Технический прогресс несет для общества не только улучшение жизни, но и увеличение рисков возникновения аварий и техногенных катастроф. Со временем стареют мосты, платины ГЭС, ядерные реакторы, жилые и промышленные строения, транспортные магистрали, газопроводы, нефтепроводы, и другие сложные и протяженные технические конструкции и сооружения. Разрушение инженерных конструкций начинается с пластической деформации основных ее элементов. Поэтому, для прогнозирования техногенных катастроф необходим постоянный контроль пластической деформации основных элементов инженерных конструкций.
Для измерения величины пластической деформации наиболее часто используется акустико-эмиссионный способ зонного контроля [1], принцип которого заключается в регистрации вибрации возникающей при растрескивании хрупкого вещества, нанесенного на контролируемый объект. В качестве хрупкого вещества обычно используют эпоксидную смолу без добавления пластификатора. После затвердевания смолы, на нее устанавливают локальные пьезоэлектрические преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ), на предварительно зачищенные контактные поверхности. Способы крепления локальных датчиков (ПАЭ), должны обеспечивать надежный акустический контакт с поверхностью. Соединительные кабели крепят с помощью магнитов, бандажей, прижимов таким образом, чтобы не было их натяжения в процессе испытания. Данный способ сложный и дорогой, имеет не высокую чувствительность, требует применения большого количества датчиков, соединительных проводов, многоканальной измерительной аппаратуры.
Иногда применяют дополнительное дистанционное визуальное наблюдение за контролируемыми объектами по картине растрескивания хрупких покрытий. Но это ведет только к усложнению аппаратуры, и ее удорожанию. Причем, визуальное наблюдение не увеличивает чувствительность метода. Тем не менее, измерение деформаций и механических напряжений методом хрупких тензочувствительных покрытий с использованием АЭ измерительного комплекса широко применяется, обеспечивает возможность обнаружения и регистрацию локальных развивающихся дефектов на сравнительно ранних стадиях их образования и развития. Этот метод позволяет классифицировать дефекты по размеру и опасности, выявлять дефекты и наблюдать за их образованием и развитием в рабочих условиях, обеспечивать проведение постоянного дистанционного мониторинга.
Количество локальных датчиков, для больших протяженных объектов может достигать сотен и даже тысяч штук. Например, акустико-эмиссионные системы Лель /A-LINE 96D (DDM), содержит до 96 датчиков (ПАЭ). Каждый из датчиков должен быть присоединен к измерительной аппаратуре. Причем, длина сигнального кабеля не должна превышать 2 м. Поэтому, часто применяют встроенные в датчик (выносные) усилители. При этом необходимая чувствительность достигается только вблизи датчиков, а в удаленных от них зонах она существенно снижена из-за затухания АЭ сигнала. Также растет затухание АЭ сигнала и уменьшается чувствительность, если увеличивается частота АЭ сигнала до сотен кГц, а значит, регистрируется только низкочастотный спектр сигнала, следовательно, полученная информация не обладает достаточной достоверностью.
Для снижения стоимости АЭ метода контроля пластических деформаций, и увеличения его чувствительности, авторами данной работы были использованы оптоволоконные охранные устройства. Такие устройства позволяют фиксировать механические вибрации по всей длине оптического кабеля (до сотен километров), с локализацией источника вибрации до 3-х метров. [2] Оптический кабель является распределенным датчиком вибрации, и одновременно, выполняет функцию канала связи для передачи полезного сигнала. Однако распределенный оптоволоконный датчик обладает гораздо меньшей чувствительностью по сравнению с пьезоэлектрическими датчиками. Такие вибрации могут возникать уже при разрушении объекта, а не в предшествующий разрушению период при его пластической деформации. Для повышения чувствительности оптоволоконного способа регистрации пластической деформации, покрытие наносится непосредственно на оптоволокно, перед его креплением на контролируемую конструкцию. После затвердевания покрытия, оно становится хрупким, и жестко фиксирует оптоволокно на поверхности конструкции. При малейшей деформации деталей конструкции, хрупкое покрытие растрескивается, вызывая изменения светового сигнала в оптическом кабеле. По сравнению с зонным контролем, использующим локальные пьезоэлектрические датчики, такой способ имеет более высокую чувствительность, поскольку акустический эмиссионный сигнал зарождается в непосредственной близости от оптического волокна, и воздействует на него, меняя модовое поле, распространяемое по волокну. При этом значительно расширяется частотный спектр регистрируемых АЭ сигналов, увеличивается зона мониторинга, снижаются аппаратурные затраты, и обеспечивается возможность контроля в широком температурном диапазоне.
На рисунке 1 изображена упрощенная структурная схема устройства, поясняющая способ волоконно-оптического акустико-эмиссионного контроля пластической деформации объекта. Схема содержит блок для формирования оптического зондирующего сигнала – оптический излучатель (2ОИ), и устройство для непрерывного направленного ввода оптического сигнала (3УВ) в распределенный чувствительный элемент (4РЧЭ). В качестве оптического излучателя используется светодиод (для малых длин РЧЭ), а для длин РЧЭ более 30 метров, используется полупроводниковый лазер. РЧЭ закрепляется на объекте (инженерном сооружении), для чего при монтаже на него наносят с помощью экструдера специальный клей — полимеризирующийся материал, который также обеспечивает его фиксацию и механический контакт с контролируемым объектом.
Рисунок 1. Упрощенная структурная схема волоконно-оптического акустико-эмиссионного устройства для регистрации пластической деформации крупных инженерных сооружений
- БП – блоки питания (2 шт.), 2. ОИ – оптический излучатель, 3. УВ – устройство ввода оптического сигнала, 4. РЧЭ – распределенный чувствительный элемент, покрытый хрупким затвердевшим клеем, обеспечивающим крепление датчика (РЧЭ) на объекте, 5. О – исследуемый объект (в эксперименте — бетонный блок на двух опорах), 6. ПФ – пространственный фильтр, 7. БПр – блок приема оптического излучения, 8. БО – блок обработки, 9. Н – нагрузка, 10. АЭ – наиболее вероятные зоны возникновения акустической эмиссии.
После затвердевания клей становится хрупким, и генерирует сигнал акустической эмиссии, растрескиваясь от механического воздействия, при деформации контролируемого объекта. АЭ сигнал почти без затухания доходит до РЧЭ, т.к. хрупкий материал находится в непосредственной близости, на поверхности оптического волокна. АЭ сигналы изменяют модовое поле, и регистрируются на выходном торце волокна, по изменению статической спекл-структуры. После прохождения пространственного фильтра (6ПФ), АЭ сигналы преобразуются блоком приема оптического излучения (7БПр) в электрические сигналы, которые поступают на блок обработки (8БО). Блок обработки сравнивает принимаемый сигнал с эталонным сигналом, который соответствует невозмущённому состоянию сенсора, и детектирует опасные деформации контролируемого объекта. При определенном механическом воздействии на РЧЭ, превышающем установленный порог или обрыве РЧЭ, формируется сигнал тревоги. Для увеличения достоверности, этот сигнал тревоги формируется при превышении заданного уровня нескольких импульсов за короткий промежуток времени (время накопления импульсов). Полученная информация позволяет оценить величину и место деформации контролируемого объекта (5О). В качестве клея (хрупкого материала) использовалась эпоксидная смола без добавления пластификатора, а в качестве датчика АЭ, использовалось сенсорное оптическое волокно (распределенный чувствительный элемент — 4РЧЭ), работающее в многомодовом режиме. Источник и приемник оптического излучения запитаны от блоков питания (1БП). Конструктивно система мониторинга выполнена в виде двух функционально законченных герметичных блоков в модульном исполнении (блок излучателя, блок приема и регистрации), которые соединяются между собой распределенным чувствительным элементом (РЧЭ).
В Инновационном центре «Оптика» были проведены многочисленные испытания данного способа, с применением волоконно-оптической системы «СОВА». [3] Такая система позволяет контролировать пластическую деформацию протяженных объектов (до 1 км), по всей длине оптического волокна. Экспериментальные результаты показали высокую чувствительность заявляемого способа при определении пластической деформации крупных объектов, простату реализации, технологичность, и экономическую эффективность, по сравнению с зонными методами акустической эмиссии. Стоимость волоконно-оптических систем для контроля пластических деформаций, и время их установки на большие инженерные конструкции, в сотни раз меньше чем у акустико-измерительных комплексов с локальными датчиками.
Далее приведены некоторые результаты одного из экспериментов. Эксперимент проводился при следующих условиях: 1. «Время накопления» импульсов, превышающих установленный «порог чувствительности»: 5, 10, 15, 20 с. 2. «Количество импульсов» за «время накопления»: 1, 2, 3, 4 шт. 3. После регистрации срабатывания формировалась пауза 200 мс (запрет считывания) для борьбы с колебательным процессом в оптическом кабеле. 4. Установка «времени накопления» импульсов и «количество импульсов» производилась двухпозиционным DIP переключателем.
| Количество срабатываний | Время наблюдения с момента первого срабатывания (с) | |||||
| 00 | 1 | 00 | 5 | |||
| 01 | 2 | 01 | 10 | |||
| 10 | 3 | 10 | 15 | |||
| 11 | 4 | 11 | 20 | |||
Описанный способ может найти широкое применение, поскольку является простым, недорогим, надежным, он позволяет осуществлять раннее прогнозирование образования дефектов инженерных конструкций, что способствует предотвращению аварий и техногенных катастроф.
Литература
- Руководящий документ РД 03-131-97. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного метода контроля сосудов, аппаратов, котлов и технических трубопроводов, 2009. — С.8-11.
- Горбачев О.В., Самохвалов С.Я., Волоконно-оптическое охранное устройство на основе релеевского рассеяния, патент РФ на полезную модель № 128372 — 2013.
- Горбачев О.В. Волоконно-оптическая система ТСО «Сова» // Lightwave Russian Edision. – 2006. №1. – С. 46.[schema type=»book» name=»ОПТОВОЛОКОННЫЙ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ БОЛЬШИХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ» description=»Работа направлена на увеличение чувствительности акустико-эмиссионного способа контроля пластических деформаций и снижение затрат. Сигнал акустической эмиссии (АЭ) регистрируется волоконно-оптическим распределенным датчиком, что значительно расширяет частотный спектр регистрируемых сигналов, снижает аппаратурные и монтажные затраты. Способ позволяет обнаружить на ранней стадии наиболее опасные участки, в которых может произойти разрушение контролируемой инженерной конструкции. Имеется возможность проводить постоянный дистанционный мониторинг за механизмом образования и развития дефектов в рабочих условиях, оценивать вероятность возникновения аварий и техногенных катастроф.» author=»Горбачев Олег Викторович, Самохвалов Сергей Яковлевич, Артюхов Денис Иванович» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-07″ edition=»euroasia-science_30_22.09.2016″ ebook=»yes» ]