Источник: Proc. 2003 Winter Simulation Conf., New Orleans, LA, 2003 [Электронный ресурс] / Ресурсный центр NDT.net, - режим доступа: http://www.ndt.net/article/v07n09/21/21.htm
Сравнительный анализ отобранных стандартов и директив по применению акустико-эмиссионного тестирования, изданных международными и национальными организациями, приводит к оценке текущего статуса стандартизации. Области, где такого рода документы еще не существуют или кажутся неудовлетворительными по некоторым причинам, идентифицированы и сформулированы как перспективы для дальнейшей работы. Ожидается, что в будущем важность оценки структурной целостности с применением метода акустической эмиссии будет возрастать.
Стандарты и директивы по применению метода акустической эмиссии (АЭ) могут быть классифицированы в контекстах:
Интуитивно, можно было бы ожидать, что ряд стандартов или директив должен включить несколько документов в классах с (1) по (3) и большую часть в классе (4). Количество документов (доступных весной 2002 г.) в разрезе выбранных стандартов и издающих организаций приведено в таблице 1. В то время как некоторые организации (например, Американское общество по испытанию материалов) развили оба основных документа (классы 1 - 3) и значительное число процедур, описывающих специфику применений (класс 4), другие (например, Международная Организация по Стандартизации, CEN, аббревиатуры которых доступны в таблице 1) в настоящее время предоставляют главным образом базовые документы, но разработали мало документов о применении метода.
Если проанализировать (согласно году публикации) данное распределение количества документов, становится очевидно, что некоторые организации являются фактически бездействующими. Это может быть объяснено, по крайней мере для национальных организаций в Европе, делегированию деятельности к CEN или ISO. С другой стороны, большинство организаций, которые продвигают международные стандарты или директивы, только недавно развернули свою деятельность.
Нужно отметить, что статус организаций изменяется от мульти-национальных или национальных органов (например, ISO, CEN, AFNOR), где принятие документов основано на соответствующих отраслевых соглашениях (например, ASTM), где принятие основано на согласии, обычно достигнутом путем комментариев и голосования, к частным обществам (например, EWGAE, DGZfP), где документы по существу представляют собой рекомендации.
Цель данной работы является двойственной. Сравнительная оценка отобранных документов по каждому из классов с (1) по (4) укажет состояние, которое было достигнуто до настоящего времени. Однако, сравнение также укажет на области, которые, возможно, нуждаются во внимании или на которых будет сконцентрированаа последующая деятельность. В результате анализа случаев (по общему признанию субъективного), где АЭ тестирование имеет потенциал для разработки новых способов применения, будут сформулированы перспективы для будущей деятельности по стандартизации.
| Организация * | Всего | Класс 1 | Класс 2 | Класс 3 | Класс 4 |
| ISO | 4 | 1 | 0 | 2 | 1 ++ |
| CEN | 6 | 1 | 2 *** | 2 | 1 +++ |
| ASTM | 30 ** | 1 | 3 + | 7 | 17 |
| EWGAE | 5 | 1 | 1 | 1 | 2 |
| AFNOR | 6 | 1 § | 2 | 1 | 2 |
| DGZfP | 4 | 1 | 0 | 3 | 0 |
| Таблица 1: количественные различия типов документов, изданных или подготовленных организациями, занимающимися стандартизацией (классы определены в тектсе) | |||||
| * | ISO = International Organisation for Standardisation, CEN = Comitй Europйen de Normalisation (European Standardisation Committee), ASTM = American Society for Testing and Materials, EWGAE = European Working Group on Acoustic Emission, AFNOR = Association Franзaise de Normalisation (French Standardisation Society), DGZfP = Deutsche Gesellschaft fьr zerstцrungsfreie Prьfung (German Society for Non-destructive Testing) |
| ** | ASTM E 1065 и E 1544 не могут быть отнесены ни к какому из классов |
| *** | включая EN 473 (CEN) для квалификации и сертификации |
| + | включая E 543 (ASTM) , стандартизирующий практику организаций, предоставляющих услуги неразрушающего тестирования |
| ++ | Committee Draft (CD) 16148 (ISO) |
| +++ | Work Item (WI) 00138076 (CEN), prEN 13445-5 содержит информацию о методе акустической эмиссии, однако просто ссылается на другие документы по АЭ тестированию |
| § | сейчас переименован на EN 1330-9 |
Простой подсчет приводит к следующему ранжированию: документ организации ISO (ISO 12716:2001) содержит 67 определений (включая 9 подпунктов отдельно), документ организации ASTM (E 1316-02, Секция B) содержит 65 определений, директива DGZfP (SE-1, 1989) — 46 и документ организации CEN (EN 1330-9:2000) — 44. В EN 1330-9 терминология и определения приведены на трех языках (английский, французский, немецкий язык), в SE-1 терминология также на трех языках (английский, французский, немецкий язык), но определения только на немецком языке. Другие документы являются одноязычными (английский язык). Поэтому сравнение и обсуждение сосредоточатся на английских версиях.
Большая часть документа организации ISO идентична выпущенному организацией ASTM за исключением незначительных деталей в выражении определений. Различие в числе определений между этими двумя документами присутствует из-за некоторых определений, которые не появляются в стандарте ISO; также существуют некоторые определения, которые определены в пределах текста других определений документа ASTM и таким образом не посчитаны отдельно.
Из подсчета количества документов видно, что в принципе самое большее 44 термина могут быть взяты для сравнения среди этих четырех документов, но фактически есть только 13 общих терминов. Список их следующий: акустическая эмиссия, продолжительность сигнала, время наростания сигнала, множество (датчиков), счет акустический эмиссии, непрерывная эмиссия, событие акустической эмиссии, время (интервал) прибытия, местоположение источника, зона местоположения, сигнал акустический эмиссии, пиковая амплитуда (сигнала), и волновая акустическая эмиссия. В общей сложности 108 различных терминов определены в этих четырех документах.
Однако, даже общие термины отличаются в своем определении в пределах разных документов. Примеры — «акустическая эмиссия» и «эффект Фелисити». ISO и ASTM определяют акустическую эмиссию как класс явлений, который производит переходные упругие волны в результате быстрого высвобождения энергии из локализованных источников и сами волны, соответственно. Документ CEN определяет акустическую эмиссию как переходные упругие волны, созданные в результате освобождения энергии или некоторым процессом. Эффект Фелисити определен в документе ASTM как присутствие акустической эмиссии (или обнаружимой акустической эмиссии, оба определения появляются независимо) на неподвижном уровне чувствительности на уровнях напряжения, ниже примененных ранее. Документ CEN требует появления существенной акустической эмиссии при нагрузках ниже ранее примененного максимума для эффекта Фелисити. Примеры показывают, что определения не описаны на том же самом уровне детализации. В сравнении оба примера, даже при том, что они являются технически правильными, так или иначе, содержат кажущиеся неполными определения в обоих документах (ASTM и ISO или CEN, соответственно).
Дальнейший анализ показывает, что важные термины отсутствуют в определениях во всех документы. Интенсивность и разность акустической эмиссии — только два примера. Другие основные термины, например, слом графитового стержня или источник Hsu-Nielsen, чувствительность датчика, импульсная задержка, и дежурный датчик, только определены в одном из этих четырех документов.
В таблице 1 документы сертификации (EN 473), стандарты практики для агентств, выполняющих неразрушающее тестирование (ASTM E 543) и стандартные руководства для неразрушающего тестирования продвинутой керамики (ASTM C 1175), классифицированы как «общие принципы». Однако, эти документы не описывают общие принципы метода АЭ.
Из различных организаций только CEN предоставляет документ (все еще в стадии проекта), который определенно обращается к «общим принципам» относительно АЭ (prEN 13554). Этот документ содержит краткое описание свойств АЭ и преимуществ и ограничений метода относительно других методов неразрушающего контроля. В документе утверждается, что метод АЭ применим ко всем классам материалов (металлы, соединения, керамика, бетон, и т.д.) но специфика, основное акустико-эмиссионное поведение различных классов материалов (например, эффект Кайзера в металлах и эффект Фелисити в укрепленных волоконных соединениях) не описано подробно. Информация, данная в документе, обязательно ограничена общими замечаниями. Есть, например, список факторов, которые касаются датчика и выбора рабочей частоты. Представленный без дальнейших комментариев или примеров, трудно должным образом оценить эти факторы в процессе выбора «лучшего» решения для любого данного применения.
Следовательно, было бы желательно иметь «второй уровень» документов, или детализирующих процедуры для многих случаев тестирования, или, по крайней мере, предоставляющих детальные примеры в качестве директив того, как делать соответствующий выбор. Отделение этих документов согласно классам материалов с четко отличающимся акустико-эмиссионным поведением, включая информацию относительно механизмов источников АЭ предоставило бы отправные точки тестирующему персоналу, развивающему применение метода в различных областях. В частности такие документы были бы полезны для людей с ограниченным опытом применения метода для определенного класса материалов, для которых должна быть разработана процедура проведения тестирования.
Стандарты методов измерения и калибровки включают две группы, которые могут быть получены в итоге как:
Есть несколько документов относительно калибровки датчика, и для лаборатории (первичная и вторичная калибровка), и для испытания в рабочих условиях (проверка ответа датчика). Тестирование оборудования включает проверку оборудования в лаборатории или проверку цепи измерения или в лаборатории или во время рабочего применения. Директивы, изданные DGZfP, составлены только на немецком языке и поэтому не обсуждены.
Процедуры калибровки датчика описаны в достаточно детально в документах, основывая иерархию первичной и вторичной калибровки. Есть также процедуры для того, чтобы проверить ответ датчика (чувствительность датчика) и для равномерных интервалов (качественная поверка) и во время тестового применения. Для различных типов пьезокерамических датчиков эти процедуры достаточны, калибровка датчиков, основанных на других принципах, например, интерферометрах, не рассмотрены в документах. Использование их, однако, в настоящее время ограничивается специальным лабораторным применением. До тех пор, пока не датчики не на основе пьезокерамики не будут широко и рутинно использоваться, нет никакой потребности в установлении стандартизированных процедур.
Стандарты характеристик оборудования основаны на типах оборудования, коммерчески доступного во время составления стандартов или директив. Это оборудование по существу было разработано для того, чтобы извлечь набор параметра АЭ сигнала из переходных сигналов всплеска . Процедуры для того, чтобы проверить работу оборудования, поэтому они определяют измерения на всех компонентах цепи измерения, но подчеркивают проверку измерения параметра АЭ сигнала (например, EN 13477-2). Проверка систем AЭ измерения, которые используют полную регистрацию формы волны (например, с переходными регистраторами) не описана в этом документе.
Конечно, эти разработки в АЭ тестировании (анализ формы волны, основанный на переходных регистраторах), являются относительно недавними, но есть потребность в верификации оборудования и операционных особенностей, соответственно. Далее, анализ быстрого преобразования Фурье и распознавание образов имеют тенденцию служить дополнением параметрическому анализу АЭ сигнала, предоставляя дополнительную информацию для анализа данных и их интерпретации. Проверка работы обоих специальных компонентов (например, программируемые процессоры цифрового сигнала) и программного обеспечения, используемого для этого типа анализа, не находит отражения в существующих документах.
Во-первых, нужно отметить, что CEN TC138 ограничивает свои действия основными принципами или методами и не пытается развить специальные процедуры спецификации способов применения и результатов . Такие процедуры должны были быть развиты техническими комитетами, имеющими дело с соответствующими результатами. Пока, нет таких действий в пределах CEN, которые применяют или включают АЭ тестирование. В пределах ISO CD 16148 является попыткой спецификации результатов процедуры АЭ тестирования. Этот документ, однако, подобен ASTM E 1419 в большинстве аспектов и, поэтому, не является новой разработкой.
Числовое распределение спецификаций применения АЭ тестирования или результатов процедуры тестирования, изданные этими четырьмя организациями (ISO, CEN, ASTM, DGZfP), показывают, что большинство документов (8 из 24) имеет дело с резервуарами хранения или судами давления (даже если тестирование утечки не включено в счет). Подобное распределение (19 из 46) имеет место, если дополнительные организации включены в анализ. В разрезе материалов, волоконно-укрепленных полимерно-матричных соединений формируют большую часть в этих трех документах (7), далее следуют металлами (6) и керамика (1), и в том же порядке 15, 14 и 2, соответственно, если дополнительные организации включены.
Преобладание применения волоконно-укрепленных соединений соединениях весьма вероятно вследствие того, что этот класс материалов испускает обильную АЭ, и поэтому ранние применения этих материалов были в областях критического структурного значения (авиация/космос/резервуары в химической промышленности). Можно также отметить, что неразрушающее тестирование «толстых» сложных структур с помощью ультразвука является трудным из-за существенно большого ослабления сигнала. Рентгенографический контроль приводит к ограниченному контрасту изображения, если низкие энергии рентгена (типично несколько кВ) не применены, что также ограничивает глубину проникновения. АЭ тестирование, с другой стороны, намного менее подвержено влиянию этих ограничений.
Есть также многие стандарты и директивы, которые описывают АЭ тестирование класса испытательных объектов или АЭ мониторинг объектов или процессов. Примеры — ASTM E 1932 об АЭ испытании маленьких частей, ASTM E 1932 об АЭ контроле границ давления, оказываемого на металл, или ASTM E 749 и E 750 об АЭ контроле сварки.
Сравнение различных областей применения АЭ тестирования, изданное ASTM, показывает, что они значительно отличаются по части:
Ясно, что процедура, применимая к большому диапазону тестируемых объектов такой как, например, «маленькие части» (ASTM E 1932) должны быть написаны в более общих чертах чем, например, процедура, описывающая «газонаполненные сосуды под давлением без шва» в пределах указанного диапазона давления обслуживания (Американское общество по испытанию материалов E 1419). Однако, даже «маленький» определен как «низкое ослабление АЭ сигнала при прохождении сквозь тестируемую области». Размер соответствующих тестируемых объектов поэтому зависит от материала, и может измениться по крайней мере на один порядок величины или больше.
Моделирование состоит во многих случаях в механическом нагружении части или структуры. Образец нагрузки как функция времени может быть простым, таким как, например, линейная нагрузка до определенного состояния (в пределах определенного временного интервала, например, максимальным допустимым увеличением давления) с последующим разгружением и линейной перезарядкой к тому же самому уровню нагрузки. Более сложные образцы определяют так называемую «ступенчатую» нагрузку с определенным временем повышения и захвата , разгружением к более низкому уровню (например, 50 % или 75 % предыдущей нагрузки) и удержания с последующей перегрузкой к следующему более высокому уровню нагрузки. Образцы этого типа позволяют применять оценку Фелисити для тестируемых объектов, сделанных из волоконно-укрепленных соединений. Тестирование сосуда под давлением требует давления, создаваемого внутренней средой сосуда или водой или нефтью, приближенного к рабочей нагрузке или определенному уровню нагрузки; иногда необходима последовательная нагрузка на двух различных уровнях.
Многие, но не все АЭ испытательные стандарты описывают критерии для того, чтобы оценить АЭ, которая возникает во время теста. Простой пример — ASTM F 1797 (АЭ тестирование изолированных кранов землеройной машины), который требует, чтобы сигналы АЭ были нулевыми в течение последних трех минут времени задержки второй нагрузки, или по крайней мере чтобы было принято более низкое число сигналов АЭ по сравнению с первым циклом нагрузки при тестировании. Это — один из немногих примеров количественных легко оцениваемых критериев. Однако, этот критерий полагается на ряд неявных предположений. Во-первых, предполагается, что отсутствуют или по крайней мере постоянны и малы по уровню шумовые сигналы из несоответствующих источников (малы по сравнению со счетом сигналов, исходящих от соответствующих структурных частей). Во-вторых, предполагается, что действие датчиков АЭ покрывает все ключевые части тестируемого объекта с достаточной и подобной чувствительностью, которая является постоянной во время теста. В таблице в документе перечислены компоненты, которые должны быть объектами мониторинга, контроль дополнительных компонентов опционален. Также отмечено, что существенные источники АЭ должны быть оценены далее (с более точным АЭ тестированием или другим методом неразрушающего контроля), и оба критерия (принятия или отклонения), и процедуры ремонта для дефектных частей не освещены в документе. Определение «существенных источников АЭ» не дано в документе. Существенные источники могут интерпретироваться, например, как испускающие многочисленные сигналы АЭ, превышающие количественный приемный предел (см. выше), или иначе объединение в кластеры данного числа источников сигнала АЭ, например, в пределах области с определенным радиусом.
Без базы данных от тестирования идентичных или подобных тестируемых объектов и опыта, полученного из статистического анализа достаточного, относительно большого количество тестируемых объектов кажется трудным должным образом оценить и интерпретировать АЭ. Существуют являющиеся частной собственностью базы данных, которые были разработаны некоторыми агентствами, оказывающими услуги тестирования, которые, кажется, приводят к надежным оценкам, основанным на АЭ тестировании. Однако, даже если критерии оценки изданы в процедуре, оценка АЭ может оказаться затруднительной. Различие между соответствующими сигналами АЭ и шумом из несоответствующих источников, например, может повлиять на оценку и привести к ложной оценке.
С коммерческой точки зрения, число ложных положительных индикаций, то есть, индикаций, признанных существенными, которые на самом деле не являются таковыми, должно быть весьма низким. Если оценка тестовых индикаций приводит к необходимости дополнительных тестов, в особенности если количество таковых относительно велико, то метод тестирования не получит широко распространенного признание. Во многих АЭ испытательных процедурах есть скудная, и часто только качественная информация относительно оценки АЭ сигналов. Оценка структурной целостности и, в частности количественные оценки остающегося времени срока службы фактически невозможны в подобных случаях.
Большой областью коммерческого АЭ тестирования была и все еще является контроль резервуаров и сосудов для хранения, и частично сосудов под давлением. В пределах этой группы контролируемых объектов сосуды под давлением для хранения или транспортировки водорода при «высоких» давлениях (> 700 атмосфер) составляют многообещающую область для того, чтобы разработать новые процедуры АЭ контроля, и для тестирования доказательства (проверка качества) и для периодического осмотра после определенных интервалов обслуживания.
Другая область, в которой была опубликована обширная информация о многочисленных применениях АЭ контроля, являются волоконно-укрепленные полимерно-матричные соединения, частично стекловолоконные укрепленные части или структуры (например, ASTM E 2076 для стекловолоконные укрепленные лопасти вентилятора). Укрепленные соединения стекловолокна представляют большой объем рынка в укрепленных волокном материалах, но много областей применения являются дешевыми с низким или отсутствующими требования относительно структурной целостности. Увеличивающееся число применений этих материалов в автомобильных или, более широко, транспортных структурах (например, автомобильных кузовах) может привести к новым способам применения АЭ, требующим развития новых процедур и критериев оценки. Применения для летательных и космических аппаратов имеют тенденцию предпочтения углеродистого укрепленного волокна или гибридных соединений. АЭ от этих материалов менее обильно по сравнению с таковым от стекловолокна, и может быть таким образом быть более трудоемкой для оценки, но требования к структурной целостности являются часто намного более строгими. Более высокая цена материалов углеродистого волокна и его обработки может сделать АЭ тестирование доступным по средствам в сравнении с другими методами неразрушающего контроля и полной стоимостью продукта.
Есть документ относительно «Руководства для разработки методов применения АЭ для соединений» [1], который был издан Подразделением по вопросам космонавтики и прогрессивных соединений, входящим в состав Комитета по акустической эмиссии укрепленного пластика
Области, где научные исследования применения АЭ в настоящее время включают, среди других, мониторинг процессов (с целью использования интерактивных оценок сигналов АЭ для прямого управления производственным процессом) и глобальный или местный долгосрочный контроль структур гражданского строительства (например, мосты, трубопроводы, прибрежные платформы, и т.д.). В управлении производственным процессом АЭ предоставляет преимущество, благодаря тому, что метод может быть применен на месте даже в относительно жестких промышленных средах и тому, что оценка данных (основываясь, например, на пиковых уровнях амплитуды или на определенном сигнале или на образцах энергии спектров) может быть выполнена фактически интерактивно, то есть, со скоростью, необходимой для обратной связи с компонентами управления производственным процессом. Применения при долгосрочном мониторинге заявления также выглядят перспективными в обоих случаях: с передачей данных интерактивно или временным хранением данных; с периодическим считыванием, например, через Интернет; впоследствии осуществляется анализ данных и их оценка в центральном контрольном офисе.
Описание характера материалов выполняется во многих лабораториях и в некоторых случаях, АЭ используется как метод мониторинга. Накопленный опыт не зарегистрирован в директивах или стандарты по АЭ. Предложение об АЭ атласе, который отображает акустико-эмиссионную активность различных классов материалов, кажется сейчас кажется близким к этапу реализации [3]. Важный вопрос в этом отношении — использование общих стандартизированных форматов данных, в особенности для электронного хранения данных и обмена ими.
Документы относительно акустико-эмиссионного поведения тестируемых объектов, выполненных из стекол (ломких, аморфный), бетон (соединение), лес (ламинат или соединение), охватывают только несколько технически важных классов материалов. В то время как документы относительно волоконно-укрепленных полимерно-матричных соединений [например, 1] могут предоставить некоторую информацию о лесе и бетоне ; информация о стеклах не отражена в соответствии ни с одним из существующих документов. Развитие «новых» материалов (например металлически-матричные соединения) может также потребовать разработки определенных директив для АЄ тестирования.
Область, где инновационные методы неразрушающего контроля необходимы, является склеивание частей или структур. Применение ультразвукового метода к стыковым металлическим соединениям описано, например, ASTM E 1495, но это требует подходящего доступа для того, чтобы просмотреть область с эмиттером и датчиком. Довольно сомнительно, что метод АЭ, основанный на анализе параметров сигнала, мог быть использован для обнаружения сигналов низкого уровня, излучаемых тонкими слоями клейких веществ, но анализ формы волны (например, основанный на распознавании образов), возможно объединенный с улучшенными методами определения местоположения источника, мог бы обеспечить перспективный подход.
В обзоре стандартов относительно АЭ, изданном в 1991, автор [2] сформулировал области, которые нуждались в дальнейшей работе. Его первый постулат заключался в необходимости учреждения международных, согласованных стандартов. Текущие тенденции, как кажется, свидетельствуют о быстром увеличение «международных» стандартов, а не об унификации существующих документов. Изменение названия и политики ASTM свидетельствует, что организация стремится стать отдельной, международной организацией по стандартизации, продвигающей свой собственный набор документов для международного использования. Прискорбно, что существующие стандарты ASTN не являются часто используемыми в качестве основы для документов, изданных существующими международными организациями, например, ISO.
Относительно терминов и определений, постулат Джолли [2] должен быть повторен здесь: «Есть все еще потребность в международной унификации определений, в том смысле, что: (1) определения в различных документах должны стать сопоставимыми и полными, и (2), список определений должен включить все важные основные термины».
Относительно проверки характеристик оборудования существующие документы отстают от технического развития. Проверка инструментов анализа — другая область, которая будет нуждаться во внимании. Разработки в сфере программного обеспечения проверке качества важны не только для АЭ тестирования, но и для других областей применения также. Калибровка датчика или проверка ответа датчика, однако, хорошо документированы в соответствии с существующими процедурами.
В своем обзоре в 1991, Джолли [2] также ожидал потребность в АЭ стандартах в области материалов, используемых при построении авиационных/космических и прибрежных объектов. Даже при том, большинство недавно изданных стандартов и директив характеризуют волоконно-укрепленные соединения, главные области применения (например, мониторинг сосудов под давлением, мониторинг целостности структур) не однозначными для авиационных/космических или прибрежных объектов.
Предсказания потребности в новых областей применения АЭ тестирования являются неизбежно склонными к ошибочности. Однако, оценка структурной целостности объектов или составных частей, сделанных из различных материалов, выглядит перспективной областью для АЭ тестирования. Такие применения должны быть разработаны в близком сотрудничестве между специалистами, с одной стороны инженерами, знакомыми со структурной системой и с другой стороны АЭ оператором. Объекты гражданского строительства (например мосты) составляют класс тестируемых объектов, для которых структурная оценка целостности с АЭ тестированием могла стать коммерчески успешным применением.
Как бы там ни было, область применения процедуры АЭ тестирования существует потребность в опубликованном, успешно зарегистрированном критерии оценки, и для классов тестируемых объектов, и для анализ особенностей результатов АЭ данных. Без таких опубликованных критериев, основанных на документированной базе данных, успешные, новые области применения АЭ анализа не найдут широкого применения или возможно даже не будут развиты.
Хотелось бы выразить глубокую признательность Р.А. Нордстону за его комментарии на черновиках.