Государственное бюджетное образовательное учреждение города Москвы Школа №1363 Рост

Исследование акустической эмиссии трещин

Автор работы Мухин Анатолий ученик 6 класса В

Руководитель Афонасьева Татьяна Ивановна

Город  Москва, 2018-2019 г

Содержание

 1.Введение3-4

2 .Метод акустической эмиссии4-7

3. Материалы и методы исследования7-9

4.Обработка данных9-12

5.Выводы 12

6 Список литературы        13

Целью нашей работы явилось изучение метода акустической эмиссии.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- определить на каком расстоянии от датчика можно обнаружить трещину

-провести эксперимент, чтобы узнать сколько импульсов акустической эмиссии испускают трещины и насколько они большие

-провести математический расчет с помощью программы Microsoft Exce и узнать сколько импульсов «дойдут»  до датчика на расстоянии от 1 м до 12 м

1. Введение

        Одним из самых важных условий  жизни современного человека является безопасность. Только в безопасной обстановке человек может достичь профессионального мастерства, создать семью  и вырастить детей. Безопасность включает много понятий – это и личная безопасность человека, которую обеспечивает полиция, и безопасность целого государства, которую обеспечивает армия. Очень важными для нашего существования являются, также, экологическая и промышленная безопасность. Экологическая безопасность это забота о природе – отсутствие загрязнений воздуха, почвы и воды, сохранность лесов и зеленых насаждений.

        Промышленная безопасность включает безопасную работу сложных машин и механизмов,  трубопроводов, а также эксплуатацию зданий и сооружений. При соблюдении правил промышленной безопасности не происходит аварий, разрушений, взрывов и пожаров. На страже промышленной безопасности страны стоят инженеры – специалисты по неразрушающему контролю. Неразрушающий контроль – это отрасль науки и техники, представляющая собой набор методов и технических средств, которые позволяют выявлять дефекты в отдельных деталях и конструкциях, промышленных установках, зданиях и сооружениях, не разрушая их. Каждая деталь или конструкция, как человек, проходит жизненный цикл от изготовления до разрушения, в процессе работы могут возникать и развиваться различные повреждения – коррозия,  трещины, деформации. Задачей неразрушающего контроля является своевременное и точное выявление опасных дефектов. После того, как дефекты будут выявлены, можно произвести ремонт дефектных конструкций или замену дефектных деталей и тем самым продлить возможность их  безопасной эксплуатации.

        Существует множество методов неразрушающего контроля. Самым распространенным является рентгеновский контроль. Его основной принцип состоит в том, что рентгеновское излучение проникает внутрь контролируемого объекта и взаимодействует с его внутренней структурой. В плотном, однородном и бездефектном материале рентгеновские лучи ослабляются и затухают, а  если материал содержит дефекты – поры, раковины, трещины – рентгеновские лучи проходят сквозь них без ослабления. В результате бездефектный материал проявляется на рентгеновской пленке светлыми областями, а в местах расположения дефектов образуются затемнения. Рентгеновский контроль обладает высокой чувствительностью, он позволяет выявлять дефекты размерами меньше одного миллиметра, однако, его не всегда возможно провести, например, в условиях действующего производства, из-за необходимости применения сложного, громоздкого и дорогостоящего оборудования.

        Более простым  является метод ультразвукового контроля. Если при рентгеновском контроле материал просвечивается, то при ультразвуковом – прозвучивается. При помощи специального датчика-излучателя в деталь, конструкцию, или какой-либо другой объект вводится звуковая волна. Звуковые волны походят через бездефектный объект без особых препятствий, а если внутри объекта есть дефект, то звуковые волны не проходят сквозь него, а отражаются (отскакивают, как мяч от стены) в обратном направлении. Отраженные волны, регистрируются специальным датчиком-приемником, и если датчик-приемник зарегистрировал отраженную волну, значит, в детали или конструкции есть дефект. Ультразвуковой контроль  широко применяют не только в промышленности, но и в медицине. При помощи процедуры УЗИ можно определить состояние внутренних органов человека – проверить работу сердца, печени, почек… Недостатком ультразвукового контроля является низкая чувствительность – с его помощью можно обнаружить только те дефекты размеры, которых не меньше 5-10 мм.

        Наш проект посвящен самому чувствительному и современному методу неразрушающего контроля – методу акустической эмиссии.

2. Метод акустической эмиссии

        Явление акустической эмиссии заключается в том, что материал при разрушении испускает неуловимые, невооруженным ухом, звуковые волны. Когда мы рвем бумагу или разбиваем стекло, мы слышим звук – это и есть акустическая эмиссия. Основная проблема метода акустической эмиссии состоит в том, что звук, который мы слышим ухом без применения специальных приборов уже может быть свершившейся  аварией, для предотвращения которой не осталось времени.

        Однако, акустическая эмиссия существует на всех этапах разрушения, даже на самых ранних, когда в материале зарождаются микроскопические дефекты-трещины. Дефекты малых размеров испускают очень слабые волны, которые можно услышать только в ультразвуковом диапазоне при помощи специальной аппаратуры. Основная задача специалиста, который занимается акустической эмиссией, состоит в том, чтобы уловить звуковую волну от дефекта, как можно раньше, пока он еще не стал опасным.

Прибор для выявления сигналов акустической эмиссии состоит из трех основных частей: датчика, усилителя и системы сбора данных (рис.1).

Рис.1 Блок-схема прибора акустической эмиссии

        Датчик улавливает звуковые волны и преобразует их в электрический сигнал, который можно передать по проводам. Усиленные электрические сигналы передаются в систему сбора данных, которая представляет собой компьютер большой мощности, предназначенный для обработки и анализа данных.

На рисунке 2 показано как колеблется поверхность металла, когда по ней проходят волны акустической эмиссии. Эти колебания похожи на круги на воде, которые получаются, если бросить в воду камень.  Звуковые волны расходятся от дефекта, как от камня, брошенного в воду - во все стороны, вызывая очень небольшие перемещения атомов металла. Эти перемещения не заметны глазу, они равны примерно одной миллионной доли миллиметра. Для того, чтобы «услышать» волну акустической эмиссии нужны специальные датчики, вид такого датчика показан на рисунке 3. Датчик устанавливается на поверхность металла и соединяется проводами с системой сбора данных, когда по металлу проходит волна акустической эмиссии, датчик улавливает ее и вырабатывает сигнал, примерно такой, как изображен на рисунке 4. Этот сигнал называют специальным термином – «импульс акустической эмиссии». Появление такого сигнала, означает, что в металле есть опасный дефект, и его нужно срочно устранить, пока не произошла авария. Сигнал акустической эмиссии имеет единицы измерения, он измеряется в тех же единицах, что и громкость звука – децибелах.

Каждая трещина излучает  импульсы акустической эмиссии. Длинная и опасная трещина излучает много импульсов, и они очень мощные, как показано на рис.5.

Рис.5 Трещина длиной 15 мм и импульсы акустической эмиссии, которые она излучает

У маленькой трещины и сигналов мало, и они трудно  различимы на фоне посторонних шумов, как показано на рисунке 6.

Рис.6 Трещина длиной 3 мм и импульсы акустической эмиссии, которые она излучает

        Одна из задач специалиста по акустической эмиссии – при помощи сложных математических методов обнаружить самые маленькие импульсы, и выявить самые маленькие трещины.

        При помощи акустической эмиссии можно контролировать длинные трубопроводы, высотные здания, подъемные краны, огромные резервуары для хранения нефти и газа. Контроль трубопровода проводят, выставляя на поверхность трубы датчики на определенном расстоянии друг от друга, затем в трубу закачивают жидкость или газ, которые создают небольшое избыточное давление, при этом трещины (если они есть) подрастают на доли миллиметра и начинают испускать волны акустической эмиссии.

Рис.7 Контроль трубопровода методом акустической эмиссии

        Чтобы обнаружить все дефекты нужно соблюдать и все правила проведения контроля, самое главное из которых - правильный выбор расстояний между датчиками. Если расстояние  между датчиками будет слишком велико - волны акустической эмиссии будут уменьшаться и затухать.  Импульс акустической эмиссии теряет примерно 2 децибела на каждом метре пути. Это означает, что если трещина излучает импульс 60 дБ, то датчик, установленный на расстоянии одного метра от трещины «услышит» 58 дБ, на расстоянии двух метров - 56 дБ, на 5 метрах – 50 дБ, а вот на расстоянии 10 метров датчик вообще ничего не услышит, потому что импульс «утонет» в шумах.

        Недобросовестные контролеры стараются закончить работу как можно быстрее и устанавливают датчики слишком далеко друг от друга. Если в новостях передают, что на газопроводе произошел взрыв, значит, такие безответственные контролеры пропустили очень опасный дефект.

        В этом проекте мы исследуем акустическую эмиссию от разных дефектов и определим, на каком расстоянии можно устанавливать датчики, чтобы не пропустить ни одну трещину.  

3. Материалы и методы исследования

        Для того, чтобы наблюдать акустическую эмиссию мы провели эксперимент. Взяли 10 образцов с трещинами и очень точно, при помощи микроскопа, измерили их длину. Результаты измерений показаны в Таблице 1.

                                                                                        Таблица 1

При помощи специальной испытательной машины «Инстрон» каждый образец медленно растягивали на протяжении 10 минут. «Инстрон» показан на рисунке 8 – это большая и мощная машина, которая применяется для испытания материалов. Перед тем, как построить здание, мост или самолет нужно обязательно испытать материал, из которого  это задание, мост или самолет будут построены, чтобы убедиться в прочности материала. Из материала, который необходимо испытать делают небольшой образец, который при помощи испытательной машины растягивают, сжимают и даже изгибают и при этом образец не должен разрушиться.

Рис.8 Испытательная машина Инстрон

Фотография одного из наших образцов показана на рисунке 9. На образце установлены датчики акустической эмиссии, они обозначены цифрой 1. Для того, чтобы датчики плотно прилегали к образцу их примотали синей изолентой, а чтобы они лучше чувствовали колебания поверхности на них нанесли специальную смазку – Литол. При растяжении образца создаются благоприятные условия для роста трещины, трещина немного подрастает и испускает при этом импульсы акустической эмиссии – «кричит». Все импульсы регистрируются датчиком и передаются в систему сбора данных. В системе сбора данных импульсы записываются в файл, для того, чтобы после эксперимента можно было определить, сколько импульсов излучила трещина и насколько они большие.  Чем больше импульсов испускает трещина, и чем больше их амплитуда, тем проще ее обнаружить.

Рис.9 Образец с трещиной

После эксперимента мы подсчитали количество импульсов, которые излучила каждая трещина. Результаты расчетов показаны в Таблице 2.

Таблица 2

В результате получилось, что все трещины излучают разное число импульсов – самая «тихая» 30, а самая «громкая» целых 443! Так происходит потому, что трещины, как и люди не похожи друг на друга, каждая – индивидуальна. Есть трещины прямые, есть извилистые, а есть разветвленные, от которых отходят маленькие «дочерние» трещины. Чем сложнее и извилистее трещина, тем больше импульсов она излучает.

Затем мы определили амплитуды всех импульсов, и рассортировали по интервалам: от 40 до 50 дБ – маленькие импульсы, от 50 до 60 дБ – средние, и более 60 дБ - большие.

Таблица 2

Оказалось, что каждая трещина испускает много импульсов малой амплитуды, гораздо меньше импульсов средней амплитуды и совсем мало большой.

4. Обработка данных

При обработке данных мы поставили задачу определить, сколько импульсов зарегистрирует датчик, установленный на расстояниях от 1, 2, 3, 4, 5,…, 14 метров от дефекта.

Для решения математической задачи мы приняли три условия:

1. Амплитуда импульса акустической эмиссии уменьшается на каждом метре дистанции на 2 дБ.
2. Датчик может регистрировать только те импульсы, амплитуда которых превышает 40 дБ (импульсы с меньшей амплитудой он не чувствует)
3. Трещина считается обнаруженной, если датчик зарегистрировал 10 и более импульсов.

Для примера возьмем трещину в образце № 3, которая излучила самое маленькое количество импульсов, их амплитуды перечислены в Таблице 3. В эксперименте мы поставили датчик рядом с трещиной, поэтому все импульсы, которые мы измерили, указаны в первом столбце – «0 м». Если бы датчик стоял на расстоянии 1 метр, каждый импульс стал бы меньше на 2 дБ, поэтому для того, чтобы пересчитать амплитуды импульсов к этому расстоянию, мы из каждого числа, стоящего в первом столбце вычитаем 2 дБ. При увеличении расстояния до 2х метров, амплитуды должны быть уменьшены на 4 дБ, для 3х метров – до 6 дБ и.т.д… В самом последнем столбце амплитуды соответствуют расстоянию 5 метров, они уменьшены ровно на 10 дБ.

Обратите внимание, что некоторые амплитуды оказались менее 40 дБ, такие импульсы не будут зарегистрированы датчиком – они слишком маленькие, выделим их курсивом. Чем больше расстояние от трещины до датчика, тем меньше импульсов регистрирует датчик.

Таблица 3

Рассчитаем, какое количество импульсов зарегистрирует датчик на разных расстояниях. Получается, что на расстоянии 0 и 1 метр все импульсы акустической эмиссии «дойдут» до датчика и будут зафиксированы, на расстоянии 2 метра 6 самых маленьких затухнут, и будут зафиксированы только 24, на расстоянии 3 метра датчик зафиксирует 17 импульсов, на расстоянии 4 метра – 14, а на расстоянии 5 метров – только 9.

Мы приняли условие, что для того, чтобы трещина была обнаружена, необходимо зарегистрировать 10 и более импульсов, поэтому на расстоянии 1,2,3 и 4 метра мы можем обнаружить трещину в образце № 3, а на расстоянии 5 метров – уже нет. Результаты расчета для всех образцов показаны в Таблице 4.

Таблица 4

Если внимательно проанализировать данные в Таблице 4 можно определить, что на расстоянии 1 метр мы можем выявить все 10 из 10 испытанных трещин, а на расстоянии 12 метров только одну. Если поделить количество выявленных трещин на общее количество трещин, мы процент выявленных дефектов.

*100%

Таблица 5

В Таблице 5 показаны очень важные результаты. Наши расчеты показали, что для того, чтобы выявить все трещины с вероятностью 100%, нужно, чтобы расстояние между трещиной и датчиком было не более 4х метров. Поэтому расстояние между двумя датчиками не должно быть больше 8 метров.

5. Выводы

При выполнении проекта мы изучили интересное физическое явление – акустическую эмиссию. При помощи метода акустической эмиссии можно обнаруживать дефекты в разных деталях и конструкциях, таких как трубопроводы, мосты и здания. Трещины излучают волны акустической эмиссии, которые улавливаются датчиками и преобразуются в импульсы акустической эмиссии.

Трещины излучают достаточно много импульсов, в нашем эксперименте самая тихая трещина излучила 30 импульсов, а самая громкая 431. Количество импульсов, которое излучает трещина зависит от ее формы, чем более извилистая трещина, тем больше импульсов она излучает.

Не все импульсы акустической эмиссии доходят до датчика, если датчик расположен далеко от трещины, то импульсы затухают, их амплитуда уменьшается на два дБ на каждом метре пути.

Мы рассчитали, что для того, чтобы обнаружить 100 %, нужно расположить датчики на расстоянии не более 8 м, если между датчиками будет 14 м, мы пропустим половину дефектов, а если датчики будут находиться на 25 метрах друг от друга – не будет выявлен ни один дефект.

Список литературы:

1.       https://wiki2.org/ru/Акустическая_эмиссия

2.       Финкель В.М. Портрет трещины. М:Металлургия, 1989

3.       С.А. Бехер, А.Л. Бобров Основы неразрушающего контроля методом акустической эмиссии. Изд-во СГУПСа, 2013