Na świecie istnieje wiele budowli i instalacji pochodzących sprzed kilkudziesięciu, a niejednokrotnie nawet kilkuset lat, które wciąż są eksploatowane. Z uwagi na dostępne wówczas materiały i technologie oraz czas ich eksploatacji nie są one tak bezpieczne, jak nowe obiekty techniczne. Czy oznacza to, że muszą być narażone na nieuchronną katastrofę? Świat inżynierii nie może pozwolić sobie na tak duże ryzyko. Jak więc chronić starsze konstrukcje?

Czy trwałość budowli, maszyny bądź urządzenia zależy tylko od właściwego projektu i wykonania? Doświadczenia inżynierskie wskazują, że na resurs sprawnej pracy wpływa o wiele więcej czynników, takich jak właściwy dobór materiału i jego jakość, selekcja odpowiednich technik połączeń konstrukcyjnych, bieżąca kontrola stanu technicznego czy właściwa obsługa. Wszelkie nieprawidłowości mogą mieć wpływ na skrócenie okresu eksploatacji oraz, co gorsza, na wystąpienie stanów awaryjnych mogących zagrażać ludzkiemu życiu, środowisku naturalnemu oraz majątkowi właściciela, a przekładając to na język ubezpieczeniowy – na wystąpienie niejednokrotnie naprawdę poważnej szkody

Czynniki emitowane przez obiekty i wywołujące bezpośrednie szkody w otoczeniu to:

• niszczące działanie sił mechanicznych,
• działanie strumieni cieplnych,
• oddziaływanie prądów elektrycznych,
• niszczące działanie promieniowania jonizującego,
• działanie substancji toksycznych,
• powodujące niszczenie organizmów żywych.

Wielkie awarie przemysłowe:

W 1989 r., w okolicach Uralu, nastąpiła eksplozja rurociągu gazu ziemnego. Wydarzyła się ona w momencie, gdy dwa pociągi osobowe, przewożące około 1200 pasażerów koleją transsyberyjską, mijały się między stacjami Aszą a Ufą w pobliżu rurociągu. W wyniku emisji gazu z rurociągu utworzyły się miejsca jego znacznym stężeniu. Źródłem zapłonu były iskry spod kół przejeżdżających pociągów. Zginęło około 645 osób, a drugie tyle doznało obrażeń. Ustalono, że w 1985 r. koparka uszkodziła rurociąg, co w ciągu kilku lat doprowadziło do znacznego rozszczelnienia rurociągu i ostatecznie do katastrofy. (o średnicy 200-300 m, czas trwania – około 20 sekund), którym towarzyszyło silne promieniowanie termiczne, gwałtowna siła podmuchu, odłamki i przemieszczające się na dużą odległość płonące krople gazu (tzw. deszcz ognia).W wyniku katastrofy zginęło około 550 osób, ponad 2 tys. odniosło ciężkie poparzenia i inne urazy, a 60 tys. mieszkańców zostało ewakuowanych. Przyczynami opisywanych katastrof i wielu innych podobnych zdarzeń są stosunkowo niewielkie uszkodzenia mechaniczne, całkowicie możliwe do zdiagnozowania. Stąd nasuwa się wniosek, że obiekty i maszyny należy bezwzględnie monitorować i utrzymywać we wzorowym stanie.

Wszystko pod kontrolą

Podstawowym zadaniem systemów monitorowania stanów obiektów technicznych jest zapewnienie możliwie największej trwałości oraz eliminacja negatywnych skutków oddziaływania na otoczenie. Sposobów na bieżącą kontrolę jest obecnie wiele. Każdy z nich ma swoje zalety, ale również i wady.

Podział metod badań:

1. Badania niszczące (DT, ang. Destructive Testing)

To rodzaje badań, w trakcie których wcześniej przygotowane próbki ulegają zniszczeniu. Należą do nich m.in.:

• statyczne próby rozciągania, zginania i ściskania,
• działanie strumieni cieplnych,
• badania twardości,
• badania metalograficzne,
• badania składu chemicznego.

Największą wadą badań niszczących jest konieczność pobrania próbki z badanego obiektu, a w konsekwencji potrzeba uzupełnienia ubytku, co nie zawsze jest możliwe ze względów użytkowych lub technicznych (niekiedy pobranie próbki z obiektu może doprowadzić do pogorszenia jego stanu i to w sposób zagrażający dalszemu bezpiecznemu użytkowaniu).

2. Badania nieniszczące (NDT, ang. Non-Destructive Testing)

Pozwalają na ocenę stanu obiektu bez konieczności mechanicznej ingerencji w strukturę oraz dokonywanie na tej podstawie prognozy dotyczącej jego trwałości, oceny jakości wykonania oraz bezpiecznego użytkowania. Największą przewagą NDT nad DT jest możliwość przeprowadzenia testu na każdym etapie użytkowania (również pod obciążeniem), a nawet wytwarzania konstrukcji. Badania NDT charakteryzują się tym, że nie wpływają na właściwości wytrzymałościowe i eksploatacyjne sprawdzanych obiektów, a podczas testów kontrolowana część nie ulega zniszczeniu. Wśród badań nieniszczących wymienia się m.in.:

• badania magnetyczne,
• badania radiograficzne,
• badania ultradźwiękowe.

Jedną z metod badań nieniszczących jest badanie emisji akustycznej AE (ang. Acoustic Emission). Metoda ta została uwzględniona w normie PN-EN 473:2002, a opisana i zdefiniowana w PN-EN 1330-9:2002 i PN-EN 13554:2004.

Na czym polega emisja akustyczna?

Emisja akustyczna definiowana jest jako zjawisko spontanicznej lub wymuszonej naprężeniami generacji fal sprężystych. Inaczej mówiąc, emisja akustyczna jest zanikającą falą sprężystą, wywołaną przez gwałtowne wyzwolenie energii nagromadzonej w materiale przez propagujące się mikrouszkodzenia (wzrost mikroszczelin, ruch grup defektów struktury krystalicznej). Pojęcie materiału należy przy tym rozumieć bardzo szeroko, począwszy od gruntu, górotworu (np. węgiel), materiałów stosowanych w budownictwie (beton, szkło), po stopy metali i kompozyty z tworzyw sztucznych. Każdy element wykonany z takich materiałów konstrukcyjnych posiada pierwotny lub nabyty podczas montażu bądź eksploatacji niejednorodny rozkład energii sprężystej oraz pewien poziom defektów struktury, a nawet mikro- i makrouszkodzeń. Jeśli pojawi się zewnętrzna przyczyna zaburzająca ten stan, to nastąpi wyzwolenie porcji energii sprężystej i emisja zanikających fal sprężystych w jednym lub wielu miejscach materiału. Metoda badań emisji akustycznej opiera się na pomiarach drgań i dźwięków generowanych przez badany obiekt, a ściślej rzecz biorąc, przez materiał, z którego jest wykonany. Przyczyną powodującą zmiany stanu równowagi materiału może być np. zmiana naprężenia, temperatury, odkształcenie plastyczne, rozprzestrzenianie się pęknięć, erozja, uderzenia, wycieki, ale również postępujący proces korozji czy nawet bombardowanie strumieniem cząstek. Zaistnienie emisji akustycznej wywołanej stanami zaburzającymi równowagę w materiale należy uznać za sygnał degradacji własności danego elementu konstrukcji. Pierwszym przypadkiem zastosowania emisji akustycznej jako metody diagnostyki konstrukcji było badanie silników rakiet Polaris w latach 60. XX wieku. Badanie rakiet, wykorzystywanych przez amerykańskie atomowe okręty podwodne jako pociski batalistyczne, miało na celu wyeliminowanie wadliwych egzemplarzy. Intensywny rozwój metody nastąpił w połowie lat 70. XX wieku. Związany był z opracowaniem wielokanałowych procesorów, umożliwiających śledzenie wielu parametrów emisji akustycznej z równoczesnym precyzyjnym pomiarem czasu, co pozwalało na lokalizację źródła fal oraz ocenę jego aktywności. Końcowe lata XX wieku przyniosły dalszy rozwój metody. Oprogramowanie udoskonalono wówczas o funkcję klasyfikacji wykrywanych uszkodzeń. W ostatnich latach skupiono się natomiast nad doskonaleniem metod analizy pomiarów.

Badanie emisji akustycznej AE (ang. Acoustic Emission) jest jedną z metod badań nieniszczących, tj. pozwalających na ocenę stanu obiektu bez konieczności mechanicznej ingerencji. Metoda ta została uwzględniona w normie PN-EN 473:2002, a opisana i zdefiniowana w PN-EN 1330- 9:2002 i PN-EN 13554:2004.

Jak słuchać?
Zasady badań metodą emisji akustycznej opierają się na nowoczesnej wiedzy z dziedziny materiałoznawstwa. Badanie AE polega na rejestracji fal sprężystych poprzez czujniki piezoelektryczne, które przetwarzają odkształcenie wywołane falą sprężystą na sygnał elektryczny przesyłany do systemu pomiarowego. Wizualizacja danych w czasie prowadzenia pomiaru oraz zapis danych na dysku, które następnie można poddać analizie, możliwa jest dzięki oprogramowaniu systemu AE. Lokalizacja źródła emisji akustycznej odbywa się zaś przy zastosowaniu kilku czujników. Polega na pomiarze różnicy czasu dojścia fal do poszczególnych czujników przy jednoczesnym pomiarze takich parametrów fali, jak amplituda szczytowa, energia, czas narastania i czas trwania. Niezbędna jest również wtedy informacja o medium, w którym rozchodzi się fala. Czujniki instalowane są na badanym obiekcie najczęściej za pomocą uchwytów magnetycznych, a ich rozstaw dochodzi do kilku metrów.

Metoda ceniona na świecie
Monitoring stanu technicznego obiektów metodą emisji akustycznej jest alternatywą w sytuacjach, w których inne metody diagnostyki nastręczają trudności natury organizacyjnej bądź technicznej. Wyobraźmy sobie przeprowadzenie tradycyjnymi metodami badania zbiornika o dużej objętości (3,6 tys. m3 przy średnicy 19 m), w którym magazynowany jest półprodukt wykorzystywany w dalszym etapie procesu produkcyjnego. Przed przystąpieniem do testów zbiornik musi zostać opróżniony, co oznacza wstrzymanie procesu na cały czas badań. Przeprowadzenie wizji wnętrza zmusza również do zapewnienia badaczowi bezpiecznej atmosfery. Badanie tego samego zbiornika metodą emisji akustycznej może zostać przeprowadzone podczas normalnej eksploatacji, bez specjalnego przygotowania samego zbiornika, co nie generuje strat wynikających z wstrzymania produkcji. Nie występuje również zagrożenie dla człowieka wynikające z konieczności przebywania w zbiorniku, co ma miejsce w metodach tradycyjnych. Tradycyjne metody badań nieniszczących charakteryzują się dużą czasochłonnością prac przygotowawczych oraz, co ważniejsze, nie dają możliwości rozpoznania i określenia defektów, które rozwijają się w czasie rzeczywistych obciążeń eksploatacyjnych.

Zalety badania metodą emisji akustycznej:

• możliwość badań szerokiego zakresu materiałów, dużych fragmentów i całych konstrukcji;
• bieżący monitoring stanu badanego obiektu pozwalający na podjęcie działań, które zapobiegną awarii;
• dostępność wyników pomiarów w stosunkowo krótkim czasie.

Podstawowym zadaniem systemów monitorowania stanów obiektów technicznych jest zapewnienie możliwie największej trwałości oraz eliminacja negatywnych skutków oddziaływania na otoczenie.

Metoda AE szczególnie przydatna jest w badaniach trudno dostępnych konstrukcji stalowych, takich jak rurociągi biegnące pod powierzchnią lub na dnie rzeki, słupy wysokiego napięcia, mosty i wiadukty. Emisja akustyczna jest nie tylko nowoczesną, ale i miarodajną metodą diagnostyki, zwłaszcza biorąc pod uwagę intensywny rozwój oprzyrządowania elektronicznego oraz systemów analitycznych w ostatnich latach. Świadczyć może o tym wykorzystywanie oraz uznawanie tej metody przez cenione instytucje, takie jak Tüv Austria czy Urząd Dozoru Technicznego.

Możliwości wykrywania sygnałów poza strefą przetwornika, lokalizacji źródła oraz wykonania badań w trakcie eksploatacji urządzeń sprawiają, że obecnie metoda ta jest uznawana na świecie za odpowiednią do badań okresowych dużych urządzeń (m.in. w przemyśle chemicznym i petrochemicznym). Uzupełnia się również bardzo dobrze z innymi metodami badań nieniszczących. Metoda AE jest stosowana do oceny stanu konstrukcji przez wiele ośrodków badawczych zarówno w kraju, jak i za granicą.

W Polsce na skalę przemysłową emisja akustyczna stosowana jest m.in. przez Laboratorium Badań Stosowanych WM Politechniki Krakowskiej oraz Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej. Oba ośrodki posiadają w tej dziedzinie wieloletnie doświadczenie.

Metoda badań AE ma jednak także wady i nie w każdym przypadku jest najlepszym sposobem diagnostyki stanu obiektów technicznych. Procesy generujące sygnały AE towarzyszą tylko uszkodzeniom czynnym, czyli takim, które powstają lub rozwijają się w warunkach panujących podczas prowadzenia pomiaru. Sygnały emisji akustycznej nie są generowane przez defekty, które fizycznie są obecne w obiekcie, lecz nie występuje proces ich rozwoju. Tym samym w warunkach pomiaru nie są one identyfikowane jako zagrożenia dla konstrukcji. Receptą na wyeliminowanie tej niedoskonałości jest poddawanie badanego obiektu ciągłej diagnostyce. Nie w każdym jednak przypadku takie rozwiązanie będzie trafne z punktu widzenia ekonomicznego.

Mimo wspomnianych niedogodności, AE jest obecnie jedną z najbardziej atrakcyjnych metod badań nieniszczących wybranych fragmentów czy całych konstrukcji. W sytuacjach, w których nie daje się skutecznie wykorzystać jako podstawowe źródło danych o stanie obiektów, stanowi doskonałe uzupełnienie innych metod badań. Pozwala precyzyjnie określić występowanie i rozmiary defektów konstrukcji, dając mocne podstawy do zidentyfikowania ryzyka oraz jego adekwatnej oceny, ale przede wszystkim umożliwia podjęcie we właściwym czasie odpowiednich środków zaradczych.

About the author

Tagi: ,

POLECANE DLA CIEBIE

TAGI