Badania metodą emisji akustycznej w UDT

Ireneusz Baran, Marek Nowak, Tomasz Dunaj (UDT)

Centralne Laboratorium Dozoru Technicznego w Poznaniu dysponuje zestawem do badań metodą emisji akustycznej firmy Vallen
Systeme GmbH (jednego z wiodących producentów w świecie). 

Przewóz kompletnego wyposażenia badawczego, w tym nowoczesnej aparatury pomiarowej (wielokanałowy system pomiarowy AMSY-6), do badań w terenie możliwy jest dzięki wyposażonemu w aparaturę samochodowi ze specjalistyczną zabudową. Służy on jako Mobilne Laboratorium – Emisja Akustyczna.

Aparatura UDT w Mobilnym Laboratorium umożliwia badanie w warunkach przemysłowych zarówno małych, jak i dużych urządzeń,
takich jak: zbiorniki magazynowe (dna i płaszcze zbiorników), urządzenia ciśnieniowe (zbiorniki, reaktory, kolumny, rurociągi
technologiczne itp.). Z uwzględnieniem specyfiki branży chemicznej, petrochemicznej czy gazowniczej wykorzystywane są czujniki
do pracy w strefie zagrożenia wybuchem (II 1G Ex ia IIC T6 Ga).

Dotychczasowe doświadczenia UDT, jak również praktyka wykorzystania metody AE potwierdzają skuteczność i przydatność stosowania tej metody do oceny stanu technicznego różnych urządzeń. Metoda ta pozwala na ujawnienie uszkodzeń na wczesnym etapie ich występowania, a jednocześnie na objęcie badaniem dużych obiektów przemysłowych. W wielu przypadkach metoda AE stanowi jedną z kilku wykorzystywanych metod do oceny stanu technicznego danego urządzenia.

Pracownicy UDT od wielu lat uczestniczą w działaniach związanych z badaniami AE, m.in. w tematycznych konferencjach międzynarodowych czy jako członkowie European Working Group on Acoustic Emission (EWGAE). Obecnie w CLDT działa silny zespół ekspertów z bardzo dużym doświadczeniem, wiedzą i kwalifikacjami (AT2 i AT3), którzy wykonują badania urządzeń technicznych jedną z nowoczesnych i zaawansowanych metod nieniszczących (NDT), jaką jest metoda emisji akustycznej (AE, ang. Acoustic Emission – emisja akustyczna, zgodnie z PN-EN 1330-9, badanie AT, ang. Acoustic Emission Testing, zgodnie z PN-EN ISO 9712).

Dlaczego emisja akustyczna

W 2015 r. w Urzędzie Dozoru Technicznego wdrożono metodę emisji akustycznej. Metoda emisji akustycznej (AE) zaliczana jest do grupy badań nieniszczących (NDT). W odróżnieniu od najczęściej stosowanych metod NDT (badania: wizualne, penetracyjne, magnetyczno-proszkowe, ultradźwiękowe, radiograficzne), dla których wykorzystuje się różnego rodzaju odziaływania z nieciągłościami, metoda emisji akustycznej, jako metoda pasywna, nie wpływa na stan urządzenia (nie emituje sygnałów), jedynie rejestruje zjawiska fizyczne samoistnie powstające w badanym obiekcie. W trakcie badania emisją akustyczną urządzeń
wykrywamy nieciągłości „aktywne”, tzn. takie, które w określonych warunkach pracy będą przejawiały tendencję do rozwoju. Jest to
kolejny ważny czynnik wyróżniający badania emisji akustycznej od ww. metod NDT.

W trakcie badań emisji akustycznej można wykonać badanie danego fragmentu urządzenia, ale niewątpliwie największą zaletą badań emisji akustycznej w odróżnieniu od powszechnie stosowanych metod NDT jest możliwość badania 100 proc. objętości danego obiektu. Badania emisji akustycznej pozwala ujawnić: pęknięcie materiału, procesy korozyjne, wycieki/nieszczelności, odkształcenia plastyczne. Emisja akustyczna stosowana jest głównie do badań urządzeń ciśnieniowych, rurociągów, zbiorników magazynowych, innych konstrukcji, np. suwnic.

Emisja akustyczna jest jedną z metod badań nieniszczących (NDT), w której personel podlega certyfikacji zgodnie z normą PN-EN ISO 9712:2012 „Badania nieniszczące. Kwalifikacja i certyfikacja personelu NDT”, a której podstawy opisano i zdefiniowano w PN-EN 1330-9:2009 „Badania nieniszczące. Terminologia. Część 9: Terminy stosowane w badaniach emisją akustyczną” i PN-EN 13554:2011 „Badania nieniszczące. Emisja akustyczna. Zasady ogólne”. Zgodnie z definicją w ww. normach termin emisji akustycznej jest stosowany w przypadku chwilowych fal sprężystych wywołanych przez wyzwolenie energii w materiale
lub przez proces. 

W zakresie słyszalnych częstotliwości dźwięku, tj. od 16 Hz do 20 kHz, emisja akustyczna jako zjawisko znana była od wieków. Do
dnia dzisiejszego, zwiedzając kopalnie posiadające trasy turystyczne, można zauważyć stosowane od wieków rozwiązanie, w którym jako „czujników” użyto drewnianych stempli, które trzeszcząc pod naporem górotworu, ostrzegały górników przed potencjalnym zagrożeniem zawałem. Szybki rozwój metody AE, znanej dzisiaj, rozpoczął się w połowie ubiegłego wieku.

Zalety metody AE:

• możliwość globalnej inspekcji dużych elementów i konstrukcji – możliwość badania i monitorowania całego obiektu,
• możliwość lokalizacji źródła sygnałów AE generowanych przez wady/uszkodzenia,
• możliwość prowadzenia badań ciągłych,
• możliwość monitorowania procesów w czasie i miejscu ich występowania.

ograniczenia metody AE:

• podatność na zakłócenia,
• wpływ historii obciążania na możliwość realizacji badania,
• tłumienie fal AE wraz z propagacją,
• konieczność występowania bodźca zewnętrznego

W przypadku badań metodą AE typowych urządzeń ciśnieniowych lub płaszczy zbiorników magazynowych fala AE propaguje od źródła bezpośrednio w materiale (metalu) i przetwarzana jest na sygnał AE przez czujniki rozmieszczone na powierzchni ścianki badanego urządzenia i dalej sygnał AE rejestrowany i przetwarzany jest przez system pomiarowy AE. W tym przypadku emisja akustyczna w postaci fal sprężystych generowana jest przez powierzchniowe i wewnętrzne nieciągłości w materiale ścianki, spoinach i elementach badanego urządzenia, podlegających działaniu bodźca w postaci obciążenia (np. ciśnienia) w trakcie badania, a co jest wynikiem wyzwolenia energii w materiale.

W przypadku badania metodą AE den zbiorników magazynowych fala AE propaguje od źródła na dnie poprzez magazynowaną w nim ciecz (np. ropę naftową) do ścianki zbiornika, gdzie są rozmieszczone czujniki na jego powierzchni zewnętrznej na całym obwodzie według odpowiedniego schematu, a następnie sygnał AE rejestrowany i przetwarzany jest przez system pomiarowy AE. Dla takiego przypadku emisja akustyczna w postaci fal sprężystych generowana jest przede wszystkim przez procesy korozyjne materiału (metalu) dna i (lub) przecieki w dnie, jak również dodatkowo przez powierzchniowe i wewnętrzne nieciągłości
w materiale dna i (lub) pękania produktów korozji, gdzie przyłożonymi bodźcami są maksymalne robocze napełnienie badanego zbiornika (obciążenie) i agresywne środowisko korozyjne.

Wyżej wymienione badania zasadniczo różnią się od siebie, zarówno metodyką pomiarową, jak i zakresem oraz celem. Badanie dna zbiornika magazynowego ma przede wszystkim na celu wykrycie i zlokalizowanie źródeł AE powodowanych aktywnymi procesami korozyjnymi i (lub) przeciekami. Natomiast badanie urządzenia ciśnieniowego lub płaszcza zbiornika magazynowego ma na celu wykrycie i zlokalizowanie źródeł AE generowanych przez powierzchniowe i wewnętrzne nieciągłości w spoinach i elementach ścianek badanego urządzenia.

Rys. 2. Czujnik zamocowany na badanym rurociągu technologicznym, widoczna również walizka transportowa z czujnikami
wyposażonymi w różne typy uchwytów magnetycznych

Badanie urządzeń ciśnieniowych

Badanie emisją akustyczną (AT) urządzeń ciśnieniowych wykonuje się zgodnie z wymaganiami dotyczącymi zastosowania metody AE zawartymi w normach i specyfikacji:

• PN-EN 13554:2011 „Badania nieniszczące. Emisja akustyczna. Zasady ogólne”,
• PN-EN 14584:2013-07 „Badania nieniszczące. Emisja akustyczna. Sprawdzenie metalowych urządzeń ciśnieniowych podczas próby odbiorczej. Planarna lokalizacja źródeł AE”,
• ASME BPVC.V-2017, Article 12 „Acoustic emission examination of metallic vessels during pressure testing”, oraz w normach związanych, które zostały w nich wykazane. 

Badanie metodą emisji akustycznej (AE) obejmuje zlokalizowanie i określenie klasy źródeł sygnałów emisji akustycznej generowanych przez powierzchniowe i wewnętrzne wady w ściankach, połączeniach i elementach płaszcza badanego urządzenia, podlegających działaniu obciążenia w trakcie badania. Klasyfikację aktywności źródła AE według normy PN-EN 13554:2011, jak również zawartej w normie PN-EN 14584:2013-07 przedstawiono w tabeli nr 1.

Badanie den zbiorników magazynowych

Badanie emisją akustyczną (AT) den zbiorników magazynowych wykonuje się zgodnie z wymaganiami dotyczącymi zastosowania
metody AE zawartymi w normach:

• PN-EN 13554:2011 „Badania nieniszczące. Emisja akustyczna. Zasady ogólne”,
• PN-EN 15856:2010 „Badania nieniszczące. Emisja akustyczna. Zasady ogólne badania AE przy wykrywaniu korozji w metalowym otoczeniu wypełnionym cieczą”,
• PN-EN ISO 18081:2016-08 „Badania nieniszczące. Emisja akustyczna. Wykrywanie nieszczelności z wykorzystaniem emisji akustycznej”, oraz w normach związanych.

Badanie AT den zbiorników magazynowych na materiały ciekłe obejmuje zlokalizowanie w dnie zbiornika i strefie przyściennej zbiornika, bezpośrednio stykających się z magazynowanym materiałem, źródeł AE powodowanych procesami korozyjnymi (według PN-EN ISO 8044:2002 „Korozja metali i stopów – Podstawowe terminy i definicje”) lub przeciekami oraz ich ocenę dla potrzeb klasyfikacji stanu technicznego zbiornika.

Klasyfikację jakościową zbiorników magazynowych zgodną z zaleceniami normy PN-EN 15856:2010 oraz systemem klasyfikacji zbiorników, opartym o europejski system klasyfikacji zbiorników magazynowych, przedstawiono w tabeli nr 2.

Przykłady

Poniżej przedstawiono przykłady wykorzystania metody AE do badania różnych urządzeń, w których do analizy zarejestrowanych sygnałów AE zastosowano różne algorytmy lokalizujące.

Badanie dna zbiornika magazynowego przeprowadzić można z wykorzystaniem algorytmu dedykowanego do lokalizacji źródeł na dnie zbiornika. Dodatkowo do oceny źródeł wykorzystuje się aplikację umożliwiającą klasyfikację charakteru źródła. Liczba zdarzeń AE na dnie zbiornika może zostać zobrazowana na wykresie słupkowym.

Na zdjęciu poniżej (rys. 2) zaś przedstawiono badanie rurociągu technologicznego o długości około 1800 m, tu do analizy wykorzystano algorytm do lokalizacji liniowej.

Kolejnym przykładem zobrazowanym poniżej (rys. 3) jest wynik badania pionowego zbiornika ciśnieniowego. W tym przypadku wykonane badanie ujawniło występowanie źródła AE w strefie włazu zbiornika. Wynik przedstawiono w formie wizualizacji 3D. 

Rys. 3. Wizualizacja 3D – ujawniono występowanie źródła AE w strefie włazu zbiornika

Dotychczasowe doświadczenia UDT, jak również praktyka wykorzystania metody AE, potwierdzają skuteczność i przydatność stosowania tej metody do oceny stanu technicznego różnych
urządzeń.