Emisja akustyczna - teoria

Autor: Redakcja pwps.eu | 2017-10-12

Część 2 - wywiad z TUV Austria w zakresie emisji akustycznej - trochę teorii

Red: Na czym polega badanie metodą emisji akustycznej?

MP,MS: Zasady badań metodą emisji akustycznej opierają się na nowoczesnej wiedzy z dziedziny materiałoznawstwa. Zjawiska, w których przejściowe fale sprężyste są generowane przez np. odkształcenie plastyczne, rozprzestrzenianie się pęknięć, erozję, korozję, uderzenia, wycieki są ogólnie określane jako emisja akustyczna. Badania emisją akustyczną służą do wykrywania i znajdowania nieciągłości w materiale. Wiadomo, że wiele różnych materiałów, zwłaszcza stali, podczas obciążania emituje impulsy fal dźwiękowych (przejściowe fale sprężyste). Pomiary takich impulsów fal dźwiękowych odbywają się za pomocą łańcuchów urządzeń składających się z czujnika, przedwzmacniacza i kanału emisji akustycznej w układzie pomiarowym. Czujniki piezoelektryczne są wykorzystywane do przekształcania mechanicznej fali w sygnał elektryczny (sygnał emisji akustycznej), jak pokazano na rysunku 1. Czujniki są przymocowane na metalowej powierzchni zazwyczaj za pomocą uchwytów magnetycznych. Sygnał jest poddawany digitalizacji w kanale emisji akustycznej. Charakterystyki sygnału (takie jak: amplituda szczytowa, energia, czas narastania, czas trwania itd.) są określone i zapisywane w zbiorze danych. Następnie zbiór ten jest przesyłany przez system magistrali do komputera pomiarowego, w którym jest przechowywany. Dane uzyskane w wyniku pomiarów można przedstawić w formie diagramów przy zastosowaniu odpowiedniego oprogramowania. Ocena końcowa zostaje przeprowadzona za pomocą analizy statycznej charakterystyki sygnału.

Rysunek 1: Zasada badania emisji akustycznej urządzeń ciśnieniowych. Impuls z falą dźwiękową emitowany jest w otaczający materiał ze względu na wzrost pęknięć (1) zachodzący gdzieś w materiale (6). Następuje propagacja fal (7) i fale powierzchniowe (2) rozchodzą się z charakterystyczną prędkością dźwięku. Czujnik piezoelektryczny (4) wzbudzany jest przez przychodzącą falę mechaniczną i przekształca ją w sygnał elektryczny. Po wzmocnieniu przez przedwzmacniacz (3) sygnał akustyczny (5) jest doprowadzany do kanału układu pomiarowego. Odległość między czujnikami wynosi do kilku metrów, zapewniając w 100% testowanie poszycia urządzenia ciśnieniowego pod obciążeniem.

Red: Jak wygląda proces przygotowania do badań?

MP,MS: Jak już wspomniano, badanie metodą emisji akustycznej służy do znalezienia i detekcji niezgodności wewnątrz materiału. Realizowane to jest poprzez wykrywanie procesów wskazujących na potencjalne defekty, takich jak wzrost pęknięć lub tarcie powierzchni czołowych pęknięć. Aby aktywować te procesy, struktura musi być poddawana zmiennemu w czasie obciążeniu, narastającemu ze stałą prędkością. Zwykle obciążenie jest realizowane poprzez próbę hydrostatyczną, pneumatyczną lub kombinowaną. W miejscu niezgodności procesy te powodują uwolnienie szeregu impulsów fal dźwiękowych charakteryzujących się nieokreśloną sekwencją w czasie. W celu zidentyfikowania obszaru, w którym znajduje się niezgodność stosuje się kalkulację położenia, za pomocą odpowiedniego układu czujników, zdefiniowanego zgodnie z wymaganiami algorytmu lokalizacji. Maksymalny odstęp pomiędzy poszczególnymi czujnikami musi być określony w odniesieniu do pomiaru tłumienia dźwięku. Tłumienie dźwięku jest spowodowane efektami geometrycznymi, a także rozproszeniem energii w metalowej obudowie i przenoszeniem jej do otaczającego materiału, takiego jak powłoka lub materiał izolacyjny. Aby zapewnić 100% badanie powłoki pod obciążeniem, na badanym obiekcie należy zainstalować wystarczającą liczbę czujników. Im większy obiekt testowy, tym większa liczba czujników, które muszą być użyte.

Zasada planarnej lokalizacji jest pokazana na rysunku 2. Co najmniej trzy czujniki w różnych pozycjach muszą być wzbudzone przez rozproszone impulsy fal dźwiękowych. Punkt w czasie, w którym sygnał emisji akustycznej przekracza próg detekcji jest nazywany czasem propagacji. Współrzędne lokalizacji niezgodności można obliczyć za pomocą informacji o czasie propagacji, prędkości dźwięku i położeniu czujników. Zgodnie z algorytmem lokalizacji, po wykonaniu obliczeń, takie zdarzenie lokalizacyjne zostaje wykryte przez system pomiarowy. Wada, np. pęknięcie, które rośnie pod obciążeniem, jest wskazywane przez znaczną liczbę zdarzeń lokalizacyjnych, gromadzących się lokalnie, a więc stanowiących jeden lub więcej tak zwanych klastrów lokalizacji.

Rysunek 2: Zasada planarnej lokalizacji. Czujniki piezoelektryczne pokazane są jako zielone kostki. Impulsy fali dźwiękowej emitowane do otaczającego materiału, np. ze względu na wzrost pęknięć (na końcu czerwonej linii), rozprzestrzeniają się w metalu ze znaną prędkością. System zbiera informacje nt. okresu czasu t₁ do czujnika w lewym rogu i okresu czasu t₂ w prawym rogu. System pomiarowy musi wykryć impulsy z co najmniej trzech czujników sygnału.

Za pomocą obliczonych współrzędnych klastra lokalizacji, zostaje określone i oznaczone miejsce powstawania impulsów w materiale. W dalszej kolejności przeprowadzane są inne badania NDT w celu szczegółowego opisania znalezionych wskazań.

 
Podczas badań dokonywana jest ocena on-line uzyskanych danych przy jednoczesnym zwiększaniu ciśnienia. Jest to konieczne ze względów bezpieczeństwa, aby zapewnić wystarczająco dużo czasu na zatrzymanie ciśnienia, zanim dojdzie do sytuacji krytycznej. Na bieżąco analizowane są parametry sygnału oraz wyniki lokalizacji.

Przed przystąpieniem do badań metodą emisji akustycznej, muszą być wykonane następujące czynności:

1. Oględziny wizualne;
2. Pomiary tłumienia oraz tła (jeżeli nie są znane), w celu określenia maksymalnego odstępu pomiędzy sensorami;
3. Przygotowanie powierzchni do mocowania czujników;
4. Montaż czujników wraz z ich identyfikacją i lokalizacją;
5. Weryfikacja parowania czujników łańcucha pomiarowego;
6. Weryfikacja dokładności lokalizacji czujników w punktach reprezentatywnych konstrukcji z użyciem symulowanego źródła AE;
7. Weryfikacja każdego kanału szumów tła w celu zapewnienia, że jego poziom nie będzie wpływał na wykrywanie sygnałów. W takim przypadku izolacja mechaniczna, akustyczna lub elektryczna musi być poprawiona;
8. Ustanowienie stałej łączności pomiędzy operatorem, a punktem kontrolnym (zwiększającym obciążenie).