Основи, процедури и изпитване на акустични емисии (AT) на Compendium Schallemissionsprüfung
Технически комитет на DGZfP Изпитване на акустични емисии Компендиум Изпитване на акустични емисии (AT) Основи, процедури и практическо приложение Версия 2018 Цел Принцип на измерване Вид тест Измервателна технология AT Записване и анализ на AE данни AT стойности на измерване Оценка на AE данни Надеждност на AT обучение и сертифициране на Персонал на АТ Преглед на индустриалните приложения на АТ Приложение: Индустриални приложения на АТ 1
AT се използва като придружаваща процедура за изпитване, наред с други неща в изпитването за приемане се използва периодично изпитване на мониторинг на производствените процеси/процеса на експлоатационен живот/мониторинг на състоянието. AT изпитването на съдове под налягане, резервоари, тръбопроводи, клапани и т.н., както и за наблюдение на геоложки хранилища и структури, като напр. Придобити мостове и язовири. Принцип на измерване Тестът за акустична емисия се основава на откриване на динамични измествания в нанометровия диапазон на повърхността на тестовия обект, които са причинени от така наречените акустични вълни (еластични вълни на напрежение) (фиг. 1). Тези вълни се генерират от краткосрочни, много малки измествания, които възникват в случай на внезапни промени в напрежението при бързо протичащи процеси в материала. Тези звукови вълни създават променливо възбуждане на налягането на AE сензора. Променливото налягане генерира отклонение на електрическото напрежение в чувствителния пиезоелемент на AE сензора, амплитудата на който зависи от чувствителността на зависимия от честотата сензор към възбуждане от обемни вълни (в геоложки структури и течности), както и плочи или повърхностни вълни (в конструкции с форма на плочи като контейнери, тръбопроводи и др.) . 3
Фигура 1. Принцип на измерване на звуковото излъчване: акустичните вълни, генерирани при образуване на пукнатини в натоварена структура, се откриват от пиезоелектрични сензори (S1, S2, S3) и се преобразуват в електрически времеви сигнали (U 1 (t), U 2 (t), U 3 (t)) записано. Тип на изпитването Процедура с активно възбуждане Компонентът, който трябва да се изследва, се възбужда специално (напр. От натоварване под налягане, корозивна среда и т.н.), за да се избегнат възможни материални дефекти или процеси на повреда, водещи до отделяне на звукови емисии, т.е. за генериране на акустични вълни, за стимулиране на динамичен метод методът е подходящ за откриване на активни процеси; статични несъвършенства, като статичните пукнатини не се откриват в реално време, метод за изпитване 4
Глобална или локална проверка на силата на звука с цел локализиране на източниците на шум при фиксирани позиции на сензора за AE Запис и анализ на данни за AE Фигура 2. Верига за измерване и измервателна система за запис и анализ на данни за AE 5
AT измервателна технология AE сензори (обикновено пиезоелектрични резонансни или широколентови сензори за честотен диапазон от около 20 kHz. 2 MHz) Прикачно средство за добро акустично свързване на AE сензорите към тестовия обект Скоби за закрепване на сензори (държачи на магнити, ленти и др.) Сигнал усилвател + честотен филтър PC за запис и съхраняване на акустични емисионни сигнали, в днешно време най-вече с аналогови/цифрови преобразуватели и с аналогови канали за синхронен запис на допълнителни външни параметри на изпитване, напр. Натоварване, температура и др. Софтуер за управление на запис на данни Софтуер за анализ в реално време или последваща оценка на характеристиките на звукоизлъчващите сигнали и за процедури за локализиране на източници на звукови емисии AE мониторинг на конструкции чрез дистанционно управление на събирането и анализа на данни, напр. чрез интернет връзки; За управлението на процеса е необходима съответна връзка с контрола на процеса. Едноканално измерване или многоканално измерване (последното се изисква за местоположението на източници на AE) Измерени променливи AT Превишен праг за излъчване на звук (т.нар. Хит) = откриване на преходен сигнал за излъчване на звук, т.е. на сигнал с времево разпознаваеми начало и край 6
Време на пристигане = време, когато преходен сигнал за първи път надвишава прага на засичане Брой сигнали или скорост на сигнала за единица време Характеристики за описване на преходен сигнал за акустично излъчване (така наречения изблик), като например максимална амплитуда, енергия на сигнала, време на нарастване, продължителност на сигнала, брой превишавания и др. (Фиг. 3) Фигура 3. Параметри за описване на преходен сигнал за акустично излъчване RMS (ефективна стойност) и ASL (средна височина на сигнала), за да се характеризира интензивността на непрекъснатите AE сигнали Запис на вълнови форми (запис на сигнала при надвишаване на праговете) или непрекъснато без праг на откриване (така нареченото поточно предаване), както и оценка на мощния спектър по отношение на пиковата честота, Средна честота, претеглена пикова честота, мощностни компоненти в специфични честотни интервали и др. (Фиг. 4). 7-ми
Фигура 4. Параметри за описване на спектъра на преходен сигнал за акустична емисия Оценка на данните за AE а) В реално време по време на теста: oooooo активност и развитие на интензивността на акустичната емисия като функция от времето или външни параметри като деформация, сила, налягане, температура и др. Линейна, равнинно или 3D местоположение на източниците на акустични емисии въз основа на разликата във времето на транзитно преминаване (t) Местоположение на зоните на източниците на акустични емисии въз основа на първоначалното въздействие на сензорите AE Сигнални форми и честотни спектри Диференциално или кумулативно разпределение на сигналните характеристики като функция на времето или външните параметри Графики на корелация на сигналните характеристики 8
б) Обикновено след теста: o Анализ на записаните сигнали (напр. модален анализ, преобразуване на Фурие, вейвлет трансформации) o o Разпознаване на образец или класификация на сигналите за акустична емисия. По-нататъшни математически процедури за анализ на сигнала, сравнение със симулации По този начин AT дава информация за това кога (време, параметри на външното натоварване) колко (скорост на сигнала, сума на сигнала) колко интензивно (максимална амплитуда, енергия на сигнала), където (локализация) възникват източници на шум. При определени условия могат да бъдат идентифицирани и източниковите механизми на сигналите. Целостта на конструкцията или оставащият полезен живот на компонентите или конструкциите могат да бъдат оценени, като се използват подходящи натоварвания и емпирични критерии (например бази данни). Надеждност на AT С AT се намират индикации, които могат да бъдат проследени до активен процес в резултат на подходяща стимулация. Правилният тип възбуждане се гарантира от тестова техника, специално разработена за всяко приложение. За тази цел се изследват възможните случаи на повреда и на практика се определят необходимите параметри на теста чрез предварителни тестове. Например, оборудването под налягане е най-добре заредено с работната среда до определеното изпитвателно налягане. По време на тест за корозия 9
IIIAE Международен институт за иновативни акустични емисии/Трудове http://iiiae.org Документи на курса на DGZfP Документи на курса във връзка с курсове за AT в ниво 1, ниво 2 и Z-AT ниво 3 Стандарти (избор): DGZfP-Fachausschuss Schallemissionsprüfverfahren (FA SEP): Директива SE 02 (юли 2014 г.): Проверка на сензорите за акустична емисия и тяхното свързване в лабораторията CEN: EN ISO 9712, неразрушаващо изпитване Квалификация и сертифициране на персонала за неразрушаващо изпитване Общи принципи EN 1330-9, неразрушаващо изпитване Терминология Част 9: Термини, използвани при изпитване на акустични емисии EN 13477-1, Неразрушаващо изпитване, излъчване на звук, характеристика на устройството Част 1: Описание на устройството EN 13477-2, Неразрушаващо изпитване, излъчване на звук, Характеризиране на устройството, Част 2: Проверка на работните параметри EN 13554, Неразрушаващо изпитване, Излъчване на звук след изпитването за приемане Планарната локализация на източниците на шум EN 15495, неразрушаващо изпитване на шума Изследване на метални съоръжения под налягане по време на изпитването за приемане Зонова локализация на източниците на шум 14
Приложение Общ преглед на индустриалните приложения на AT Изпитване на корозия Оценка на състоянието на корозия на дъното на резервоарите Изпитване на пукнатини Откриване на пукнатини по време на приемане на изпитвания или периодично изпитване на съоръжения под налягане, като - резервоари за съхранение на сгъстен газ - съдове под налягане - газови бутилки и резервоари за газ - контейнери за втечнен газ - тръбни системи - автоклави - барабани за изсушаване на хартия - Износване, напукване и нарязване на инструменти по време на обработката - Мониторинг на щанцоващите машини за откриване на повреда на машината (счупване на щанцоващия инструмент и др.) Или повреда на формованата част поради пластична деформация и напукване - Напукване при охлаждане на шприцовани пластмасови части - Откриване на пукнатини по време на изостатично пресоване на керамични катализатори Откриване на течове и загуби на газ върху клапани Изпитване на композитни конструкции Откриване на повреди (ударни повреди, разслояване.) върху композитната конструкция bg за - съхранение на сгъстен газ - аерокосмически компоненти 19
Електротехника/електроника Изпитване на мрежови трансформатори - частични разряди - активни, генериращи източници на звукови емисии Изпитване на конструкции Глобално и локално наблюдение на нарастването на пукнатините в конструкциите Трибология - мостове - язовири Оценка на триенето и условията на износване - Диагностика на непрекъснатото триене ротор-статор върху турбинните блокове - Откриване развитие на повреди в тънки твърди материални покрития Геология/Геофизика Записване на микросеизмични дейности за оценка на безопасността на междинните и крайните съоръжения за съхранение на радиоактивни отпадъци Забележка: Всички примери за приложение, изброени в приложението, са чисто информативни и не представляват описание на процеса или инструкции за изпитване. Препоръчва се промишлените AT тестове да се извършват само от сертифицирани Да се извършват AT тестери или акредитирани организации за AT тестове, като се вземат предвид съответните национални закони и разпоредби. Съответните автори носят отговорност за представянето и фактическата коректност на примерите за кандидатстване. 20-ти
Таблица 1: Разпределение по клас на дъното на резервоара Клас Описание на източника Препоръчителен период на експлоатация I Няма активен източник 5 години II Корозия с ниска активност 3 години III Корозия със средна активност 1 година IV Корозия с висока активност - IV Теч - След завършване на теста, клиентът ще получи предварителен доклад който съдържа първоначално задание. Тази предварителна оценка може да се отклони с един клас от окончателната оценка в протокола от теста. Освен това протоколът от изпитването съдържа графични изображения съгласно фигури 2 и 3 на източниците на звукови емисии, разположени на дъното на резервоара. Фигура 2: Примерен 2-D подробен изглед на местоположението на източника, координати (X, Y) в сантиметри, местоположенията са представени със зелени кръгли дискове, клъстерите на местоположения са маркирани като клъстери с цветни кръгове. 23.
Фигура 3: Пример 3-D преглед за местоположението на източника, координати (X, Y) в сантиметри, колоните показват местоположения в квадратни решетъчни елементи. Критерии за оценка на състоянието Измерването се оценява предимно по отношение на разположени източници на шумови емисии. Това се основава на активността (брой събития, разположени на час) на кръгъл повърхностен елемент с диаметър 5% от диаметъра на резервоара. Следващата таблица съдържа схемата, използвана за класифициране на AE източниците. Таблица 2: Класификация на източниците на AE (референтна област на кръга с d = 0,05 xd резервоар) Събития на час Обозначаване на източник на AE до 9 няма активен източник 10 до 19 източник с ниска активност 20 до 39 източник със средна активност 40 и повече източници с висока активност 24
Фигура 2: Програма на Excel за изчисляване на степента на изтичане и загубата на газове. В допълнение към определянето на нивото на шумовото излъчване в db AE се изисква по-подробна информация за тествания вентил (тип, диаметър на входа), приложеното диференциално налягане и плътността на газа (по избор). Литература 1. А. Поллок: Откриване на течове с помощта на акустична емисия, SYS Hsu, Японски вестник за акустичните емисии, том 1, бр. 4, 1982 г. 2. P.T. Коул, М. Хънтър: Техника на акустични емисии за откриване и количествено определяне на газ чрез изтичане на клапани за намаляване на загубите на газ от технологичната инсталация, представена в Института по петрол, 4-та конференция за загуби на нефт, 1991 г. 3-та Р. Уоткинс: Откриване на газ Изтичане на факел, пътека, проведена в BP Oil, Grangemouth, 1985 г. 4-ти JN. Лорд AE Deisher, RM. Кьорнер: Затихване на еластичните вълни в тръбопроводите, приложимо за откриване на течове на акустични емисии, Оценка на материалите, ноември 1977 г., стр. 49-54 5. EN ISO 18081, неразрушаващо изпитване, тест за акустична емисия Тест за течове с използване на акустична емисия 29
Амплитуда -db AE -), както и времето на пристигане -ns- и тяхната честота на броя на ударите-. В същото време налягането -bar- се измерва като външен параметър с тестер за излъчване на звук. Данните за измерените параметри на звуковото излъчване и свързаното с тях налягане се обобщават като набор от данни за звукови емисии и се показват онлайн. AT Специални изисквания за тестови условия и условия на околната среда Използват се подходящи механични и електронни мерки за избягване и потискане на шума, причинен от хидравличното налягане. Необходимо време Тестът се извършва от производителя на основите като статистически тест в производството. Фигура 3: Устройство за излъчване на звук в индустриален дизайн, основа: PCI-2/PCI PC платка с аларма в реално време в случай на пукнатина от софтуера PAC-AEWIN 32
Резултат от изпитването За да се регистрира текущото налягане при натискане, когато се появят пукнатини, и да се изключи автоматично, към машината се изпраща алармен сигнал от записа на данните за звуковите емисии или характеристиките на кондиционирания сигнал на пукнатината от устройството за изпитване на звукови емисии. В Фигура 4: Налягане (бар) и отн. Енергия на AE сигнала (pvs) спрямо Време, аларма при пукнатини при 13,1 бара, тъй като енергия> 450 pvs Критерии за оценка на състоянието Като качествена характеристика на основата се използва максималното налягане, достигнато до образуване на пукнатини или разслояване на стената. Библиография няма 33
Фигура 3: Оценка на цилиндър за сушене от клас С Фигура 4: Цилиндър за сушене от клас С; Масивни леярски дефекти в основата на цилиндъра от страната на задвижването Препратки G. Schauritsch, Използване на теста за акустична емисия при периодично изследване на охлаждащи и сушилни цилиндри в хартиени машини Доклад за опит, представен по повод годишната конференция на DACH 2004 в Залцбург P. Tscheliesnig, G. Schauritsch, приложение на автоматична система за оценка на AT в изпитване на труднодостъпни конструкции, представено по повод годишната конференция на DACH 2007 г. във Fürth TAPPI TI Sheet 0402-16, Насоки за безопасна работа на сушилни с пара с нагрята хартия EN 13554, неразрушаващо изпитване, шумоизлъчване Общи принципи EN 14584, неразрушаващо изпитване, звукова емисия, изследване на метални Оборудване под налягане по време на изпитването за приемане Планарното разположение на източниците на шум 37
Фигура 1: Контейнер за съхранение на втечнен газ, монтиран над земята или погребан Кратко описание на необходимата технология за измерване на AT и параметри за изпитване Многоканална AE система за измерване AMSY5 (Vallen Systeme GmbH, Icking, Германия). Сензори от тип VS150-RIC или VS75-SIC с вграден предусилвател. В зависимост от дизайна, размера на контейнера и достъпа до повърхността на металния контейнер се прилагат поне два звукови сензора и се създава система за линейно позициониране (t-корелация). Фигура 2: Линейно разположение на сензорите и разпределение на площта чрез t-измерване Сензорите обикновено се прилагат само чрез почистване на точките за нанасяне директно върху съществуващото покритие на контейнера (боя или покритие от епоксидна смола). Оценката на състоянието се извършва по време на непрекъснато повишаване на налягането със самата работна среда, като се започне от съществуващото, зависимо от температурата налягане на пълнене до макс. 1,1 пъти най-високото работно налягане на устройството под налягане. Скоростта на повишаване на налягането по време на измерването се изчислява с макс. 0,3 бара/мин. ограничен. За повишаване на налягането са необходими специално разработени устройства за повишаване на налягането, които позволяват непрекъснато повишаване на налягането с работната среда без опасност. 39
Таблица 1: Присвояване на клас на контейнери за съхранение на течен газ Оценка на класа (CEF) Описание на източника Мерки A 2.2 няма активен източник Продължава експлоатация без ограничение A/BB 2.2 2.8 критично активен източник Окончателна оценка на клас A или B въз основа на кривите активност/интензив както и данните за формата на вълната По-нататъшна неограничена работа само след отрицателни констатации с други процедури за zf тест; Продължаване на допустимото повишаване на налягането Прекратяване на повишаването на налягането; Повторна проверка с други zf процедури за тестване; Решение по делото въз основа на получените резултати. На втора стъпка, след края на теста, записаните данни се анализират отново в лабораторията, като данните за формата на вълната, записани едновременно чрез преходен рекордер, също се включват в анализа. Окончателната оценка от двата анализа се обобщава и документира в съответния протокол за изпитване за всеки контейнер. Протоколът от изпитването служи като основа за вписване на бележките за ревизията в документацията на оборудването под налягане от акредитирания център за изпитване на котел. Фигура 3: Оценка на резервоар за течен газ с клас С 41
Фигура 3: Страница за преглед (вижте по-горе) и план за разположение на сензора с позицията на сензорите (вижте по-долу, светлосини номерирани правоъгълници) вляво и вдясно списъка на потвърдените прекъсвания на проводниците (CWB) с допълнителни параметри. Прекъсванията на опъващата жица са създадени умишлено, за да се провери системата за наблюдение. 48