CC BY
50
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2011 год № 3/4 (8/9)
25.00.00 Науки о земле
УДК 622.236 А.М. Голосов
Голосов Андрей Михайлович - аспирант кафедры горного дела и комплексного освоения георесурсов Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: a-dune@mail.ru
ЛОКАЛИЗАЦИЯ ОЧАГА РАЗРУШЕНИЯ В ОБРАЗЦЕ ГОРНОЙ ПОРОДЫ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Рассмотрены метод акустической эмиссии и акустико-эмиссионное оборудование. Представлены результаты эксперимента (локация очага разрушения), впервые проведенного на Дальнем Востоке с помощью этого метода.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, образец горной породы, локация.
Localization of source of destruction by acoustic emission in rock sample. Andrei M. Golosov (Far-Eastern Federal University, Vladivostok).
The method of acoustic emission is considered. The acoustic emission equipment used in the experiments is considered. Methodology of experiment is presented. Location source of destruction is presented.
Key words: acoustic emission, rock sample, location.
При исследовании образцов горных пород в состоянии сильного сжатия с использованием тензометрических датчиков был выявлен аномальный характер деформирования образцов. Для объяснения этого явления необходимо
исследование развития очага разрушения методом акустической эмиссии, позволяющим наблюдать трещинообразование.
Достоинства этого метода: синтезирует механику разрушения и неразрушающего контроля, позволяет получить больший объем полезной информации, а также информацию, которая недоступна при применении традиционных подходов [1]. Это связано с тем, что при нагружении контролируемого объекта дефект материала (ГОСТ 27655) автоматически сигнализирует о начале своего развития и своем статусе, что позволяет формировать "правильную" систему классификации дефектов (основанную на реальном влиянии дефекта на объект) и критерии браковки.
Особенности метода акустической эмиссии, определяющие его
возможности и область применения, следующие. Обеспечивает обнаружение и
регистрацию только развивающихся дефектов, т.е. независимо от размеров
выявляются наиболее опасные дефекты; позволяет классифицировать дефекты
не по размерам, а по степени их опасности. При этом те из них, которые
превышают браковочный уровень при использовании традиционных методов
неразрушающего контроля, могут попасть в класс неопасных, не требующих
ремонта элементов конструкции. Кроме того, изделие может выйти из строя не
только в результате роста несплошности, но также из-за изменения формы,
потери устойчивости и по другим причинам. В этих случаях акустическая
эмиссия (АЭ) сигнализирует о развитии нежелательных процессов. В целом
метод обладает весьма высокой чувствительностью к растущим дефектам и
позволяет выявить в рабочих условиях приращения трещин в доли
миллиметра. Он относится к интегральным методам неразрушающего
контроля: использование одного или нескольких преобразователей
акустической эмиссии, неподвижно установленных на поверхности объекта,
обеспечивает контроль объекта в целом. При этом координаты дефектов
определяются без сканирования поверхности объекта преобразователем.
Следовательно, от состояния поверхности объекта и качества обработки не
зависит проведение контроля и его результаты. Это обеспечивает проведение
175
контроля в случае, если доступ к поверхности объекта затруднен или невозможен, например, для теплоизолированных трубопроводов и сосудов, объектов, размещенных под землей, конструкций, работающих в сложных условиях. Метод позволяет проводить контроль различных технологических процессов и процессов изменения свойств и состояния материалов; он не критичен к ориентации дефекта, в отличие от традиционных подходов, для которых эти параметры являются одним из наиболее существенных факторов, влияющих на результаты контроля; имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой материалов, поэтому имеет более широкий диапазон применения по материалам [2].
Сигналы АЭ являются шумоподобными, поскольку АЭ есть стохастический импульсный процесс. В этом заключается особенность метода акустической эмиссии, ограничивающая его применение, что связано в ряде случаев с трудностью выделения сигналов АЭ из помех, поэтому в случае, когда сигналы АЭ малы по амплитуде, выделение полезного сигнала представляет собой достаточно сложную задачу.
Используемое в эксперименте оборудование
Пьезоэлектрические датчики, используемые для определения акустической эмиссии, размещаются в точках на боковой поверхности образца (рис. 1).
О О О
1 А 5
2 3 6
О О О
Рис. 1. Схема эксперимента; ° - пьезоэлектрический датчик
Для эксперимента используются вибрационные пьезоэлектрические преобразователи MSAE - P500, дискообразной формы, с колебаниями по толщине, резонансной частотой 1300 кГц и диаметром 10 мм - MSAE-P500. Это высокочувствительные датчики на основе ниобата лития с широкополосным малошумящим предусилителем, работающем в частотном диапазоне 50-1500 кГц с кабельным подсоединением (рис. 2). Характеристики датчиков приведены в таблице 1. Датчик полностью герметичен и защищен от внешних электрических помех.
Рис. 2. Датчик АЭ MSAE-P500
Основные характеристики датчиков MSAE-P500
Таблица 1
Характеристика Значение
Пиковая чувствительность 74 ДБ
Полоса пропускания сигнала 50 - 1500 кГц
Максимальная резонансная частота 1300 кГц
Коэффициент усиления предусилителя 27 ДБ
Среднеквадратичный уровень шума
< 3 мкВ
При воздействии плоской упругой волны на поверхность рабочей стороны модуля чувствительности пьезоэлемент испытывает деформацию и на его электродах возникает электрический заряд, пропорциональный действующему смещению [6]. Съем заряда осуществляется при помощи выводного контакта. Далее сигнал усиливается предварительным усилителем с выхода которого преобразованный сигнал подается на регистрирующую аппаратуру.
В качестве такой аппаратуры используется акустико-эмиссионный измерительный комплекс A-Line 32D, предназначенный для проведения неразрушающего контроля объектов. Целью такого контроля является выявление определение координат и слежение за источниками акустической эмиссии объектов [4]. Полученная после обработки информация используется для выявления и локализации возможных дефектов в объектах (рис. 3).
Комплекс A-Line 32D представляет собой многоканальную систему сбора и обработки акустико-эмиссионной информации, получаемой в реальном времени с исследуемого объекта от акустических датчиков при проведении эксперимента (табл. 2).
Рис. 3. Акустико-эмиссионный измерительный комплекс A-Line 32D
Таблица 2
Основные характеристики акустико-эмиссионного измерительного комплекса A-Line 32D
Характеристика Значение
Максимальное количество каналов 64
Уровень ослабления взаимного влияния между каналами -66 дБ
Частота регистрации средних значений параметров сигналов акустической эмиссии 15000 соб./с на канал
Частота регистрации параметров каждого сигнала акустической эмиссии 20000 соб./с на систему
Коэффициент усиления 26 дБ
Уровень шума Не более 5 мкВ
Полоса пропускания канала измерения 1 - 500 кГц
Максимальный динамический диапазон измерения амплитуды сигнала акустической эмиссии Не менее 84 дБ
Максимальная амплитуда сигнала акустической эмиссии 100 дБ
Погрешность измерения максимальной амплитуды сигнала акустической эмиссии ±0,5 дБ
Динамический диапазон измерения энергии сигнала акустической эмиссии не менее 120 дБ
Погрешность времени регистрации сигнала акустической эмиссии ±1 мкс
Диапазон измерения длительности сигнала акустической эмиссии с разрешением 1 мкс 1-65535 мкс
Сигнал, поступающий с выхода предусилителя, предварительно фильтруется, затем поступает на вход основного усилителя. Регулировка
179
коэффициента усиления, необходимая для адаптации входного сигнала к шкале АЦП, осуществляется аттенюатором. Далее аналоговый сигнал на АЦП преобразуется в цифровой формат, и цифровой поток данных поступает на блок формирования параметров. Сигналом к запуску этого блока служит превышение сигналом порога дискриминации. Этот порог устанавливается оператором перед либо во время эксперимента индивидуально для каждого измерительного канала.
В режиме сбора данных осуществляется:
• измерение скорости распространения сигналов акустической эмиссии и затухания амплитуды сигнала акустической эмиссии в контролируемом объекте;
• локация источников акустической эмиссии; поддерживаются следующие типы локаций:
- линейная;
- планарная (произвольная);
- локация цилиндрических сосудов;
- локация сферических сосудов;
- локация днища резервуара;
- трехмерная;
- зонная;
• спектральный анализ формы сигнала акустической эмиссии;
• классификация источников акустической эмиссии по степени опасности.
Комплекс отображает по ходу эксперимента следующие данные: среднее значение максимальной амплитуды сигналов акустической эмиссии по каждому каналу за период усреднения; сумму средних значений амплитуды сигналов по всем каналам за период усреднения; количество сигналов по каждому каналу за период усреднения; среднее значение количества сигналов по всем каналам; гистограмму общего количества событий от момента старта
системы (здесь и далее - по каждому каналу на текущий момент времени); общее количество событий в зависимости от времени от момента начала съема данных; среднее значение энергии сигналов; среднее значение длительности сигналов; среднее значение времени нарастания сигналов; число превышений порога в сигналах акустической эмиссии; гистограммы изменений уровня шума, значения порога и минимального уровня шума; общее количество выбросов в зависимости от времени от момента начала съема данных; значения максимальной амплитуды сигналов; наибольшее значение максимальной амплитуды сигналов акустической эмиссии.
Обработка данных осуществляется в режиме постобработки.
В этом возможны следующие манипуляции с данными:
- фильтрация по различным критериям (по координатам АЭ-сигнала, по максимальной амплитуде, по времени поступления сигнала, по суммарной энергии сигнала, по длительности сигнала и т. д.);
- кластеризация сигналов.
Методика проведения эксперимента
Испытывался образец цилиндрической формы высотой 100 мм и диаметром 72 мм. При его подготовке к эксперименту необходимо обеспечить максимально плотный контакт датчика АЭ с поверхностью образца. Для этого на его боковой поверхности образца необходимо создать ровную гладкую поверхность, перпендикулярную торцам.
Для удаления пустот между датчиком и образцом необходимо использовать смазку в месте контакта и обеспечить прижатие датчика к боковой поверхности образца, в 6 точках которой устанавливаются датчики (рис. 4).
Рис. 4. Установка датчиков на боковую поверхность образца.
При подготовке к эксперименту необходимо предварительно задать параметры регистрирующей аппаратуры:
- способ фиксации сигнала (по времени поступления/по достижению пиковой амплитуды);
- максимальное время нарастания сигнала;
- максимальную длительность сигнала;
- скорость распространения звука в материале;
- линейные размеры образца и относительное расположение датчиков. При реализации трехмерной локации необходимо задавать линейные
размеры по трем осям. Таким образом, модель образца, созданная в системе, будет иметь форму параллелепипеда. Это необходимо учитывать при анализе получаемых данных.
Для определения скоростей упругих волн в осевом и ортогональном
направлениях на пьезоэлектрические преобразователи, установленные на боковой поверхности образца, подаются импульсы с помощью генератора, которые производят возбуждение упругих волн. После этого вычисляется скорость пробега волны между двумя противоположными датчиками с учетом ее формы. Для увеличения точности измерений вычисляются скорости распространения волн между различными парами датчиков, затем эти значения сравниваются.
В ходе эксперимента производится одноосное нагружение с постоянным коэффициентом увеличения до достижения предела прочности (рис. 5).
Рис. 5. Разрушение образца
Сигналы АЭ усиливались, при превышении порогового значения
фиксировались многоканальным акустико-эмиссионным комплексом, который
регистрировал относительной время прибытия сигналов, так же как их
осциллограммы, позволяющие наблюдать формы поступивших сигналов. Время
183
прибытия сигнала позже преобразовывалось для определения трехмерной локализации источника события. Каждый сигнал характеризуется временем излучения, тремя координатами и амплитудой [3].
Для определения источников акустической эмиссии используются начальные моменты поступления волн. На основе итерационного подхода с применением линеаризации методом наименьших квадратов реализуется метод определения основных элементов для источников с минимизацией суммы квадратов разностей времен прохождения. На основе результатов измерений производят аппроксимирование для скорости (Ур) волны (Р), распространяющейся во всех направлениях, это значение используют для определения источника [5].
На практике встречаются помехи, снижающие точность измерения. Основная причина ошибок - тенденция к фиксированию более поздних приходов низкоамплитудных сигналов от вторичных волн, т.е. фиксирование несуществующих сигналов. Также помехи создают механическое воздействие плит пресса на образец, электромагнитные наводки от работающего оборудования.
Для определения источников акустической эмиссии используются начальные моменты поступления волн. На основе итерационного подхода с применением линеаризации методом наименьших квадратов реализуется метод определения основных элементов для источников с минимизацией суммы квадратов разностей времен прохождения. На основе результатов измерений производят аппроксимирование для скорости волны, распространяющейся во всех направлениях, это значение используют для определения источника.
Локализация сигналов АЕ в секунду показана на рисунке 6.
Рис. 6. Объемная локация АЭ - событий в предразрушающей стадии нагружения
а - вид сверху, б - сбоку
Рисунок 6 демонстрирует относительное рассеяние АЭ активности, которое имеет место при нагружении в точке предела прочности. Показаны данные АЭ за 22 сек. до разрушения образца. Красными линиями показано положение магистральной трещины, видно, что основная масса АЭ-сигналов локализована в области её развития.
Таким образом методика акустического контроля позволяет наблюдать развитие очага макроразрушения в образцах горных пород, локализовывать гипоцентры разрушения. Соотнесение данных состояния образцов горных пород по методу геоакустического контроля с данными, полученными другими соответствующими методами, позволит выявить более полные и достоверные закономерности их разрушения.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Государственный контракт №14.740.11.1214).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болотин Ю.И. Методы акустической диагностики неоднородных сред: сб. науч. тр. / Ин-т прикладной физики РАН, Нижний Новгород, 2002. 275 с.
2. Болотин Ю.И., Дробот Ю.Б. Акустическая локация хрупких микроразрушений: моногр. / Хабаровск, 2003. 154 с.
3. Куксенко В.С., Дамаскинская Е.Е., Кадомцев А.Г., Томилин Н.Г. Характер разрушения горных пород при различных условиях деформирования // Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР: материалы шестой междунар. науч.конф. и восьмого междунар. симпозиума по снижению опасных геологических проявлений в АТР 21-25 сент. 2010. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2010. С. 27-32.
4. Семашко Н.А., Шпорт В.И. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении. М.: Изд-во: Машиностроение, 2005. 240 с.
5. Jiang XU, Xiaojun TANG, Shuchun LI, Yunqi TAO, Yongdong JIANG. Space-time evolution rules study on acoustic emission location in rock under cyclic loading // Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China. 2009. N 3(4). P. 422-427.
6. Lockner D.A., Byerlee J.D., KuksenkoV., Ponomarev A., Sidorin A. Quasi-static fault growth and shear fracture energy in granite // Nature. 1991. V. 350. № 7. P. 39-42.
