Акустическая эмиссия сосуды под давлением

(согласно ПБ-03-593-03)

Основные положения по применению акустико-эмиссионного метода контроля сосудов, котлов, аппаратов и технологических трубопроводов

Метод АЭ основан на регистрации и анализе акустических волн, возникающих в процессе пластической деформации и разрушения (роста трещин) контролируемых объектов. Это позволяет формировать адекватную систему классификации дефектов и критерии оценки состояния объекта, основанные на реальном влиянии дефекта на объект. Другим источником АЭ-контроля является истечение рабочего тела (жидкости или газа) через сквозные отверстия в контролируемом объекте.

Характерными особенностями метода АЭ контроля, определяющими его возможности и область применения, являются следующие:

метод АЭ-контроля обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности;
метод АЭ-контроля обладает весьма высокой чувствительностью к растущим дефектам – позволяет выявить в рабочих условиях приращение трещины порядка долей мм. Предельная чувствительность акустико-эмиссионной аппаратуры по теоретическим оценкам составляет порядка 1*10-6 мм2, что соответствует выявлению скачка трещины протяженностью 1 мкм на величину 1 мкм;
свойство интегральности метода АЭ-контроля обеспечивает контроль всего объекта с использованием одного или нескольких преобразователей АЭ-контроля, неподвижно установленных на поверхности объекта;
метод АЭ позволяет проводить контроль различных технологических процессов и процессов изменения свойств и состояния материалов;
положение и ориентация объекта не влияет на выявляемость дефектов;
метод АЭ имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой материалов;
особенностью метода АЭ, ограничивающей его применение, является в ряде случаев трудность выделения сигналов АЭ из помех. Это объясняется тем, что сигналы АЭ являются шумоподобными, поскольку АЭ есть стохастический импульсный процесс. Поэтому, когда сигналы АЭ малы по амплитуде, выделение полезного сигнала из помех представляет собой сложную задачу.

При развитии дефекта, когда его размеры приближаются к критическому значению, амплитуда сигналов АЭ и темп их генерации резко увеличивается, что приводит к значительному возрастанию вероятности обнаружения такого источника АЭ.

Метод АЭ может быть использован для контроля объектов при их изготовлении, в процессе приемочных испытаний, при периодических технических обследованиях, в процессе эксплуатации.

Целью АЭ-контроля является обнаружение, определение координат и слежение (мониторинг) за источниками акустической эмиссии, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки объекта контроля, сварного соединения и изготовленных частей и компонентов. Все индикации, вызванные источниками АЭ, должны быть при наличии технической возможности оценены другими методами неразрушающего контроля. АЭ-метод может быть использован также для оценки скорости развития дефекта в целях заблаговременного прекращения испытаний и предотвращения разрушения изделия. Регистрация АЭ позволяет определить образование свищей, сквозных трещин, протечек в уплотнениях, заглушках и фланцевых соединениях.

АЭ-контроль технического состояния обследуемых объектов проводится только при создании в конструкции напряженного состояния, инициирующего в материале объекта работу источников АЭ. Для этого объект подвергается нагружению силой, давлением, температурным полем и т.д. Выбор вида нагрузки определяется конструкцией объекта и условиями его работы, характером испытаний и приводится в “Программе работ по АЭ контролю объектов”.

Схемы применения акустико-эмиссионного метода контроля

Метод АЭ рекомендуется использовать для контроля промышленных объектов по следующим схемам, представляющим собой, как правило, варианты сочетания с другими методами неразрушающего контроля.

Проводят АЭ контроль объекта. В случае выявления источников АЭ в месте их расположения проводят контроль одним из регламентируемых методов неразрушающего контроля (ПК): ультразвуковым (УЗК), радиационным, магнитным (МПД), проникающими веществами и другими, предусмотренными нормативно-техническими документами. Данную схему рекомендуется использовать при контроле объектов, находящихся в эксплуатации. При этом сокращается объем применяемых методов неразрушающего контроля, поскольку в случае использования регламентируемых методов необходимо проведение сканирования по всей поверхности (объему) контролируемого объекта.
Проводят контроль одним или несколькими методами НК. При обнаружении недопустимых (по нормам регламентируемых методов контроля) дефектов или при возникновении сомнения в достоверности применяемых методов НК проводят контроль объекта с использованием метода АЭ. Окончательное решение о допуске объекта в эксплуатацию или ремонте обнаруженных дефектов принимают по результатам проведенного АЭ контроля.
В случае наличия в объекте дефекта, выявленного одним из методов НК, метод АЭ используют для слежения за развитием этого дефекта. При этом может быть использован экономный вариант системы контроля, с применением одноканальной или малоканальной конфигурации акустико-эмиссионной аппаратуры.
Метод АЭ в соответствии с требованиями нормативно-технических документов к эксплуатации сосудов, работающих под давлением, применяют при пневмоиспытании объекта в качестве сопровождающего метода, повышающего безопасность проведения испытаний. В этом случае целью применения АЭ контроля служит обеспечение предупреждения возможности катастрофического разрушения. Рекомендуется использовать метод АЭ в качестве сопровождающего метода и при гидроиспытании объектов.
Метод АЭ может быть использован для оценки остаточного ресурса и решения вопроса относительно возможности дальнейшей эксплуатации объекта. Оценка ресурса производится с использованием специально разработанных методик, согласованных в установленном порядке. При этом достоверность результатов зависит от объема и качества априорной информации о моделях развития повреждений и состояния материала контролируемого объекта

Порядок применения метода акустической эмиссии

АЭ контроль проводят во всех случаях, когда он предусмотрен нормативно-техническими документами или технической документацией на объект.
АЭ контроль проводят во всех случаях, когда нормативно-технической документацией на объект предусмотрено проведение неразрушающего контроля одним из регламентируемых методов, но по техническим или другим причинам проведение такого контроля невозможно.
Допускается использование АЭ контроля вместо регламентируемых методов неразрушающего контроля по согласованию в установленном порядке.

Оценка результатов АЭ контроля

После обработки принятых сигналов результаты контроля представляют в виде идентифицированных и классифицированных источников АЭ.

При принятии решения по результатам АЭ контроля используют данные, которые должны содержать сведения обо всех источниках АЭ, их классификации и сведения относительно источников АЭ, параметры которых превышают допустимый уровень. Допустимый уровень источника АЭ устанавливает исполнитель при подготовке к АЭ контролю конкретного объекта.

Классификацию источников АЭ выполняют с использованием следующих параметров сигналов: суммарного счета, числа импульсов, амплитуды (амплитудного распределения), энергии (либо энергетического параметра), скорости счета, активности, концентрации источников АЭ. В систему классификации также входят параметры нагружения контролируемого объекта и время.

Выявленные и идентифицированные источники АЭ рекомендуется разделять на четыре класса:

Источник I класса – пассивный источник.
Источник II класса – активный источник.
Источник III класса – критически активный источник.
Источник IV класса – катастрофически активный источник.

Выбор системы классификации источников АЭ и допустимого уровня (класса) источников рекомендуется осуществлять каждый раз при АЭ контроле конкретного объекта, используя данные, приведенные в приложении 3 (ПБ 03-593-03). В некоторых зарубежных нормативно-технических документах приняты другие системы классификации (приложение 3 ПБ).

Рекомендуемые действия персонала, выполняющего АЭ контроль при выявлении источников АЭ того или иного класса, следующие:

Источник	Класс	Рекомендуемые действия
Пассивный	I	регистрируют для анализа динамики его последующего развития
Активный	II	регистрируют и следят за развитием ситуации в процессе выполнения данного контроля; отмечают в отчете и записывают рекомендации по проведению дополнительного контроля с использованием других методов.
Критически активный	III	регистрируют и следят за развитием ситуации в класса процессе выполнения данного контроля; предпринимают меры по подготовке возможного сброса нагрузки.
Катастрофически активный	IV	производят немедленное уменьшение нагрузки до 0, либо до величины, при которой класс источника АЭ снизится до уровня II или III класса; после сброса нагрузки проводят осмотр объекта и при необходимости контроль другими методами.

Каждый более высокий класс источника АЭ предполагает выполнение всех действий, определенных для всех источников более низких классов.

При положительной оценке технического состояния объекта по результатам АЭ контроля или отсутствии зарегистрированных источников АЭ применение дополнительных видов неразрушающего контроля не требуется. Если интерпретация результатов АЭ контроля неопределенна, рекомендуется использовать дополнительные виды неразрушающего контроля.

Окончательная оценка допустимости выявленных источников АЭ и индикаций при использовании дополнительных видов НК осуществляется с использованием измеренных параметров дефектов на основе нормативных методов механики разрушения, методик по расчету конструкций на прочность и других действующих нормативных документов.

Правила (ПБ-03-593-03) предназначены для применения при проведении акустико-эмиссионного контроля:

Емкостного, колонного, реакторного, теплообменного оборудования химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств
Изотермических хранилищ
Хранилищ сжиженных углеводородных газов под давлением
Резервуаров нефтепродуктов и агрессивных жидкостей
Оборудования аммиачных холодильных установок
Сосудов, аппаратов
Технологических трубопроводов (газопроводов, продуктопроводов, промысловых магистральных трубопроводов нефти и газа)
Трубопроводов пара и горячей воды и их элементов.

Сравнительная оценка методов неразрушающего контроля (НК) и метода акустической эмиссии (АЭ):

Традиционные методы НК	Метод акустической эмиссии
Большая трудоемкость подготовительных работ и контроля	Трудоемкость подготовительных работ и контроля в десятки (сотни) раз меньше
Невозможность распознавания дефектов, которые развиваются под действием эксплуатационных нагрузок	Обнаруживаются и локализуются наиболее опасные (развивающиеся под действием эксплуатационных нагрузок) виды дефектов
Для проведения контроля требуется полное прекращение эксплуатации объекта	Контроль может осуществляться в условиях реальной эксплуатации или при воздействии эквивалентных испытательных нагрузок при кратковременном останове

Версия для печати

Источник

Б.С.Кабанов, В.П.Гомера, В.Л.Соколов, A.A.Охотников, “КИРИШИНЕФТЕОРГСИНТЕЗ”

Введение

“Киришинефтеоргсинтез” был первым нефтеперерабатывающим заводом в России, который ввел группу АЭ в структуру своей лаборатории технической диагностики. В тот период метод АЭ использовали, в основном, научные организации и исследовательские центры. Промышленные организации пользовались услугами данных центров, когда в этом возникала необходимость.

Учитывая перспективы использования АЭ для повышения надежности работы технологического оборудования, и желая увеличить объемы и оперативность использования АЭ, руководство механической службы приняло решение о создании собственной группы АЭ. Сейчас АЭ сопровождает проведение гидроиспытаний и пневмоиспытаний сосудов давления, работающих в наиболее жестких эксплуатационных условиях и повышает эффективность применения традиционных методов дефектоскопии в результате локализации зоны использования этих методов. Кроме того, все пневмоиспытания сосудов обязательно сопровождаются АЭ. Российские правила контроля разрешают проводить пневмоиспытания сосудов вместо гидро-испытаний только при условии использования АЭ для обеспечения безопасности контроля.

Необходимость такой замены возникает часто, так как на заводе эксплуатируется достаточно много сосудов, для которых нельзя допускать попадания воды внутрь из-за конструкционных особенностей этих сосудов (например, наличие катализатора внутри реакторов). Для анализа данных, полученных в результате испытаний, используются, в основном, традиционные критерии: локация сигналов, эффект Кайзера, выдержки давления и др. Дополнительно при анализе данных используется такой метод, как локация источников АЭ с учетом переменных значений скорости распространения сигналов в относительно тонких оболочках (различные моды волн Лэмба). Также применяются некоторые алгоритмы кластерного анализа. С 1992 года проведены испытания 205 сосудов.

По результатам испытаний был проведен профилактический ремонт 29 сосудов. По результам обработки всех испытаний формируется база данных по АЭ контролю сосудов. Первой АЭ системой, которая была использована на нашем предприятии была LOCAN AT фирмы PAC. Эта система продолжает эксплуатироваться и сейчас. Дополнительно, чтобы повысить качество АЭ при контроле больших сосудов, и, учитывая прогресс в развитии АЭ систем, наша организация в 1998 году приобрела систему AMSY4 фирмы “Vallen Systeme”.

Примеры использования АЭ для контроля сосудов

Чтобы подтвердить тезис об эффективности использования АЭ для диагностики оборудования нефтеперерабатывающего завода приведем несколько реальных примеров обнаружения дефектов. Во всех этих примерах вероятность обнаружить дефекты без применения АЭ, используя только традиционные методы контроля, была очень мала. Результаты получены с использованием системы AMSY4.

ПРИМЕР 1

Объект контроля – корпус теплообменника, материал – углеродистая сталь с плакировкой из нержавеющей стали, толщина – 20 мм, пневмоиспытания (эскиз представлен на рис.1). Результаты планарной локации показаны на рис.2. Они были использованы для определения участка корпуса сосуда с высокой концентрацией источников АЭ – для последующего анализа. Затем с использованием других инструментов пост-обработки данных была проведена более точная локализация и классификация зон АЭ активности. Примеры элементов такого анализа приведены на рис.3. Приведенная на левом графике зависимость Amplitude от Counts для трех каналов (показана различным цветом для разных каналов) свидетельствует о наличии более высоких амплитуд, регистрируемых по 14 каналу, в сравнении с каналами 6 и 13 (что является достаточным основанием не ограничиваться результатами формальной локации и указывает на необходимость дополнительного анализа данных от группы АЭ источников, расположенных в пределах рассматриваемого фрагмента локационной антенны).

Схема теплообменника с указанием конструкционных элементов, инициирующих основной массив АЭ сигналов во время пневматических испытаний сосуда

Наличие импульсов высокой амплитуды по #14 указывает на то, что возможно наличие АЭ источника в непосредственной близости от места установки датчика. Правый график на Рис.3 иллюстрирует использование информации о параметре Rise Time для интерпретации результатов планарной локации.

Окончательные результаты локализации зон, содержащих источники АЭ, и положение АЭ преобразователей на развертке сосуда указаны на Рис.4. Указанные зоны АЭ активности были классифицированы в соответствии с природой АЭ источников, их образующих, следующим образом: Зона 1 связана с процессами релаксации напряжений в сварном соединении между корпусом и неподвижной опорой; Зоны 2 и 3 образованы в результате регистрации сигналов, сопровождавших релаксационные процессы в зонах приварки внутренних устройств к корпусу сосуда. (Необходимо отметить, что процессы релаксации в Зонах 2 и 3, как правило, коррелировали между собой, поэтому сигналы из различных источников образовывали суперпозиции; данные суперпозиции регистрировались сенсорами из локационной группы, образованной каналами ## 13,14,6,10 и, как следствие, формальные результаты планарной локации имели вид, представленный на Рис.2). В Зоне 4 (в районе расположения датчика #14) по результатам дополнительного контроля традиционными методами контроля был обнаружен опасный дефект (круговая трещина глубиной глубиной 8-10 мм в сварном шве вокруг глухой бобышки диаметром 45 мм с выходом на продольный шов обечайки), образовавшийся как результат коррозионного растрескивания.

Рис.2. Параметры локационного кластера, соответствующего Зоне 2.

Параметры локационного кластера, соответствующего Зоне 2.

Рис.3. Некоторые зависимости, используемые при анализе данных из Примера 1: корреляции Counts vs. Amp [1] and Rise Time vs. Amp [2] для каналов ## 6,13,14

Некоторые зависимости, используемые при анализе данных из Примера 1: корреляции Counts vs. Amp [1] and Rise Time vs. Amp [2] для каналов ## 6,13,14

Рис.4. Схема расположения контрольных преобразователей на развертке корпуса теплообменника (Пример 1), вид изнутри. Обозначены зоны наиболее активных AЭ источников.

Схема расположения контрольных преобразователей на развертке корпуса теплообменника (Пример 1), вид изнутри. Обозначены зоны наиболее активных AЭ источников.

ПРИМЕР 2

Объект контроля – вертикальный сосуд, расположенный в одном корпусе с другим сосудом. Сосуды разделены плоской сплошной перегородкой (Рис.5). АЭ контроль сопровождал гидроиспытания верхнего сосуда. Материал – углеродистая сталь с плакировкой, толщина стенки – 16 мм.

В результате эксплуатационных нагрузок в нескольких точках по периметру перегородки произошла ее перфорация: в сварном шве между корпусом и пергородкой появились сквозные трещины. Эти трещины раскрывались только в результате воздействия внутреннего давления и поэтому не были обнаружены традиционными методами контроля во время остановки сосуда.

Применение АЭ во время гидроиспытаний сосуда позволило выявить данные дефекты. Импульсные характеристики сигналов некоторых датчиков из нижнего пояса имели вид, характерный для сигналов, регистрирующих утечки (некоторые импульсные характеристики представлены на Рис.6). Однако, визуально – с внешней стороны корпуса – утечки отсутствовали. Кроме того, предварительный контроль другими методами сварных соединений перегородки и корпуса дефектов не обнаружил.

Дополнительная информация для решения проблемы была получена при помощи функций визуализации формы сигнала, которые были использованы для качественной оценки типа источника АЭ по форме сигналов.

Рис.5. Схема объекта контроля из Примера 2 (два вертикальных сосуда, разделенных перегородкой)

На Рис.7 представлен пример регистрации типичных сигналов для двух разных датчиков от источников разной природы. Датчик #4 находился возле участка сварного шва с небольшими коррозионными дефектами.

Датчик #3 был расположен возле перегородки (см. Рис.5) и регистрировал периодические утечки через сквозные трещины соединительного шва.

Надо заметить, что нижний сосуд также был заполнен водой (подготовлен к гидроиспытаниям). Это факт внес дополнительные особенности в характер регистрируемых данных: вода, нагнетаемая насосом в верхний сосуд, повышала в нем давление до тех пор, пока напряжение в месте перфорации не превысило значение, нужное для раскрытия трещин. В результате через трещины вода из верхнего сосуда поступала в нижний и повышало в нем давление до того же значения, что и в верхнем сосуде. Это обстоятельство внесло дополнительные возмущения в структуру данных.

Однако, использование АЭ для решения подобных проблем, возможно, является оптимальным. Во всяком случае, в рассмотренном примере удалось успешно определить тип всех дефектов и место их расположения.

Рис.6. Некоторые графические формы для импульсных параметров, которые были использованы при анализе данных в Примере 2

Рис.7. Примеры сигналов, зарегистрированны от утечки (Chan.3) и от коррозионного растрескивания (Chan.4)

Рис.8. Определение положения дефекта на корпусе сферического сосуда с использованием алгоритмов сферической локации

Определение положения дефекта на корпусе сферического сосуда с использованием алгоритмов сферической локации

Рис.9. Примеры графических форм, использованных для локализации зоны корпуса сферической емкости (участок шва протяженностью 800мм), содержащей коррозионные дефекты (с использованием принципов зональной локации)

Примеры графических форм, использованных для локализации зоны корпуса сферической емкости, содержащей коррозионные дефекты

ПРИМЕР 3

Эффективность АЭ высока для больших сосудов с труднодоступными участками. Для таких сосудов наиболее эффективным является использование комбинации различных локационных алгоритмов, предоставляемых системой AMSY4. Например, для контроля сферического сосуда хорошие результаты были получены при сочетании сферической и зональной локации.

Характеристики сосуда: материал – углеродистая сталь, толщина -16 мм, диаметр – 10500 мм, емкость – 600 куб.м. АЭ сопровождала гидроиспытания сосуда. В результате контроля были выявлены две зоны на корпусе сосуда, содержащие коррозионные дефекты. Одна из зон была выявлена с использованием результатов сферической локации (Рис.8). Вторая зона (участок шва) была определена с использованием принципов зональной локации. Некоторые данные, характеризующие высокую относительную активность датчика #8, расположенного в этой зоне, приведены на Рис.9.

В дальнейшем результаты АЭ были подтверждены ультразвуковым контролем. и произведен ремонт дефектных участков корпуса.

Заключение

Сейчас метод АЭ на “Киришинефтеоргсинтез” включен в общую структуру неразрушающего контроля предприятия и успешно дополняет традиционные методы.

Руководство организации, учитывая эффективность применения АЭ, увеличивает объемы его применения и продолжает инвестиции в развитие АЭ на предприятии.

Источник