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- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (28)
- 9 Komponentensicherheit (12)
- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (11)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (11)
- 9.6 Additive Fertigung metallischer Komponenten (11)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (9)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (6)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (5)
- 3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik (5)
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Eingeladener Vortrag
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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)
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
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.
Within the project SealWasteSafe, we advance construction materials and monitoring concepts of sealing structures applied for underground disposal of nuclear or toxic waste. As these engineered barriers have high demands concerning integrity, an innovative alkali-activated material (AAM) is improved and tested on various laboratory scales. This AAM has low reaction kinetics related to a preferential slow release of the heat of reaction in comparison to alternative salt concretes based on Portland cement or magnesium oxychloride cements. Hence, crack formation due to thermally induced strain is reduced. After successful laboratory scale analysis (Sturm et al., 2021), the AAM is characterised on a larger scale by manufacturing test specimens (100–300 L).
Conventional salt concrete (DBE, 2004) and the newly developed AAM are compared using two specimen geometries, i.e. cylindrical and cuboid. A comprehensive multisensor monitoring scheme is developed to compare the setting process of AAM and salt concrete for these manufactured specimens. The analysed parameters include temperature and humidity of the material, acoustic emissions, and strain variations. Passive sensor systems based on radiofrequency identification technology (RFID) embedded in the concrete, enable wireless access to temperature and humidity measurements and are compared to conventional cabled systems. Additionally, fibre-optic sensors (FOS) are embedded to record strain, but also have potential to record temperature and moisture conditions. Part of this project aims at demonstrating the high reliability of sensors and also their resistance to highly alkaline environments and to water intrusion along cables or at sensor locations. Further technical improvements were implemented so that first results clearly show the scalability of the setting process from previous small-scale AAM experiments and particularly the high potential of the newly developed approaches.
Furthermore, ultrasonic methods are used for quality assurance to detect obstacles, potential cracks and delamination. On the one hand, both active and passive ultrasonic measurements complement the results obtained from the multisensor monitoring scheme for the produced specimens. On the other hand, the unique large aperture ultrasonic system (LAUS) provides great depth penetration (up to nearly 10 m) and can thus be applied at in situ sealing structures built as a test site in Morsleben by the Federal Company for Radioactive Waste Disposal (Bundesgesellschaft für Endlagerung, BGE) as shown by Effner et al. (2021). An optimised field lay-out identified from forward modelling studies and advanced imaging techniques applied to the measured data will further improve the obtained results. To characterise the inside of the test engineered barrier and achieve a proof-of-concept, an ultrasonic borehole probe is developed to enable phased arrays that can further improve the detection of potential cracks. Modelling results and first analysis of semispherical specimens confirmed the reliability of the directional response caused by the phased arrays of the newly constructed ultrasonic borehole probe.
Overall, the project SealWasteSafe improves the construction material, multisensor monitoring concepts and ultrasonics for quality assurance. This will help to develop safe sealing structures for nuclear waste disposal. The outcomes are particularly valuable for salt as a host rock but partly also transferrable to alternative conditions.