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Rohrleitungssysteme sind aufgrund ihrer Funktion und Ausdehnung für den Betrieb, die Verfügbarkeit und die Sicherheit von Industrieanlagen von besonderer Bedeutung. Die bisher in definierten Intervallen durchgeführten, wiederkehrenden Prüfungen zur Sicherstellung leckagefreier Rohrleitungen sind kostenintensiv und mit einem erhöhten Aufwand verbunden.
Mit dem interdisziplinären Forschungsprojekt AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Akustisches Monitoring von Rohrleitungen) arbeitet die BAM an der Entwicklung und Erprobung einer örtlich und zeitlich kontinuierlichen Zustandsüberwachung von Rohrleitungen basierend auf einem faseroptischen akustischen Messsystem, welches einen vergleichsweise geringen Installationsaufwand der Sensoren erfordert. Mit diesem Verfahren sollen vor allem betriebsbedingte Schädigungen infolge von Korrosion sowie daraus entstehende Pittings oder Risse erkannt und damit Leckagen verhindert werden.
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie zum Teilaspekt „Detektion von Risswachstum“ wurde ein 2,5 m langes, definiert vorgekerbtes Stahlrohr mit der faseroptischen Sensorik (FOS) ausgestattet und quasistatisch unter 4-Punkt-Biegung belastet. Mit fortschreitender Belastung wächst, ausgehend vom vorhandenen Außenumfangskerb, ein Riss im Stahlrohr bis zum Erreichen der Leckage – in der Praxis ein gefährliches Schadensszenario.
Parallel zur FOS erfolgten Messungen mit Schallemissionssensoren, Beschleunigungssensoren und Potentialsonden, deren Ergebnisse die Interpretation der FOS-Messergebnisse unterstützen sollen.
Rohrleitungssysteme sind aufgrund ihrer Funktion und Ausdehnung für den Betrieb, die Verfügbarkeit und die Sicherheit von Industrieanlagen von besonderer Bedeutung. Die bisher in definierten Intervallen durchgeführten, wiederkehrenden Prüfungen zur Sicherstellung leckagefreier Rohrleitungen sind kostenintensiv und mit einem erhöhten Aufwand verbunden.
Mit dem interdisziplinären Forschungsprojekt AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Akustisches Monitoring von Rohrleitungen) arbeitet die BAM an der Entwicklung und Erprobung einer örtlich und zeitlich kontinuierlichen Zustandsüberwachung von Rohrleitungen basierend auf einem faseroptischen akustischen Messsystem, welches einen vergleichsweise geringen Installationsaufwand der Sensoren erfordert. Mit diesem Verfahren sollen vor allem betriebsbedingte Schädigungen infolge von Korrosion sowie daraus entstehende Pittings oder Risse erkannt und damit Leckagen verhindert werden.
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie zum Teilaspekt „Detektion von Risswachstum“ wurde ein 2,5 m langes, definiert vorgekerbtes Stahlrohr mit der faseroptischen Sensorik (FOS) ausgestattet und quasistatisch unter 4-Punkt-Biegung belastet. Mit fortschreitender Belastung wächst, ausgehend vom vorhandenen Außenumfangskerb, ein Riss im Stahlrohr bis zum Erreichen der Leckage – in der Praxis ein gefährliches Schadensszenario.
Parallel zur FOS erfolgten Messungen mit Schallemissionssensoren, Beschleunigungssensoren und Potentialsonden, deren Ergebnisse die Interpretation der FOS-Messergebnisse unterstützen sollen.
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.
Pipelines and industrial piping systems are particularly relevant regarding technical safety, availability and maintenance. Large flow rates of hazardous substances imply that even smallest leakages can lead to high environmental impacts. Therefore, and to ensure the availability of infrastructure, an early detection and localization of potentially hazardous degradations to the walls (e.g. cracks, pittings, sedimentation, etc.) of the containments is necessary. However, in many cases it is not feasible to equip pipelines with a large number of point sensors at reasonable expense.
The principle of distributed fibre optic sensing relies on one single optical fibre, which simultaneously acts as a spatially continuous sensor as well as the signal transducer. Therefore, extensive structures can be provided with this type of sensor with comparatively low efforts.
As a consequence, monitoring oil and gas pipelines using distributed fibre optic sensors is on the upswing. Besides the established methods to measure temperature and strain, distributed acoustic sensing (DAS) has lately received considerable attention as a means to detect and localize third party threats to pipelines (approach of vehicles, digging, mechanical manipulation).
The so far not utilized potential of DAS as a means for continuous condition monitoring of pipes by detecting and localizing acoustic signals that point to certain damage scenarios, is currently under investigation in an interdisciplinary research project at BAM (AGIFAMOR, Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes).
In order to qualify distributed acoustic fibre optic sensors for this application area, we especially focus on detecting and identifying the relevant acoustic emissions of interesting degradations as well as on the optimal way of application of the optical fibres to the specimen to achieve an optimal signal transmission of acoustic signals.
Pipelines and industrial piping systems are particularly relevant regarding technical safety, availability and maintenance. Large flow rates of hazardous substances imply that even smallest leakages can lead to high environmental impacts. Therefore, and to ensure the availability of infrastructure, an early detection and localization of potentially hazardous degradations to the walls (e.g. cracks, pittings, sedimentation, etc.) of the containments is necessary. However, in many cases it is not feasible to equip pipelines with a large number of point sensors at reasonable expense.
The principle of distributed fibre optic sensing relies on one single optical fibre, which simultaneously acts as a spatially continuous sensor as well as the signal transducer. Therefore, extensive structures can be provided with this type of sensor with comparatively low efforts.
As a consequence, monitoring oil and gas pipelines using distributed fibre optic sensors is on the upswing. Besides the established methods to measure temperature and strain, distributed acoustic sensing (DAS) has lately received considerable attention as a means to detect and localize third party threats to pipelines (approach of vehicles, digging, mechanical manipulation).
The so far not utilized potential of DAS as a means for continuous condition monitoring of pipes by detecting and localizing acoustic signals that point to certain damage scenarios, is currently under investigation in an interdisciplinary research project at BAM (AGIFAMOR, Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes).
In order to qualify distributed acoustic fibre optic sensors for this application area, we especially focus on detecting and identifying the relevant acoustic emissions of interesting degradations as well as on the optimal way of application of the optical fibres to the specimen to achieve an optimal signal transmission of acoustic signals.
Im Vortrag werden zunächst die zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien und technologischen Grundlagen von faseroptischer Sensorik, insbesondere verteilter faseroptischer akustischer Sensorik (DAS) präsentiert und die Vorzüge und Besonderheiten dieser neuen Sensorik für das Zustandsmonitoring diskutiert. Im Anschluß werden einige Anwendungen von DAS für das Infrastrukturmonitoring dargestellt. Im zweiten Teil werden die laufenden Forschungsaktivitäten der BAM zum Thema fasersensorischer Überwachung von Rohrleitungen mittels DAS fokussiert, das Projekt AGIFAMOR vorgestellt und bisher erlangte Ergebnisse präsentiert.
Das Themenfeldprojekt AGIFAMOR wird vorgestellt. Dabei handelt es sich um eine Machbarkeitsstudie zur Zustandsüberwachung von Rohrleitungen mittels verteilter faseroptischer Sensorik. Messprinzip sowie der aktuelle Stand der verteilten, faseroptischen Sensorik im Monitoring von Rohrleitungen werden erläutert. Eine Auswahl an Untersuchungen aus dem Projekt AGIFAMOR, u.a. auch die Ergebnisse aus den Vergleichsmessungen mit Schallemissions-Messtechnik werden präsentiert.
Acoustic Emission
(2018)
Das Phänomen Schallemission (eng. Acoustic Emission, AE) ist eine Begleiterscheinung bei aktiven Mechanismen und Prozessen wie sie in Werkstoffen auftreten, die einer Belastung durch Krafteinwirkung oder durch Änderung der Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Plastische Verformung, Risswachstum, Korrosion oder der Übergang zu einer anderen Phase generieren u.a. transiente elastische Wellen, die sich im Werkstoff und an der Materialoberfläche ausbreiten. Auftretende Auslenkungen von wenigen hundert Pikometern sind mit piezo-elektrischen AE Sensoren detektierbar. Aufzeichnungsraten von bis zu 40 MHz ermöglichen dabei zeitliche Auflösungen von einigen Nano- bis Mikrosekunden. Die Dechiffrierung der detektierten Informationen ist für die Material- und Versagenscharakterisierung sowie für Anwendungen in der Struktur- oder Prozessüberwachung ein zentraler Forschungsschwerpunkt.
Nach einem kurzen Überblick zu den Grundlagen werden ausgewählte Ansätze der AE Methode vorgestellt und diskutiert:
1) AE Monitoring von Pipelines als Referenzmessung für die Entwicklung eines akustischen faseroptischen Monitorings (AGIFAMOR)
2) Schwellwertfreie AE Messung im 4-Punkt-Rohrbiegeprüfstand BAM_9.1 (AGIFAMOR)
3) Kombination von AE mit Röntgen-Mikrotomografie und die Anwendung der frequenzbasierten Mustererkennung ermöglichen eine Zuordnung von AE und Mechanismen (Ergebnisse aus dem SNSF Projekt Nr. 127'134, Baensch 2014, Diss. ETH No. 22372)
The project "SealWasteSafe" of the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM, Berlin) deals with sealing structures applied for underground disposal of nuclear waste from two perspectives: (1) material improvement for application in sealing constructions and (2) feasibility study regarding multi-sensor approaches to ensure quality assurance and long-term monitoring.
One specimen of 150 l made of alkali-activated material, which was found innovative and suitable for sealing constructions based on preliminary laboratory studies, and, for comparison purpose, another one made of salt concrete, are manufactured with an integrated multi-sensory setup for quality assurance and long-term-monitoring. The specimens were left in their cast form and additionally thermally insulated to simulate the situation in the repository. The multi-sensory concept comprises RFID technology embedded in the specimens suppling material temperature and moisture measurements, integrated fibre optic sensing allowing strain measurement and acoustic emission testing for monitoring possible crack formation. Overall, the suitability and the functionality of the sensors embedded into and attached to strongly alkaline (pH > 13 for the AAM) and salt corrosive (NaCl) environment was proven for the first 672 h.
First temperature measurement based on RFID succeeded after 626 h for the alkali-activated material and after 192 h for the conventional salt concrete. Strain measurement based on distributed fibre optic sensing turned out the alkali-activated material with > 1 mm m-1 undergoing approximately twice the compression strain as the salt concrete with strains < 0.5 mm m-1. In contrast, the acoustic emission first and single hits representing crack formation in numbers, was found for alkali-activated material half of that detected at the salt concrete.
Multi-sensory monitoring and ultrasound for quality assurance at underground sealing structures
(2023)
Within the safety concepts of underground disposal sites of nuclear waste, engineered barriers play an important role. As these sealing structures have high demands concerning integrity, we aim at advancing the available construction materials, monitoring, and inspection techniques within the project SealWasteSafe. A specifically developed alkali-activated material is compared to classical salt concrete. A comprehensive multi-sensory monitoring scheme is used at 150-340 l specimens to monitor setting and hardening of both materials. All sensors are demonstrated to resist the highly alkaline environments. Besides cabled and wireless temperature and humidity of the materials, strain variations using fibre optic sensors and acoustic emissions are recorded over periods of at least 28 days, partly for more than eight months. After hardening of the specimens, further nondestructive evaluations using ultrasonic echo and thermographic measurements are conducted.
Preliminary results proof the suitability of the tested sensors and clearly highlight differences between the tested materials. Particularly, the newly developed alkali-activated material shows lower acoustic emission activity indicating less cracking activity. Additionally, unique ultrasonic methods will enable better images of potential internal objects and cracks at in-situ sealing structures. A largescale ultrasonic system is optimised to reliably detect objects at a depth exceeding 9 m while still obtaining a good resolution. Modelling studies show the potential of further increasing the distance between individual transducer arrays. Additionally, a new ultrasonic borehole probe using phased arrays allowing for beam focussing is constructed and tested. Laboratory measurements at a halfcylindrical concrete specimen coincide well with the previous modelling. In total, the presented safe materials, detailed monitoring approaches and ultrasonic quality assurance methods will help to obtain safe sealing structures within salt as a host rock. The concepts can partly be transferred to sealing structures in alternative host rocks and will also be valuable for non-nuclear waste repositories.