Способ акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением Российский патент 2024 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля и может быть использовано для диагностики сосудов и трубопроводов, работающих под давлением, методом акустической эмиссии.

Известен способ (см. патент RU №2431139 от 10.10.2011) акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением, заключающийся в том, что проводят предварительное исследование акустических свойств объекта контроля, затем устанавливают первичные преобразователи, проверяют работоспособность акустико-эмиссионной аппаратуры и проводят калибровку каналов, далее объект контроля нагружают до испытательного давления и одновременно регистрируют сигналы акустической эмиссии, превышающие установленные пороги, определяют параметры этих сигналов, по которым определяют координаты развивающихся дефектов и судят об их степени опасности, при этом в процессе нагружения резервуара дополнительно через равные интервалы времени измеряют среднеквадратическое значение амплитуды сигналов со всех первичных преобразователей, по которым для каждого последующего интервала времени устанавливают пороги и определяют площадь сквозных дефектов.

Недостатком данного способа является невозможность контроля в том случае, если в процессе контроля возникают сигналы от источников шумов и помех, в том числе электромагнитных, амплитуды которых выше порогового уровня.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ (см. патент RU №2704146 С1 от 24.10.2019) акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением, заключающийся в том, что проводят предварительное исследование акустических свойств объекта контроля, затем устанавливают первичные преобразователи, проверяют работоспособность акустико-эмиссионной аппаратуры и проводят калибровку каналов, регистрируют сигналы акустической эмиссии, определяют координаты развивающихся дефектов и судят об их степени опасности, сначала нагружают контролируемый объект до 5% от испытательного давления, непрерывно регистрируют акустическую эмиссию, разбивают ее на сигналы одинаковой длительности, для каждого сигнала определяют параметры: максимальную амплитуду, размах, количество пересечений нулевой линии и количество локальных максимумов амплитуды, определяют и отмечают сигналы с шумами и/или помехами, после чего фиксируют параметры отмеченных сигналов в базе данных, затем продолжают нагружение до испытательного давления, сравнивают параметры каждого сигнала с параметрами из базы данных и в случае подобия считают сигнал не информативным.

Недостатком способа, принятого за прототип, является невозможность его использования при регистрации дискретной акустической эмиссии на контролируемом объекте. Также для реализации способа необходимо непосредственное участие оператора, который вручную идентифицирует неинформативные первичные сигналы.

Техническая задача - расширение технологических возможностей акустико-эмиссионного контроля элементов конструкции, подверженных в процессе эксплуатации воздействиям помех, в том числе электромагнитных, амплитуды которых могут быть значительно выше, чем амплитуды сигналов от источников акустической эмиссии, классификация сигналов в режиме реального времени.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением, проводят предварительное исследование акустических свойств объекта контроля, затем устанавливают первичные преобразователи, проверяют работоспособность акустико-эмиссионной аппаратуры и проводят калибровку каналов, регистрируют сигналы акустической эмиссии, сначала нагружают контролируемый объект до испытательного давления, непрерывно регистрируют акустическую эмиссию, для каждого сигнала определяют параметры: максимальную амплитуду, размах, количество пересечений нулевой линии и количество локальных максимумов амплитуды, фиксируют параметры сигналов в базе данных, определяют огибающую сигнала и записывают ее в базу данных, по форме огибающей и значениям параметров проводят классификацию каждого зарегистрированного сигнала в режиме реального времени с использованием сверточной нейронной сети, в качестве классов выделяют полезный сигнал и сигнал-паразит, в качестве подклассов полезных сигналов выделяют дискретную акустическую эмиссию и непрерывную акустическую эмиссию утечки, в качестве подклассов сигналов-паразитов выделяют непрерывный шум от нагружения, дискретный механический шум, электромагнитную помеху, сигнал от смещения преобразователя и прочие шумы, информацию о классе и подклассе каждого сигнала заносят в базу данных, после этого сигналы с классом сигналы-паразиты считают не информативными, определяют координаты развивающихся дефектов и судят об их степени опасности по сигналам с классом полезные сигналы.

Предложенный способ реализуется следующим образом. Проводят предварительное определение акустических свойств материала контролируемого объекта: скорость ультразвуковых волн и коэффициент затухания. После этого на поверхность объекта устанавливают преобразователи акустической эмиссии. Производят воздействие имитатором Су-Нильсена в непосредственной близости от преобразователей с целью определения работоспособности каждого канала и акустико-эмиссионной аппаратуры в целом. Производят нагружение до испытательного давления, и одновременно регистрируют акустическую эмиссию с помощью акустико-эмиссионной системы с частотой дискретизации не менее 2 МГц. Для каждого сигнала в автоматическом режиме определяют параметры: максимальная амплитуда, размах, количество пересечений нулевой линии и количество локальных максимумов амплитуды, форму огибающей сигнала и заносят эти параметры в базу данных. После этого в режиме реального времени зарегистрированные параметры обрабатываются нейронной сетью, которая в автоматическом режиме проводит классификацию каждого сигнала (см. фиг.1), основываясь на форме огибающей и значениях зарегистрированных параметров сигнала. В качестве классов выделяют полезные сигналы, по которым определяют степень опасности источника и причины его возникновения, и сигналы-паразиты, которые считают неинформативными. В качестве подклассов полезных сигналов выделяют дискретную акустическую эмиссию и непрерывную акустическую эмиссию утечки. В качестве подклассов для сигналов-паразитов выделяют непрерывные шумы от источника нагружения, дискретные механические шумы от внешних воздействий, электромагнитные помехи, сигналы от смещения преобразователей и прочие шумы. Критерии классификации для определения классов и подклассов представлены в таблице 1. Для дискретной акустической эмиссии огибающая характеризуется плавным ростом и плавным спадом до нулевой линии, наблюдается наличие нескольких (3 и более) локальных максимумов. Для непрерывной акустической эмиссии огибающая характеризуется плавным ростом, слабо выраженным спадом, наблюдается не более двух локальных максимумов. Для непрерывного шума от нагружения огибающая характеризуется отсутствием выраженных роста, спада и локальных максимумов. Для дискретного механического шума огибающая характеризуется плавным ростом, плавным спадом, наблюдается один локальный максимум. Для электромагнитной помехи огибающая отличается мгновенным ростом, мгновенным спадом, наблюдается один локальный максимум. Для смещения преобразователя огибающая отличается мгновенным ростом, плавным спадом, наблюдается один локальный максимум. Информацию о классе и подклассе каждого сигнала также заносят в базу данных, что позволяет повысить точность классификации нейронной сетью. После этого по полезным сигналам определяют координаты источников с использованием алгоритмов плоскостной или линейной локации, степень опасности источников и причину их возникновения.

Предложенный способ был экспериментально опробован в процессе контроля ресивера жидкого этилена Е-64 установки НТГ ООО «СИБУР-Кстово». Преобразователи акустической эмиссии GT-200 устанавливались на сосуд давления в виде двух прямоугольных пьезоантенн из четырех преобразователей. Материал ресивера 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632), диаметр обечайки 1168 мм и толщиной стенки 16 мм, длина 3,5 метра. В качестве рабочего тела использовался азот. Испытания проводились при величине испытательного давления 25 кгс/см². Сигналы акустической эмиссии регистрировались системой цифровой акустико-эмиссионной СПАД 16.03 с частотой дискретизации 2 МГц и пороговым уровнем фиксации не более 10 мкВ на входе предварительного усилителя. В процессе нагружения до испытательного давления было зарегистрировано 783 сигнала акустической эмиссии, классификация сигналов, выполненная нейронной сетью представлена в таблице 2. Точность классификации оценивалась в процессе постобработки оператором.

Обработка сигналов выполнялась нейронной сетью, которая имела один входной слой, содержащий 5 нейронов, что соответствует отсчетам сигнала; один скрытый слой, содержащий 12 нейронов; выходной слой, содержащий 7 нейронов, соответствующих каждому из рассматриваемых классов. Для нейронов скрытого слоя была выбрана функция активации ReLu. Для нейронов выходного слоя функцией активации является Softmax. Данная функция нормирует вектор ответов таким образом, чтобы сумма элементов вектора ответов была равна единице. С указанной функцией активации оптимально применять такую функцию потерь как категориальная кроссэнтропия (categorical crossentropy). В качестве оптимизатора нейронной сети был принят алгоритм AdaDelta.

Сигналы, классифицированные как дискретная акустическая эмиссия, источниками которых являются дефекты, отличаются ярко выраженным передним фронтом, убывающей во времени амплитудой и наличием локальных максимумов амплитуды, соответствующих разным модам зарегистрированной акустической волны (см. фиг.2). Сигналы, соответствующие непрерывной акустической эмиссии, источником которой является утечка рабочего тела, отличаются высокой частотой, наблюдается незначительный рост амплитуды в начале сигнала, амплитуда практически не убывает во времени (см. фиг.3). Сигналы, классифицированные как непрерывные шумы, возникающие в процессе нагружения, отличаются высокой частотой и одинаковым уровнем амплитуды (см. фиг.4). Дискретный механический шум отличается низкой частотой, высокой амплитудой и относительно большим временем затухания (см. фиг.5). Сигналы, соответствующие электромагнитным помехам, отличаются редкими и непродолжительными во времени высокоамплитудными импульсами, регистрируемыми одновременно на нескольких каналах (см. фиг.6). Сигналы, вызванные смещением преобразователя, регистрируются только на одном канале и имеют минимальную длительность нарастания переднего фронта при высокой амплитуде и малой общей длительности (см. фиг.7). Сигналы, классифицированные нейронной сетью как сигналы-паразиты, считаются неинформативными и не используются для определения координат источников и степени их опасности. Примеры зарегистрированных сигналов каждого класса представлены в таблице 3.

В процессе нагружения были зарегистрированы сигналы акустической эмиссии, классифицированные нейронной сетью как непрерывная акустическая эмиссия утечки (см. фиг.2). Координаты источника акустической эмиссии были определены с использованием алгоритмов плоскостной локации триангуляционным методом (Catty J. Acoustic emission testing - defining a new standard of testing for pressure vessels. Part 1: Quantitative and comparative performance analysis of zonal location and triangulation methods - J. Acoustic Emission, 2009, №27, p.299-313.). Установлено, что источник акустической эмиссии находился в области 10 на 10 см в непосредственной близости от фланцевого соединения примыкания питающего трубопровода к ресиверу. Визуальный контроль области излучения акустической эмиссии подтвердил, что источником сигналов являлась утечка рабочего тела через фланцевое соединение примыкания питающего трубопровода к ресиверу.

Таким образом, применение предложенного способа позволяет проводить классификацию и фильтрацию сигналов в автоматическом режиме без участия оператора и заранее определять причину возникновения дефекта.

Использование: для акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением. Сущность изобретения заключается в том, что проводят предварительное исследование акустических свойств объекта контроля, затем устанавливают первичные преобразователи, проверяют работоспособность акустико-эмиссионной аппаратуры и проводят калибровку каналов, регистрируют сигналы акустической эмиссии, сначала нагружают контролируемый объект до испытательного давления, непрерывно регистрируют акустическую эмиссию, для каждого сигнала определяют параметры: максимальную амплитуду, размах, количество пересечений нулевой линии и количество локальных максимумов амплитуды, фиксируют параметры сигналов в базе данных, при этом определяют огибающую сигнала и записывают ее в базу данных, по форме огибающей и значениям параметров проводят классификацию зарегистрированных сигналов, путем определения полезного сигнала и сигнала-паразита, заносят их в базу данных, после чего проводят классификацию зарегистрированных сигналов в режиме реального времени с использованием сверточной нейронной сети, зарегистрированные при этом сигналы с классом сигналы-паразиты считают не информативными и не используют их для контроля, а по сигналам с классом полезные сигналы определяют координаты развивающихся дефектов и судят об их степени опасности. Технический результат: обеспечение возможности повышения достоверности акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением. 1 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл.

1. Способ акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением, заключающийся в том, что проводят предварительное исследование акустических свойств объекта контроля, затем устанавливают первичные преобразователи, проверяют работоспособность акустико-эмиссионной аппаратуры и проводят калибровку каналов, регистрируют сигналы акустической эмиссии, сначала нагружают контролируемый объект до испытательного давления, непрерывно регистрируют акустическую эмиссию, для каждого сигнала определяют параметры: максимальную амплитуду, размах, количество пересечений нулевой линии и количество локальных максимумов амплитуды, фиксируют параметры сигналов в базе данных, отличающийся тем, что определяют огибающую сигнала и записывают ее в базу данных, по форме огибающей и значениям параметров проводят классификацию зарегистрированных сигналов, путем определения полезного сигнала и сигнала-паразита, заносят их в базу данных, после чего проводят классификацию зарегистрированных сигналов в режиме реального времени с использованием сверточной нейронной сети, зарегистрированные при этом сигналы с классом сигналы-паразиты считают не информативными и не используют их для контроля, а по сигналам с классом полезные сигналы определяют координаты развивающихся дефектов и судят об их степени опасности.

2. Способ акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением, по п. 1, отличающийся тем, что в качестве подклассов полезных сигналов выделяют дискретную акустическую эмиссию и непрерывную акустическую эмиссию утечки, в качестве подклассов сигналов-паразитов выделяют непрерывный шум от нагружения, дискретный механический шум, электромагнитную помеху, сигнал от смещения преобразователя и прочие шумы.