Obecný popis metody akustické emise

Akustická emise (AE) je elastické napěťové vlnění, vznikající při náhlém uvolnění energie akumulované v materiálu. Akustická emise je produkována při změnách v materiálu jako je růst trhliny, lokální plastická deformace, koroze a fázové transformace, vyvolané působením zatížení nebo okolního prostředí na materiál. Toto vlnění tudíž nese informaci o vnitřním chování materiálu a může být užito pro účely jeho diagnostiky.

Měřením signálu akustické emise v průběhu stimulace zkoušeného objektu (např. tlakovým namáháním) a jeho vyhodnocením vhodnou aparaturou je možno detekovat vznik degradačních procesů v materiálu, zjistit lokalitu jejich vzniku a provést jejich klasifikaci. Elastické vlnění šířící se materiálem konstrukce je možno snímat pomocí snímačů AE, instalovaných na vnějším povrchu zkoušeného zařízení. Ve snímači je mechanické vlnění převedeno na elektrický signál - signál AE. Signál AE má impulsní charakter.

Jednorázový dynamický proces, v důsledku kterého se uvolní určité množství energie, se nazývá emisní událost a lokální proces, který emisní události produkuje, se nazývá emisní zdroj. Doba trvání emisních událostí se pohybuje od několika nanosekund do několika milisekund a jejich frekvenční spektrum je tudíž velmi široké (od infrazvukových do ultrazvukových frekvencí).

Snímače AE jsou většinou snímače piezoelektrické, používané frekvenční pásmo je obvykle 100 - 400 kHz.

Velmi důležitou obecnou vlastností AE, která je nezávislá na materiálu a na fyzice degradačních procesů, je vysoká citlivost k přechodovým lokálním nestabilitám. Tyto nestability vznikají v každém systému mnohem dříve, než se celý systém stane nestabilním. Jejich včasným zjištěním lze proto předejít vážným poruchám zařízení.

Vlastnosti metody AE:

a) Je to metoda globální - malým počtem snímačů je kontrolována celá konstrukce.

b) Je to metoda výběrová - zjišťuje pouze vady aktivní, tj. ty, které se v průběhu stimulace rozvíjejí. Takové vady jsou potenciálně nebezpečné (je důležitější detekovat malou trhlinu, která je aktivní, než větší, ale stabilizovanou výrobní vadu).

c) Je to metoda kvalitativní - nekvantifikuje vadu (neurčuje její velikost).

d) Je to metoda citlivá - detekuje i vady, které jsou pod detekční schopností metody ultrazvukové

e) Je to metoda pracující v reálném čase - nebezpečný růst defektu je možno zjistit v průběhu tlakování a podniknout potřebná opatření (zastavit tlakování).

f) Je to metoda relativně málo nákladná ve srovnání s jinými zkouškami NDT.

g) Je to metoda časově málo náročná - malý počet snímačů, časově nenáročná příprava zkoušky, vlastní zkouška celé konstrukce je provedena v průběhu jednoho zatěžovacího cyklu.

h) Je to metoda umožňující i kontrolu nepřístupných míst.

i) Je to metoda, která umožňuje i monitorování během normálního provozu zkoušeného zařízení (citlivost záleží na úrovni akustického rušivého pozadí, produkovaného provozem zkoušeného zařízení).

j) Je to metoda, kterou lze velmi citlivě detekovat i úniky.

Pro aplikaci metody akustické emise je důležitý tzv.Kaiserův jev, který lze formulovat takto:

„Při opakovaném zatěžování zkoušené konstrukce nevzniká v materiálu akustická emise až do dosažení hodnoty předcházejícího maxima zatížení, pokud mezi těmito dvěma zatíženími nedošlo k přerozdělení zatížení vlivem šíření vad v materiálu nebo pokud nedošlo ke strukturálním změnám způsobeným jinými mechanismy“.

Existence tohoto jevu, který platí pro většinu materiálů a pro všechny materiály kovové, je v praxi využívána při zkouškách AE.

Signál na výstupu snímače AE je elektrický signál, který se skládá z oddělených impulsů nebo shluků impulsů, odpovídajících jednotlivým emisním událostem. Na základě měření a vyhodnocení parametrů těchto impulsů lze lokalizovat a klasifikovat emisní zdroje.

Pomocí měřícího software lze pak zobrazovat jednotlivé charakteristiky různých parametrů lokalizovaných emisních událostí nebo charakteristiky umožňující klasifikaci zjištěných emisních zdrojů. Obecná pravidla vyhodnocování dat akustické emise jsou popsána v příslušných normách, avšak konkrétní metodika pro daný typ kontrolovaného objektu je obvykle součástí know-how organizace provádějící kontroly.

Princip kontroly zásobníku na LPG akustickou emisí

Princip kontroly spočívá v monitorování akustické emise během pneumatického testu zásobníku. Mediem, kterým se tlakování provádí je plyn (LPG) uskladňovaný ve zkoušeném zásobníku, u větších zásobníků (nad 13 m3) to může být inertní plyn.

Kontrola je založena na principu existence Kaiserova jevu. Zkušební tlak je 1,1 - 1,2 násobek maxima skutečného pracovního přetlaku v období cca do 1 roku před zkouškou akustickou emisí. Tento přetlak je i v letních měsících podstatně nižší než hodnota projektového pracovního přetlaku, tzn. při zkoušce není nutno vyřazovat pojišťovací ventily. Pokud tedy došlo v době do cca 1 roku před zkouškou k šíření vad při skutečném pracovním přetlaku, je růst těchto vad zjištěn zkouškou akusticko emisí při zkušebním přetlaku vyšším, než je maximum skutečného pracovního přetlaku v období do 1 roku před touto zkouškou.

Zkušební zařízení je instalováno v nástavbě servisního vozu ŠKODA JS a skládá ze dvou základních částí:

- tlakovacího zařízení, které obsahuje 3 základní okruhy: plynový (náplň LPG), hydraulický (hydraulický olej) a okruh topení (voda).

- systému pro monitorování akustické emise (AMSY4 firmy Vallen, Icking, Německo)

Servisní vůz obsahuje i veškeré zdroje energie (elektrocentrála, naftové topení - tj. skladovaný LPG v zásobníku neslouží jako zdroj energie!) a podléhá pravidelným revizím.

Zkušební tým tvoří 2 až 3 pracovníci, kteří disponující osvědčením revizního technika tlakových zařízení vydaným ITI Praha a certifikátem o absolvování školení vydaným TÜV Österreich.

Postup kontroly zásobníku na LPG akustickou emisí

Příprava ke kontrole

- Obhlídka zásobníku na LPG, volba stanoviště servisního vozu

- Zajetí servisního vozu na stanoviště

- Kontrola hodnoty otevíracího tlaku pojišťovacího ventilu (Provede se pomocí speciálního přípravku s malou tlakovou lahví s inertním plynem, kterým lze působit definovanou silou na vahadlo ventilu. Z údaje vnitřního přetlaku a údaje vnější síly při otevření ventilu se určí hodnota tlaku při zapůsobení ventilu.)

- Instalace snímačů a předzesilovačů akustické emise (pomocí magnetických držáků) a jejich spojení kabely se servisním vozem. Počet (2 až 4) a rozmístění snímačů pro daný typ zásobníku je popsán v licenčních podmínkách

- Připojení tlakovacího zařízení k zásobníku (jednou nebo dvěma hadicemi na plnící ventil a ventil kapalné fáze zásobníku)

- Start měřícího programu systému monitorování akustické emise, kalibrace měřících tras a měření hladiny akustického pozadí.

Tlakování zásobníku a monitorování AE

Tlakování spočívá v řízeném nárůstu tlaku uvnitř zásobníku z aktuální hodnoty provozního tlaku na hodnotu zkušebního tlaku. Tlakování se provádí čerpáním skladovaného LPG v kapalné fázi do výparníku tlakovacího zařízení, ve kterém je regulovaným ohřevem získána plynná fáze, která je vedena zpět do zásobníku. Nárůst tlaku v zásobníku musí být rovnoměrný, požadovaná rychlost nárůstu tlaku se udržuje manuální regulací.

V průběhu celého tlakování pracuje systém pro monitorování AE v automatickém režimu „Monitorování“. Parametry detekovaných emisních událostí a hodnota tlaku v zásobníku jsou zobrazovány na obrazovce počítače a ukládány na paměťové medium. Operátor přitom může dle vlastní volby sledovat vývoj emisních charakteristik (4 obrazovky s grafy a tabulkami) v reálném čase (on-line). Současně je přitom vizuálně sledován kontrolní manometr na zásobníku a manometr v servisním voze na výstupu z tlakovacího zařízení. Pokud v průběhu zkoušky chování emisních charakteristik signalizuje podezření na možný růst vady, je nutno tlakování zastavit a provést kompletní analýzu dat. Na základě jejího výsledku operátor rozhodne o pokračování nebo ukončení zkoušky. Tím je zajištěna bezpečnost v průběhu pneumatického testu. Tlakování (a monitorování AE) je ukončeno v okamžiku dosažení hodnoty zkušebního tlaku zásobníku.

Ukončení kontroly akustickou emisí

· Závěrečný test měřících tras systému monitorování akustické emise.

· Demontáž měřících tras systému akustické emise.

· Odpojení hadic tlakovacího zařízení od zásobníku.

· Kontrola těsnosti, obhlídka a uvedení zásobníku na LPG do provozního stavu.

· Opuštění stanoviště servisním vozem.

Vyhodnocení kontroly akustickou emisí a vystavení protokolu

· Vyhodnocení zkoušky lze provést okamžitě po jejím ukončení. Výsledkem je klasifikace stavu zásobníku na LPG do 3 kategorií (podle přesných kriterií určených v licenci). Je-li zásobník klasifikován stupněm A (akusticky neaktivní nebo neutrální), lze jej v dalším období provozovat bez dalších omezení. Je-li zásobník klasifikován stupněm B nebo C (akusticky aktivní nebo kriticky aktivní, popř. zjištěn únik), je o této skutečnosti bezprostředně informován provozovatel/majitel zásobníku na LPG a jsou mu doporučeny následné kontroly zásobníku jinými NDT metodami, popřípadě doporučena určitá omezení v dalším provozu zásobníku.

· Výsledný protokol o kontrole zásobníku na LPG akustickou emisí lze vyhotovit ihned po jejím skončení, obvykle jsou však protokoly po předchozí dohodě s objednavatelem dodávány později hromadně.

Některé technické a bezpečnostní podmínky provádění kontrol zásobníků na LPG akustickou emisí

· Kontrola akustickou emisí pomocí technologického zařízení servisního vozu ŠKODA JS je určena pro zásobníky na LPG stabilní:

· nadzemní do objemu 18 m3

· podzemní a polozasypané do objemu 13 m3

· Podmínkou pro úspěšné provedení kontroly je, aby zásobník byl naplněn LPG minimálně na 15% objemu.

· Zkouška zásobníků, nacházejících se ve venkovním prostředí, nemůže být provedena při extrémně nepříznivých klimatických podmínkách, zejména za bouře, silného deště nebo větru. Podle norem ČSN EN 12817 až 12820 by se zkoušky akustickou emisí neměly provádět při teplotě nižší než 7°C. Proto sezóna kontrol AE trvá zhruba od dubna do první poloviny listopadu.

· Celkový čas trvání jedné kontroly je cca 2 hodiny, z toho asi 1 hodinu nemůže zákazník ze zásobníku odebírat LPG.

· Stanoviště servisního vozu je při kontrole vzdáleno od zásobníku minimálně 10 m (bezpečnost) a maximálně 40 m (délka hadic tlakovacího zařízení).

· Provedení obhlídky zkoušeného zásobníku je možné pouze při výdržích tlaku. Při zvyšování nebo snižování tlaku je přítomnost osob v blízkosti zkoušeného zásobníku zakázána.

· Při jakékoliv činnosti v blízkosti zásobníku nebo servisního vozu je nutno dodržovat obecně platné bezpečnostní předpisy pro tato zařízení (zákaz kouření a manipulace s otevřeným ohněm apod.)

Metoda akustické emise ve Škoda JS a.s.

Skupina pracovníků zabývajících se využitím metody akustické emise vznikla ve Škoda JS již v roce 1975. Zaměřena byla především na tlaková zařízení v jaderné energetice a částečně i v oblasti chemického průmyslu. K největším akcím patřilo monitorování akustické emise při tlakových zkouškách primárních okruhů bloků jaderných elektráren Jaslovské Bohunice, Mochovce a Temelín.

V roce 1997 byly získány první informace o provádění zkoušek zásobníků LPG akustickou emisí v Rakousku, navázány kontakty s TÜV Österreich a distributory LPG v České republice. Po schválení metody akustické emise pro kontrolu zásobníků na LPG v ČR v roce 1998 byla s TÜV Österreich podepsána dohoda o spolupráci a zakoupena licence metodiky provádění kontrol. Rovněž byly zahájeny práce na konstrukci servisního automobilu.

(TÜV Österreich zahájil kontroly zásobníků na LPG akustickou emisí v roce 1992 po několika letech vývojových prací, kdy v rámci vývoje procedury bylo testováno cca 100 nádob /většina se známými defekty/ a výsledky monitorování AE byly ověřovány jinou NDT metodou. Do roku 1998 bylo v Rakousku takto zkontrolováno přes 3000 zásobníků na LPG.)

V roce 2001 byl servisní vůz ve Škoda JS kompletizován a vyzkoušen. V témže roce příslušní pracovníci Škoda JS získali od ITI Praha osvědčení revizního technika tlakových zařízení a certifikát TÜV Österreich o absolvování školení v Rakousku.

V létě 2002 byly v ČR zahájeny kontroly zásobníků na LPG akustickou emisí pomocí servisního vozu Škoda JS dle licence TÜV Österreich. V následujících letech spolupráce mezi Škoda JS a TÜV Österreich pokračuje dle smlouvy. Dále je doplňováno vybavení servisního vozu, aktualizován měřící software a metodika vyhodnocování.

Související

Související témata Nádoby P-B, LPG, ...