ГЛАВА 6.
АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ В РЕАКТОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
6.1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ЯВЛЕНИЯ
Общие сведения. Действующий ГОСТ 25.002-80 «Акустическая эмиссия. Термины и определения» определяет акустическую эмиссию (АЭ) как излучение материалом механических волн, вызванное динамической локальной перестройкой внутренней структуры.
Не отклоняясь существенно от приведенного определения, будем понимать под АЭ возникновение упругих волн при изменении физического состояния твердых тел. Такое изменение всегда происходит дискретно хотя бы на микроскопическом уровне. Поэтому АЭ— явление, сопровождающее едва ли не все физические процессы в твердых телах и на их поверхности, и возможность ее регистрации при протекании большинства на них определяется чувствительностью аппаратуры.
АЭ возникает как в микропроцессах, обусловленных движением мельчайших элементов структуры твердых тел, так и в макроэлементах, связанных с разрушением агрегатов и конструкций. Поэтому регистрация АЭ предоставляет широкие возможности дли исследования твердых тел, взаимодействия их между собой, с жидкими к газообразными средами, а также для создания контрольно-измерительных устройств и средств диагностики состояния материалов эксплуатируемых конструкций.
Явление излучения упругих ноли твердыми телами известно с середины прошлого столетия в форме «крика слово», возникающего при деформировании олова и слышимого невооруженным ухом, однако в течение многих десятилетий оно не находило практического применения. С 50-х годов нашего столетия регистрация акустических сигналов стала применяться практически для прогнозирования внезапных выбросов в шахтах. Почти одновременно началось систематические изучение АЭ в конструкционных материалах.
Особенно интенсивно приступили к исследованиям и разработкам в области АЭ в середине 60-х годов в связи с насущной необходимостью создании систем предэксплуатационного и эксплуатационного контроля особо ответственных технических объектов-корпусов ракет и ядерных реакторов, трубопроводов АЭС, других крупных инженерных сооружений [76]. Достоинство систем АЭ-контроля и диагностики —возможность регистрации сигналов, возникающих достаточно далеко от преобразователя, что позволяет не проводить сканирования объекта, присущего обычным УЗ-методам контроля. Поэтому АЭ-систсмы практически безынерционны и потенциально более надежны из- за отсутствия перемещения преобразователей. Эти достоинства послужили основой для широкого развёртывания работ по созданию АЭ-систем эксплуатационного контроля объектов и связанных с ними методических в аппаратурных разработок и исследований самого явления [12]. Однако само явление АЭ и причины, его порождающие, оказались более сложными, чем предполагали большинство исследователей в 60-х годах. По-видимому, конец 70-х годов следует рассматривать как начало второго этапа исследований в области АЭ, когда была осознана вся сложность проблем, возникающих при разработке АЭ-систем контроля, создана исследовательская аппаратура, накоплен определенный экспериментальный материал, создана база вычислительной техники, достаточная для решения как исследовательских, так и технических проблем.
В реакторной технологии наиболее перспективным считается применение АЭ для обнаружения коррозионного растрескивания и контроля сварных соединений. Однако с тем или иным успехом разрабатываются АЭ-системы для исследования и контроля реакторных топливных и конструкционных материалов, элементов, узлов и конструкций АЭС.
Причины возникновения и характер АЭ. В силу дискретной природы вещества дискретны по своей сути и происходящие в них физические процессы. Кажущаяся непрерывность процесса, например изменение температуры, отражает факт усреднения результата наблюдения большого числа дискретных элементарных событий. Элементарное событие в твердом теле приводит к деформированию последнего, но столь незначительному, что оно, как правило, не может быть зарегистрировано известными средствами. Однако большое количество элементарных событий, образующих последовательность (поток) событий, может привести к макроскопическим явлениям в твердом теле, сопровождающимся заметным изменением энергетического состояния тела, причем при освобождении энергии часть ее излучается в виде упругих волн. Возникновение таких волн и есть АЭ.
АЭ может проявляться двояко. Если число элементарных событий, приводящих к возникновению упругих волн, велико, а энергия, освобождаемая при каждом событии, мала, то АЭ-сигналы воспринимаются как слабый непрерывный шум, получивший название непрерывной АЭ. Из-за малости энергии, освобождаемой при единичном акте, энергетическое состояние тела меняется незначительна Поэтому вероятность осуществления следующего такого акта практически не зависит от наличия предыдущего. Вследствие этого физические характеристики непрерывной АЭ меняются со временем сравнительно медленно, что дает возможность описывать данный вид эмиссии как квазистационарный процесс.
Если состояние твердого тела далеко от равновесного, возможны процессы лавинного типа, при которых за малый промежуток времени в процесс вовлекается большое количество элементарных событий. Энергия возникающей упругой волны может на много порядков превосходить энергию упругих волн при непрерывной АЭ. Число отдельных энергетических скачков при этом существенно меньше, влияние каждого предыдущего акта на последующий становится существенным, и процесс возникновения упругих волк уже нельзя рассматривать ни как непрерывный, ни как стационарный. Подобная эмиссия, характеризующаяся дискретностью и большой амплитудой регистрируемых событий, получила название дискретной.
В значительной степени разделение АЭ на два вила условно, так как возможность раздельной регистрации АЭ-импульсов зависит от характеристик аппаратуры, включая преобразователь сигналов, а также свойств объекта, порождающего АЭ.
Например, демпфируя преобразователь и объект и уменьшая таким образом постоянную времени затухания их свободных колебаний, можно существенно (на порядки) уменьшить длительность фронтов регистрируемых импульсов и, устранив их наложение, формально перейти от регистрации непрерывной АЭ к регистрации дискретной, хотя физическая сущность явления АЭ не изменится.
Оценки показывают, что амплитуда электрических импульсов, порождаемых элементарными АЭ-процессами на микроуровне составляет 10-20—10-13 В, т. е. реально наблюдаемая АЭ связана с большим количеством элементарных актов. Максимальная амплитуда сигналов, обусловленных АЭ, составляет единицы вольт (в отдельных случаях—десятки вольт). Аппаратурные возможности ограничивают минимальную амплитуду и уровень регистрируемых сигналов величиной порядка единиц микровольт, реже — десятыми долями микровольта. При ограничении полосы частот, пропускаемых на регистратор, и соответственно более низком уровне аппаратурного шума возможно дальнейшее снижение уровня регистрируемых сигналов, однако за счет быстродействия измерительной системы.
Характерный пример—АЭ, возникающая, при распространении трещин в материале. Подрастание трещин, возникающее под действием внешних и внутренних факторов, имеет скачкообразный характер, при котором чередуются периоды стабильного состояния трещины при возможном увеличении пластической деформации у ее вершины, и периоды, когда трещина меняет свою длину с околозвуковой скоростью, переходя в новое состояние равновесия. Переход сопровождается упругой волной, регистрируемой преобразователем как сигнал дискретной АЭ. В промежутки времени между скачками, при накоплении пластической деформации, проявляется характерная для пластического деформирования непрерывная АЭ. Средняя скорость продвижения трещины в течение достаточно длительного периода наблюдения указанных явлений может не превышать малых долей миллиметра в час, и трещина еще не представляет серьезной опасности для конструкции. Возникающая АЭ служит предвестником разрушения задолго до его опасной стадии. Обычно для прогнозирования разрушения используют дискретную составляющую АЭ ввиду простоты регистрации сигналов большой амплитуды. Помимо применения для диагностики состоянии конструкций дискретную АЭ используют при контроле технологических процессов, в ходе которых возможно образование трещин (сварки, закалки, диффузионного насыщения, например наводороживания), а также для исследований и контроля коррозионного растрескивания, прочности, в частности термопрочности, усталостного разрушения материалов, процессов трения и износа.
Возникновение непрерывной АЭ связывают с процессами пластического деформирования твердых тел и другими физическими процессами.
Общие сведения о причинах возникновения и характере АЭ приведены в табл. 6.1.
Информативность параметров АЭ-сигналов. АЭ-сигналы характеризуются амплитудой, длительностью, формой, временем появления. Поток сигналов, кроме того, можно характеризовать статистически средней частотой событий, спектральной плотностью, амплитудным и временным распределениями, корреляционной функцией, средним значением, дисперсией. Каждая из перечисленных характеристик связана с физическим процессом, порождающим АЭ, и ее определение может дать информацию о протекании процесса или состоянии объекта. Желательно из· мерить возможно большее число параметров потока АЭ-сигналов. Практически трудно определить многие параметры потока сигналов, обычно ограничиваются измерением нескольких основных характеристик, тем более, что некоторые из них взаимосвязаны.
Для дискретной АЭ имеют смысл определения информативных параметров, сформулированных в ГОСТ 25.002-80.
Общее число импульсов—число зарегистрированных импульсов дискретной АЭ за исследуемый интервал времени. Само определение говорит о его пригодности для описания только потоков неперекрывающихся импульсов. Оно характеризует процессы, связанные с разрушением материала, и указывает на число отдельных актов зарождения и распространения дефектов в материале или конструкции.
Активность АЭ—общее число импульсов, отнесенное к единице времени. Информативность этого параметра такая же, как и предыдущего, но с большей детализацией во времени, что дает возможность наблюдать динамику процесса разрушения.
Суммарная АЭ—число зарегистрированных превышений (выбросов) АЭ-сигналом установленного уровня за исследуемый интервал времени. В случае дискретной АЭ эта величина характеризует число событий с анергией, превышающей установленное портовое значение. При описании дискретной АЭ с помощью суммарной АЭ теряется часть информации, связанной с импульсами, амплитуда которых меньше порогового уровня (уровня дискриминации). Кроме того, возможность произвольного выбора этого уровня делает параметр неоднозначным. Если производится счет недетектированных, осциллирующих импульсов пьезоприемника, что практикуется довольно часто, то появляется дополнительная неоднозначность результатов, обусловленная многократной регистрацией одного и того же первичного импульса, примем кратность воспроизведения его в счетном устройстве зависит от уровня дискриминации, коэффициента затухания колебаний в объекте и преобразователе, а также характеристик приемно-усилительного тракта.
Скорость счета—число зарегистрированных превышений АЭ-сигналом установленного уровня в единицу времени. Эта характеристика является производной суммарной АЭ по времени и обладает теми же недостатками.
Амплитудное распределение характеризует дискретную АЭ уже как случайный процесс. Под таким распределением понимают плотность вероятностей амплитуд «(А), характеризующую вероятность регистрации за фиксированное время dN импульсов с амплитудами, значения которых находятся в малом интервале
(A,A+dA), в соответствии с формулой
dN=w(A)dA. (6.1)
Информативность спектральной плотности дискретной АЭ обусловлена се связью со скоростью протекания процесса, инициирующего АЭ-сигналы, что позволяет лучше попять природу источника эмиссии. Трудности определения этой характеристики те же, что и истинной формы сигнала АЭ, поскольку спектральная плотность и вид сигнала однозначно связаны преобразованием Фурье.
В случае непрерывной АЭ смысл некоторых приведенных выше характеристик меняется и могут быть введены дополнительные характеристики процесса. Поскольку теперь теряется смысл понятия амплитуды импульса, суммарная АЭ и скорость счета АЭ определяются числом выбросов случайного процесса за уровень дискриминации, т. е. числом превышений регистрируемой величиной (напряжением, током) установленного уровня дискриминации. Соответственно вместо амплитудного распределения должна использоваться плотность вероятности АЭ ω(А), определяющая долю времени наблюдения, в течение которого значение регистрируемой величины находится в интервале значений вблизи А согласно формуле (6.1).
Некоторые модели, описывающие АЭ. Для обоснования наблюдаемых закономерностей АЭ предложены некоторые модели, основанные на серьезных допущениях или предположениях, не имеющих достаточной физической основы. Их общий недостаток-возможность описания только одной какой-либо особенности АЭ при каком-либо частном виде испытаний. Применение таких моделей для прогнозов оказывается, как правило, неудачным. Поэтому они ниже не рассматриваются, а основное внимание уделено моделям общего характера, полезным для оценок параметров потоков АЭ-сигналов и определения требуемых характеристик АЭ-аппаратуры.
Модель возникновения импульса АЭ в упругой среде. В (31) проанализирована реакция неограниченной изотропной линейной упругой среды без поглощения на изменение давления на поверхности сферической полости в этой среде. Решение задачи позволяет выявить некоторые особенности АЭ-сигналов при образовании микроразрывов в материале, поскольку их можно рассматривать как полость, на поверхности которой исходное напряжение изменяется от исходного уровня до нуля.
Поэтому приведенные зависимости соответствуют экспериментальным лишь качественно, поскольку амплитуды сигналов при образовании и разрыве элементов могут разливаться, и при ненулевом уровне дискриминации подчеркивается ли ослабляется составляющая АЭ, связанная либо с рождением, либо с гибелью элементов. В результате максимумы и минимумы скорости счета могут быть либо подчеркнуты, либо, наоборот, сглажены в зависимости от соотношения и распределения амплитуд в конкурирующих процессах рождения и гибели, не менее, сопоставление экспериментальных и расчетных кривых позволяет определить некоторые характерные параметры процессов рождения и гибели.
Флуктуационная модель АЭ. Спектральная плотость непрерывной АЭ связана со спектром элементарного сигала в соответствии с формулой Карсона (3.24). Однако физическая интерпретация такой связи теперь несколько иная. Если протекание физического процесса обусловлено потоком некоторых элементарных событий, то среднее значение интенсивности оттока определяет скорость изменения некоторого макроскопического параметра. Например, при пластической деформации таким параметром являются размеры образца, а элементарным событием может быть, например, отрыв дислокации от точек закрепления. Однако количество событий в единицу времени не строго постоянно, что приводит к флуктуациям интенсивности потока событий. Например, при некоторых видах пластической деформации установлено, что последняя происходит не непрерывно , а микроскопически малыми приращениями. В таком случае естественно предположить что среднее значение интенсивности потока событий определяет скорость соответствующего макроскопического явления пластической деформации, диффузионной ползучести, коррозии, а величина флуктуаций — среднеквадратическое значение какого-либо параметра АЭ (25-27).
В основе такого предположения лежит тот факт, что при каждом элементарном событии преобразователь АЭ получает механический импульс. Флуктуации потока вызывают изменение среднего значения получаемого импульса, которое воспринимается пьезоприемником как изменение давления. Подобный подход используется при рассмотрении различных физических явлений и позволяет оценить возможность регистрации непрерывной АЭ при протекании порождающих ее физических провесов. Будем считать, что элементарный процесс протекает за время, малое по сравнению с временем реакции измерительной системы, что позволяет представить силу, действующую па преобразователь, в виде
(6-8)
