Акустико-эмиссионный способ определения накопления коррозионных повреждений в материале конструкции Советский патент 1992 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к неразрушающему контролю коррозионных повреждений в материалах конструкций методом акустической эмиссии (АЭ) и может быть использовано для обнаружения процессов водородного и сероводородного микрорастрескивания материалов различных конструкций, таких как нефте- и газопроводы, металлические платформы для морской добычи нефти, железобетонные элементы мостов и зданий.

Известен акустико-эмиссионный способ определения коррозионного растрескивания материалов под действием водорода, заключающийся в том, что образец материала, подверженного воздействию водорода, нагружают растягивающей нагрузкой и измеряют параметры сигналов акустической эмиссии, по величине которых определяют наличие коррозионного растрескивания.

Однако этот способ является недостаточно точным, так как принимаются сигналы АЭ, вызванные не только водородным растрескиванием, но и пластической деформацией образца материала.

Известен наиболее близкий к предлагаемому акустико-эмиссионный способ определения накоплений коррозионных повреждений в материале конструкции, заключающийся в том, что принимают сигна 4 V|

СК Jb. СО

о

ы акустической эмиссии, возникающие в материале конструкции, находящейся в напряженном состоянии, измеряют в рабочем иапазоне частот среднюю энергию спектральной плотности и медианную частоту 5 принятых сигналов АЭ и по появлению сигналов с величиной средней энергии и мединной частоты, находящейся в пределах области разброса величин средних энергий и медианных частот сигналов АЭ, получен- 10 ных при нагружении эталонных образцов, пределяют накопление коррозионных повреждений в материале конструкции.

Однако данный способ также имеет низкую точность, так как на сигналы АЭ, 15 вызванные коррозионным растрескиванием, накладываются сигналы, обусловленные процессами пластического еформирования. Кроме того, у этого спосоа низкая информативность, так как он не 20 позволяет идентифицировать такой вид коррозионного повреждения как водородное или сероводородное микрорастрескивание материала.

Целью предлагаемого изобретения яв- 25 ляется повышение точности и информативности за счет идентификации коррозионных повреждений, вызванных водородным и сероводородным микрорастрескиванием.

Поставленная цель достигается тем, что 30 в акустикоэмиссионном способе определения накопления коррозионных повреждений в материале конструкции, заключающемся в том, что принимают сигналы АЭ, возникающие в материале конст- 35 рукции. находящейся в напряженном остоянии, измеряют в рабочем диапазоне частот среднюю энергию спектральной плотности и медианную частоту каждого принятого сигнала АЭ и по появлению сиг- 40 налов с величиной средней энергии и медианной частоты, находящейся в пределах областей разброса величин средних энергий и медианных частот сигналов, полученных при нагружении эталонных образцов, 45 определяют накопление коррозионных повреждений в материале конструкции, эталонные образцы нагружают дважды одной и той же растягивающей нагрузкой превышающей предел текучести материала, после 50 первого нагружения образцы подвергают наводораживанию или серонаводоражива- нию, в процессе каждого нагружения принимают сигналы АЭ и определяют области разброса величин средних энергий и меди- 55 энных частот сигналов для первого и второго нагружения, а накопление поверждений, вызванных водородным или сероводородным микрорастрескиванием, определяют по появлению в конструкции сигналов с величиной средней энергий и медианной частоты, находящейся в пределах той части области разброса величин этих параметров, полученных при втором нагружении, которая не совпадает с областью разброса величин этих параметров, полученных при первом нагружении эталонных образцов.

На чертеже приведены разделенные ди- скриминантной функцией эллипсы рассеяния (области разброса) средней энергии Е/Ео и медианиой частоты 1т /f сигналов АЭ, обусловленных пластическим деформированием и водородным растрескиванием образцов из кремнистого железа.

Сущность акустико-эмиссионного способа определения накопления повреждений в материале конструкции, вызванных водородным и сероводородным растрескиванием заключается в следующем.

Водородное растрескивание материала конструкций является одним из самых опасных коррозионных повреждений конструкций, так как наводораживание материала конструкции вызывает его охрупчивание, что может привести к внезапному разрушению конструкции, если последняя находится в напряженном состоянии. Одним из наиболее многообещающих методов обнаружения повреждений, вызванных водородным или се- ровородным микрорастрескиванием материала, является метод акустической эмиссии. Однако сложность его использования заключается в том, что параметры сигналов акустической эмиссии при водородном или сероводородном микрорастрескивании близки к параметрам сигналов, вызванных пластическим деформированием материала, находящегося под напряжением.

Установлена возможность идентификации повреждений, вызванных именно водо- родным или сероводородным микрорастрескиванием. Наиболее информативными параметрами сигналов АЭ являются средняя энергия § спектральной плотности и медианная частота f принятых сигналов, которые используют в совокупности.

Предварительно образцы материала конструкции, не подверженного коррозионному повреждению, нагружают механической нагрузкой и измеряют параметры возникающих при этом сигналов АЭ. Затем те же образцы подвергают искусственному наводораживанию или серонаводоражи - ванию и снова нагружают механической нагрузкой той же величины. Измеряют параметры возникающих при этом сигналов АЭ, они будут соответствовать только процессу водородного (или сероводородного) микрорастрескивания, так как без искусственного наводораживания образцов при их повторном нагружении той же нагрузкой сигналы АЭ в результате эффекта Кайзера не возникают.

С помощью известных математических методов определяют на образцах эллипсы рассеяния средних энергий Ей медианных частот fm-принятых сигналов АЭ, соответствующих процессам пластической деформации (например, развитие полос скольжения) и водородного (или сероводородного) микрорастрескивания, а затем переходят непосредственно к контролю реальных конструкций.. Если средние энергии Ей медианные частоты fm принятых в реальной конструкции сигналов АЭ находятся а пределах эллипса рассеяния этих величин, соответствующего водородному (или сероводородному) микрорастрескиванию, то это будет говорить о накоплении повреж- дений, вызванных появлением водородных (или сероводородных) микротрещин в Mate- риале испытуемой конструкции,

Акустико-эмиссионный способ определения накопления повреждений в матёриа- ле конструкции, вызванных водородным или сероводородным микрорастрескиванием, осуществляют следующим образом.

Из материала конструкции изготавливают не менее трех образцов, не подверг- шихся коррозионному повреждению, и подвергают их растягивающему нагруже- нию с величиной нагрузки, превышающей предел текучести материала и скоростью деформирования не более 0,01 м/с. С по- мощью стандартной акустико-эмиссионной аппаратуры в процессе нагружения образцов принимают сигналы АЭ, измеряют среднюю энергию Е и медианную частоту fm каждого принятого сигнала АЭ и строят эд- липе рассеяния средних энергий Е и меди энных частот fm сигналов АЭ, возникающих при нагружении вследствие процессов пластического деформирования материала образцов, в частности в результате развития полос скольжения.

Затем образцы после прекращения на- гружения подвергают искусственному навр- дораживанию (или серонаводораживанию), если в реальной конструкции есть условия для сероводородного воздействия. Искусственное наводораживание осуществляют любым известным методом, например, помещают образцы на определенное время в раствор серной кислоты с добавкой хлори- стого натрия и осуществляют катодную поляризацию образцов в указанном растворе, в результате чего в образцах происходит адсорбция атомов водорода, концентрация которых зависит от состава раствора и времени выдержки. После наводораживания (или в процессе наводораживания) образцы повторного нагружают растягивающим усилием, не превышающим по величине и скорости деформирования первое нагружение, повторно измеряют среднюю энергию Ё и медианную частоту fm каждого принятого сигнала АЭ и строят эллипс рассеяния этих параметров, который будет соответствовать только процессу водородного (или сероводородного) микрорастрескивания материала образцов. Зачастую эллипсы рассеивания средних энергий Е и медианных частот fm соответствующих процессам пластической деформации и процессам водородного микрорастрескивания достаточно близки и частично- могут совпадать в пространстве признаков средняя энергия Е - медианная частота fm;

Область совпадения указанных эллипсов рассеяния не является полезной и дол- жна быть исключена при проведении контроля реальных конструкций. Для этого можно воспользоваться дискриминантной функцией, построенной на основе полученных значений средней энергии и медианной частоты в соответствии с известной формулой

о ( с t - ir, Ф1 ( Ј fm ) Ri2(E,V)-ln 02v(ffm)

где Ri2(E,Jm) - дискриминантная функция;

Oi (E, fm) - плотность вероятности для процесса пластической деформации,

Ф2(Е, fm) - плотность вероятности для процесса водородного (или сероводородного) растрескивания.

Послеэтого переходят к испытаниям реальной конструкции, находящейся в напряженном состоянии и подвергающейся коррозионному воздействию водорода или сероводорода. Для этого с помощью стандартной акустико-эмиссионной аппаратуры принимают в зоне контроля сигналы АЭ и измеряют среднюю энергию Екон спектральной плотности и медианную частоту f ткои

принятых сигналов АЭ, а накопление повреждений, вызванных водородным (или сероводородным) микрорастрескиванием, определяют по появлению сигналов со средней энергией Екон и медианной частотой fm кон, входящих в область усеченного дискриминантной функцией Rtz. эллипса рассеяния параметров АЭ, полученных на эталонных образцах и соответствующих водородному микрорастрескиванию.

Предлагаемый способ был проведен на примере образцов, выполненных из поликристаллического кремнистого железа. Образцы были выполнены в виде пластин размером 200x40x0,25 мм .с центральным

краевым надрезом размером 2x0,2 мм, выполненным электроискровым способом. Пластины подвергали растягивающему деформированию с помощью устройства бесшумного термонагружения, величина растягивающего усилия составляла 0,25 сгр где предел прочности материала образца, скорость деформирования 0,01 м/с. Сигналы АЭ, возникающие при нагру- жении, регистрировали с помощью пьезоэ- лектрического датчика и прибора АВН-3 при коэффициенте усиления 50 дБ, и уровне дискриминации 0,2 в, в полосе рабочих частот от 0.06 мГц до 1,5 мГц. Для записи сигналов АЭ использовали запоминающий осцилло- граф С8-9А, Спектральный анализ сигналов АЭ осуществляли на основе преобразования Фурье отдельных импульсов и выборки импульсов. Наводораживание образцов, выполненных из кремнистого железа, осу- ществляли путем их погружения на 20 мин в раствор едкого натра (100 кг/м3) с добавкой цианистого натрия (10 кг/м3) в условиях катодной поляризации раствора с плотностью тока, равной 100 А/м.

После первого нагружения образцов были измерены средние энергии (их относительная величина Ё/Е0, где Е0 - нормированная, средняя энергия спектральной плотности) и медианные частоты (их относи- тельные величины fm/ fm0 . где fm0 нормированная медианная частота) принятых сигналов АЭ, рассчитаны плотности распределения централей АЭ и построен соответствующий эллипс 1 рассеяния параметров АЭ, вызванной развитием полос скольжения (см. чертеж). Диапазон средних энергий сигналов АЭ, вызванных пластической деформацией образцов, составил 0,74-1,26 усл.ед., а диапазон разброса медианных ча- стот 0,985-1,115 усл.ед.

После наводораживания и повторного нагружения образцов также были измерены средние энергии и медианные частоты, то которым был построен эллипс 2 рассеяния этих параметров АЭ, вызванной только процессом водородного микрорастрескивания (см. черт). Для эллипса 2 рассеивания диапазон разброса средних энергий составил 0,65-1,48 усл.ед., а диапазон разброса ме- дианных частот 0,985-1,055 усл.ед.

Для более точного разделения эллипсов рассеяния параметров АЭ, вызванной процессами пластической деформации и водородным микрорастрескиванием, была построена дискриминантная функция Ri2, позволяющая с достаточной точностью определить область существования сигналов, вызванных водородным микротрещинооб0 5 0

5

0 5 0

5 0

5

разованием. При контроле реальной конструкции, подверженной водородному воздействию и находящейся под напряжением в одной из зон контроля, были получены сигналы АЭ со средней энергией Е 1,09 усл.ед. и медианной частотой fm 1,028 усл.ед., которые входят в область разброса параметров АЭ, соответствующих накоплению повреждений, вызванных водородным микрорастрескиванием эталонных образцов. Микроскопические исследования данной зоны конструкции показали наличие в ней водородных микротрещин.

Использование предлагаемого способа позволяет повысить точность и информативность при определении акустико-эмис- сионным методом коррозионных повреждений в конструкциях, подверженных воздействию водорода или сероводорода путем идентификации процесса водородного (или сероводородного) микрорастрескивания.

Формула изобретения

Акустико-эмиссионный способ определения накопления коррозионных поврежде- ний в материале конструкции, заключающийся в том, что принимают сигналы акустической эмиссии, возникающие в материале конструкции, находящейся в напряженном состоянии, измеряют в рабочем диапазоне частот среднюю энергию спектральной плотности л медианную частоту принятых сигналов акустической эмиссии и по появлению сигналов с величиной средней энергии и медианной частоты, находящейся в пределах области разброса величин средних энергий и медианных частот сигналов акустической эмиссии, полученных при нагружении эталонных образцов, определяют накопление коррозионных повреждений конструкции, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и информативности за счет идентификации коррозионных повреждений, вызванных водородным и сероводородным микрорастрескиванием, эталонные образцы нагружают дважды одной и той же растягивающей нагрузкой, превышающей предел текучести материала, после первого нагружения образцы подвергают наводораживанию или серонаводоражива- нию, в процессе каждого нагружения принимают сигналы акустической эмиссии и определяют области разброса величин средних энергий и медианных частот сигналов для первого и второго нагружения, а накопление микрорастрескивания определяют по появлению в конструкции сигналов с величиной средней энергии и медианной частоты, находящейся в пределах той части области разброса величин этих параметров.

полученных при втором нагружении, кото- чин этих параметров, полученных при пер- рая не совпадает с областью разброса вели- вом нагружении эталонных образцов.

Изобретение относится к неразрушающему контролю коррозионных повреждений в материалах конструкций методом акустической эмиссии (АЭ). Цель изобретения - повышение точности и информативности за счет идентификации коррозионных повреждении, вызванных водородным и серо во родным растрескиванием. Предварительно образцы из материала конструкции дважды нагружают одной и той же нагрузкой, между первым и вторым нагружением образцы наводораживают или серонаводо- раживают, принимают в процессе каждого нагружения сигналы АЭ и определяют области разброса величин средних энергий спектральной плотности и медианных частот принятых сигналов АЭ. Затем принимают сигналы АЭ, возникающие в конструкции под напряжением, а накопление повреждений, обусловленных водородным или сероводородным растрескиванием, определяют по появлению сигналов АЭ с величиной средней энергии и медианной частотой, находящейся в пределах части области разброса этих параметров, полученных при втором нагружении образцов, не пересекающейся с областью разброса, полученной при первом нагружении. 1 ил. (/) С

0,97 1,00 1,03 Щ