О чувствительности методов неразрушающего контроля при обнаружении дефектов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ДИАГНОСТИКА

УДК 620.19.1+620.19.24

И.Ю. Быков, д.т.н., профессор; Д.А. Борейко, аспирант, Ухтинский государственный технический университет, e-mail: diacont_dboreyko@mail.ru

О чувствительности методов неразрушающего контроля при обнаружении дефектов

В статье представлена методика определения чувствительности метода акустической эмиссии при обнаружении дефектов различных размеров. Чувствительность определена как вероятность обнаружения сквозного отверстия заданного размера при проведении осевого сжатия цилиндрических трубных образцов. Полученная чувствительность сравнивается с уже известными данными о чувствительности методов ультразвукового, капиллярного и рентгенографического методов неразрушающего контроля.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, чувствительность, акустическая эмиссия, вероятность, эффект Кайзера, нагружение, испытание, эксперимент, исследование, чувствительность.

N ,

В настоящее время существует множество методов неразрушающего контроля для поиска и оценки скрытых или поверхностных дефектов. Для решения той или иной задачи на практике часто приходится делать выбор разных методов контроля. Критериями выбора конкретного метода, как правило, являются удобство применения, рекомендации действующего стандарта (либо руководящего документа) и общепризнанность метода контроля в решении поставленной практической задачи. Для представления полной сравнительной картины возможностей различных методов контроля необходимо знать их чувствительность при выявлении дефектов, скрытых от человеческого глаза. Подобную картину в 1973 г. опубликовали американские ученые в виде графика [1], который был переведен из дюймов в миллиметры Н.А. Махуто-вым (рис. 1) [2]. На графике показана сравнительная характеристика чувствительности ультразвукового, капиллярного и рентгенографического методов неразрушающего контроля. Сравнение чувствительности осуществлялось по вероятности Р обнаружения дефектов различных размеров, которая определялась по формуле

где ^бн - количество обнаруженных дефектов, шт.;

N - действительное количество дефектов, шт.

По представленным графикам можно объективно оценить эффективность указанных методов неразрушающего контроля в зависимости от размера дефекта.

/ш %

ах as to Is го so в 4к

Рис. 1. Графики чувствительности методов неразрушающего контроля по Н.А. Махутову:

1 - рентгенографический метод;

2 - капиллярный метод; 3 - ультразвуковой метод

В настоящей статье рассматриваются результаты исследований по оценке чувствительности метода акустической эмиссии в процессе выявления дефектов различных размеров. Для этого нами была разработана специальная методика проведения испытаний. Акустическая эмиссия (АЭ) - явление возникновения и распространения упругих колебаний (акустических волн) во время деформации напряженного материала. Эти акустические волны исходят от скрытых развивающихся дефектов, и современная аппаратура АЭ способна регистрировать их проявление и даже определять координаты, что придает методу большую практическую ценность и определяет широкие возможности его применения при технической диагностике. Для определения чувствительности метода АЭ проведены испытания на осевое сжатие трубных образцов, для которых была подготовлена специальная программа и две партии по шесть трубных образцов 0100 мм с толщиной стенки 8 мм и длиной 100 мм. Образцы изготовлены из несущих ног вышки подъемного агрегата А-50М, выполненных из стали конструкционной низколегированной для сварных конструк-

46

№ 6 июнь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DIAGNOSIS

ций марки 09Г2С по ГОСТ 19281-89. В каждом из образцов каждой партии просверлено по одному отверстию 1; 1,5; 2; 3; 5 и 10 мм соответственно. Отверстия являются имитаторами дефектов. Подготовленные к испытаниям образцы представлены на рисунке 2а, схема расположения датчиков-преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) - на рисунке 2б, регистрируемые параметры (линейная локационная карта и суммарный счет АЭ) - на рисунках 2в и 2г соответственно.

суть эксперимента

За один цикл испытаний осевому сжатию были подвергнуты поочередно все шесть образцов с искусственными дефектами. Нагружение осуществлялось ступенчато до момента начала фиксации сигналов акустической эмиссии от заданного дефекта. Подтверждением тому, что акустический сигнал исходил именно от искусственного дефекта, служила локационная карта, при этом достаточно только линейной локации (по двум датчикам). Нагружение происходило в пределах упругой зоны для стали 09Г2С с запасом примерно 20%. Допускаемая нагрузка при этом определялась методом компьютерного моделирования и расчета методом конечных элементов. Эффективность конечно-элементного анализа при моделировании дефектов различного размера в трубных образцах показана в работе [3], а применяемость результатов при переносе их на реальный промышленный объект - в работе [4].

конечно-элементный анализ

Целью моделирования и конечно-элементного анализа для всех образцов является определение испытательной нагрузки эксперимента для стали 09Г2С. Эта нагрузка определялась методом итерации до значения, которое превышает запас прочности по текучести материала примерно в 1,2 раза. Карты распределения коэффициента запаса прочности по текучести моделей образцов представлены на рисунке 3. В результате конечно-элементного анализа определились следующие максимальные нагрузки для образцов с отверстиями соответствующего диаметра:

Рис. 2. Подготовленные к испытанию образцы:

а) подготовленные к испытанию образцы; б) схема расположения датчиков ПАЭ; в) линейная локационная карта; г) суммарный счет АЭ

• диаметр 10 мм - нагрузка 756 кН;

• диаметр 5 мм - нагрузка 786 кН;

• диаметр 3 мм - нагрузка 833 кН;

• диаметр 2 мм - нагрузка 1000 кН;

• диаметр 1,5 мм - нагрузка 1002 кН;

• диаметр 1 мм - нагрузка 1008 кН.

В соответствии с полученными результатами построена зависимость изменения допустимой нагрузки от диаметра отверстия, представленная на рисунке 4.

Как видно из результатов анализа, наблюдается характерное увеличение максимальной нагрузки при уменьшении диаметра отверстия, что может свидетельствовать об адекватности построенных моделей и расчета. Кроме того, красным цветом на графике выделено интересное явление, связанное с относительным постоянством нагрузки, несмотря на последующее уменьшение диаметра отверстия.

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 6 июнь 2014

47

г) д) е)

Рис. 3. Карты распределения коэффициента запаса прочности по текучести для цилиндрических образцов с отверстиями:

а) диаметр отверстия 10 мм; б) диаметр отверстия 5 мм; в) диаметр отверстия 3 мм; г) диаметр отверстия 2 мм; д) диаметр отверстия 1,5 мм;

е) диаметр отверстия 1 мм

С учетом того что модель представляет собой идеализированное состояние материала и геометрии образца, полученное явление можно объяснить тем, что образцы с отверстиями диаметром <2 мм становятся менее восприимчивыми к воздействию нагрузок. Нагрузки постепенно становились одинаковыми для различных дефектов, диаметр которых не превышал 2 мм, и на графике видна характерная «полочка», четко выделяющаяся на фоне других точек.

проведение испытаний

Гидропрессом ступенчато повышалась нагрузка на образец до максимального значения, определенного методом ко-

нечно-элементного анализа каждого образца. При этом акустико-эмиссион-ная система либо фиксировала, либо не фиксировала акустический сигнал от дефекта. График нагружения с допустимыми пределами, иллюстрирующий суть эксперимента, представлен на рисунке 5. Типовой график нагружения в соответствии с ГОСТ Р 52727-2007 [5] представлен на рисунке 6. В настоящем эксперименте испытательной нагрузкой считалась определенная на этапе моделирования испытательная нагрузка эксперимента. Остальные нагрузки определялись умножением на понижающие коэффициенты в соответствии с [5]. Полученные для каж-

дого из образцов графики нагружения в процессе проведения эксперимента корректировались с учетом воздействия эффекта Кайзера. Нагрузки повышались вплоть до достижения предела текучести материала. После проведения цикла нагружения образцы оставлялись для релаксации напряженного состояния в течение 24 часов. Всего таких нагружений десять: пять - для одной партии и пять - для второй. При этом в каждом цикле нагружения для каждого образца регистрируется факт фиксации дефекта и нагрузка, при которой фиксация произошла. В дополнение к этим результатам прилагаются параметры акустической эмиссии, такие как локация и суммарный счет АЭ. Результаты измерений были сведены в таблицу. В эксперименте использовались образцы, вырезанные из несущих ног агрегата А-50М, бывшего в эксплуатации. Так как последняя максимальная эксплуатационная нагрузка неизвестна, то за рабочую нагрузку условно была взята нагрузка с запасом 20% от упругой зоны, определенная конечно-элементным анализом. В тех случаях, когда в пределах упругой зоны фиксации сигнала от искусственного дефекта не произошло, следовала попытка нагружения несколько большей нагрузкой, вплоть

1050

О 1 2 3 4 5 б 7 Е 9 10 11 Диаметр отверстия, мм

Рис. 4. Зависимость изменения допустимой нагрузки от диаметра отверстия в образце

48

№ 6 июнь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

Л? ТИАЛ

ТЕРМОУСАЖИВАЮЩИЕСЯ

ИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ПРОДУКЦИЯ:

АНТИКОРРОЗИОННАЯ И ГИДРОИЗОЛЯЦИОННАЯ ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДОВ

ТИАЛ-М

термоусаживающаяся манжета для антикоррозионной защиты сварного шва трубопроводов

ТИАЛ-ТУМ

термоусаживающаяся неразъемная радиационко-модифицированная муфта ТИАЛ-ТУЗ

термоусаживающаяся радиационно-модифицированная заглушка ТИАЛ-Л

термоусаживающаяся лента для изоляции основного тела трубы ТИАЛ-ЛЦ

термоусаживающаяся лента для защиты

теплоизоляционного слоя тепловых труб при надземной прокладке. ТИАЛ-Р

ремонтная заплата, армированная стеклосеткой. ТИАЛ-3

заполнитель дефектов.

ДИАГНОСТИКА

до максимального приближения к пределу текучести (полученная нагрузка далее условно считается максимальной испытательной).

результаты испытаний

Результаты были оформлены в виде протокола в соответствии с рекомендуемой формой по ГОСТ 25.503-97 [6]. По результатам опытов для каждого из образцов была сформирована статистическая выборка, которая вносилась в сводную таблицу результатов, форма которой представлена в виде таблицы 1. Вероятность обнаружения (чувствительность) метода АЭ при поиске дефектов различных размеров определится как отношение количества испытаний, в которых дефект был зафиксирован, к общему количеству испытаний для данной партии образцов:

где N . - количество испытаний, в ко" заф '

торых дефект был зафиксирован, шт.; N , - общее количество испытаний, шт.

общ ^

Отличие формулы (2) от формулы (1) продиктовано необходимостью учитывать наличие некоторых ограничений метода акустической эмиссии, которые неизбежно снижают чувствительность метода и влияют на получаемые результаты. Основным ограничением акусти-ко-эмиссионного метода является эффект Кайзера, связанный с отсутствием регистрации акустической эмиссии на фиксированном уровне чувствительности до тех пор, пока не превышен уровень предварительно приложенной нагрузки.

Результаты, полученные в ходе испытаний, представлены в таблице 2. Вероятности по каждой из партий усреднены для соответствующих дефектов. По полученным данным средней вероятности обнаружения дефектов построен совмещенный график для сравнения чувствительности методов неразрушающего контроля, представленный на рисунке 7. Значения точек графиков ультразву-

кового, рентгенографического и капиллярного методов здесь пересчитаны и отображены в едином масштабе с акусти-ко-эмиссионным методом. Как видно из сравнения, чувствительность неразрушающего контроля и метода акустической эмиссии не уступает чувствительности ультразвукового метода, а в части обнаружения дефектов малого размера (менее 2 мм) намного превосходит его.

м /

/ ( / /

/ / / /

\ л —Г4 / /

с / / /

/ У /

/

/ /

(

■УЙС Кик*! Рептепогр^ш

1 2 Э

Рис. 7. Сравнительный график чувствительности традиционных методов

Таблица 1. Форма сводной таблицы результатов для всех образцов с определением вероятности обнаружения дефекта

Диаметр дефекта, мм № опыта п/п Результат (1 - фиксация; 0 -нет фиксации) Нагрузка во время фиксации, тс (кН)

1

2

1,5 3

4

5

Вероятность обнаружения, д. ед.:

50

№ 6 июнь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

DIAGNOSIS

Таблица 2. Результаты определения чувствительности метода АЭ

Диаметр дефекта, мм Вероятность обнаружения (первая партия) Вероятность обнаружения (вторая партия) Вероятность обнаружения (средняя)

1 0,6 0,6 0,6

1,5 0,6 0,6 0,6

2 0,6 0,6 0,6

3 0,8 0,8 0,8

5 0,99 0,95 0,970

10 0,99 0,99 0,999

выводы

1. Проведенные исследования показали, что метод акустической эмиссии высокочувствителен к обнаружению дефектов и превосходит ультразвуковой, капиллярный и рентгенографический методы контроля.

2. Полученные по результатам испытаний значения чувствительности метода акустической эмиссии в виде «ступеньки» (выделено красным на рисунке 7) свидетельствуют о том, что в этом диапазоне размеров дефектов чувствительность их обнаружения остается постоянной. Это подтверждается результатами моделирования (рис. 4), из которых видно, что при диаметрах отверстий <2 мм испытательная нагрузка эксперимента остается практически неизменной, что объясняется малой

чувствительностью металла к изменению нагрузки при наличии в структуре металла малой локальной зоны концентрации напряжений, которой в нашем случае является сквозное отверстие, имитирующее дефект. 3. Представленная методика определения чувствительности метода акустиче-

ской эмиссии учитывает все характерные для этого метода ограничения, главным из которых является эффект Кайзера. Этот эффект проявлялся на протяжении всех опытов, о чем можно судить по стабильному повышению нагрузки, при которой инициировался большой поток акустической эмиссии от дефекта.

Литература:

1. Hoeppner D.W., Krupp W.E. Fracture Mechanics Applications in Materials Selection Fabrication Sequencing and Inspection // Journal of Aircraft. - F01, 10. - No. 11. - November 1973. - P. 682-688.

2. Махутов Н.А. Прочность конструкций при малоцикловом нагружении. - М.: Наука, 1983. - 272 с.

3. Быков И.Ю., Борейко Д.А., Смирнов А.Л. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния цилиндрических образцов с искусственными дефектами // Инженер-нефтяник. - М.: ООО «Ай Ди Эс Дриллинг», 2013. - № 1. - С. 40-43.

4. Быков И.Ю., Борейко Д.А., Смирнов А.Л. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния вышки подъемной установки для ремонта скважин // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2013. - № 4 . - С. 18-23.

5. ГОСТ Р 52727-2007 «Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика. Общие требования». - Введ. 2007-01-01. - М.: Стандартинформ, 2007. - 12 с.

6. ГОСТ 25.503-97 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие». - Введ. 1999-0701. - Минск: ИПК Издательство стандартов, 1999. - 27 с.

UDC 620.19.1+620.19.24

I.Yu. Bykov, Doctor of Technical Science, Professor; D.A. Boreyko, PhD candidate, Ukhta State Technical University, e-mail: diac-ont_dboreyko@mail.ru

On sensitivity of the non-destructive test methods for fault detection

The article describes the methods for determination of the acoustic emission sensitivity when detecting faults of various sizes. Sensitivity is defined as the probability of detecting an open-end hole of a given size during axial compression of cylindrical tubular samples. The obtained sensitivity is compared with already available data on the sensitivity of ultrasonic, capillary and radiographic non-destructive test methods.

Keywords: non-destructive tests, sensitivity, acoustic emission, probability, Kaiser effect, load, test, experiment, research, sensitivity. References:

1. Hoeppner D.W., Krupp W.E. Fracture Mechanics Applications in Materials Selection Fabrication Sequencing and Inspection // Journal of Aircraft.

- F01, 10. - No. 11. - November 1973. - P. 682-688.

2. Makhutov N.A. Prochnost' konstruktsiy pri malotsiklovom nagruzhenii (Structures strength under low-cycle load). - Moscow: Nauka, 1983. - 272 p.

3. Bykov I.Yu., Boreyko D.A., Smirnov A.L. Komp'yuternoe modelirovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya tsilindricheskikh obraztsov s iskusstvennymi defektami (Computer modeling of stressed and deformed cylindrical samples with artificial defects) // Oil Engineer. - Moscow: IDS Drilling LLC, 2013. - No. 1. - P. 40-43.

4. Bykov I.Yu., Boreyko D.A., Smirnov A.L. Komp'yuternoe modelirovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya vyshki pod'emnoi ustanovki dlya remonta skvazhin (Computer modeling of stressed and deformed derrick of the lifting plant for wells repair) // NEFTEGAS Territory. - 2013.

- No. 4. - P. 18-23.

5. GOST P 52727-2007 «Tekhnicheskaya diagnostika. Akustiko-emissionnaya diagnostika» («Technical diagnostics. Acoustic emission diagnostics. General specifications»). - Introduction. 2007-01-01. - Moscow. : Standartinform, 2007. - 12 p.

6. GOST 25.503-97 «Raschety i ispytaniya na prochnost'. Metody mekhanicheskikh ispytaniy metallov. Metod ispytaniya na szhatie» («Design calculations and strength testing. Methods of mechanical metal tests. Compression test method»). - Introduction. 1999-07-01. - Minsk: Izdatelstvo Standartov Publishing and Printing Company, 1999. - 27 p.

ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 6 июнь 2014

51