CC BY
75
УДК 620.1-1/-9
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2022-1-2-35-47
ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЕМКОСТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ГАЗА НА ОСНОВЕ МНОГОУРОВНЕВОЙ МОДЕЛИ ПОТОКА СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
ESTIMATION OF THE RESIDUAL SERVICE LIFE OF PRESSURE VESSELS BASED ON A MULTILEVEL MODEL OF ACOUSTIC EMISSION SIGNAL FLOW
Первейталов О.Г.1, Носов В.В.1, 2
1 Санкт-Петербургский горный университет, 199106, Санкт-Петербург, Россия
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3294-6138, E-mail: perveitaloff.oleg@yandex.ru ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1849-0450, E-mail: nosov_vv@pers.spmi.ru
2 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 195251, Санкт-Петербург, Россия
ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1849-0450, E-mail: nosov_vv@pers.spmi.ru
Резюме: Оборудование для транспортировки и хранения газа в условиях повышенного давления и термомеханического воздействия нуждается в физически обоснованных, долгосрочных и устойчивых к метрологической погрешности методик по оценке остаточного срока службы. В данной статье приведен обзор современных подходов к прогнозированию ресурса, их положительные и отрицательные стороны, возможности применения к сосудам давления. Представлен пример использования подхода к оценке остаточного ресурса сосудов для хранения газов, основанного на результатах акустико-эмиссионного диагностирования, оценке напряженно-деформированного состояния, кинетической концепции прочности и гипотезах линейного накопления повреждений. Показана связь между разработанными концентрационно-кинетическими показателями прочности реального объекта и процессом циклического деформирования стандартных образцов, продемонстрирован пример расчета энергии активации разрушения как важнейшей характеристики в кинетике разрушения.
Ключевые слова: сосуд давления, акустическая эмиссия, ресурс объекта, кинетическая концепция прочности, напряжения, концентратор, количество импульсов, кривая усталости.
Для цитирования: Первейталов О.Г., Носов В.В. Оценка остаточного ресурса емкостного оборудования для хранения газа на основе многоуровневой модели потока сигналов акустической эмиссии // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 1-2. С. 35-47.
D0I:10.24412/0131-4270-2022-1-2-35-47
Oleg G. Perveytalov1, Viktor V. Nosov1, 2
1 St. Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3294-6138,
E-mail: perveitaloff.oleg@yandex.ru ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1849-0450, E-mail: nosov_vv@pers.spmi.ru
2 St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great, 195251, Saint-Petersburg, Russia
ORCID: http://orcid.org/0000-0003-1849-0450, E-mail: nosov_vv@pers.spmi.ru
Abstract: Equipment for gas transportation and storage under conditions of high pressure and the thermo mechanical effect needs physically justified, long-term and metrological error-resistant methods for prediction the remaining service life. This article provides an overview of modern approaches to service life prediction, their positive and negative sides, and the possibility of applying to pressure vessels. An example of using an approach to prediction service life of gas storage vessels based on the results of acoustic emission diagnostics, assessment of the stress-strain state, the kinetic concept of strength and hypotheses of linear damage accumulation is presented. The relationship between the developed concentration-kinetic strength indicators of a real object and the process of cyclic deformation of standard samples is shown, an example of calculating the activation energy of destruction as the most important characteristic in the kinetics of destruction is demonstrated.
Keywords: pressure vessel, acoustic emission, object service life, kinetic concept of strength, stress, concentrator, count AE, fatigue curve.
For citation: Perveytalov O.G., Nosov V.V. ESTIMATION OF THE RESIDUAL SERVICE LIFE OF PRESSURE VESSELS BASED ON A MULTILEVEL MODEL OF ACOUSTIC EMISSION SIGNAL FLOW. Transport and storage of Oil Products and hydrocarbons, 2022, no. 1-2, pp. 35-47.
DOI:10.24412/0131-4270-2022-1-2-35-47
Введение
Современное развитие газовой и водородной [1] промышленности предъявляет требования к обеспечению безопасного производства, хранения и транспортировки сырья. Широкое применение в этой области нашло емкостное оборудование, работающее в условиях компримирован-ного и изотермического хранения газа: сосуды давления, баллоны сжиженного газа, газификаторы. При нормальной эксплуатации такое оборудование подвергается постоянным и периодическим нагружениям в течение всего срока работы. Резервуары, работающие при изотермическом
режиме хранения газа, фактически подвержены резким скачкам давления, происходящим в ходе непредвиденного притока тепловой энергии через стенку, который и обуславливает скачкообразное повышение избыточного давления в газовом пространстве. Это вместе с условиями производства объясняет появление и развитие дефектов в листовых элементах и сварных соединениях [2], сокращающих остаточный ресурс оборудования.
Внезапный выход из строя сосудов давления может привести к серьезным, вплоть до летальных, последствиям. Поэтому такое оборудование подвергается регулярным
гидравлическим и пневматическим испытаниям, по итогам которых с помощью традиционных методов неразрушаю-щего контроля (НК), таких как ультразвуковая дефектоскопия и рентгенография, определяются геометрические параметры дефектов. Такая связь неразрушающего контроля и прочности объекта носит качественный характер [3] и не отражает количественной связи между развитием трещин, металлургических несплошностей и остаточным ресурсом. Также в настоящее время классификация дефектов производится по стандартным значениям из нормативной документации, не учитывает особенности и сложность эксплуатационного поведения материала, разнообразие дефектов, структурную неоднородность и режимы нагружения, что приводит к неопределенности оценки ресурса.
Использование АЭ для оценки структурной целостности
сосудов давления
Идеология долгосрочного прогнозирования ресурса, которая бы учитывала действительно опасные развивающиеся в ходе эксплуатации дефекты, получила возможность реализации при помощи метода акустической эмиссии (АЭ). Это быстро развивающийся инструмент неразрушающего контроля и оценки структурной целостности, основанный на обнаружении быстро выделяющейся от растущего дефекта энергии в виде акустических упругих волн в ультразвуковом диапазоне [4, 5]. Такая уникальная возможность отслеживать активные дефекты в реальном времени и количественно оценивать повреждения материала выгодно отличает АЭ от консервативных методов НК. Акустическая эмиссия, возникающая под действием приложенного напряжения, регистрируется пьезоэлектрическими датчиками, смонтированными на поверхности объекта, и характеризуется рядом выходных параметров, таких как количество и время регистрации сигналов (превышений порога дискриминации), пиковая амплитуда, энергия, время нарастания и т.д. [6]. Также преимуществом является то, что АЭ является методом глобального контроля, при котором весь сосуд давления контролируется на предмет целостности конструкции. Обычно акустическая эмиссия обуславливается ростом подповерхностных и микротрещин, микроструктурой, а также наличием включений и частиц вторичной фазы [7].
АЭ активно используется во время гидравлического и пневматического испытания сосудов. Во время такого тестирования баллонов вывод из эксплуатации производится только после обнаружения потенциального дефекта для последующего ультразвукового контроля [8]. В [9] были предприняты попытки связать поведение АЭ со специфичностью роста трещин в трех сталях - HY130, А533 и ОТ35, используемых для сосудов давления, с распределением пиков амплитуды в событиях АЭ и различными вариациями порога дискриминации. Было подтверждено, что скачок трещины связан с резким ростом скорости высокоамплитудных выбросов.
Р. Блэкберн и М. Рена в ходе АЭ-гидростатических испытаний цилиндров для компримированного газа установили взаимосвязь между количеством импульсов и критической глубиной дефектов, которая позволила сформулировать требования к допустимой глубине трещины и заменить повторное гидроиспытание на АЭ-испытание во время эксплуатации [10]. В работе [11] проведена АЭ-диагностика
во время разрушающих испытаний сосуда давления, а результаты сопоставлены с данными от разрушения стандартных образцов из сталей СгМо группы в лабораторных условиях. Было выдвинуто предположение о связи между резким возрастанием активности АЭ и достижением напряжения на вершине трещины значения вязкости разрушения. Подтвердилась эффективность АЭ для предупреждения отказа оборудования, так как 13 из 20 дефектов, классифицированных как неактивные по результатам предварительной диагностики, не подавали никаких сигналов вплоть до испытательного давления, равного 1,8 рабочего. Выделение критически активных дефектов может производиться и по резкому возрастанию первичного параметра АЭ - счета (событий) акустической эмиссии при увеличении нагрузки, как было показано на реакторных сосудах высокого давления [12]. Такая обработка выходных параметров не отражает в полной мере процесс накопления повреждений в конструкции и его кинетический, то есть связанный со временем характер.
В [13] приводятся результаты гидроиспытаний сосуда давления для хранения сжиженного нефтяного газа и успешное применение эффекта Фелисити [14] во время снижения испытательного давления для обнаружения активных дефектов в стенках. Подобный подход на основе эффекта Кайзера был использован и для диагностирования колонн завода по производству тяжелой воды [15]. Палмер в ходе испытаний образцов из стали, используемой в емкостях высокого давления реакторов, показал связь между суммарным счетом АЭ и пластической зоной перед вершиной трещины, от которой было получено наибольшее количество выбросов АЭ, в то время как само продвижение пластичной трещины являлось относительно тихим процессом [16]. Также было указано на наличие таких дестабилизирующих факторов, как структура стали и температура испытаний. Влияние последней выражалось в наличии хрупкого характера разрушения в режиме трансзернистого расщепления при 153К с незначительным ростом уровня выбросов АЭ на протяжении всей стадии упругой деформации. В этом случае выделялся показательный участок перед наступлением пластической деформации, АЭ выбросы от которого характеризовали развитие пластической зоны перед трещиной. Это подчеркивает важность разработки методов долгосрочного прогнозирования ресурса оборудования на стадии предшествующей пластической деформации. Ранние исследования по интерпретации АЭ в ходе гидроиспытаний сосудов давления также показывали хорошую корреляцию между развитием дефектов и шаблоном поведения акустической эмиссии. С самого начала ее применения в производстве стало понятно, что геометрические характеристики трещин не определяют их опасность, в конструкции может быть большое количество стабильных тихих дефектов [17]. Выявление активных дефектов позволило АЭ найти применение для сосудов давления в космической отрасли [18, 19].
Механические подходы к оценке ресурса
Наиболее важным направлением является физическое описание процесса эволюции повреждения материала с использованием метода АЭ и учетом микроструктурной неоднородности [20]. Существующие подходы к оценке прочности и ресурса сосудов базируются на принципах
механики разрушения и статистической обработке первичных параметров АЭ [21]. Наиболее же простым является сравнение характеристик дефектов с допустимыми значениями параметров АЭ, что лишь в ограниченной степени отражает протекающие процессы в материале при разрушении.
Основа «механических» подходов к оценке ресурса, которые преобладают в настоящий момент в современных исследованиях, в общем, основаны на уравнении Пэриса-Эрдогана, связывающем скорость роста трещины с коэффициентом интенсивности напряжений (КИН) на вершине трещины, которое записывается как [22]:
— = С (DK )п dn v ;
или в логарифмическом виде:
log I — | = log С + m log AK. I dn )
(1)
(2)
Т. Робертс и М. Талебзаде в своих работах связали уравнение, описывающее стадию стабильного роста трещины, с параметрами АЭ:
dh = B (AK)p, dn v ;
(3)
где ^ - счет акустической эмиссии (число превышений порога дискриминации), В и р - константы материала.
Они показали, что сигналы АЭ, поступающие от узкого участка максимального нагружения, характеризуют расширение трещины и коррелируют со скоростью ее распространения [22]. В работах [23, 24] использовалось усовершенствованное уравнение NASGRO, учитывающее замедление и ускорение роста трещин, их закрытие совместно с данными мониторинга и историей нагружения. Данный подход позиционировался как методология для усталостной долговечности. Однако подходы, основанные на коэффициенте интенсивности напряжений, зачастую требуют наличия значений констант материала [25] в соответствии с уравнением Пэриса. Предпринимались попытки уйти от непосредственной оценки диапазона КИН, которая весьма затруднительна для реальных объектов, в моделях для элементов мостов на основе временной зависимости энергии. Однако проблема определения констант материала, определяемых в ходе предварительных лабораторных тестов, остается [26]. Х. Роем и коллегами были проведены испытания образцов сварных соединений 304LN во время циклического и статического нагружения с использованием J-интеграла для моделирования вредного воздействия периодического изменения нагрузки. Вязкость разрушения, рассчитанная по стандарту ASTM, сильно отличалась от результатов АЭ-испытаний образцов, однако были сформулированы основные отличия монотонного роста нагрузки от циклического: (1) - при циклическом нагруже-нии регистрируется большее количество АЭ-событий; (2) -при циклических испытаниях АЭ носит непрерывный характер, выделение точки зарождения трещины можно вести по пиковым амплитудам или энергии [27]. Стоит учитывать, что КИН неравномерно распределяется по всему фронту усталостной трещины и сопоставление данных АЭ со скоростью роста трещины представляет некоторые трудности, которые не могут быть устранены применением метода
конечных элементов [28]. Для исключения потребности в истории нагружения элементов конструкции и возможности применения в онлайн-мониторинге в [29] были предложены детерминистический и вероятностный подходы к оценке ресурса, которые, однако требуют использования тензометрических датчиков. Первый основан на модели механики разрушения и эмпирических выражениях для оценки коэффициента интенсивности напряжений. Второй использует функцию вероятности распределения совокупной энергии АЭ, которая связана с диапазоном КИН как полином второго порядка. Кроме структурной и прочностной неоднородности, на остаточное число циклов может влиять воздействие окружающей среды, явление закрытия трещин, скорости нагружения и частоты, увеличение которой может ограниченно улучшить усталостный ресурс и снизить количество регистрируемой АЭ [30].
Статистические подходы к оценке ресурса
Другой укрупненной группой являются подходы к ресурсу, основывающиеся на статистической обработке регистрируемой АЭ. Большой вклад был внесен J. Baram и коллегами. В [31] проводилась статистическая обработка процесса усталости с разработкой модели по типу вейбуллов-ского распределения, где распределение скоростей распространения трещин, приводящих к катастрофическому разрушению, представляет собой асимптотическое распределение экстремальных наибольших значений амплитуд АЭ. В исследовании подразумевалось, что суммарный счет АЭ, как и скорость роста трещин, связан с КИН. В другой работе [21] распределение пиковых амплитуд сигналов во время распространения трещин связывалось с экстремальными скоростями распространения трещин и, соответственно, с распространением упругой энергии в элементе на основе недетерминированного подхода для оценки усталостного ресурса. Подобный подход [32] был позже успешно опробован на испытаниях 2024-Т3 [33] и 7075-Т6 [34] алюминиевых сплавах. Набор данных АЭ, полученных во время испытаний, может быть представлен как временной ряд одного из параметров АЭ, характеризующий тенденцию суммарного счета как усталостного ресурса [35]. В том же исследовании указывается на то, что усталостная долговечность металлических материалов показывает логнормальное и вейбулловское распределение. M. Mohammad также указывала на связь суммарного счета АЭ с количеством циклов до отказа на основе вейбуллов-ского распределения первичных параметров АЭ для стали SAE 1045 [36]. При этом производилась выборка сигналов с пиковыми амплитудами и сравнивалась с тремя моделями прогнозирования усталостного ресурса: Коффина-Мэнсона, Морроу и Смита-Уотсона-Топпера. В [37] точка зарождения трещины в металле и сварных швах 316LN SS определялась по всплеску параметров АЭ: пику суммарной энергии, счетом АЭ и пиковым амплитудам, достоверность которых была подтверждена методом четырехточечного падения потенциала (DCPD). A. Ould Amer для распознавания стадий разрушения использовал метод кластеризации «К-средних» с идентификацией основных групп сигналов, каждый из которых характеризовался семью параметрами АЭ [38].
Кроме вышеуказанных подходов, существует ряд других, основанных на эффекте Кайзера (SII - индекс структурной
целостности) [39], анализе формы волны и вейвлет-рас-пределении, классификация MONPAC и TANKPAC, тензорный анализ и фрактальное моделирование распределения трещин с использованием акустической эмиссии [40].
Таким образом, современные подходы к оценке долговечности и ресурса технологических объектов обладают рядом недостатков и противоречий. Группа механических подходов характеризуется зависимостью от проведения лабораторных разрушающих испытаний в соответствии с константами материалов, входящих в расчетные формулы. Это главное противоречие выражается в невозможности воссоздать уникальные условия сложнонапряженной эксплуатации реального оборудования, учитывать их структурную неоднородность, развивающуюся еще со стадии производства. Кроме того, пространственно-геометрическое подобие дефектов, используемое в линейной механике разрушения, не принимает во внимание такие определяющие в современной науке о прочности факторы разрушения, как накопление микроповреждений и временной характер ее развития. С другой стороны, группа статистических методов оценки ресурса подвержены влиянию метрологической неоднородности контроля и воздействию шумов, которые являются стандартной проблемой для АЭ контроля. Кроме того, такие подходы слабо связаны с фундаментальной физической природой процесса разрушения, они предлагают ограниченную, необоснованную связь параметров АЭ с ресурсом, игнорируя критерии работоспособности и надежности. Общим препятствием к практическому применению вышеуказанных методов выступает их краткосрочность в оценке ресурса изделий, обусловленная преобладающим использованием максимальных напряжений уже в ходе продвижения трещины в первом случае и всплеском значений параметров АЭ при начале развития опасного дефекта во втором.
На основе данных вопросов к прогнозированию ресурса возникает необходимость разработки подхода долгосрочной оценки, связанной с процессом накопления повреждений в материале, развивающемся во времени, которая бы учитывала индивидуальные структурные и прочностные особенности объекта, была менее зависима от лабораторных тестов. Такие проблемы, как предполагается, должен решить информационно-кинетический подход на основе временной зависимости потока импульсов акустической эмиссии.
Методы
Многоуровневая модель потока сигналов АЭ
Информационно-кинетический подход был развит на основе кинетического подхода [41], снимающего большую часть неопределенности в оценке ресурса посредством применения критерия предельной концентрации микротрещин, основанной на гипотезе линейного суммирования повреждений и разделения процесса разрушения на стадии мелкодисперсного аккумулирования повреждений в деформируемой зоне перед концентратором и непосредственного роста трещины. Это позволяет использовать первую, более продолжительную стадию для оценки ресурса до образования опасной трещины.
Необходимость в методах определения продолжительности этапов разрушения и подверженность влиянию шумов приводит к неопределенности в оценке ресурса. Это стало
причиной перехода к информационно-кинетическому подходу, учитывающему прочностную, структурную неоднородность объекта и метрологическую неоднородность контроля и связанному с выявлением этапов, входящих в стадию мелкодисперсного разрушения. Подход также анализирует информацию о прочности материала объекта с трех масштабных уровней: наноуровня, микроуровня и макроуровня. Исследуя прочностное состояние объекта и данные АЭ от разрушающих испытаний вместе с явлениями конкуренции пластической перестройки структуры и накопления повреждений, было выдвинуто предположение об определяющей роли стадии упругого деформирования в процессе накопления микротрещин и прогнозировании ресурса. При этом остаточный ресурс будет определяться кинетикой процесса разрушения эталонных представителей прочности образца - структурных микроэлементов (зерен, волокон и т.д.), отбор которых осуществляется на основе кинетического и статистического признаков с помощью АЭ-контроля. Таким образом, прогнозирование ресурса основано на регистрации интенсивности протекания однородного разрушения в момент упругого микродеформирования, где микроэлементы имеют одинаковую вероятность разрушения. Ресурс же в данном случае будет определяться временем t, соответствующем моменту накопления критической концентрации микротрещин С. Этап однородного разрушения, в течение которого выходят из строя структурные компоненты ответственные за прочность, выражается как
dC
dt
(4)
С0 - с 0ср (t)
где С0 - исходная концентрация структурных элементов в образце. После интегрирования получим
с ^ )= с
1- ехр
dt
0 %р (t)
(5)
где Qcp - время термофлуктуационного разрушения структурного элемента в соответствии с формулой Журкова и кинетической концепцией прочности [42]:
0 ^) = т0ехр
Цр -Т^)
КТ
(6)
где т0 - период атомных колебаний; Uр - энергия активации разрушения, соответствующая энергии сублимации (отрыву атома и переходу тела в газообразное состояние); у - параметр структурного состояния, который соответствует значению активационного объема и отражает структурную неоднородность материала образца; - скорость изменения напряжений на одном структурном элементе; K - постоянная Больцмана; T - температура.
После преобразования концентрация микротрещин во время равномерного нагружения с постоянной скоростью < описывается формулой
с ^ )=-
С0КТехр
Т<t - Ц0 КТ
(7)
АЭ-контроль подвержен влиянию ряда факторов, дестабилизирующих связь параметров АЭ и параметров процесса разрушения, из-за чего требуется метрологическое
I
преобразование концентрации микротрещин С(^, которые соответствуют элементам, рассеянно образующимся в объеме до образования макротрещины в параметр акустической эмиссии Для этого вводится акустико-эмиссионный коэффициент кАЕ, характеризующийся как акустически активный объем:
КАЕ = V Д[ Ф (ДЦ, и) dudtdМ, (8)
ЫА ,и
где V - подверженный контролю объем материала (макроуровень); Ф(Д^ и) - функция плотности распределения сигналов АЭ по продолжительности пауз между сигналами Д^ по частоте I и амплитуде и. Смысл интеграла данной формулы заключается в вероятности попадания зарегистрированных сигналов в диапазон соответствующих параметров АЭ.
При корректном проведении АЭ-испытаний концентрация накопленных микротрещин пропорциональна первичному параметру АЭ, такому как количество NS импульсов дискретной АЭ, суммарный счет N или энергия АЭ. Эти параметры могут выступать в качестве несущего информацию о числе разрушенных структурных элементов в модели (рис. 1):
Рис. 1. Вид многоуровневой модели временной зависимости потока импульсов акустической эмиссии [43]
Уае =
Мае =
d 1п £ _ ds '
dKu
У ;
кт'
ус
"кт
(12)
(13)
^ )=каеС0г+ди^(»)
1- ехр
dt
е(ио,»( t))
dю. (9)
Уравнение (9) представляет собой многоуровневую модель временной зависимости потока импульсов АЭ.
Концентрационно-кинетические показатели прочности Регистрация выходных параметров АЭ на протяжении испытания позволяет выделить по кинетическому признаку два этапа стадии мелкодисперсного разрушения: неоднородный, характеризующийся нестабильностью АЭ, и однородный, более информативный по отношению к прочности и имеющий стабильный показатель скорости выхода из строя структурных элементов. Временная зависимость числа импульсов АЭ как частного случая параметра на указанном этапе однородного разрушения в соответствии с моделью (9) выражается как
N
£ однородн.
кАЕС0КТехр
Усt - ио
кт
уст То
(10)
После математического преобразования в виде логарифмирования и дифференцирования по интересующей характеристике состояния материала или хода испытаний из многоуровневой модели следует ряд концентрационно-кинети-ческих показателей прочности:
d 1п £ _ уст
~ Кт'
где Кн - коэффициент нагрузки, равный отношению испытательной нагрузки к эксплуатационной.
Данные показатели прочности лишены дестабилизирующего влияния акустико-эмиссионного коэффициента и поэтому являются базовой физической связью процесса разрушения с параметрами АЭ. Оценка ресурса, согласно подходу, производится на основе показателей YAE и WAE, которые связаны с параметрами кривых усталости и ресурсом (рис. 2).
В ходе анализа различных видов кривых усталости было выдвинуто предположение о наличии универсальной константы конкретного материала NB [45], получаемое путем экстраполяции прямолинейного участка кривой на ось NC, не зависящей от структурных особенностей образцов (рис. 3).
|Рис. 2. Графическая связь параметров и УАЕ с кривыми усталости [44]
ЬпИв ^пЫваб
1Л1 ЫвАЯ
ЬпЛ/^огк
ХАЕ ="
(11)
1
№ги) « ЖА Е
Ч. Ч» У/го ~ ^АЕ
ч
и
¥яв XI
о яв оя аи.тк ок
о к, МРа
I
Рис. 3. Кривые усталости сварных соединений: а - результаты испытаний металла сварного шва (1), зоны термического
воздействия (2) и основного металла ВМСтЗсп (3); б - результаты испытаний качественных соединений (1) с угловатостью 8 мм на длине 1 м (2) и непроваром 4 мм (3) стали 10ХСНД [461
б
Рис. 4. Кривая зависимости давления от времени во время гидроиспытаний баллона
Рис. 5. Искусственный концентратор на поверхности баллона
Такая связь, разрешая главное противоречие современных подходов, сохраняет преемственность с предыдущими исследованиями по циклической прочности и является практичным преимуществом данного подхода. Таким образом, исходное (с момента появления трещины) количество циклов до разрушения определяется как
N =
N
N
Р {^ае )
ех
ехр
КГ
(14)
Результаты
Расчет ресурса баллонов для хранения газа
Продемонстрируем пример практического применения подхода на основе экспериментальных данных по гидростатическим разрушающим испытаниям цилиндров для хранения компримированного газа, приведенных в [47]. Испытания проводились на баллонах, рассчитанных на эксплуатационное давление 20 МПа объемом 50 л (рис. 4).
Для исследования процесса развития трещины на поверхности цилиндра создавался искусственный концентратор в виде плоского выреза, в который помещался тензометрический датчик (рис. 5). Материалом цилиндра была
I
Сг-Мо сталь, наиболее часто представленная для баллонов давления в виде 35Сг-Мо или 42Сг-Мо стали, механические свойства которой показаны в табл. 1.
Во время АЭ испытаний использовались два датчика, с помощью которых устанавливалось местоположение трещины. Зависимость суммарного счета АЭ от времени показана на рис. 6. По описанному выше кинетическому признаку был выделен этап однородного микротрещиноо-бразования (рис. 7) со сдержанной диссипацией, необходимой для процессов релаксации. При тестовом давлении около 25 МПа был обнаружен всплеск параметров АЭ, а тензодатчик зафиксировал образование опасного концентратора в виде трещины на углу надреза.
Теоретическое и экспериментальное обоснование связи показателя УАЕ, получаемого при неразрушающих испытаниях реального объекта и параметра Уя (выполняющего роль угла наклона линейного участка кривой усталости), обуславливается подобием уравнения (12) и
Таблица 1
Механические свойства Сг-Мо стали испытываемых цилиндров
Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение, %
850
1050
Рис. 6. Временная зависимость числа импульсов АЭ во время испытаний
Рис. 7. Временная зависимость числа импульсов АЭ в полулогарифмических координатах
Yn =
d 1п Nc _ d 1од Nc _ у
d а
0,43 ds КТ
Чтобы сопоставить численные значения YAE и YR, была произведена оценка напряженно-деформированного состояния цилиндра для хранения газа в зоне искусственного концентратора с использованием метода конечных элементов. Значения напряжений, относящиеся к участку однородного разрушения при испытательных давлениях р 24,39 МПа и 26,75 МПа, соответствовали 990 МПа и 1087 МПа (рис. 8). Тогда
YAE =
d 1п9,38-8,23
du 1087 - 990
= 0,012 МПа~
В ходе анализа данных группы кривых усталости (рис. 9) был определен параметр YR = 0,016 МПа-1.
Как можно заметить, данные параметры имеют близкое численное значение, что дает возможность утверждать об обратно пропорциональной зависимости остаточного числа циклов и суммарного счета АЭ на этапе однородного разрушения и о правомерности физической связи накопления повреждений во время статического и циклического нагру-жения (гипотезы суммирования повреждений).
Рассчитаем показатель WAE для указанного этапа, где для диагностических нагрузок 24,77 МПа и 26,82 МПа было зарегистрировано 3765 и 11896 импульсов соответственно:
=
d 1п 4 (1п ^ 2 - 1п ^ 1) р
раб
dKu
(Рисп2 Рисп1
(9,38 - 8,23)- 20 (26,82 - 24,77)
= 11,22.
Для оценки опасности дефекта и характеристики работоспособности оборудования используют диагностические признаки (табл. 2) на основе допустимого значения данного концентрационно-кинетического показателя [WAE]:
№б\ = X-[4 (15)
где YR - параметр кривой усталости; [а] - максимально допустимые напряжения (принимаем равными величине предела текучести материала цилиндра).
Тогда
^АЕ ] = 0,016 - 850 = 13,6.
Таким образом, несмотря на высокое значение показателя WAE источник АЭ соответствует второму классу опасности (работоспособный, активный источник АЭ) и способен продолжать эксплуатацию при рабочем давлении.
Для определения величины NB были проанализированы результаты в виде кривых усталости, полученные различными авторами, при циклических испытаниях образцов Сг-Мо сталей [48-52]. Использовались данные по необработанным и не подвергнутым химическому воздействию образцам. Результаты были сведены в единый график, показывающий наличие тенденции к схождению экстра-поляций кривых в «полюсе», разброс значений которых может быть объяснен различиями в условиях испытаний (рис. 9). В качестве усредненного значения NB был принят равным 7-109 циклов. Тогда число циклов до окончательного разрушения будет равным:
Рис. 8. Напряженно-деформированное состояние в зоне концентратора на поверхности баллона
N ■■
Nb
7 • 109
exp (WAE) е1
1,22
93455 цикла
I
Таблица 2
Оценка работоспособности баллонов для хранения газа по показателю
I
900
800
700
Как видно из расчета ресурса, подобные баллоны при соблюдении норм изготовления и снижении нагрузки до рабочей имеют значительный запас циклической прочности, что отмечалось и авторами испытаний [11, 47]. С учетом нормативных требований [ISO 11439-2014] - способности выдерживать не менее 1000 циклов нагру-жения ежегодно срок их службы превышает 90 лет. Применение данного подхода дает возможность отделить воздействие на АЭ материала факторов микро- и наномасштабных уровней, что особенно важно при диагностике оборудования, работающего с агрессивными средами.
Расчет энергии активации
Если исходить из кинетической интерпретации процесса разрушения, то параметры t0 и U0 являются характеристиками взаимодействия атомов в кристаллической решетке. t0, как было указано выше, - это период колебаний атомов решетки, сохраняющий свою консервативность для большинства конструкционных материалов и равный приблизительно 10-13 сек (то есть не чувствителен к структуре), что было показано на огромной эмпирической базе в [42]. U0 - энергия активации термофлук-туационного распада или выхода из потенциальной ямы, то есть разрыва атомной связи, обладающая относительной постоянностью в рамках одной группы материалов (металлов, различных видов полимеров и т.д.). Параметр U0 представляет собой барьер, равный энергии, необходимой для преодоления атомами тела состояния с повышенной потенциальной энергией, и поэтому является важнейшей характеристикой процесса разрушения, так как по нему можно судить о механизме процесса и об участии в нем межатомных перегруппировок и разрывов связей. Учитывая стабильность данного параметра, продемонстрируем адекватность многоуровневой модели потока импульсов АЭ механизму разрушения тела на атомном уровне.
С учетом данных полученных от кривых усталости, и физического смысла формулы Журкова ресурс в ходе циклической нагрузки выражается как
Класс опасности источника акустической эмиссии Диагностический признак Характеристика работоспособности элемента оборудования, источника АЭ
I WAE * 0 Работоспособный, пассивный
II 0 < WAE < [WAE] Работоспособный, активный
III WAE > WAE] Ограниченная работоспособность, критически активный. Требуется снижение рабочего давления
IV Wae > [sHWe Неработоспособное, катастрофически активный. Требуется вывод из эксплуатации или замена элемента
Примечание. [¿] - нормативный коэффициент запаса статической прочности ([¿] « 1,4-4 и зависит от объекта контроля, срока эксплуатации).
Рис. 9. Кривые усталости Cr-Mo [30ХМА, 35ХМ) сталей в полулогарифмических координатах: 1 - [48]; 2 - [49]; 3 - [50]; 4 - [51]; 5 - [52]
600
500
400
300
200
100
0
10000
\0,43YR
(4)
■--451
ч\(2)
.(1)
(3)
100000
1000000 10000000 100000000 N, цикл
1E+09
1E+10
1E+11
dlgNB
Тогда энергия активации процесса разрушения описывается уравнением
Uo
:уа + KT■ In Nc 'Хцикл .
(17)
При s = 0 значение NC = NB, которое получено экстра-
поляцией на ось N:
U0 = KT ■ ln-
N
B'т цикл
(18)
Nc =-
иср
t0exp
Un
-уст
KT
(16)
где хцикл - период циклического нагружения.
В данном уравнении K = 1,38-10-23 Дж/К (постоянная Больцмана), NB = 7-109 (по полученным кривым усталости), T = 300 К (температура испытаний), тцикл = 0,033 сек-1 (получено по справочным материалам [53]).
Тогда энергия разрыва межатомных связей для материала образца равна
2
o
и0 = 1,38 • 10-23.300 -Ш7-109 у3 = 0 10-13
=21777,55 -10-23 Дж = 131,15 кД/Моль
Согласно многоуровневой модели АЭ, энергия активации определяется из уравнения (10). При условии, что ^ -время до разрушения, а С({*) = С* - критическая концентрация микротрещин и стГ = а* - разрушающее напряжение или предел прочности, уравнение (10) преобразуется в выражение:
Uo = ln KT
CpKT
я
ToYsC*
ys
'KT '
(19)
Заметим, что в формуле (18) содержатся вышеупомянутые концентрационно-кинетические показатели YAE и Х^. С учетом того что С* « 0,01 С0 формула для расчета энергии активации по данным временной зависимости акустической эмиссии выражается как
Uo
KT
=s Y a
AE
ln
Co
10-13 • C
--In X
AE
или
Uo
--KT (F *
kYAE + 35,54 - In X
AE
(20)
(21)
где k = s/F - коэффициент пропорциональности испытательной нагрузки и напряжений.
Используем данные АЭ гидроиспытаний цилиндров для хранения газа из [43]. Разрушающая нагрузка F* соответствовала 27,5 МПа, температура испытаний была комнатной, поэтому примем T = 300 K. Временной интервал, соответствующий этапу однородного разрушения, принят с 685-й по 818-ю секунду. По определенному ранее этапу однородного разрушения вычислим АЭ показатели:
d ln % ky 9,38 - 8,23
kYAE = ^ = -
dF KT 26,82 - 24,77
- 0,56 Н
-1.
=dni = =0,00865 с -1
dt
818 - 685
Тогда энергия активации разрушения реального образца U0 = 1,38 -10-23 - 300 - (27,5 - 0,56 + 35.54 - 1п0,00865) =
= 136,4 кДж/ .
/моль
Как можно заметить, отклонение значения, рассчитанного по данным регистрации АЭ от значений, полученных при использовании информации с кривых усталости, то есть лабораторных испытаний образцов различного состояния, составляет 4%, что говорит о высокой информативной ценности используемого подхода к АЭ-диагностированию.
Заключение
В статье продемонстрирована возможность подхода определять ресурс цилиндров для хранения газа, опирающегося на гипотезу линейного суммирования повреждений, информацию с кривых усталости и выходные
параметры акустической эмиссии. Связь с кинетической природой разрушения металлов представлена на основе расчета энергии активации, показавшего удовлетворительное соответствие. В основе подхода лежала многоуровневая модель временных зависимостей параметров АЭ, учитывающая метрологическую, структурную и прочностную неоднородность материала реального объекта, что выделяет ее среди других подходов как способную разрешить главное противоречие современных методик - необоснованность связи лабораторных испытаний и уникальных индивидуальных условий эксплуатации технических объектов. Разрушение структурных элементов определялась по кинетически однородному этапу временной зависимости числа импульсов АЭ, который характеризует мелкодисперсное накопление повреждений на стадии упругой деформации. Полученные концентрационно-кинетические показатели прочности связаны с ресурсом, то есть временем до разрушения посредством использования универсальных усталостных констант, обусловлены кинетической и статистической фильтрацией АЭ.
В настоящий момент подход дает возможность увеличить информативность в экспресспрогнозировании ресурса посредством:
- контролепригодности повреждаемости, которая стала возможна при переходе от разрушения лабораторных образцов к регистрации времени выхода из строя эталонных микроструктурных элементов, ответственных за прочность, с помощью акустической эмиссии.
- информативности контроля, которая стала возможна благодаря использованию концентрационно-кинетиче-ских показателей прочности вместо привычных силовых критериев предела текучести, предела прочности, не рассматривающих разрушение как процесс, протекающий во времени.
- фильтрации потока сигналов АЭ по статистическому и кинетическому признакам, благодаря которой выделен временной участок докритического развития дефекта и появилась возможность долгосрочного заблаговременного прогнозирования ресурса.
Использование кривых усталости дает возможность работать с накопленными эмпирическими данными для различных материалов. Метод представляет особенный интерес к прогнозированию срока службы сосудов давления, работающих при низких температурах и, таким образом, подверженных влиянию вязко-хрупкого перехода в конструкционных сталях [54], исключающего стадию пластического деформирования перед окончательным разрушением, оставляя для контроля только область упругой деформации. Несмотря на повышение стандартных силовых и усталостных характеристик при криогенных температурах [55], в подобных объектах особенно проявляется необходимость в долгосрочном прогнозировании остаточного ресурса. Интерес для дальнейших исследований представляет метрологическое и микроструктурное уточнение границ этапов однородного разрушения, апробация подхода на оборудовании, работающем в криогенных условиях и изучение дестабилизирующего влияния особенностей контроля криогенных емкостей на оценку ресурса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Dvoynikov M. et al. New concepts of hydrogen production and storage in Arctic region. Resources. 2021. Т. 10. No.
I. P. 3.
2. Shammazov I. A., Sidorkin D. I., Dzhemilev E. R. Research of the Dependence of the Pipeline Ends Displacement Value When Cutting Out Its Defective Section on the Elastic Stresses in the Pipe Body. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2022. Т. 988. No. 2. Pp. 22-77.
3. Волковас В., Дорошева В., Эльманович В. и др. Методологические аспекты оценки прочности и остаточного ресурса сосудов давления на основе акустико-эмиссионной диагностики // Дефектоскопия. 2004. №. 11. С. 50-61.
4. Chai M. et al. Acoustic emission studies for characterization of fatigue crack growth in 316LN stainless steel and welds. Applied acoustics. 2017. Т. 126. Pp. 101-113.
5. Wood B. R. A., Harris R. W. Structural integrity and remnant life evaluation of pressure equipment from acoustic emission monitoring. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2000. Т. 77. No. 2-3. Pp. 125-132.
6. Wuriti G. S., Chattopadhyaya S., Thomas T. Acoustic emission signal characteristics of maraging steel 250 pressure vessel during a hydraulic qualification test. Nondestructive Testing and Evaluation. 2022. Т. 37. No. 1. Pp. 100-114.
7. Nemati N., Metrovich B., Nanni A. Acoustic emission assessment of fatigue crack growth from a transverse weld toe. Journal of Materials in Civil Engineering. 2016. Т. 28. No. 2. Pp. 04015103.
8. Akhtar A. et al. Acoustic emission testing of steel cylinders for the storage of natural gas on vehicles. NDT & E International. 1992. Т. 25. No. 3. Pp. 115-125.
9. Clark G., Knott J.F. Acoustic emission and ductile crack growth in pressure-vessel steels. Metal Science. 1977. Т.
II. No. 11. Pp. 531-536.
10. Blackburn P.R., Rana M.D. Acoustic emission testing and structural evaluation of seamless, steel tubes in compressed gas service. 1986.
11. Tsukikawa T. et al. Acoustic Emission Testing During a Burst Test of a Thick-Walled 2-1/4 Cr-1 Mo Steel Pressure Vessel. 1980.
12. Pellionisz P., SzQcs P. Acoustic emission monitoring of pressure vessels. International journal of pressure vessels and piping. 1993. Т. 55. No. 2. Pp. 287-294.
13. Mukhopadhyay C.K. et al. Acoustic emission monitoring during hydrotesting of a mounded LPG storage vessel of petrochemical industry. Strength, Fracture and Complexity. 2015. Т. 9. No. 4. Pp. 251-264.
14. Dahmene F. et al. Towards efficient acoustic emission testing of COPV, without Felicity ratio criterion, during hydrogen-filling. International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Т. 41. No. 2. Pp. 1359-1368.
15. Mukhopadhyay C.K. et al. Condition monitoring of exchange towers of heavy water plant during hydrotesting by acoustic emission technique. Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. 2011. Т. 53. No. 1. Pp. 29-33.
16. Palmer I.G. Acoustic emission measurements on reactor pressure vessel steel. Materials Science and Engineering. 1973. Т. 11. No. 4. Pp. 227-236.
17. Watanabe T., Hashirizaki S., Arita H. Acoustic-emission inspection during water-pressure testing of pressure vessels. NDT International. 1976. Т. 9. No. 5. Pp. 227-232.
18. Lepikhin A.M., Moskvichev V.V., Chernyaev A.P. Acoustic-emission monitoring of the deformation and fracture of metal-composite pressure vessels. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2018. Т. 59. No. 3. Pp. 511-518.
19. Wuriti G., Chattopadhyaya S., Thomas T. Acoustic emission test method for investigation of M250 maraging steel pressure vessels for aerospace applications. Materials Today: Proceedings. 2022. Т. 49. Pp. 2176-2182.
20. Romaniv O.N. et al. Relationship of acoustic emission to the kinetics and micromechanism of fatigue failure of high-strength steel with a martensitic structure. Sov. Mater. Sci.(Engl. Transl.); (United States). 1987. Т. 23. No. 2.
21. Baram J. Fatigue-life prediction by an order statistics treatment of acoustic-emission signals. Experimental mechanics. 1993. Т. 33. No. 3. Pp. 189-194.
22. Roberts T.M., Talebzadeh M. Acoustic emission monitoring of fatigue crack propagation. Journal of constructional steel research. 2003. Т. 59. No. 6. Pp. 695-712.
23. Maslouhi A. Fatigue crack growth monitoring in aluminum using acoustic emission and acoustoultrasonic methods. Structural control and health monitoring. 2011. Т. 18. No. 7. Pp. 790-806.
24. Roberts T.M., Talebzadeh M. Fatigue life prediction based on crack propagation and acoustic emission count rates. Journal of constructional steel research. 2003. Т. 59. No. 6. С. 679-694.
25. Baek J.H. et al. Fatigue crack growth and fracture toughness properties of 304 stainless steel pipe for LNG transmission. Metals and Materials International. 2001. Т. 7. №. 6. С. 579-585.
26. Yu J. et al. Prediction of fatigue crack growth in steel bridge components using acoustic emission. Journal of Constructional Steel Research. 2011. Т. 67. No. 8. Pp. 1254-1260.
27. Roy H. et al. Acoustic emission during monotonic and cyclic fracture toughness tests of 304LN weldments. International journal of pressure vessels and piping. 2010. Т. 87. No. 10. Pp. 543-549.
28. Nemati N., Metrovich B., Nanni A. Fatigue and fracture assessment of cracks in steel elements using acoustic emission. Health Monitoring of Structural and Biological Systems 2011. SPIE. 2011. Т. 7984. Pp. 736-746.
29. Zarate B.A. et al. Deterministic and probabilistic fatigue prognosis of cracked specimens using acoustic emissions. Journal of Constructional Steel Research. 2012. Т. 76. Pp. 68-74.
30. Han Z. et al. Acoustic emission study of fatigue crack propagation in extruded AZ31 magnesium alloy. Materials Science and Engineering: A. 2014. Т. 597. Pp. 270-278.
31. Baram J., Rosen M. Fatigue life prediction by distribution analysis of acoustic emission signals. Materials Science and Engineering. 1979. Т. 41. No. 1. Pp. 25-30.
32. Baram J. Improved fatigue-life prediction by acoustic emission. Engineering Fracture Mechanics. 1984. Т. 19. No. 1. Pp. 181-185.
33. Baram J., Rosen M. Prediction of low-cycle fatigue-life by acoustic emission - 1: 2024-T3 aluminum alloy. Engineering Fracture Mechanics. 1981. Т. 15. No. 3-4. Pp. 477-486.
34. Baram J., Rosen M. Prediction of low-cycle fatigue-life by acoustic emission - 2: 7075-T6 aluminum alloy. Engineering Fracture Mechanics. 1981. Т. 15. No. 3-4. Pp. 487-494.
35. Ai Y. et al. Performance Degradation Analysis and Life Prediction of the Fatigue Damage Process of High Strength Aluminum Alloy Using Acoustic Emission. Journal of Nondestructive Evaluation. 2021. Т. 40. No. 2. Pp. 1-12.
36. Mohammad M. et al. Predicting the fatigue life of the SAE 1045 steel using an empirical Weibull-based model associated to acoustic emission parameters. Materials & Design (1980-2015). 2014. Т. 54. Pp. 1039-1048.
37. Chai M. et al. Fracture toughness evaluation of 316LN stainless steel and weld using acoustic emission technique. Isij International. 2016. Т. 56. No. 5. Pp. 875-882.
38. Amer A.O. et al. Characterization of fatigue damage in 304L steel by an acoustic emission method. Procedia Engineering. 2013. Т. 66. Pp. 651-660.
39. Wood B. R.A., Harris R.W. Structural integrity and remnant life evaluation of pressure equipment from acoustic emission monitoring. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2000. Т. 77. No. 2-3. Pp. 125-132.
40. Ono K. Structural integrity evaluation using acoustic emission. J. Acoust. Emiss. 2007. Т. 25. Pp. 1-20.
41. Веттегрень В.И., Ложкин В.Н. Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов // Природные и техногенные риски (физико-математические и прикладные аспекты). 2014. № 2. С. 33-42.
42. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел // Успехи физических наук. 1972. Т. 106. № 2. С. 193-228.
43. Носов В.В., Номинас С.В., Зеленский Н.А. Оценка прочности сосудов давления на основе использования явления акустической эмиссии // Материаловедение. Энергетика. 2015. № 2 (219). С. 182-190.
44. Носов В.В., Ямилова А.Р. Информационно-кинетический подход к оценке прочностного состояния сосудов, работающих под давлением в водородсодержащих средах // Контроль. Диагностика. 2021. Т. 24. № 6. С. 30-45.
45. Nosov V.V. Appraising the Service Life of Dangerous Engineering Equipment by Acoustic Emission Diagnosis. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2020. Т. 49. No. 12. Pp. 1072-1083.
46. Махутов Н.А., Воробьев А.З., Гаденин М.М. и др. Прочность конструкций при малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1983. 271 с.
47. Barthe' le' my H. Periodic Inspection of Compressed Gas Cylinders and Tubes—Flaw Detection Using Acoustic Emission Testing. 1988.
48. Ko H. N. et al. Effect of fine-particle bombardment on fatigue strength of carburized Cr-MO steel. WIT Transactions on Engineering Sciences. 2003. Т. 39.
49. Murakami R.I., Yonekura D., Murayama T. A study on fatigue fracture mechanism of Cr-Mo steel SCM435 in super long life range. International Journal of Modern Physics B. 2003. Т. 17. No. 08-09. Pp. 1697-1703.
50. Golozar M.A. Effects of boronising on fatigue life of plain carbon and low alloy Cr-Mo steels. Surface engineering. 2001. Т. 17. No. 1. С. 61-65.
51. Boyer H.E. et al. (ed.). Atlas of fatigue curves. Asm International, 1985.
52. Strzelecki P., Sempruch J., Tomaszewski T. Analysis of selected mathematical models of high-cycle SN characteristics. Technical Sciences. 2017. Т. 20. No. 3. Pp. 227-240.
53. Strzelecki P., Sempruch J., Tomaszewski T. Analysis of selected mathematical models of high-cycle SN characteristics. Technical Sciences. 2017. Т. 20. No. 3. Pp. 227-240.
54. Walters C. L., Alvaro A., Maljaars J. The effect of low temperatures on the fatigue crack growth of S460 structural steel. International Journal of Fatigue. 2016. Т. 82. Pp. 110-118.
55. Stephens R. I., Chung J. H., Glinka G. Low temperature fatigue behavior of steels. A review. SAE Transactions. 1979. Pp. 1892-1904.
REFERENCES
1. Dvoynikov M. New concepts of hydrogen production and storage in Arctic region. Resources, 2021, vol. 10, no. 1, p. 3.
2. Shammazov I. A., Sidorkin D. I., Dzhemilev E. R. Research of the dependence of the pipeline ends displacement value when cutting out its defective section on the elastic stresses in the pipe body. Proc. of IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022, pp. 22-77.
3. Volkovas V., Dorosheva V., El'manovich V. Methodological aspects of assessing the strength and residual life of pressure vessels based on acoustic emission diagnostics. Defektoskopiya, 2004, no. 11, pp. 50-61 (In Russian).
4. Chai M. Acoustic emission studies for characterization of fatigue crack growth in 316LN stainless steel and welds. Applied acoustics, 2017, vol. 126, pp. 101-113.
5. Wood B. R. A., Harris R. W. Structural integrity and remnant life evaluation of pressure equipment from acoustic emission monitoring. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2000, vol. 77, no. 2-3, pp. 125-132.
6. Wuriti G. S., Chattopadhyaya S., Thomas T. Acoustic emission signal characteristics of maraging steel 250 pressure vessel during a hydraulic qualification test. Nondestructive Testing and Evaluation, 2022, vol. 37, no. 1, pp. 100-114.
7. Nemati N., Metrovich B., Nanni A. Acoustic emission assessment of fatigue crack growth from a transverse weld toe. Journal of Materials in Civil Engineering, 2016, vol. 28, no. 2, p. 04015103.
8. Akhtar A. Acoustic emission testing of steel cylinders for the storage of natural gas on vehicles. NDT& EInternational, 1992, vol. 25, no. 3, pp. 115-125.
9. Clark G., Knott J.F. Acoustic emission and ductile crack growth in pressure-vessel steels. Metal Science, 1977, vol. 11, no. 11, pp. 531-536.
10. Blackburn P.R., Rana M.D. Acoustic emission testing and structural evaluation of seamless, steel tubes in compressed gas service. 1986.
11. Tsukikawa T. Acoustic Emission Testing During a Burst Test of a Thick-Walled 2-1/4 Cr-1 Mo Steel Pressure Vessel. 1980.
12. Pellionisz P., SzQcs P. Acoustic emission monitoring of pressure vessels. International journal of pressure vessels and piping, 1993, vol. 55, no. 2, pp. 287-294.
13. Mukhopadhyay C.K. Acoustic emission monitoring during hydrotesting of a mounded LPG storage vessel of petrochemical industry. Strength, Fracture and Complexity, 2015, vol. 9, no. 4, pp. 251-264.
14. Dahmene F. Towards efficient acoustic emission testing of COPV, without Felicity ratio criterion, during hydrogen-filling. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, vol. 41, no. 2, pp. 1359-1368.
15. Mukhopadhyay C.K. Condition monitoring of exchange towers of heavy water plant during hydrotesting by acoustic emission technique. Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring, 2011, vol. 53, no. 1, pp. 29-33.
16
17
18
19.
20.
21.
22.
Palmer I.G. Acoustic emission measurements on reactor pressure vessel steel. Materials Science and Engineering, 1973, vol. 11, no. 4, pp. 227-236.
Watanabe T., Hashirizaki S., Arita H. Acoustic-emission inspection during water-pressure testing of pressure vessels. NDT International, 1976, vol. 9, no. 5, pp. 227-232.
Lepikhin A.M., Moskvichev V.V., Chernyaev A.P. Acoustic-emission monitoring of the deformation and fracture of metal-composite pressure vessels. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2018, vol. 59, no. 3, pp. 511-518.
Wuriti G., Chattopadhyaya S., Thomas T. Acoustic emission test method for investigation of M250 maraging steel pressure vessels for aerospace applications. Materials Today: Proceedings, 2022, vol. 49, pp. 2176-2182. Romaniv O.N. Relationship of acoustic emission to the kinetics and micromechanism of fatigue failure of high-strength steel with a martensitic structure. Sov. Mater. Sci.(Engl. Transl.); (United States), 1987, vol. 23, no. 2. Baram J. Fatigue-life prediction by an order statistics treatment of acoustic-emission signals. Experimental mechanics, 1993, vol. 33, no. 3, pp. 189-194.
Roberts T.M., Talebzadeh M. Acoustic emission monitoring of fatigue crack propagation. Journal of constructional steel research, 2003, vol. 59, no. 6, pp. 695-712.
23. Maslouhi A. Fatigue crack growth monitoring in aluminum using acoustic emission and acoustic ultrasonic methods. Structural control and health monitoring, 2011, vol. 18, no. 7, pp. 790-806.
24. Roberts T.M., Talebzadeh M. Fatigue life prediction based on crack propagation and acoustic emission count rates. Journal of constructional steel research, 2003, vol. 59, no. 6, pp. 679-694.
25. Baek J.H. Fatigue crack growth and fracture toughness properties of 304 stainless steel pipe for LNG transmission. Metals and Materials International, 2001, vol. 7, no. 6, pp. 579-585.
26. Yu J. Prediction of fatigue crack growth in steel bridge components using acoustic emission. Journal of Constructional Steel Research, 2011, vol. 67, no. 8, pp. 1254-1260.
27. Roy H. Acoustic emission during monotonic and cyclic fracture toughness tests of 304LN weldments. International journal of pressure vessels and piping, 2010, vol. 87, no, 10, pp. 543-549.
28. Nemati N., Metrovich B., Nanni A. Fatigue and fracture assessment of cracks in steel elements using acoustic emission. Health Monitoring of Structural and Biological Systems 2011. SPIE, 2011, vol. 7984, pp. 736-746. Zarate B.A. Deterministic and probabilistic fatigue prognosis of cracked specimens using acoustic emissions. Journal of Constructional Steel Research, 2012, vol. 76, pp. 68-74.
Han Z. Acoustic emission study of fatigue crack propagation in extruded AZ31 magnesium alloy. Materials Science and Engineering: A, 2014, vol. 597, pp. 270-278.
Baram J., Rosen M. Fatigue life prediction by distribution analysis of acoustic emission signals. Materials Science and Engineering, 1979, vol. 41, no. 1, pp. 25-30.
Baram J. Improved fatigue-life prediction by acoustic emission. Engineering Fracture Mechanics, 1984, vol. 19, no. 1, pp. 181-185.
Baram J., Rosen M. Prediction of low-cycle fatigue-life by acoustic emission - 1: 2024-T3 aluminum alloy. Engineering Fracture Mechanics, 1981, vol. 15, no. 3-4, pp. 477-486.
Baram J., Rosen M. Prediction of low-cycle fatigue-life by acoustic emission - 2: 7075-T6 aluminum alloy. Engineering Fracture Mechanics, 1981, vol. 15, no. 3-4, pp. 487-494. 35. Ai Y. Performance degradation analysis and life prediction of the fatigue damage process of high strength aluminum alloy using acoustic emission. Journal of Nondestructive Evaluation, 2021, vol. 40, no. 2, pp. 1-12. Mohammad M. Predicting the fatigue life of the SAE 1045 steel using an empirical Weibull-based model associated to acoustic emission parameters. Materials & Design, 2014, vol. 54, pp. 1039-1048.
Chai M. Fracture toughness evaluation of 316LN stainless steel and weld using acoustic emission technique. Isij International, 2016, vol. 56, no. 5, pp. 875-882. 38. Amer A.O. Characterization of fatigue damage in 304L steel by an acoustic emission method. Procedia Engineering, 2013, vol. 66, pp. 651-660.
Wood B. R.A., Harris R.W. Structural integrity and remnant life evaluation of pressure equipment from acoustic emission monitoring. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2000, vol. 77, no. 2-3, pp. 125-132. Ono K. Structural integrity evaluation using acoustic emission. J. Acoust. Emiss., 2007, vol. 25, pp. 1-20. Vettegren' V.I., Lozhkin V.N. Physical foundations for predicting the durability of structural materials. Prirodnyye i tekhnogennyye riski (fiziko-matematicheskiye iprikladnyye aspekty), 2014, no. 2, pp. 33-42 (In Russian). Regel' V.R., Slutsker A.I., Tomashevskiy E.YE. Kinetic nature of the strength of solids. Uspekhi fizicheskikh nauk, 1972, vol. 106, no. 2, pp. 193-228 (In Russian).
Nosov V.V., Nominas S.V., Zelenskiy N.A. Evaluation of the strength of pressure vessels based on the use of the phenomenon of acoustic emission. Materialovedeniye. Energetika, 2015, no. 2 (219), pp. 182-190 (In Russian). Nosov V.V., Yamilova A.R. Information-kinetic approach to assessing the strength state of vessels operating under pressure in hydrogen-containing media. Kontrol'. Diagnostika, 2021, vol. 24, no. 6, pp. 30-45 (In Russian). Nosov V.V. Appraising the service life of dangerous engineering equipment by acoustic emission diagnosis. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2020, vol. 49, no. 12, pp. 1072-1083.
Makhutov N.A., Vorob'yev A.Z., Gadenin M.M. Prochnost' konstruktsiy pri malotsiklovom nagruzhenii [Structural strength under low-cycle loading]. Moscow, Nauka Publ., 1983. 271 p.
Barthe' le' my H. Periodic Inspection of Compressed Gas Cylinders and Tubes—Flaw Detection Using Acoustic Emission Testing. 1988.
Ko H. N. Effect of fine-particle bombardment on fatigue strength of carburized Cr-MO steel. WIT Transactions on Engineering Sciences, 2003, vol. 39.
Murakami R.I., Yonekura D., Murayama T. A study on fatigue fracture mechanism of Cr-Mo steel SCM435 in super long life range. International Journal of Modern Physics B., 2003, vol. 17, no. 08-09, pp. 1697-1703. Golozar M.A. Effects of boronising on fatigue life of plain carbon and low alloy Cr-Mo steels. Surface engineering, 2001, vol. 17, no. 1, pp. 61-65.
Boyer H.E. Atlas of fatigue curves. Asm International, 1985.
Strzelecki P., Sempruch J., Tomaszewski T. Analysis of selected mathematical models of high-cycle SN characteristics. Technical Sciences, 2017, vol. 20, no. 3, pp. 227-240.
53. Strzelecki P., Sempruch J., Tomaszewski T. Analysis of selected mathematical models of high-cycle SN characteristics. Technical Sciences, 2017, vol. 20, no. 3, pp. 227-240.
54. Walters C. L., Alvaro A., Maljaars J. The effect of low temperatures on the fatigue crack growth of S460 structural steel. International Journal of Fatigue, 2016, vol. 82, pp. 110-118.
55. Stephens R. I., Chung J. H., Glinka G. Low temperature fatigue behavior of steels. A review. SAE Transactions Publ., 1979. pp. 1892-1904.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
36.
37.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Первейталов Олег Геннадьевич, аспирант кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Санкт-Петербургский горный университет. Носов Виктор Владимирович, д.т.н., проф., кафедры метрологии, приборостроения и управления качеством, Санкт-Петербургский горный университет.
Oleg G. Perveytalow, Postgraduate bltudent of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, St. Petersburg Mining University. Viktor V. Nosov, Dr. Sei. (Tech.), Prof., Department of Metrology, Instrumentation and Quality Management, St. Petersburg Mining University.
