Metoda akustické emise a její aplikace ve stavebnictví

Rozvoj lokálního korozního poškození konstrukcí může vést k závažným poruchám a případně i k neopravitelnému poškození celých konstrukčních částí. Snížení spolehlivosti konstrukce lze předejít včasnou detekcí probíhajícího korozního procesu a přesným odhadem rozsahu aktuálního poškození. Zabezpečení spolehlivého provozu konstrukce je zásadní tam, kde porucha může vést k ohrožení zdraví a velkým ekonomickým ztrátám, tj. především v energetickém, chemickém a leteckém průmyslu.

Tato práce se zabývá využitím metod akustické emise a nelineární ultrazvukové spektroskopie při detekci a monitorování korozního poškození. V laboratorních podmínkách byly provedeny korozní zkoušky. Akustická emise byla sledována in situ v průběhu korozního procesu. Mezi korozními zkouškami bylo provedeno měření metodou nelineární vlnově modulační spektroskopie (NWMS). Bylo zjištěno, že intenzita akustické emise souvisí s aktuální dynamikou korozního procesu a že rozsah korozního poškození dobře koresponduje s nelineárními parametry zjištěnými metodou NWMS.

Tak jako všechny technické obory se i jednotlivé metody nedestruktivního testování (NDT) dynamicky rozvíjí. V současnosti se při nedestruktivním testování používají desítky metod založených na různých fyzikálních principech pomocí několika tisíc rozličných typů přístrojů. Za kalendářní rok se provede NDT zkoušek za více než deset miliard amerických dolarů.

P. M.: Zatímco u klasického přístupu, při kterém se pomocí NDT metod zjišťují již vzniklé defekty (odchylky od standardů), tak dnes je spíše snahou najít takovou metodu, která by byla schopna vypovídat o změnách, k nimž dochází ve struktuře materiálu ještě předtím, než vznikne defekt.

L. T.: Jak jsme již částečně naznačili v první odpovědi, v posledních letech se zvyšuje výkon měřících zařízení a výrazně se zlepšuje vizualizace jednotlivých měření. Dotykové displeje, Wi-Fi připojení (s možností cloudového ukládání naměřených dat) jsou již součástí téměř každého zařízení.

Čtěte také: Příklady recyklace v umění

Klient chce jasnou predikci či zhodnocení situace za co nejméně peněz. Také často ne vždy znalí klienti chtějí slyšet se 100% jistotou, že daná součástka či výrobek vydrží či nevydrží tolik a tolik zatěžovacích cyklů. Bohužel zatím NDT technik nemůže nic se 100% jistotou tvrdit, co se životnosti týká.

P. M.: Správně vybrané a vhodně použité NDT metody či použití jejich kombinací byly a vždy budou rovnocennými metodami zkoušení. Ale ne vždy dobrá zkušenost některých klientů tuto rovnocennost zatracují.

L. T.: Klienty a zájemci o nedestruktivní testování jsou téměř všechny průmyslové obory, ale i lékařství a podobně. Dalo by se říct, že drobný nárůst zájmu o NDT metody zaznamenali mostaři. Zejména po nešťastných pádech mostů v italském Janově a trojské lávce.

L. T.: Za technologický mezník posledních let by se dalo považovat zvýšení výpočetního výkonu a tím pádem zefektivněním a zrychlením jednotlivých úkonů při NDT diagnostice. Samozřejmě s reálným výpočetním výkonem se mohou NDT technici zajímat o detailnější vyhodnocení případě provést lepší statistické odhady životnosti sledované součástky/materiálu či konstrukce. Dále je velmi významným posunem prolínání či kombinace jednotlivých metod.

L. T.: Samozřejmě, že BIM systém je velkou šancí i pro NDT metody. Protože může zpřesňovat životnost či použitelnost dané konstrukce. Také může odhalit případné vznikající defekty a včas informovat o případné hrozící destrukci konstrukce. A při použití vhodných NDT metod nemusí příliš danou stavbu prodražit.

Čtěte také: O biodegradaci a sanaci

P. M.: Ano, ale máme tu i firmu světové úrovně na poli ultrazvukových detekcí a tou je STARMANS ELECTRONICS, s. r. o. Tradičním výrobcem materiálů pro NDT je firma FOMA Bohemia s. r. o. v Hradci Králové. Pak tu existuje řada menších ryze českých firem (DAKEL, INDETEC ndt, s. r. o. a další), které jsou zaměřeny buď na konkrétní NDT metody, které nadále rozvíjejí, nebo na zkoušení specifických prvků, které jsou typické pro českou kotlinu. Také jsou tu i firmy, které se zabývají nejen distribucí, ale významnou část jejich produkce představuje vývoj komplexních linek a doplňkových zařízení pro NDT (např. ATG Praha spol. s r. o., TESTIMA s. r. o., PTS Josef Solnař, s. r. o.

P. M.: Rozsáhlou učebnici věnovanou nedestruktivnímu zkoušení jsme vydali v roce 2005. Od té doby se samozřejmě vývoj velmi rychle posunul dál, a proto bylo nutné připravit nové texty. Tentokrát jsme se však vydali cestou samostatných studijních příruček pro jednotlivé metody. Zatím vyšly tři: Ultrazvukové zkoušení, Zkoušení kapilární a Magnetická prášková metoda. Dále máme k dispozici přehledovou příručku od pana Bernarda Kopce, která obsahuje stručné informace o všech metodách a je k dispozici zdarma na všech našich akcích.

Výzkum v oblasti nedestruktivního testování je zaměřen na využití metody akustické emise. Pojmem akustická emise je obvykle označováno elastické vlnění, které vzniká při rychlém uvolnění energie v materiálu. Akustická emise může být vyvolána mnoha mechanismy, jako jsou např. vznik plastické deformace, iniciace a růst trhliny, rychlé fázové transformace apod.

Metoda akustické emise se využívá při mnoha aplikacích v průmyslu, jaderné technice, stavebnictví a energetice - např. pro detekci netěsností v potrubních systémech, diagnostiku strojů, opotřebení ložisek apod. V oboru nedestruktivního zkoušení je nejrozšířenější detekce vzniku defektů v tlakových nádobách a potrubních systémech. Univerzálnost jevu akustické emise umožňuje široké využití také při kontrole nekovových materiálů jako jsou různé typy kompozitů, plastů, keramiky, betonu apod. Výhodou metody je, že se pomocí vícekanálového systému kontroluje současně celé těleso a detekují se pouze aktivní vady, které by mohly ohrozit další provoz.

Metoda akustické emise (AE) je poměrně standardní diagnostickou metodou využívanou v oblasti NDT, vědy a výzkumu, ale i v oblasti prediktivní údržby. Používají se jak kontaktní, tak bezkontaktní metody. V tomto materiálu budou představeny možné aplikace tzv. Diagnostic method of acoustic emission is pretty common diagnostic method used in NDT, RD but in the area of predictive maintenance too. This method can use contact and non-contact sensors.

Čtěte také: Klíčová role přírody ve skautingu

Metoda akustické emise je dlouhodobě užívána v širokém spektru diagnostických činností a je standardně aplikována na široké spektrum prvků. Metoda je založena na snímání elastického vlnění, které vzniká v důsledku dynamických procesů objevujících se v materiálu při jeho zatěžování vnitřními nebo vnějšími silami. Technika AE umožňuje sledovat kumulaci poškození, průběh plastické deformace, iniciaci a šíření trhlin, různé fázové transformace, korozní děje, ale např. i proudění tekutin apod. Vzniklé mechanické vlnění je snímáno na povrchu sledovaných vzorků a konstrukcí pomocí různých typů snímačů AE, v nichž je transformováno na elektrický signál.

Běžná zařízení pro sledování AE využívají piezoelektrické snímače, které pracují v oblasti od desítek až stovek kHz až po malé jednotky MHz. V naprosté většině případů je nutno používat kontaktní snímače, což je vhodné z pohledu monitorovacích systémů, avšak z hlediska prediktivní údržby či v případě nutnosti kontroly velkého množství prvků se právě z instalace snímačů stává časově omezující úkon.

Samostatnou kapitolou je snímání akustické emise bezkontaktně, tj. pomocí mikrofonů či jejich sestav. Relativně často jsou používány v oblasti prediktivní údržby samostatné (jednotlivé senzory) vybavené doplňky pro koncentraci signálu, ať už se jedná o trychtýře, či parabolické antény. Toto řešení se obvykle nepoužívá na sledování strukturálních změn materiálu, konstrukcí nebo prvků, neboť se jedná o velmi rychlé jevy vyžadující vysokou vzorkovací frekvenci ve stovkách kHz až jednotkách MHz, kde se jeví jako výhodnější použití kontaktních senzorů.

Stejně tak je zapotřebí vzít v potaz, v případě bezkontaktních systémů, i kvantifikaci signálu. V případě jednotlivých senzorů, byť doplněných o trychtýře či parabolické antény (viz obr. 1), je nutno zohlednit směrovou selektivitu řešení. Pokud je prostorový úhel (můžeme si ho pro jednoduchost představit jako zorné pole) příliš široký, znamená to horší vyhledání konkrétního zdroje akustického signálu, případně určení, zdali se jedná o zdroj skutečný nebo zdánlivý, tzn. odraz skutečného zdroje. Opačný případ nastává za situace, kdy je směrová charakteristika úzká, což sice umožňuje lepší a jednodušší určení místa emise signálu, avšak současně vyžaduje nutnost detailního prozkoumání celé oblasti, přičemž problematika odražených signálů zůstává identická, stejně jako v případě senzorů se širším prostorovým úhlem.

Akustickými kamerami se obvykle nazývají sestavy složené z většího množství jednotlivých senzorů (mikrofonů) doplněných o vizuální kameru, přičemž signály/záznam z obou zdrojů jsou následně překryty a je vytvořena akustická mapa na pozadí viditelného snímku. Takové řešení umožňuje nejen přehled o zdrojích signálu a jejich umístění, tzn. jejich lokalizaci, ale i výrazné usnadnění prezentace výsledku. Až do nedávné minulosti se obvykle jednalo o poměrně rozsáhlé systémy (včetně řídicí jednotky, event. PC) určené pro stacionární aplikace, tzn. umístění na jednom místě, případně statické sledování konkrétního objektu v laboratoři. Příklad takové aplikace můžete nalézt na obrázku 2 ze zdroje [2].

Podmínkou je vždy mobilita řešení, jež umožňuje právě snadnou přemístitelnost, respektive flexibilitu příslušného pracovníka při vyhledávání poruchových jevů a tím snadnou kontrolu širokého spektra a množství prvků. V následujících částech budou popsány aplikace určené k detekci výbojové aktivity a úniků stlačeného vzduchu.

Detekce výbojové aktivity, respektive částečných výbojů, umožňuje detekovat prvky, u nichž dochází k tvorbě tohoto jevu. Na předchozí skupině obrázků (obr. 3) je uveden příklad výbojové aktivity mezi komponenty, včetně rozložení aktivity vůči sinusovému průběhu signálu. Podstatná není pouze intenzita jevu (v tomto případě vyjádřená v dB), ale právě průběh detekovaného signálu. Jedná se o znázornění průběhů odezvy na aktuálním defektu a jeho úrovně v pC. I když jde v tomto případě o akustickou detekci, nikoli elektrickou, je možno tyto průběhy úspěšně aplikovat i na naměřený akustický signál. Kvantifikace v případě akustické detekce je prováděna v dB.

Tuto hodnotu je možno za znalosti okolních podmínek (teplota, vlhkost, vzdálenost, případně frekvence) převést na údaj v pC, avšak tento převod je v terénních podmínkách komplikovaný a vzniká riziko zavedení značné nejistoty do výsledné hodnoty. Pro určení typu poruchy je též možno použít obdobnou formu vyjádření závislosti výbojové aktivity na průběhu signálu; jde o Lissajousovy charakteristiky uvedené na následujícím obrázku (obr. Platí, že i když jsou tyto charakteristiky obvykle používány pouze pro metody, při nichž je detekce výbojové aktivity prováděna na elektrickém principu, je možno je s úspěchem použít i pro detekci akustickou. Na základě těchto charakteristik uvedených na obrázku 5 je tedy možno poměrně spolehlivě usuzovat na charakter a příčinu jevu a tím i na možný rozsah nápravných opatření.

V tomto případě (obr. 6) se jedná o ukázku z napěťové zkoušky generátoru s naprosto jednoznačnou lokalizací místa vzniku výbojové aktivity, tj. na horní straně statorových tyčí. V UV spektru můžeme zobrazovat ionizované molekuly dusíku v okolní atmosféře; tato ionizace je způsobena překročením limitního napěťového gradientu, který bývá udáván obvykle jako 2 kV/mm. Stejně jako v akustickém spektru je potřebná přímá viditelnost zdroje, nelze však využít principu odrazu akustického signálu v případě potřeby diagnostiky prostor, které nejsou přímo viditelné. Je třeba si též uvědomit, že v UV spektru nejsou zobrazitelné kapacitní výboje.

Co se týče porovnání s vizualizací jevů v IR spektru, je nutno vyjít z podstaty jevu v oblasti elektrických prvků a strojů. Naprostá většina tepelných jevů v souvislosti s touto oblastí je způsobena přechodovými odpory, zatímco ostatní jevy či mechanismy poruch/degradací (svodiče přepětí, degradace průchodek, magnetizace vinutí rotačních strojů) je možno považovat za jevy s minoritním výskytem v porovnání s přechodovými odpory z předchozí části. Za určitých okolností jsou částečné výboje doprovázeny tepelným jevem o velikosti detekovatelné termokamerami pro oblast prediktivní diagnostiky a údržby. Jak je uvedeno na předchozím obrázku (kabelová koncovka 110 kV, obr. 6), je možno poruchový jev vidět jak v akustické oblasti, tak v IR spektru. Nicméně je potřeba dodat, že tento příklad není zcela typický.

Například zdroje CIGRE uvádějí, že pokud se částečný výboj začne projevovat signifikantní teplotní změnou, jež bude spolehlivě detekovatelná termokamerou, lze dobu do poruchy předpokládat v řádu hodin, případně několika dnů. Zobrazení v infračerveném spektru lze tedy považovat pouze za verifikaci nálezu, nikoli za vhodnou detekční metodou jako takovou. Vzhledem k předpokládané délce období rozvoje poruchy není možno naplánovat nápravné opatření s dostatečným předstihem, stejně tak periody kontrol definované ŘPÚ či jinými lokálními předpisy počítají s časovými intervaly, které nezaručují spolehlivou detekci rozvíjejícího se jevu.

Možnost současného zobrazení fázového rozložení akustického jevu je předností nejen v souvislosti s kvantifikací a identifikací detekovaného jevu, ale paradoxně i jako nástroj na vyloučení falešné pozitivity nálezu. Tento aspekt je použit jako poslední příklad v pasáži věnované částečným výbojům. Na následujícím příkladu (obr. Na výše uvedeném záznamu je možno rozeznat zdánlivě aktivní zdroj v místě, kde by mohlo k výbojové aktivitě docházet, a mohla by naznačovat výbojovou aktivitu v oblasti připojení průchodky na nádobu transformátoru. Současně se jedná o místo poměrně obtížně přístupné, obzvlášť pokud je stroj pod napětím.

V případě tlakových rozvodů se jedná o klasickou aplikaci v oblasti prediktivní údržby. Některé zdroje uvádějí obvyklé ztráty v tlakových rozvodech (například stlačený vzduch) v rozmezí 15-30 %. Tyto ztráty mají za následek nejen nadměrný provoz kompresorů (spojený se zvýšenou spotřebou), ale i jejich zvýšené opotřebení a nadměrné spotřebovávání zbytkové životnosti. S netěsnostmi se můžeme setkat nejen na ventilech či spojkách vedení, ale v některých případech se setkáváme i s netěsnostmi materiálu rozvodu jako takového, i když tyto případy jsou méně časté než právě zmiňované spojky a ventily. Ukázka detekce úniku je na následujícím obrázku (obr. V tomto případě je možno nejen jednoznačně lokalizovat místo úniku, ale současně, a to po zadání vzdálenosti mezi akustickou kamerou a lokalizovaným místem (případně doplněním o teplotu atmosféry a relativní vlhkost), kvantifikovat množství vzduchu unikajícího netěsností a po zadání jednotkových cen i finančně ocenit každý jednotlivý únik.

Stejně jako v případě částečných výbojů je možno provést detailní analýzu průběhu akustického signálu, ať již pomocí časového průběhu, FFT či analýzy spektra signálu. Za hlavní přínos je ale možno považovat přesnou lokalizaci úniku a jeho kvantifikaci, což umožňuje managementu rozhodnout o efektivním nasazení nápravných opatření, včetně určení jejich priorit.

Vzhledem ke korekci vlivu vzdálenosti je možno takovéto kamery využívat i pro poněkud odlišnou aplikaci. Určité technologie vyžadují simultánní průtok stlačeného vzduchu ze sady trysek o identickém množství (průtoku). Aplikace je vhodná nejen pro detekci úniku stlačeného vzduchu, ale obecně pro úniky stlačených plynů jako takových. Příkladem mohou být měření (obr. 9) na následujících záznamech. Médiem byl v tomto případě zemní plyn. V prvním případě byla nalezena netěsnost na šroubení, v případě druhém únik netěsnící maznicí. Tyto experimenty potvrdily aplikovatelnost metody i pro jiná stlačená plynná média, než je vzduch.

Pokud bychom porovnali se stávajícími metodami, v úvahu pro porovnání připadají termokamery adaptované na vizualizaci úniku plynů (souhrnně nazývané OGI - optical gas imaging). Jedná se o termokamery osazené spektrálními filtry, jež umožňují zobrazení (a v některých případech i kvantifikaci koncentrace) úniku konkrétního plynu. Tyto kamery zobrazují plyn na základě faktu, že některé plyny jsou v daném úzkém spektrálním pásmu (šířka pásma obvykle v malých desetinách µm) netransparentní, případně méně transparentní než okolní atmosféra. Spektrální pásmo filtru je zvoleno s ohledem na konkrétní plyn, případně skupinu plynů, přičemž právě toto spektrální pásmo je zcela klíčové, neboť jeho posun byť o jednotlivé desetiny µm často dramaticky ovlivňuje citlivost systému i pro zdánlivě blízké skupiny plynů, jako jsou například jednoduché a složité uhlovodíky.

Pro konkrétní plyny je tedy třeba mít kameru s vhodným spektrálním filtrem; neexistuje jedna univerzální kamera. V některých případech je možno setkat se s koncepcí, kdy je spektrální filtr pevně zabudován, což je v porovnání se systémy umožňujícími výměnu spektrálního filtru uživatelem v terénu nevýhodou, která ve finále omezuje citlivost a aplikovatelnost takovýchto systémů.

Současně je nutno vzít v úvahu, že některé plyny (například H2 /vodík/) jsou v infračerveném spektru transparentní a nejsou zobrazitelné před přidáním dostatečných příměsí, což je v mnoha případech neakceptovatelné a nepoužitelné. Pokud bychom tedy měli porovnat systémy OGI s akustickými kamerami, oba z přístupů mají své přednosti. Systémy OGI nemusejí vidět přímo místo úniku, je možné zobrazit unikající plyn za předpokladu, že je použit systém s vhodným spektrálním filtrem. Akustické kamery by měly mít v zorném poli místo úniku, i když velmi často je možné využít odrazu akustického signálu od okolních struktur. Stejně tak akustické kamery nejsou závislé na konkrétním médiu. V této oblasti, jak bylo uvedeno výše, nemají autoři prozatím dostatek relevantních měření.

Použití akustických kamer pro oblast prediktivní údržby je posunem nejen z hlediska vypovídací schopnosti, ale hlavně s ohledem na přesnou lokalizaci místa, možnost analýzy poruchy, ale též pro předložení srozumitelné informace managementu, který nemusí být zběhlý v jiných diagnostických metodách, avšak je schopen dobře pochopit grafickou informaci.

Dynamicky namáhané konstrukce jsou navrhovány oproti statickým se zásadním bezpečnostním faktorem, který zahrnuje proměnné složky zatížení, vliv prostředí, v kterém je konstrukce umístěna a pracuje, případně nenadálých příčin zvýšeného namáhání (seismicita apod.). Tento souhrnný bezpečnostní faktor je stanovován na základě výpočtů experimentálních ověřovacích měření, zpravidla nejnovějších poznatků vědy a techniky, poplatných době, ve které je konstrukce navrhována.

Pro zajištění plánovaného dlouhodobého provozu je nutno sledovat chování konstrukce a vytipovat možné uzly, ve kterých dochází ke zvýšené degradaci materiálu, jejímž následkem by bylo možné potenciální selhání konstrukce. Příspěvek pojednává o obecných postupech pro sledování technického stavu konstrukcí, zejména praktického využití metody akustické emise.

Na obr. č. 1 je znázorněno kvalitativní hodnocení závažnosti porušení konstrukce, od počáteční fáze poškozování do stavu celkového selhání. i postupné procesy degradace materiálu a příslušné urychlující procesy, na jejichž základě je limitována skutečná reálná životnost konstrukce, jak je zřejmé z obr. č. 2.

Jednou z diagnostických metod, kterou je možno využívat pro hodnocení stavu konstrukce, je metoda akustické emise. Tato metoda našla výrazné uplatnění zejména při pevnostních zkouškách tlakových nádob. Základní princip metody a její aplikace je zřejmá z obr. č. 3 a obr. č.

Jedním z nich je tzv. a opětném zvýšení na původní hodnotu nedochází k nárůstu emisních parametrů - tlakované těleso neobsahuje aktivní defekty, jak je zřejmé z obr. č. Podobně je definován tzv. Felicity efekt, kdy vůči Kaiserově efektu dochází k nárůstu emisních událostí ještě před dosažením úrovně předchozího vyššího tlaku v nádobě. Tato skutečnost svědčí o emisních zdrojích v materiálu tlakované nádoby, jejichž lokalizace může být určena pomocí sítě snímačů AE umístěných na povrchu nádoby. Zpravidla se jedná o oblasti dosažení plastické deformace, či vznik a šíření defektů typu trhlin. Tyto emisní zdroje dle závažnosti bývají hodnoceny blíže některou z dalších diagnostických metod, např. Obecně je vztah signálů akustické emise na velikost, případně růst trhliny vzhledem k úrovni vnitřního přetlaku znázorněna na obr. č.

Právě porovnáváním výsledků akustické emise při opakovaných, resp. Dílčí jednodušší aplikace akustické emise představuje monitorování úniků tlakového media, zejména v případech, kdy je ověřena platnost kriteria LBB (Leak Before Break - dříve teče než praská) viz obr. č. Detekce materiálových vad tlakových nádob, mostů...

Z dosavadních praktických aplikací metody akustické emise je zřejmé, že tato nedestruktivní metoda je vhodná zejména jako doplňující metoda při tlakových zkouškách tlakových nádob, potrubních uzlů, jak ve výchozím stavu, tj. po zhotovení ve výrobě, tak při provozu při opakovaných periodických tlakových zkouškách. Základním cílem je vyhledání tzv. emisních zdrojů, které odpovídají existujícím nebo nově vznikajícím a šířícím se defektům. Vzhledem k svém fyzikálnímu charakteru se jedná o nedestruktivní metodu objemovou, tj. zahrnuje celou oblast zkoušené konstrukce. Porovnáním výsledků získaných zkoušek z předchozími výsledky umožňuje skutečné posuzování aktivity defektu ve vztahu k dané etapě provozu resp. zatížení. V kombinaci s následnou aplikací některé z dalších NDT metod např.

Popis experimentů v oblasti fyzikální a prostorové akustiky a aplikace ultraakustiky v oblasti nedestruktivního měření fyzikálních materiálových parametrů. Popis a použití základních přístrojů pro akustická měření, využití generátorů, snímačů, zesilovačů a analyzátorů a záznamových zařízení. Praktické úlohy z prostorové akustiky (měření hladiny hlasitosti, doby dozvuku, stupně průzvučnosti ap.). Praktické úlohy z oboru nedestruktivního měření fyzikálních materiálových vlastností akustickými a ultraakustickými metodami (měření modulů pružnosti, rychlosti šíření vlnění, útlumu vlnění ap.). Praktické úlohy z oblasti ultraakustické defektoskopie (hledání trhlin a dutin v materiálu, určování nehomogenit ap.). Popsání principů a aplikace při využití akustické emise (předvídání krizových situací ap.).

tags: #metoda #akustické #emise #stavebnictví #aplikace

Oblíbené příspěvky:

• Průvodce tříděním odpadu
• Složení a výhody ekologických detergentů
• Výhody Kesser Odpadkového Koše
• Odpadkový koš Franke Garbo 50-3
• Těsnění oken u roubenek