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Pipe integrity is a central concern regarding technical safety, availability, and environmental compliance of industrial plants and pipelines. A condition monitoring system that detects and localizes threats in pipes prior to occurrence of actual structural failure, e.g., leakages, especially needs to target transient events such as impacts on the pipe wall or pressure waves travelling through the medium. In the present work, it is shown that fiber-optic distributed acoustic sensing (DAS) in conjunction with a suitable application geometry of the optical fiber sensor allows to track propagating acoustic waves in the pipeline wall on a fast time-scale. Therefore, short impacts on the pipe may be localized with high fidelity. Moreover, different acoustic modes are identified, and their respective group velocities are in good agreement with theoretical predications. In another set of experiments modeling realistic damage scenarios, we demonstrate that pressure waves following explosions of different gas mixtures in pipes can be observed. Velocities are verified by local piezoelectric pressure transducers. Due to the fully distributed nature of the fiber-optic sensing system, it is possible to record accelerated motions in detail. Therefore, in addition to detection and localization of threatening events for infrastructure monitoring, DAS may provide a powerful tool to study the development of gas explosions in pipes, e.g., investigation of deflagration-to-detonation-transitions (DDT).
The feasibility study „AGIFAMOR. Ageing infrastructures – distributed acoustic monitoring of pipes” is an interdisciplinary research project at BAM internally financed from 2015 to 2018. Therefore, the quite young fibre optic sensing technology of distributed acoustic sensing (DAS) was investigated to possibly be extended towards a global condition monitoring system for pipelines operating in real time.
DAS is a highly dynamic fibre optic sensing technology based on the method of coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR). DAS allows capturing strain changes in the range of kHz. For the experimental work, the most suitable application yielding an optimum sensitivity was proven by wrapping a standard single-mode silica fibre around the pipe.
The DAS sensitivity was investigated regarding the detection of 1) incidents that initiate propagation of acoustic waves in the pipe wall, 2) changes inside the pipeline causing altered flow and 3) damage development in the pipe wall. Therefore, several testing setups in laboratory as well as in real scale were realized. For comparison purposes, experiments were accompanied by acoustic emission analyses and by measurements with accelerometers.
DAS was found to be very sensitive to gas ignition and its propagation across the pipe. Furthermore, the ability of DAS to detect and localize acoustic signals associated with pipeline leakage was demonstrated. The detection of crack formation and propagation within the pipe wall by means of DAS was studied during bending tests on several pipe segments, but was not proven so far with certainty. As expected, these studies turned out as the most difficult challenge due to the random occurrence and transient nature of microscopic damage phenomena.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing - DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen verwendet werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien
Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die unterschiedlichen Messverfahren und deren spezifischen Einsatz im Rahmen des Projektes eingegangen werden.
In the presented work, the potential of fiber-optic distributed acoustic sensing (DAS) for detection of small gas pipeline leaks (<1%) is investigated. Helical wrapping of the sensing fiber directly around the pipeline is used to increase the system sensitivity for detection of weak leak-induced vibrations. DAS measurements are supplemented with reference accelerometer data to facilitate analysis and interpretation of recorded vibration signals. The results reveal that a DAS system using direct fiber application approach is capable of detecting pipeline natural vibrations excited by the broadband noise generated by the leaking medium. In the performed experiment, pipeline vibration modes with acceleration magnitudes down to single ug were detected. Simple leak detection approach based on spectral integration of time-averaged DAS signals in frequency domain was proposed. Potential benefits and limitations of the presented monitoring Approach were discussed with respect to its practical applicability. We demonstrated that the approached is potentially capable of detection and localization of gas pipeline leaks with leak rates down to 0.1% of the pipeline flow volume and might be of interest for monitoring of short- and medium-length gas pipelines.
Austenitic stainless steel welds as well as dissimilar metal welds with nickel alloy filler material, used in safety relevant parts of nuclear power plants, still challenge the ultrasonic inspection. The weld material forms large oriented grains which lead on the one hand to high sound scattering and on the other hand – to inhomogeneity and to the acoustic anisotropy of the weld structure. The ultrasonic wave fronts propagate not linearly, as in ferritic weld joints, but along the curves, which depend on the specific grain structure of the weld. Due the influence of these phenomena, it is difficult to analyze the inspection results and to classify the ultrasonic indications, which could be both from the weld geometry and from the material defects. A correct flaw sizing is not possible.
In an ongoing research project, different techniques to improve the reliability of ultrasonic testing at these kinds of welds are investigated. In a first step (in the previous research project) two ultrasonic inspection techniques were developed and validated on plane test specimens with artificial and realistic flaws. In the ongoing project, these techniques are applied to circumferential pipe welds with longitudinal and transverse flaws.
The technique developed at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in Germany uses a combination of ray tracing and synthetic aperture focusing technique (SAFT). To investigate the unknown grain structure, the velocity distribution of weld-transmitting ultrasound waves is measured and used to model the weld by ray tracing.
The second technique, developed at the Fraunhofer Institute for Nondestructive Testing (IZFP) in Germany, uses Sampling Phased Array (Full Matrix Capture) combined with the reverse phase matching (RPM) and the gradient elastic constant descent algorithm (GECDM). This inspection method is able to estimate the elastic constants of the columnar grains in the weld and offers an improvement of the reliability of ultrasonic testing through the correction of the sound field distortion. The unknown inhomogeneity and anisotropy are investigated using a reference indication and the special optimization algorithm.
Both reconstruction techniques give quantitative inspection results and allow the defect sizing. They have been compared to conventional ultrasonic testing with techniques, which are state of the art for components in nuclear power plants. The improvement will be quantified by the comparison of the probability of detection (POD) of each technique.
The monitoring of oil and gas pipelines by means of distributed fibre optic sensors is becoming common. The most recent development in the field of fibre optic sensing is the distributed acoustic sensing (DAS), which allows to detect and to localize third party threats to pipelines. For this purpose, fibre optic telecommunication cables located close to the pipelines are usually used. However, DAS carries a far greater potential for continuous condition monitoring of pipelines.
The interdisciplinary research project AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes) at BAM investigates a new technical approach to extend the application field of DAS towards the detection and localization of acoustic signals that indicate critical alterations and certain damage scenarios originated from within the pipeline or the pipe wall. Therefore, the optical fibre sensors are applied onto the pipe itself and the application procedure towards an optimal acoustic signal transduction is optimized.
A number of laboratory scale experiments were performed focusing on the signal transmission of acoustic signals as well as the detection of damages in the pipe wall by means of DAS. Furthermore, real-scale tests on a pipeline DN100 of 38m length have been carried out at the BAM test site for technical safety (BAM-TTS) to study the detection and localization of leaks and of changing flow profiles due to corrosion or sedimentation processes.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing – DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen eingesetzt werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die Hauptschadensursachen an Rohrleitungen, den Versuchsstand zur mechanischen Belastung von Rohren sowie die Möglichkeiten zu Untersuchungen im Realmaßstab eingegangen werden.
Die zerstörungsfreie Prüfung von austenitischen Mischnähten, wie sie beispielsweise im Primärkreislauf von Kernkraftwerken vorkommen, stellt besondere Anforderungen an die eingesetzte Ultraschallprüfung. Voraussetzung für die positions- und größenrichtige Darstellung von Bauteilfehlern, insbesondere bei bildgebenden Ultraschallverfahren, ist die genaue Kenntnis der Materialparameter auf dem gesamten Schalllaufweg vom Sender zum Empfänger. Im Rahmen eines Forschungsprojekts entwickeln wir ein zerstörungsfreies, inverses Verfahren, das die Schweißnahtparameter entsprechend des Ogilvy-Modells aus der Schallschnelleverteilung bestimmt, die eine Longitudinalwelle an der Oberfläche erzeugt, nachdem sie durch die Schweißnaht gelaufen ist.
Verbesserung und Qualifizierung der Ultraschallprüfung von Mischnähten im Primärkreis von KKW
(2017)
Die im Primärkreislauf von Kernkraftwerken anzutreffenden austenitischen Schweiß- und Mischnähte sind nicht nur extrem sicherheitsrelevant, sondern stellen auch sehr hohe Anforderungen an die Materialprüfung. Neben der eingeschränkten Zugänglichkeit ist das makroskopische Gefüge der Schweißnaht für die Prüfung mit Ultraschall von höchster Bedeutung.
Um Materialfehler zuverlässig in Position und Größe bestimmen zu können, müssen die Kornorientierungen und die elastischen Konstanten des anisotropen Schweißnahtgefüges bekannt sein. Für die bildgebende Darstellung möglicher Materialfehler kommen folgende Arbeitsschritte zum Einsatz: Zunächst wird die Schweißnaht durchschallt, um mit einem inversen Verfahren wichtige Schweißnahtparameter wie beispielsweise die Kornorientierung bestimmen zu können. Auf der Basis dieser Parameter werden im nächsten Schritt die Schallwege mittels Raytracing (RT) simuliert. Zuletzt werden dieser RT-Simulation die Messdaten (A-Scans) von verschiedenen Sender- und Empfängerpositionen zugeordnet und nach der SAFT-Methode (Synthetic Aperature Focusing Technique) zeitaufgelöst überlagert. Die Kombination aus inversem Verfahren, RT und SAFT gewährleistet auch in anisotropen Werkstoffen eine ortsrichtige Visualisierung der Fehler.
Wir erläutern diese drei Verfahren und stellen die Prüfanordnung von Prüfkörpern mit künstlichen Testfehlern vor. Messdaten sowie deren Auswertung werden mit den Ergebnissen einer CIVA-Simulation verglichen.
In der Prozessindustrie werden häufig gefährliche Stoffe eingesetzt, so dass auch kleinste Leckagen der medienführenden Anlagenteile zu Gefährdungen der Arbeitnehmer sowie zur Belastung der Umwelt führen können. Für die Gewährleistung einer dauerhaften Verfügbarkeit der Infrastruktur ist die frühzeitige Erkennung und Ortung von potentiell gefährlichen Veränderungen an den Wandungen von Rohrleitungen und Behältern (in Form von Rissen, Pittings und Ablagerungen) erforderlich. Am Beispiel von Rohrleitungen, sollen im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), im Sinne einer Machbarkeitsstudie die Verfahren der verteilten akustischen und faseroptischen Sensorik zur kontinuierlichen Überwachung und Detektion potentiell gefährlicher Veränderungen in Industrieanlagen erprobt und qualifiziert werden. Dabei sollen die Applikation der optischen Sensorfasern hinsichtlich der Signalübertragung auf den Sensor optimiert und die Erkennung der für dieses Anwendungsgebiet relevanten Schallsignaturen entwickelt werden. Mithilfe eines solchen Messsystems können mit geringem Aufwand ausgedehnte Strukturen, auch unter erschwerten Bedingungen (z.B. hohe Temperatur, Einfluss von Chemikalien) kontinuierlich überwacht werden.