Методы и средства обнаружения шумоподобных сигналов источников акустической эмиссии трибологической и гидродинамической природы на основе иерархического беспорогового спектрально-временного анализа

В настоящее время к числу общемировых трендов относится развитие системы анализа рисков безопасной эксплуатации опасных производственных объектов (под которыми понимаются технические устройства или оборудование, предназначенное для выполнения технологического процесса в химической, нефтехимической или нефтеперерабатывающей промышленности) по данным неразрушающего контроля, в которой особые надежды связывают с методом акустической эмиссии. Последнее объясняется высокой чувствительностью метода к процессам дефектообразования и его принципиальной способностью обеспечить непрерывный контроль опасных, недоступных или протяженных промышленных объектов, т.е. оценивать техническое состояние опасных производственных объектов непосредственно во время эксплуатации (мониторинг). Высокая ответственность, возлагаемая на метод акустической эмиссии, подразумевает повышенные требования к качеству получаемых с его помощью результатов и выводов. При этом к числу неблагоприятных факторов, оказывающих наиболее негативное влияние на результат применения метода, следует отнести шумоподобные сигналы, которые сопровождают все режимы эксплуатации большинства промышленного оборудования, особенно динамически нагруженного, в связи с чем, шум является неотъемлемой частью любых диагностических сигналов акустической эмиссии. Высокий уровень шумов может приводить к сбою корректной работы детекторов сигналов акустической эмиссии, что сопровождается: пропусками регистрации сигналов; ошибками вычисления времени их прихода; появлением ложных или смещением реальных локационных событий; неправильной оценкой класса опасности акустических источников и в целом некорректной оценкой технического состояния опасных производственных объектов. Как следствие, контроль методом акустической эмиссии шумных объектов существующими на сегодня средствами метода или затруднен или даже вовсе не возможен, что сдерживает применение этого прогрессивного метода для диагностики опасных производственных объектов, особенно, если в их состав входят гидравлические, трибологические, электромагнитные и др. системы, устройства или агрегаты. Таким образом, проблема применения метода акустической эмиссии для оценки технического состояния опасных производственных объектов в условиях высокой зашумленности имеет важное, как научно-техническое, так и хозяйственное значение, решение которой позволяет внести значительный вклад в повышение промышленной безопасности эксплуатации таких объектов, а, следовательно, и в общее состояние защищенности жизненно важных интересов личности и общества от аварий на опасных производственных объектов и их последствий. Таким образом, тема диссертации соответствуют критической технологии РФ «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Указ Президента РФ № 899 от 7 июля 2011 г.).
Многими авторами показано, что добиться существенного прогресса в безопасности эксплуатации и снижении издержек на ремонт и обслуживание промышленного оборудования можно только на основе максимально раннего диагностирования их повреждений. С точки зрения метода акустической эмиссии это означает необходимость обнаружения сигналов на уровне шумов и/или возможность распознавания сигналов от нескольких одновременно действующих акустических источников. В данном ключе работы велись в двух основных направлениях: (1) фильтрация (шумоподавление) регистрируемых сигналов с целью приведения их к импульсному виду для оценки амплитудным пороговым методом и (2) анализ непрерывной акустической эмиссии. В первом направлении работали практически все основные школы метода акустической эмиссии. Однако при уровне сигнала, сопоставимым с шумом (SNR < 6 дБ), энергетический вклад первого настолько мал, что шумоподавление либо не возможно в принципе выполнить без потери сигнала, либо сигнал критически искажается. Поэтому параллельно силами научных школ, занимавшихся исследованием акустической эмиссии при: изнашивании материалов (Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого г. Гомель; МИФИ г. Москва; Томский политехнический университет совместно с Томским научным центром СО РАН и др.); истечении среды через несплошность (ВНИИФТРИ г. Хабаровск; Ижевский Государственный технический университет; Томский политехнический университет и др.); сварке (НПО «ЦНИИТМАШ» г. Москва; ФГУП СибНИА им. С.А. Чаплыгина совместно с Сибирским государственным университетом путей сообщения г. Новосибирск; Крыловский государственный научный центр г.Санкт-Петербург и др.); кристаллизации веществ (Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону и др.) и коррозии материалов (ОАО «Оргэнергонефть» г. Самара; НПО «ВНИКТИ нефтехимоборудование» г. Волгоград; ООО ИнтерЮнис-ИТ г. Москва и др.) развивался второй подход основанный на статистическом анализе непрерывной акустической эмиссии. Последний сначала строился на отслеживании интегральных оценок таких как: скорость счета, среднеквадратическое значение или огибающая потока сигналов. Позже с развитием аппаратных средств начали использоваться спектральные и корреляционные оценки. За рубежом основные работы показывающие, что шумоподобная акустическая эмиссия содержит в себе диагностическую информацию, необходимую для оценки технического состояния различных объектов контроля проводились: Mba D., Boness R.J., McBride S.L., Mazal P., Hase A., Boinet M. и др. Согласно работам указанных научных школ и авторов и др. сделан вывод, что прогресс в извлечении «полезной» информации из шумоподобных сигналов следует ожидать при смещении акцента анализа характеристик акустической эмиссии от амплитудных к спектрально-статистическим. Однако на сегодня не предложено комплексное техническое решение, позволяющее: обнаружить шумоподобный акустический источник, установить его физическую природу, оценить его координаты и класс опасности. Следовательно, обнаружение диагностических признаков в шумоподобных сигналах является актуальной научно-технической проблемой, решение которой открывает новые перспективы применения метода акустической эмиссии для: раннего выявления источников (дефектов), повышения достоверности контроля и расширения сфер применения (номенклатуры поддающегося контролю оборудования). Все отмеченное выше в совокупности способствует развитию и метода акустической эмиссии, как самостоятельного метода, и всей системы неразрушающего контроля в целом, что, несомненно, способствует снижению вероятности аварий на опасных производственных объектах и, соответственно, вносит значительный вклад в развитие промышленной безопасности страны.

В отличие от традиционного подхода, основанного на анализе сигналов акустической эмиссии только выше заданного амплитудного уровня, основная идея работы заключается в непрерывной идентификации (поиске) критических точек смены доминирующих механизмов повреждения элементов оборудования, наступление которых по гипотезе работы является диагностическим признаком изменения технического состояния объекта контроля. При этом поиск диагностических признаков предлагается проводить путем отслеживания спектрально-временного подобия сигналов акустической эмиссии, которое, в свою очередь, основывается на следующих положениях: (i) при формировании одинаковых внешних или внутренних факторов действуют одинаковые акустические источники; (ii) единые по физической природе акустические источники и процессы генерируют сигналы акустической эмиссии со схожим спектральным составом; (iii) количество возможных одновременно действующих акустических источников ограничено и они развиваются стадийно и циклически (имеют закономерность); (iv) итоговое акустическое излучение в каждый момент времени отражает суперпозицию волн от всех источников, но основной вклад вносят доминирующие (основные) из них. В качестве второй рабочей гипотезы принято, что акустические диагностические признаки у работающего оборудования могут проявляться на трех масштабных уровнях: 1-й составляет длительность действия элементарного импульсного источника акустической эмиссии (скачок трещины, искра, мартенситное превращение и т.д.), поэтому является уровнем анализа сигналов/событий; 2-й составляет длительность одного периода (цикла) работы оборудования (обороту вращения, возвратно-поступательному движению, набору-сбросу давления и т.д.), поэтому является уровнем технологического действия и 3-й составляет длительность заданной наработки оборудования (час, день, неделя и т.д.), поэтому является уровнем рабочего процесса. Проверка состоятельности и работоспособности обозначенных гипотез требует: повышения точности установления принадлежности сигналов акустической эмиссии конкретным физическим процессам и явлениям, многократной перепроверки результатов обнаружения источников шумоподобной акустической эмиссии, а также повышения надежности средств регистрации сигналов акустической эмиссии в условиях вибрации и колебании температуры.

Объектом исследования в работе являются шумоподобные сигналы акустической эмиссии, сопровождающие трибологические и гидродинамические процессы и явления. Предметом исследований являются беспороговые способы регистрации и выявления трибологических и гидродинамических источников шумоподобной акустической эмиссии на основе спектрального и временного подобия их проявления на трёх временных масштабах.

1. Определить проблемы, ограничивающие применение метода акустической эмиссии для оценки по шумоподобным сигналам технического состояния объектов контроля, имеющих в своем составе циклически нагруженные узлы трения-скольжения или силовые элементы, или ротационные механические активаторы гидродинамических процессов.
2. Разработать иерархический беспороговый метод анализа спектрально-временного подобия шумоподобных сигналов на нескольких временных масштабах, позволяющий устранить или снизить ограничения на применение метода акустической эмиссии при действии источников трибологической и гидродинамической природы (типа).
3. Разработать алгоритмы обработки акустико-эмиссионных данных, позволяющие на практике реализовать иерархический беспороговый метод анализа шумоподобных сигналов и путем экспериментальных исследований выбрать оптимальный (эффективный) вариант их применения.
4. Разработать способы и получить необходимые исходные данные для апробации предлагаемого метода в направлении обнаружения и исследования основных источников шумоподобных сигналов трибологической и гидродинамической природы на нескольких временных масштабах.
5. На реальных практических задачах оценить эффективность применения предлагаемого метода по отношению к стандартному амплитудному пороговому методу анализа акустико-эмиссионных данных.
6. Разработать технические решения, позволяющие повысить надежность применения средств регистрации сигналов акустической эмиссии на промышленных объектах в условиях действия циклических тепловых и вибрационных нагрузок.

• Впервые для контроля циклически нагруженных элементов динамического и статического промышленного оборудования теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность обнаружения источников акустической эмиссии на фоне шума за счет оценки подобия проявления их признаков на нескольких временных масштабах;
• Впервые для принятия решений использован параллельный анализа акустической эмиссии на трех временных масштабах, продолжительность которых соответствует длительности: (1) сигнала (времени существования элементарного акта источника); (2) цикла нагружения (времени проявления источника за полный период изменения напряженно-деформированного состояния объекта контроля) и (3) заданной наработки оборудования (времени, соответствующего некоторому числу полных периодов нагружения объекта контроля, достаточного для достоверной оценки скорости развития источника), в пределах которой подтверждается акустический источник, выявленный на первых двух временных масштабах, и устанавливается его класс опасности для эксплуатации оборудования;
• Впервые предложены методы имитации основных механизмов разрушения материала циклически нагруженных элементов в виде узлов трения-скольжения и силовых элементов статического и динамического промышленного оборудования, позволяющие на объекте контроля изучать сигналы акустической эмиссии и их трансформацию при одновременном действии нескольких механизмов разрушения материала и различных источников шума без критического повреждения промышленного оборудования;
• Сформулирован новый научный подход выявления и изучения стадийности срабатывания акустических источников, сопровождающих схватывание и пластическое оттеснение материала контактирующих элементов узлов трения-скольжения динамического промышленного оборудования на основе использования спектрального и временного подобия их проявления;
• Впервые для выявления усталостных трещин и оценки поврежденности цапф опорных подшипниковых узлов использованы закономерности спектрального и временного подобия проявления сигналов акустической эмиссии за цикл нагружения;
• Предложен новый способ обнаружения вихрей в рабочей камере роторной установки, работающей на режиме обеззараживания жидких водных растворов, на основе отслеживания спектрального подобия сигналов акустической эмиссии.

1. На основе предложенного трехуровнего спектрально-временного метода анализа шумоподобных сигналов акустической эмиссии разработаны: способ повышения точности локации шумоподобных источников акустической эмиссии (Патент № 2515423); способ диагностики динамического промышленного оборудования (Патент № 2684709); способ управления работой роторных перемешивающих устройств с обратной связью на основе метода акустической эмиссии; способ анализа и сопоставления хронологии разрушения узлов трения-скольжения; методика оценки поврежденности цапф сушильных цилиндров картоноделательных машин (№ МАЭК-СЦКДМ-001-2019).
2. Для верификации результатов регистрации и анализа шумоподобной акустической эмиссии при производственных и лабораторных испытаниях статически нагруженного оборудования разработан стенд, реализующий предложенный метод имитации основных источников акустической эмиссии без повреждения объектов контроля (Патент № 2608969).
3. Разработана схема, позволяющая при выходе датчика акустической эмиссии из строя компенсировать потерю работоспособности антенной группы путём изменения режима работы дублирующих и резервирующих линий регистрации акустической эмиссии преобразователей, входящих в данную или смежную антенную группы (Патент № 2601270).
4. Для обеспечения возможности регистрации шумоподобной акустической эмиссии с промышленного оборудования в условиях вибрации, термоциклирования и высоких температур разработаны: преобразователь акустической эмиссии повышенной надежности (Патент № 2601270) и универсальный акустический волновод (Патент № 2665360).

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: V и VI-й Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур (ПРОСТ)», (Москва, 2010 и 2012); VI Международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2010); 50 и 60 Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Витебск, 2010 и 2018); IX Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2011); VI Всероссийской научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тольятти, 2011); V и X Международной школе «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2011 и 2021); IX Всероссийской школе-конференции молодых ученых «КоМУ-2011» (Ижевск, 2011); XII Международной конференции «Трибология и надёжность» (Санкт-Петербург, 2012); 12-th «International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing (ICNDT-2013)» (Portoroz, 2013); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии технологических, энергетических и транспортных машин» (Самара, 2015); III Международной научно-технической конференции «Динамика и виброакустика машин» (Самара, 2016); VIII Саратовском индустриальном форуме 20-й международной специализированной выставке «Нефть. Газ. Хим. 2016» (Саратов, 2016); XII Международной научно-технической конференции «Трибология - машиностроению (ТРИБОМАШ-2018)» (Москва, 2018); VIII Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение: Наука и образование (MMESE)» (Санкт-Петербург, 2019); VII Международном промышленном форуме «Территория NDT. Неразрушающий контроль. Испытания. Диагностика» (Москва, 2020); Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные проблемы метода акустической эмиссии (АПМАЭ)» (Тольятти, 2018 и Санкт-Петербург, 2021).

Настоящая работа выполнялась в рамках научных программам и проектов НИИ «Прогрессивных технологий» Тольяттинского государственного университета (ТГУ) при реализации следующих научных тем: Мегагрант Правительства РФ по постановлению Правительства РФ № 220 от 09.04.2010г. (первая очередь). Проект № 11.G34.31.0031; Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы». Проект № RFMEFI58614Х0011 (Соглашение № 14.586.21.0011 от 27.11.2014г.) и Проект № RFMEFI57714X0145 (Соглашение № 14.577.21.0145 от 28.11.2014г.); Государственное задание Минобрнауки РФ. Проект № 11.8236.2017/9.10 и Проект № FEMR-2020-0003; Российский научный фонд. Проект № 20-79-10262 (Соглашение № 20-79-10262 от 20.07.2020г.).