурсу матеріалів за даними АЕ. 

Показано, що у пластичних матеріалах існує кореляційний зв'язок між виникненням і зростанням пор та акустичною емісією, що забезпечує принципову можливість застосування методу АЭ для оцінки та прогнозування стану металевих матеріалів на ранніх стадіях накопичення пошкоджень, що передують появі тріщин. Розроблена математична модель, що пов'язує АЕ та акустичні властивості матеріалу з процесом накопичення пошкоджень, з урахуванням впливу об'ємного розподілу пошкоджень та геометрії концентратора на проходження крізь матеріал акустичних сигналів. Модель дозволяє створювати еталони АЭ для різноманітних умов формування пошкодженості у матеріалі. 

Вдосконалена методика аналітичного розрахунку хвиль АЕ, які виникають і розповсюджуються у матеріалі, шляхом розбиття сумарної хвилі на елементарні, які потім складають за хвильовими числами та комплексними частотами. Виконані розрахунки акустичних хвиль, що виникають і розповсюджуються у стрижневих та плоских елементах конструкцій, показали залежність спектру, форми і амплітуд хвиль від товщини матеріалу. 

Розроблений та підтверджений експериментально метод прогнозу руйнівного навантаження, оснований на порівнянні даних реальних АЕ випробувань з еталонами, які отримують за допомогою математичної моделі накопичення пошкоджень, представлених у вигляді вектору стану матеріалу. Ефективність методу прогнозування підтверджена численними експериментами на зразках та конструкціях, зокрема для серії сталевих зварних зразків, марка матеріалу та характеристики міцності яких були заздалегідь невідомі.

Наукові результати, отримані у роботі, підтверджені на практиці при аналізі стану діючих конструкцій, впроваджені та застосовуються в виробничих умовах під час діагностичного контролю та безперервного АЕ моніторингу труб, барабанів котлів, судин тиску, сховищ та обладнання цехів виробництва аміаку, на мостових переходах труб аміакопроводу.

Ключові слова: акустична емісія, пошкодженість, АЕ сканування, прогноз, руйнівне навантаження, залишковий ресурс, моніторинг.

АННОТАЦИЯ

Недосека С.А. Диагностика и прогнозирование ресурса сварных конструкций методом акустической эмиссии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.10 - "Диагностика материалов и конструкций". Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2010 г.

Диссертация посвящена решению проблемы оценки фактического состояния сварных конструкций с накопленными повреждениями и разработке методов акустико-эмиссионной диагностики и мониторинга, имеющих целью заблаговременно, на основе прогнозирования разрушающей нагрузки и остаточного ресурса, выявить опасность возникновения трещин и не допустить разрушения.

Метод акустической эмиссии является одним из наиболее эффективных неразрушающих методов контроля состояния конструкций и имеет ряд серьезных преимуществ при его использовании в промышленных условиях. Это стало причиной выбора метода АЭ в качестве предмета научных исследований и разработки на его основе новых методов оценки состояния материалов, выполненных в диссертации.

Для решения задач диссертации были объединены современные подходы в таких научных направлениях как континуальная механика, акустика и математическое моделирование. Результаты исследования АЭ, полученные при механических испытаниях образцов на статическое растяжение, сопоставлены с экспериментальными данными, полученными дополнительными методами: АЭ сканированием, определением ударной вязкости, взвешиванием в жидкости, LM-твердости и металлографическим анализом. Показано, что влияние сварного соединения на АЭ свойства материала состоит в  увеличении числа событий АЭ с увеличением объема металла, составляющего зону термического влияния. 

На основе комплексного исследования процесса накопления повреждений в материалах в процессе деформирования и эксплуатационной наработки выявлены общие закономерности изменения ряда структурно-чувствительных параметров, в том числе количества событий АЭ, амплитуд и времени нарастания сигналов АЭ до максимума в зависимости от формирования поврежденности, что позволило сформулировать критерии оценки поврежденности и остаточного ресурса материалов по данным АЭ. Показано, что в пластичных материалах существует корреляционная связь между возникновением и ростом пор и акустической эмиссией, что обеспечивает принципиальную возможность применения метода АЭ для оценки и прогнозирования состояния металлических материалов на ранних стадиях накопления повреждений, предшествующих появлению трещин. 

Формализован и применен объектный подход к решению задачи, описывающей возникновение, рост и взаимодействие множественных пор в процессе накопления повреждений при деформировании, а также возникновение вследствие этого волн АЭ. Это позволило существенно упростить решение задачи за счет инкапсуляции базовой функциональности модели в объектах, моделирующих поры, и обеспечить в рамках того же самого алгоритма моделирование возникновения и развития разнообразных полей повреждений в разных условиях с учетом влияния концентрации напряжений.

Разработана математическая модель, связывающая АЭ и акустические свойства материала с процессом накопления повреждений, трактуемого как возникновение, рост и взаимодействие сферических пор с учетом влияния объемного распределения повреждений и геометрии концентратора на прохождение через материал акустических сигналов. Модель позволяет создавать эталоны АЭ для различных условий формирования поврежденности в материале. Усовершенствована методика аналитического расчета возникающих и распространяющихся в материале волн АЭ путем разбиения суммарной волны на элементарные составляющие по волновым числам и комплексным частотам. Выполненные расчеты возникающих и распространяющихся в стержневых и плоских элементах конструкций акустических волн показали зависимость спектра, формы и амплитуд волн от толщины материала.  Разработан и подтвержден экспериментально метод прогноза разрушающей нагрузки, основанный на сравнении данных реальных АЭ испытаний с эталонами, получаемыми при помощи математической модели накопления повреждений, представленных в виде вектора состояния материала.

Научные результаты, полученные в работе, подтверждены на практике при анализе состояния действующих конструкций, внедрены и применяются в производственных условиях при диагностическом контроле и непрерывном АЭ мониторинге труб, барабанов котлов, сосудов давления, хранилищ и оборудования цехов производства аммиака, на мостовых переходах труб аммиакопровода.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, поврежденность, АЭ сканирование, прогноз, разрушающая нагрузка, остаточный ресурс, мониторинг.

ABSTRACT

Nedoseka S.A. Diagnostics and forecasting for resource of welded structures by acoustic emission method. - The Manuscript.

The dissertation of Dr. Tech. Sci. scientific degree on a specialty 

05.02.10 - "Diagnostics of materials and structures". E.O. Paton Electric Welding Institute, NAS of Ukraine, Kiev, 2010.

The dissertation is devoted to decision of condition estimation for welded structures with the cumulated damages actual problem and methods for acoustic-emission diagnostics and monitoring development, with the purpose, on the basis of forecasting the ultimate loading and a residual resource, to define the danger of cracks occurrence and to prevent destruction.

On the basis of complex research of damages accumulation process in materials during deformation and operating time the common laws for some structural-sensitive parameters change, including amounts of AE events, amplitudes and the time of AE signals up to a maximum increase are revealed depending on damage formation, that has allowed to formulate the criteria of damage and residual resource estimation for materials by AE data. It is shown, there is a correlation in plastic materials between voids occurrence, connection and growth and acoustic emission that provides a basic opportunity of AE method application for estimation and forecasting of metal materials condition at early damages accumulation stages previous to occurrence of cracks. The mathematical model connecting AE and acoustic properties of a material with the process of damages accumulation, developed as spherical voids occurrence, growth and interaction is developed in view of damages volumetric distribution and concentrator geometry influence on acoustic signals passage through material. The model allows creating AE templates for various conditions of damage formation in a material. The technique of analytical calculation of AE waves arising and moving in material is advanced by splitting a total wave into elementary components on wave numbers and complex frequencies. The executed calculations of acoustic waves arising and extending in rod and flat elements of structures have shown dependence of a spectrum, the form and amplitudes of waves on thickness of material. The method of the ultimate loading forecast, based on given real AE tests comparison with the templates received by mathematical model of damages accumulation, submitted as a vector of material condition is developed and confirmed experimentally.

The scientific results of work has the practical acknowledgement at the analysis of working structures condition, are introduced and applied under production conditions at diagnostic check and continuous АE monitoring of pipes, boilers, pressure vessels, ammonia storehouses manufacture equipment, on bridge transitions of ammonia pipes.

Key words: acoustic emission, damage, AE scanning, forecast, ultimate load, residual resource, monitoring.

Підп. до друку  14.04.2010 р. Формат 60х84/16. Пап.офс.1. Офс.друк.

Ум.друк.арк.1,9. Ум. фарбо-відб.1,38. Тираж 140 прим. Зам.1-71      

ПОД ІЕЗ ім. Є.О. Патона. 03680, Київ-150,МПС, вул. Антоновича, 69

?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

15103. ХІХ ғасырдағы Қазақ әдебиеті және оның зерттелуі 63 KB
  ХІХ ғасырдағы қазақ әдебиетінің тарихы зерттелуі. Қазақ әдебиеті тарихының төртінші томында ХІХ ғасырдың бірінші жартысындағы әдеби процестерге талдау жасалға ал бесінші томы осы ғасырдығ ІІ жартысына арналады. Сол кезеңдегі әдебиеттің даму ерекшеліктері сарапт
15104. ХХ ғасырдың ұлы жырауы 79 KB
  ХХ ғасырдың ұлы жырауы Жүз жыл өмірінің сексен бесін өлеңмен өткізген Жәкең – екі ғасырдың куәсі ғана болған жоқ. Оның жүз жылғы өмірі шындап келгенде екі ғасырға тең еді. Өйткені Жамбыл тарихта сирек кездесетін мүлде қарамақарсы екі заманды көрді қайшылыққа толы ...
15105. Ш. Мұртаза әңгімелеріндегі диалогтің кейіпкер мінезін ашу, образ жасаудағы рөлі 63.5 KB
  УДК. ӘОЖ 82 091 574 Т 50 ШЕРХАН МҰРТАЗА ӘҢГІМЕЛЕРІНДЕГІ ДИАЛОГТЫҢ КЕЙІПКЕР МІНЕЗІН АШУ ОБРАЗ ЖАСАУДАҒЫ РӨЛІ А. Тойшыбекова Тараз мемлекеттік педагогикалық инситуты Тараз қ. Шерхан Мұртазаның қаламгер болып қалыптасуына баспасөзде жұмыс жасаға...
15106. Шәді ақынның діни тақырыптағы дастандары 46.5 KB
  ШЄДІ АЌЫННЫЊ ДІНИ ТАЌЫРЫПТАЃЫ ДАСТАНДАРЫ Д. Сейітмратова А. Мќашева Тараз мемлекеттік педагогикалыќ институты Тараз қ. Қазақ елініњ оқу мен өнерді үйренуініњ аса қажет екенін насихаттап халық тарихына елжұ...
15108. Шәкәрім А.С.Пушкиннің Дубровский шығармасын қалай аударған еді 66 KB
  Шәкәрім А.С.Пушкиннің €œДубровский€ шығармасын қалай аударған еді Задан ЖҰМАҒАЛИ филология ғылымдарының докторы профессор. Абайдың тікелей қатысумен бірсыпыра деңгейге көтеріліп қалған қазақорыс әдеби байланысының одан әрмен дамуына зор үлес қосқан алаш ар
15109. Шәкәрім қажы мен голландық Альвин Бимбоэс 50 KB
  Шәкәрім қажы мен голландық Альвин Бимбоэс ...Жауыннан соң байтақ даладан жамырай бері жүгіретін сансыз жылғалар Есіл өзенін жаз бойы әлдерінше молықтырып жатады. Ақмоланың көшелерінен көтерілетін шаңнан тұншыққан жұрттың еркін тыныстайтын жері де осы маң. Үнемі үс
15110. Шәкәрім Құдайбердиевтің Ләйлі-Мәжнүн дастаны 48.5 KB
  ӘОЖ 577.4 Ш. ҚҰДАЙБЕРДИЕВТІҢ ЛӘЙЛІМӘЖНҮН ДАСТАНЫ – НӘЗИРА ҮЛГІСІНДЕ ЖАЗЫЛҒАН ТӨЛ ШЫҒАРМАСЫ Г.С.Тәженова М.И. Ревшенова Тараз мемлекеттік педагогикалық институтыТараз қ. ХХ ғасырдың басындағы көркем аударма саласына көп еңбегі сіңген ақын жазуш