Способ мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия

Авторы патента:

G01N29/14 - с использованием акустической эмиссии (G01N 29/06 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2649081:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) (RU)

Использование: для мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют акустико-эмиссионный (АЭ) контроль с использованием локационных групп преобразователей активной эмиссии, предусилителей и системы сбора-обработки регистрируемых массивов импульсов активной эмиссии, при этом в режиме реального времени осуществляют градацию массивов импульсов активной эмиссии по уровню относительной энергии и усредненной частоте выбросов, формируют нижний, средний и верхний кластеры в поле указанных параметров, и вычисляют процентное содержание импульсов в каждом кластере, отражающее микро-, мезо- и макроструктурные разрушения материала, причем в качестве информативных и устойчивых акустико-эмиссионных параметров для кластерного разделения сигналов используют показатель относительной энергии импульса, измеряемого в децибелах и соответствующего количеству выбросов в единицах, по которым при сопоставлении с результатами тестовых испытаний материала на разрушение определяют степень деградации и остаточной прочности изделия в зоне акустико-эмиссионного контроля, причем границы формируемых кластеров устанавливают по результатам предварительного тестирования материала изделия исходя из природы источников излучения импульсов и используемого уровня порога дискриминации сигналов. Технический результат: обеспечение возможности в процессе акустико-эмиссионной диагностики изделия осуществлять мониторинг степени деградации структуры материала и определять остаточную прочность изделия в зоне АЭ контроля без привлечения других методов технической диагностики и неразрушающего контроля.

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля материалов и изделий по условиям прочности, и предназначено для мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия в зоне проведения акустико-эмиссионного контроля.

Для оценки степени деградации материала и определения остаточной прочности используют как неразрушающие [1-5], так и разрушающие способы диагностики состояния материала в объектах исследования [6], когда из изделия вырезается образец свидетель, испытание которого на разрушение позволяет установить степень деградации материала и остаточную прочность изделия. При этом для повышения достоверности определения остаточной прочности образцов свидетелей наряду с исследованием механических свойств изучается химический состав и микроструктура шлифов материала [7-8].

Для непрерывного или периодического мониторинга состояния деградации материала диагностируемых объектов применяют активные и пассивные экспресс-методы [1, 2]. Пассивные физические методы неразрушающего контроля используют в качестве информативных параметров собственную (внутреннюю) энергию материала объекта контроля. При этом в процессе сканирования объекта контроля дефект сам проявляет себя, излучая физические поля (акустическая эмиссия, экзо-электронная эмиссия, тепловое излучение, и др.).

При использовании активных методов неразрушающего контроля объект исследования подвергается энергии внешнего воздействия и о состоянии материала судят по явлениям, происходящим при отражении, прохождении или рассеянии этой энергии, что свойственно радиационному, вихретоковому, магнитному, ультразвуковому видам неразрушающего контроля.

Для повышения достоверности результатов исследования используют многоуровневую комплексную диагностику и комбинирование методов неразрушающего контроля [9-10]. Так, например, для оценки степени повреждаемости металлических материалов применяется метод кинетической твердости в сочетании с акустико-эмиссионной диагностикой [5]. Использование метода кинетической твердости позволяет получать основные характеристики прочностных свойств металла без разрушения конструкции, а акустическая эмиссия дает возможность оценить эволюцию коллективных дислокационных взаимодействий при пластической деформации и процессы, происходящие в металле при зарождении и распространении трещин.

Большинство применяемых активных и пассивных методов неразрушающего контроля не позволяет проводить непрерывный мониторинг степени деградации материала и определять остаточную прочность изделия в режиме текущего времени. К тому же измерение контролируемых параметров или процессов, диагностическими методами имеет не интегральный, а локальный характер. При этом замеры в одной контрольной зоне при переходе от точки к точке могут давать значительное расхождение регистрируемых параметров, что существенно усложняет оценку степени деградации материала и определение остаточной прочности изделия. Многие диагностические методы, такие как магнитные, не являются универсальными и могут быть использованы применительно лишь к определенным типам материалов (например, к конструкционным сталям, обладающим магнитными свойствами).

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ распознавания источников сигналов акустической эмиссии, возникающих при деградации материала, образовании трещин и разрушении конструкции - патент РФ №2569078, 2015 г., МПК G01N 29/14. При проведении акустико-эмиссионной диагностики объектов контроля для идентификации регистрируемых импульсов, возникающих при деградации материала, образовании трещин и разрушении конструкции, использован алгоритм их распознавания по форме затухающей волны [11].

Целью предлагаемого технического решения является разработка способа, позволяющего в процессе акустико-эмиссионной диагностики изделия, осуществлять мониторинг степени деградации структуры материала и определять остаточную прочность изделия в зоне акустико-эмиссионного контроля без привлечения других методов технической диагностики и неразрушающего контроля.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в процессе акустико-эмиссионной диагностики изделия в режиме реального времени осуществляют градацию регистрируемых локационных импульсов по уровню относительной энергии и усредненной частоте выбросов, формируют нижний, средний и верхний кластеры в поле указанных параметров, и вычисляют процентное содержание импульсов в каждом кластере, отражающее микро-, мезо- и макроструктурные разрушения материала, по которым при сопоставлении с результатами тестовых испытаний материала на разрушение, определяют степень деградации и остаточной прочности изделия в зоне акустико-эмиссионного контроля, при этом границы формируемых кластеров устанавливают по результатам предварительного тестирования материала изделия исходя из природы источников излучения импульсов, и используемого уровня порога дискриминации сигналов.

В качестве существенных признаков, наиболее информативных и устойчивых акустико-эмиссионных параметров для кластерного разделения сигналов, использована относительная энергия импульса, измеряемая в децибелах и соответствующая количеству выбросов в единицах:

Е_И=N_И/t_И, где:

Е_И - относительная энергия импульса, дБ,

N_И - количество выбросов в единицах,

t_И - длительность импульса, мкс.

При осуществлении заявляемого технического решения поставленная задача осуществляется с помощью диаграммы параметров, включающей относительную энергию импульсов и усредненную частоту выбросов, в поле которых регистрируемые импульсы формируют кластеры с низким, средним и высоким уровнем энергии, отражающим, происходящие микро-, мезо- и макроструктурные разрушения материала. Для классификации регистрируемых сигналов активной эмиссии в поле этих параметров специально разработан программный продукт, позволяющий в режиме реального времени регистрировать динамику процентного распределения импульсов в нижнем (W_H), среднем (W_C) и верхнем (W_B) кластерах, и вычислять их процентное содержание, отражающее происходящие микро, мезо и макроструктурные разрушения в процессе нагружения изделия:

где W_H, W_C, W_B - количество импульсов, формирующих нижний, средний и верхний кластеры, соответственно,

N_H, N_C, N_B и N_Σ - количество зарегистрированных импульсов активной эмиссии в каждом кластере и суммарное их количество.

Перед проведением мониторинга объектов испытаний выполняют тестовые испытания образцов материала изделия на заданные виды нагружения, определяя требуемые механические и акустические свойства, а также параметры регистрируемых импульсов при заданных уровнях порога дискриминации, диагностируя при этом природу источников их излучения.

Технико-экономическая эффективность изобретения следует из технического результата, получаемого при осуществлении изобретения, т.е. мониторинга степени деградации структуры материала и остаточной прочности изделия в процессе его нагружения, а следовательно, предотвращения разрушения объектов контроля в зоне активной эмиссии контроля.

Демонстрации и технические результаты, получаемые в случае реализации этого способа, представлены в Приложении 1.

Литература

1. ГОСТ Р 53006-2008. Оценка ресурса потенциально опасных объектов на основе экспресс-методов. Общие требования.

2. ГОСТ Р 56542-2015. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. - М.:ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2015. - 15 с.

3. Дубов А.А. Способ определения предельного состояния металла и оценки ресурса оборудования по магнитным диагностическим параметрам // Контроль. Диагностика, №5, 2003.

4. Генералов А.С., Мурашов В.В., Далин М.А., Бойчук А.С. Диагностика полимерных композитов ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Авиационные материалы и технологии. М.: ВИАМ, 2012, №1, с. 42-47.

5. А.Г. Пенкин, В.Ф. Терентъев, М.Б. Бакиров. Оценка степени повреждаемости конструкционных сталей при статическом и циклическом деформировании с использованием методов акустической эмиссии и кинетической твердости. // Деформация и разрушение материалов, №2. 2005. 15-19.

6. А.С. СССР №1357777 A1 (51) 4. СПОСОБ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛИ ПОСЛЕ НАРАБОТКИ. /Н.Г. Бычков, А.Н. Петухов и И.В. Пучков / кл. G01N 3/32. 07.12.1987. Бюл. №45 (72).

7. РД 03-421-01 Методические указания по проведению диагностирования технического состояния и определению остаточного срока службы сосудов и аппаратов. - М.: Государственное унитарное предприятие «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2002, - 136 с.

8. РД 26.260.004-91. Прогнозирование остаточного ресурса оборудования по изменению параметров его технического состояния при эксплуатации. - М.: Концерн Химнефтемаш, 1991. - 96 с.

9. Махутов Н.А., Фомин А.В., Иванов В.И., Перьмяков В.Н., Васильев И.Е. Комплексная диагностика предельных состояний и раннего предупреждения аварийных состояний конструкций. // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2013, №2, с. 46-51.

10. Патент №2403564 РФ: МПК G01N 29/14. Устройство для диагностики предельного состояния и раннего предупреждения об опасности разрушения материалов и изделий/ Васильев И.Е., Иванов В.И., Махутов Н.А., Ушаков Б.Н.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, №2009100183/28, заявл. 11.01.09, опубл. 10.11.10. Бюл. №31.

Способ мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия, включающий акустико-эмиссионный контроль, с использованием локационных групп преобразователей активной эмиссии, предусилителей и системы сбора - обработки регистрируемых массивов импульсов активной эмиссии, отличающийся тем, что в режиме реального времени осуществляют градацию массивов импульсов активной эмиссии по уровню относительной энергии и усредненной частоте выбросов, формируют нижний, средний и верхний кластеры в поле указанных параметров, и вычисляют процентное содержание импульсов в каждом кластере, отражающее микро-, мезо- и макроструктурные разрушения материала, при этом в качестве информативных и устойчивых акустико-эмиссионных параметров для кластерного разделения сигналов используют показатель относительной энергии импульса, измеряемого в децибелах и соответствующего количеству выбросов в единицах Е_И=N_И/t_И, где:

Е_И- относительная энергия импульса, дБ.,

N_И - количество выбросов в единицах,

t_И - длительность импульса, мкс,

и по которым при сопоставлении с результатами тестовых испытаний материала на разрушение определяют степень деградации и остаточной прочности изделия в зоне акустико-эмиссионного контроля, причем границы формируемых кластеров устанавливают по результатам предварительного тестирования материала изделия исходя из природы источников излучения импульсов и используемого уровня порога дискриминации сигналов.

Использование: для обнаружения и регистрации в электропроводящих изделиях усталостных поверхностных трещин с использованием метода акустической эмиссии (АЭ). Сущность изобретения заключается в том, что инициируют акустическую эмиссию в контролируемом изделии путем его нагружения, выполняют регистрацию и обработку сигналов акустической эмиссии, при этом осуществляют сканирование изделия линейным индуктором, через который пропускают импульсный электрический ток плотностью, обеспечивающей отсутствие нагревания индуктора и достаточной для инициирования сигнала акустической эмиссии, при этом линейный индуктор жестко связан с пьезопреобразователем датчика акустической эмиссии на расстоянии не более диаметра пьезопреобразователя.

Способ определения координат источников сигналов акустической эмиссии // 2633002

Использование: для неразрушающего контроля металлических конструкций с использованием метода акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют установку акустических преобразователей на конструкцию с образованием пьезоантенны и акустического преобразователя имитатора в зону, ограниченную пьезоантенной, выполняют калибровку конструкции, определяют скорость распространения сигналов акустической эмиссии на конструкции и определяют минимальную длительность двух временных «окон» по минимальному разбросу времен прихода и разности их времен прихода на акустические преобразователи, при этом времена прихода сигналов акустической эмиссии на датчики пьезоантенны определяются по максимальному значению отношения энергии сигнала во втором временном «окне» к энергии сигнала в первом временном «окне» и вычислению по ним координат дефектов.

Способ проведения грузовых испытаний транспортно-установочного оборудования ракетно-космических и ракетных комплексов // 2625634

Использование: для проведения грузовых испытаний транспортно-установочного оборудования ракетно-космических и ракетных комплексов (ТУО). Сущность изобретения заключается в том, что на поверхность объекта устанавливают преобразователи акустической эмиссии (АЭ), объект нагружают пробной нагрузкой и одновременно производят регистрацию сигналов АЭ, классифицируют источники сигналов АЭ по степени опасности, при этом нагружение производят путем установки грузомакета фиксированной массы, подъема стрелы с установленным грузомакетом по специальной программе, позволяющей обнаружить опасные скрытые дефекты на этапах наиболее неблагоприятного сочетания действующих нагрузок и разработанной таким образом, чтобы суммарное время периода нагружения и периода регистрации сигналов АЭ не превышало длительность серии сигналов АЭ, сопровождающих развитие трещины; длительность серии сигналов АЭ предварительно определяют при разрушении образцов, изготовленных из материала, идентичного по химическому, фазовому и структурному составу материалу объекта, и толщиной, равной толщине стенок металлоконструкций объекта.

Способ определения зон накопления структурных повреждений металлоконструкций при эксплуатации // 2619140

Использование: для определения зон накопления структурных повреждений металлоконструкций при эксплуатации. Сущность изобретения заключается в том, что производят нагружение различных участков изделий индентором, регистрацию сигналов акустической эмиссии в процессе нагружения и по интервалу времени между началом индентирования и началом регистрации сигналов акустической эмиссии судят о степени накопления структурных повреждений металла на этих участках.

Акустико-эмиссионный способ раннего выявления повреждений в деформируемых алюминиевых сплавах // 2618760

Использование: для диагностики механических неустойчивостей и раннего предупреждения об опасности разрушения изделий и конструкций из алюминиевых сплавов, демонстрирующих полосообразование и прерывистую деформацию.

Способ оценки прочности элементов сварного корпуса подводного аппарата // 2617195

Использование: для оценки прочности элементов сварного корпуса подводных аппаратов сферической и кольцевой формы на основании акустического метода неразрушающего контроля.

Способ низкотемпературного локального нагружения объекта при акустико-эмиссионном методе неразрушающего контроля // 2614190

Использование: для неразрушающего контроля изделий. Сущность изобретения заключается в том, что создают локальное напряженно-деформированное состояние в конструкции путем охлаждения поверхности контролируемой зоны.

Система и способ контроля состояния лопаток статора // 2612999

Использование: для контроля состояния множества лопаток статора. Сущность изобретения заключается в том, что система содержит множество датчиков, выполненных с возможностью генерации сигналов акустической эмиссии (АЭ), которые представляют собой волны акустической эмиссии, распространяющиеся через множество лопаток статора.

Способ частотного преобразования сигналов акустической эмиссии // 2610068

Использование: для неразрушающего контроля методом акустической эмиссии (АЭ) для выявления течей, сухого трения, фазовых превращений, развивающихся трещин и пластического деформирования в технических устройствах различного назначения, а также для контроля параметров технологических процессов.

Универсальный учебно-исследовательский стенд изучения генерации и распространения акустических волн в элементах промышленных объектов от имитаторов реальных источников акустической эмиссии // 2608969

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и технической диагностике промышленного оборудования, а именно к учебно-исследовательским стендам для изучения и демонстрации возможностей метода акустической эмиссии (АЭ).

Способ квалификации металлокомпозитных баков высокого давления // 2650822

Использование: для неразрушающего контроля металлокомпозитных баков высокого давления по акустико-эмиссионным сигналам. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе нагружения баков путем постепенного увеличения внутреннего давления измеряют параметры акустико-эмиссионных сигналов, по которым определяют уровень накопленных повреждений, и по достижению параметрами критических значений принимают решение о пригодности бака к эксплуатации, при этом проводят тарировочные испытания эталонного бака до уровня не более 1,25 от заданного рабочего давления с непрерывным контролем потоков акустико-эмиссионных сигналов в композиционном материале и соответствующих им внутренних давлений в баке, проводят выделение узкополосных и широкополосных акустико-эмиссионных сигналов, соответствующих процессам разрушения матрицы и волокон композиционного материала, путем вычисления средних квадратических отклонений амплитуд узкополосных и широкополосных акустико-эмиссионных сигналов, определения критериальных параметров, соответствующих квантилям эмпирических функций распределения средних квадратических отклонений амплитуд узкополосных и широкополосных акустико-эмиссионных сигналов, уровень которых выбирается не ниже уровня средних квадратических отклонений шумового потока акустико-эмиссионных сигналов и не выше медианного значения распределения, выбора уровня порога дискриминации исходя из критериальных параметров так, чтобы порог дискриминации соответствовал не менее 75% от разницы критериальных параметров широкополосных и узкополосных акустико-эмиссионных сигналов, полученных на этапе тарировочных испытаний, нагружение каждого последующего бака производят до момента достижения критериальным параметром порога дискриминации, а решение об уровне квалификации бака принимают на основании сравнения внутренних давлений в партии баков, соответствующих порогам дискриминации. Технический результат: повышение достоверности определения годных для эксплуатации металлокомпозитных баков высокого давления. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.