Základy, postupy a skúšky Acoustic Emission Testing (AT) Compendium Schallemissionsprüfung
Technická komisia DGZfP Testovanie akustických emisií Kompendium Testovanie akustických emisií (AT) Základy, postupy a praktická verzia aplikácie 2018 Cieľ Princíp merania Typ skúšky Technológia merania AT Záznam a analýza údajov AE Hodnoty merania AT Vyhodnocovanie údajov AE Spoľahlivosť AT Výcvik a certifikácia Zamestnanci AT Prehľad priemyselných aplikácií AT Odkazy Príloha: Aplikácie priemyselných aplikácií AT 1
AT sa používa ako sprievodný skúšobný postup, napr. Pri preberacej skúške, opakovanej skúške, monitorovaní výrobných procesov/kontrole procesu, monitorovaní životnosti/stavu. AT skúšky tlakových nádob, nádrží, potrubí, ventilov atď., Ako aj na monitorovanie geologických úložísk a štruktúr, ako sú napr. Získané mosty a priehrady. Princíp merania Test akustickej emisie je založený na detekcii dynamických posunov v nanometrovom rozsahu na povrchu testovaného objektu, ktoré sú spôsobené takzvanými akustickými vlnami (elastické stresové vlny) (obr. 1). Tieto vlny sú generované krátkodobými, veľmi malými posunmi, ku ktorým dochádza v prípade náhlych zmien napätia v rýchlo prebiehajúcich procesoch v materiáli. Tieto zvukové vlny vytvárajú striedavé tlakové budenie snímača AE. Striedavý tlak vytvára v citlivom piezoelektrickom snímači AE elektrický výboj, ktorého amplitúda závisí od frekvenčne závislej citlivosti snímača na excitáciu objemovými vlnami (v geologických štruktúrach a kvapalinách), ako aj doskovými alebo povrchovými vlnami (v doskových štruktúrach, ako sú kontajnery, potrubia atď.) . 3
Obrázok 1. Princíp merania emisie zvuku: akustické vlny generované pri vytváraní trhlín v zaťaženej štruktúre sú detekované piezoelektrickými snímačmi (S1, S2, S3) a prevádzané na elektrické časové signály (U 1 (t), U 2 (t), U 3 (t)) zaznamenané. Typ skúšky Postup s aktívnym budením Skúšaný komponent je osobitne excitovaný (napr. Tlakovým zaťažením, korozívnym prostredím atď.), Aby sa stimulovali možné chyby materiálu alebo poškodzovali procesy pri uvoľňovaní zvukových emisií, tj. Aby sa generovali akustické vlny. Dynamický proces Proces je vhodný dôkazy o aktívnych procesoch; statické nedokonalosti, ako napr statické trhliny nie sú zistiteľné v reálnom čase, skúšobná metóda 4
Kontrola globálneho alebo lokálneho objemu s cieľom lokalizácie zdrojov vyžarovania zvuku v pevných pozíciách snímača AE Záznam a analýza údajov AE Obrázok 2. Merací reťazec a merací systém na zaznamenávanie a analýzu údajov AE 5
Technológia AT merania AE snímače (zvyčajne piezoelektrická rezonancia alebo širokopásmové snímače pre frekvenčný rozsah približne 20 kHz, 2 MHz) Spojovacie prostriedky na dobré akustické spojenie snímačov AE s testovaným objektom Konzoly na pripevnenie snímačov (držiaky magnetov, pásma atď.) Zosilňovač signálu + frekvenčný filter PC na zaznamenávanie a ukladanie zvukových emisných signálov, v dnešnej dobe väčšinou s analógovými/digitálnymi prevodníkmi a s analógovými kanálmi na synchrónny záznam ďalších externých testovacích parametrov, napr. Zaťaženie, teplota atď. Softvér na riadenie záznamu dát Softvér na analýzu v reálnom čase alebo na následné vyhodnotenie charakteristík signálov emisie hluku a na postupy lokalizácie zdrojov emisie hluku AE monitorovanie štruktúr pomocou diaľkového ovládania záznamu a analýzy dát, napr. prostredníctvom pripojenia na internet; Pre riadenie procesu je potrebné príslušné spojenie s riadením procesu. Jednokanálové meranie alebo viackanálové meranie (toto je potrebné pre umiestnenie zdrojov AE) AT merané premenné Prekročená prahová hodnota pre zvukovú emisiu (tzv. Zásah) = detekcia prechodného zvukového emisného signálu, t. J. Signálu s časom a začiatkom a koncom
Čas príchodu = čas, keď prechodný signál po prvýkrát prekročí prah detekcie Počet signálov alebo rýchlosť signálu za jednotku času Funkcie na popis signálu prechodného akustického vyžarovania (tzv. Zhluk), ako napríklad maximálna amplitúda, energia signálu, doba nábehu, doba trvania signálu, počet prekročení atď. (Obr. 3) Obrázok 3. Parametre popisujúce prechodný akustický emisný signál RMS (efektívna hodnota) a ASL (stredná výška signálu) na charakterizáciu intenzity spojitých signálov AE Záznam kriviek (záznam signálu pri prekročení prahových hodnôt) alebo nepretržite bez detekčnej prahovej hodnoty (tzv. Streamovanie), ako aj hodnotenie výkonového spektra s ohľadom na špičkovú frekvenciu, Stredná frekvencia, vážená špičková frekvencia, výkonové komponenty v konkrétnych frekvenčných intervaloch atď. (Obr. 4). 7.
Obrázok 4. Parametre opisujúce spektrum signálu prechodnej akustickej emisie Vyhodnotenie údajov AE a) V reálnom čase počas testu: ooooo aktivita a vývoj intenzity akustickej emisie ako funkcia času alebo vonkajších parametrov, ako sú deformácia, sila, tlak, teplota atď., plošné alebo 3D umiestnenie zdrojov akustickej emisie na základe rozdielu v čase prechodu (t) Zóna umiestnenia zdrojov akustickej emisie na základe počiatočného vplyvu snímačov AE Formy signálu a frekvenčné spektrá Diferenciálne alebo kumulatívne rozdelenie signálnych znakov ako funkcia času alebo vonkajších parametrov Korelačné grafy signálnych znakov 8
b) Zvyčajne po teste: o Analýza zaznamenaných signálov (napr. modálna analýza, Fourierova transformácia, vlnkové transformácie) o o Rozpoznávanie vzorov alebo klasifikácia signálov akustickej emisie. Ďalšie matematické postupy pre analýzu signálu, porovnanie so simuláciami AT teda poskytuje informácie o tom, kedy (čas, parametre externého zaťaženia) koľko (rýchlosť signálu, súčet signálu) ako intenzívne (maximálna amplitúda, energia signálu) kde (lokalizácia) vznikajú zdroje hluku. Za určitých podmienok možno tiež identifikovať zdrojové mechanizmy signálov. Štrukturálna integrita alebo zostávajúca životnosť komponentov alebo štruktúr sa dá odhadnúť pomocou vhodného zaťaženia a empirických kritérií (napr. Databáz). Spoľahlivosť AT S AT sa nachádzajú indikácie, ktoré je možné vysledovať späť k aktívnemu procesu v dôsledku vhodnej stimulácie. Správny typ budenia zaručuje testovacia technika vyvinutá špeciálne pre každú aplikáciu. Z tohto dôvodu sa skúmajú možné prípady porúch a potrebné testovacie parametre sa prakticky stanovujú prostredníctvom predbežných skúšok. Napríklad tlakové zariadenie je najlepšie zaťažené pracovným médiom až do stanoveného skúšobného tlaku. Počas koróznej skúšky 9
IIIAE International Institute of Innovative Acoustic Emission/Proceedings http://iiiae.org Dokumenty k kurzu DGZfP Dokumenty k kurzu v súvislosti s kurzami AT na úrovni 1, úrovni 2 a Z-AT úrovni 3 Normy (výber): DGZfP-Fachausschuss Schallemissionsprüfverfahren (FA SEP): Smernica SE 02 (júl 2014): Overovanie akustických emisných senzorov a ich väzba v laboratóriu CEN: EN ISO 9712, nedeštruktívne testovanie Kvalifikácia a certifikácia personálu na nedeštruktívne testovanie Všeobecné zásady EN 1330-9, nedeštruktívne testovanie Terminológia Časť 9: Pojmy používané pri testovaní akustických emisií EN 13477-1, nedeštruktívne skúšky, emisie zvuku, charakteristika zariadenia. Časť 1: Popis zariadenia EN 13477-2, nedeštruktívne skúšky, emisie zvuku, charakteristika zariadenia, časť 2: Kontrola prevádzkových parametrov EN 13554, nedeštruktívne skúšky, emisie zvuku, všeobecné zásady EN 14584, nedeštruktívne skúšky, emisie zvuku, preskúmanie kovových tlakových zariadení w požadovanie akceptačnej skúšky Planárna lokalizácia zdrojov emisie hluku EN 15495, nedeštruktívne testovanie emisie hluku Vyšetrovanie kovových tlakových zariadení počas akceptačnej skúšky Lokalizácia zóny zdrojov emisií hluku 14
Príloha Prehľad priemyselných aplikácií AT Korózne testovanie Posúdenie korózneho stavu dna nádrží Skúška trhlín Dôkazy trhlín pri preberacích skúškach alebo opakovaných skúškach tlakových zariadení, ako sú - zásobníky stlačeného plynu - tlakové nádoby - plynové fľaše a nádrže na plyn - zásobníky na tekutý plyn - potrubné systémy - autoklávy - bubny na sušenie papiera Monitorovanie technologických procesov na skúšky tesnosti - Opotrebenie, praskanie a odštiepenie nástrojov počas obrábania - Monitorovanie dierovacích strojov na zistenie poškodenia stroja (rozbitie dierovacieho nástroja atď.) Alebo poškodenia tvarovaných dielov v dôsledku plastickej deformácie a praskania - Praskanie pri ochladení vstrekovaných plastových dielov - Detekcia trhlín pri izostatickom lisovaní keramických katalyzátorov Detekcia únikov a strát plynov na ventiloch Testovanie kompozitných štruktúr Detekcia poškodenia (nárazové poškodenie, delaminácia) na kompozitnej štruktúre sk pre - skladovanie stlačeného plynu - komponenty pre kozmický priemysel 19
Elektrotechnika/elektronika Testovanie sieťových transformátorov - čiastočné výboje - aktívne zdroje zvuku emitujúce plyn generujúce plyn Testovanie štruktúr Globálne a lokálne sledovanie rastu trhlín v konštrukciách Tribológia - mosty - priehrady Hodnotenie trenia a opotrebenia - Diagnóza kontinuálneho trenia rotor - stator na turbínových jednotkách - Detekcia vývoj poškodenia tenkých povlakov tvrdých materiálov Geológia/Geofyzika Zaznamenávanie mikroseizmických aktivít na hodnotenie bezpečnosti dočasných a konečných skladovacích zariadení na rádioaktívny odpad Poznámka: Všetky príklady aplikácií uvedené v prílohe majú iba informatívny charakter a nepredstavujú popis procesu ani pokyny na skúšky. Dať vykonať testerov AT alebo akreditované organizácie na testovanie AT, berúc do úvahy príslušné národné zákony a predpisy. Za prezentáciu a vecnú správnosť príkladov aplikácií zodpovedajú autori. 20
Tabuľka 1: Pridelenie triedy dna nádrže Trieda Opis zdroja Odporúčané prevádzkové obdobie I Žiadny aktívny zdroj 5 rokov II Korózia s nízkou aktivitou 3 roky III Korózia so strednou aktivitou 1 rok IV Korózia s vysokou aktivitou - IV Únik - Po ukončení testu dostane klient predbežnú správu ktorý obsahuje počiatočné priradenie. Toto predbežné hodnotenie sa môže odchýliť o jednu triedu od konečného posúdenia v protokole o skúške. Protokol o skúške navyše obsahuje grafické znázornenie zdrojov zvukovej emisie umiestnených na dne nádrže podľa obrázkov 2 a 3. Obrázok 2: Príklad 2-D podrobného pohľadu na umiestnenie zdroja, súradnice (X, Y) v centimetroch, polohy sú znázornené zelenými kruhovými diskami, zhluky polohy sú označené ako zhluky farebnými kruhmi. 23
Obrázok 3: Príkladný trojrozmerný prehľad umiestnenia zdroja, súradnice (X, Y) v centimetroch, stĺpce zobrazujú umiestnenia v prvkoch štvorcovej mriežky. Kritériá na hodnotenie stavu Meranie sa primárne hodnotí s ohľadom na umiestnené zdroje emisie hluku. Toto je založené na aktivite (počet udalostí za hodinu) prvku kruhového povrchu s priemerom 5% priemeru nádrže. Nasledujúca tabuľka obsahuje schému použitú na klasifikáciu zdrojov AE. Tabuľka 2: Klasifikácia zdrojov AE (plocha referenčnej kružnice s d = 0,05 xd nádrž) Udalosti za hodinu Označenie zdroja AE do 9 žiadny aktívny zdroj 10 až 19 zdroj s nízkou aktivitou 20 až 39 zdroj so strednou aktivitou 40 a viac zdrojov s vysokou aktivitou 24
Obrázok 2: Program Excel na výpočet rýchlosti úniku a strát pre plyny. Okrem špecifikácie hladiny akustického tlaku v db AE sú potrebné ďalšie informácie o testovanom ventile (typ, priemer vstupu), použitý diferenčný tlak a hustota plynu (voliteľné). Literatúra 1. A. Pollock: Detekcia úniku pomocou akustických emisií, SYS Hsu, Japan Journal of Acoustic Emission, zväzok 1, č. 4, 1982 2. P.T. Cole, M. Hunter: Akustická emisná technika na detekciu a kvantifikáciu plynu únikom ventilov na zníženie strát plynu z technologického zariadenia, predstavená na ropnom ústave, 4. konferencia o strate oleja, 1991 3. R. Watkins: detekcia plynu Únik k Flare, Trail sa konal v BP Oil, Grangemouth, 1985, 4. JN. Lord AE Deisher, RM. Koerner: Attenuation of Elastic Waves in Pipelines as applied to Acoustic Emission Leak Detection, Materials Evaluation, Nov. 1977, str. 49-54 5. EN ISO 18081, nedeštruktívne skúšky, skúška akustickej emisie Skúška tesnosti pomocou akustickej emisie 29
Amplitúda -db AE -), ako aj čas príchodu -ns- a ich frekvencia počtu prístupov-. Zároveň sa pomocou testera emisie zvuku meria ako externý parameter tlak -bar-. Údaje nameraných parametrov emisie zvuku a súvisiaceho tlaku sa zhrnú ako súbor údajov o emisii zvuku a zobrazia sa online. AT Špeciálne požiadavky na podmienky testu a prostredia. Na prevenciu a potlačenie hluku spôsobeného pôsobením hydraulického tlaku sa používajú vhodné mechanické a elektronické opatrenia. Potrebný čas Skúšku vykonáva výrobca podkladov ako štatistická skúška pri výrobe. Obrázok 3: Zariadenie na vyžarovanie zvuku AT v priemyselnom prevedení, základ: Doska PCI-2/PCI PC s alarmom v reálnom čase v prípade prasknutia softvérom PAC-AEWIN 32
Výsledok skúšky S cieľom zaregistrovať aktuálny tlak lisu pri vzniku trhlín a automaticky ho vypnúť, sa do stroja odošle výstražný signál zo záznamu údajov o emisii zvuku alebo z charakteristík upraveného signálu trhlín zo zariadenia na testovanie emisie zvuku. AT Obrázok 4: Tlak (bar) a rel. Energia signálu AE (pvs) vs. čas, alarm trhlín pri 13,1 bar, pretože energia> 450 pvs Kritériá na vyhodnotenie stavu Ako kvalitatívna charakteristika podkladu sa použije maximálny tlak dosiahnutý až do vzniku trhlín alebo delaminácie steny. Bibliografia žiadna 33
Obrázok 3: Vyhodnotenie sušiaceho valca triedy C Obrázok 4: Sušiaci valec triedy C; Masívne chyby odlievania v základni valcov na strane pohonu Referencie G. Schauritsch, Využitie testu akustickej emisie pri opakovanej skúške chladiacich a sušiacich valcov v papierenských strojoch Správa o skúsenostiach, predložená pri príležitosti výročnej konferencie DACH 2004 v Salzburgu P. Tscheliesnig, G. Schauritsch, použitie automatického systému hodnotenia AT na testovanie štruktúr, ktoré sú ťažko prístupné, prezentované pri príležitosti výročnej konferencie DACH 2007 vo Fürth TAPPI TI Sheet 0402-16, Guidelines for the Safe Operation of Steam Wermed Paper Machine Dryers EN 13554, nedeštruktívne testovanie, emisia zvuku Všeobecné zásady EN 14584, nedeštruktívne testovanie, emisia zvuku, preskúmanie kovov Tlakové zariadenie počas preberacej skúšky Rovinné umiestnenie zdrojov emisií hluku 37.
Obrázok 1: Zásobník na skvapalnený plyn umiestnený nad zemou alebo zakopaný Stručný popis požadovanej technológie merania AT a testovacích parametrov Viackanálový systém merania AE AMSY5 (Vallen Systeme GmbH, Icking, Nemecko). Senzory VS150-RIC alebo VS75-SIC s integrovaným predzosilňovačom. V závislosti na konštrukcii, veľkosti kontajnera a prístupnosti na kovový povrch kontajnera sa použijú najmenej dva zvukové senzory a vytvorí sa lineárny pozičný systém (t-korelácia). Obrázok 2: Lineárne usporiadanie senzorov a rozdelenie plochy pomocou merania t Senzory sa zvyčajne nanášajú iba čistením aplikačných bodov priamo na existujúcom povlaku nádoby (náter alebo náter z epoxidovej živice). Posúdenie stavu sa uskutočňuje v priebehu kontinuálneho zvyšovania tlaku, pričom samotné prevádzkové médium začína od existujúceho plniaceho tlaku závislého od teploty až po maximálnu hodnotu 1,1-násobku najvyššieho prevádzkového tlaku tlakového zariadenia. Rýchlosť nárastu tlaku počas merania je maximálne 0,3 bar/min. obmedzený. Na zvýšenie tlaku sú potrebné špeciálne vyvinuté zariadenia na zvyšovanie tlaku, ktoré umožňujú plynulé zvyšovanie tlaku s prevádzkovým médiom bez nebezpečenstva. 39
Tabuľka 1: Klasifikácia zásobníkov na skvapalnený plyn Hodnotenie triedy (CEF) Popis zdroja Opatrenia A 2.2 žiadny aktívny zdroj Pokračujúca prevádzka bez obmedzenia A/BB 2.2 2.8 kriticky aktívny zdroj Konečné hodnotenie triedy A alebo B na základe profilov aktivity/intenzity rovnako ako údaje o vlnovej křivke Ďalšia neobmedzená prevádzka až po negatívnych nálezoch pri iných postupoch pri skúške zf; Pokračovanie prípustného zvýšenia tlaku Ukončenie zvyšovania tlaku; Opätovná kontrola s inými skúšobnými postupmi zf; Rozhodnutie prípadu na základe získaných výsledkov. V druhom kroku, po ukončení testu, sa zaznamenané údaje znova analyzujú v laboratóriu, pričom do analýzy sa zahrnú aj údaje o priebehu kriviek zaznamenané súčasne pomocou záznamníka prechodových javov. Konečné hodnotenie z oboch analýz je zhrnuté a zdokumentované v príslušnom protokole o teste pre každý kontajner. Skúšobný protokol slúži ako podklad pre zápis pripomienok k revízii do dokumentácie tlakového zariadenia akreditovaným skúšobným strediskom kotlov. Obrázok 3: Vyhodnotenie nádrže na kvapalný plyn s hodnotením triedy C 41
Obrázok 3: Prehľadová stránka (pozri vyššie) a plán rozloženia snímačov s umiestnením snímačov (pozri nižšie, svetlomodré očíslované obdĺžniky) vľavo a vpravo zoznam potvrdených zlomov vodičov (CWB) s ďalšími parametrami. Prerušenia napínacieho drôtu sú zámerne vytvárané na overenie monitorovacieho systému. 48