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Im Rahmen von nationalen und europäischen Forschungsvorhaben wurde die Schallemissionsprüfung (SEP) in den letzten Jahren an der BAM zur Prüfung und Zustandsbeurteilung von Composite-Druckbehältern eingesetzt und weiterentwi-ckelt.
Das aktiv arbeitende SEP-Verfahren detektiert bereits frühe, erste Schädigungen mit geringer SE-Intensität, z.B. durch Zwischenfaserbruchversagen. Später einset-zende Faserbrüche oder Delaminationsvorgänge erzeugen sehr starke Schallemissi-onen.
Im Vortrag werden anhand von Beispielen die unterschiedlichen Zielstellungen der SEP bei der Behälterprüfung dargestellt:
- Design-Optimierung von Behälterstrukturen durch Analyse der Schädigungs- entwicklung bei Berstversuchen
- Qualitätskontrolle von Composite-Druckbehältern beim Autofrettageprozess (Fertigung) oder bei der Erstdruckprüfung (Abnahmeprüfung)
- Nachweis von Beschädigungen im Betrieb (Ermüdungsrisse, Impacts, Delami- nationen, Kerben etc.) durch eine Wiederkehrende Druckprüfung
- Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring) zum Online-Nachweis von kritischen Ermüdungszuständen oder aktuellen Beschädigungen.
Das Zukunftspotenzial des Schallemissionsverfahrens besteht vor allem in seinem Einsatz bei der Prüfung und Zustandsüberwachung von Composite-Hochdruck-behältern für die 700 bar-Wasserstofftechnologie aber auch für Faserverbundbau-teile in anderen sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie Windkraftanlagen, Luft- und Raumfahrt.
Überwachung der Fertigungsqualität von Faserverbund - Druckbehältern mittels Schallemissionsprüfung
(2011)
Ziel der Untersuchung ist die Validierung einer Prüfmethodik zur Sicherung der Fertigungsqualität von Faserverbund – Druckbehältern unter realen Fertigungsbedingungen.
Das Verfahren basiert auf Merkmalen und zulässigen Grenzwerten, die aus Schallemissionsverläufen bei der Erstdruckprüfung abgeleitet werden.
Die Methodik konnte zuvor bereits erfolgreich an Faserverbund –
Druckbehältern mit metallischem Liner getestet und patentiert werden.
Mit den aktuellen Untersuchungen wurde die Möglichkeit des Erkennens von Fertigungsfehlern in Kohlenstofffaser/Glasfaser – Hybriddruckbehältern mit polymerem Liner evaluiert.
Dazu wurden Faserverbund – Druckbehälter mittels Schallemissionsmessung bei einer hydraulischen Erstdruckprüfung überwacht, wie sie (ohne Schallemissionsprüfung) generell zur Qualitätssicherung nach der Fertigung von Faserverbund – Druckbehältern gefordert wird.
An Druckbehältern aus einer Serienproduktion wurden die Schallemissionsverläufe registriert und die mittleren Merkmalswerte sowie deren Streuung als Referenz ermittelt. Diese werden mit den Schallemissionsverläufen von Druckbehältern mit gezielt eingebrachten Fertigungsfehlern verglichen.
Bei den Fertigungsfehlern handelt es sich um Fehler, die in der Serienproduktion auftreten können und mit den Methoden der herkömmlichen Qualitätssicherung schwer oder gar nicht nachzuweisen sind.
Alle untersuchten Druckbehälter wurden im Anschluss an die Erstdruckprüfung auf verschiedene Weise bis zum Versagen (Leckage, Bersten) beansprucht. Damit war es möglich, den tatsächlichen Einfluss der Fertigungsfehler auf den Berstdruck bzw. das Ermüdungsverhalten der Behälter zu verifizieren und die Aussagefähigkeit des Schallemissionsverfahrens zu beurteilen.
Fracture processes in concrete can be characterized by the formation of a Fracture Process Zone (FPZ), which is a region of the crack extending between the elastic region ahead of the crack tip over the crack bridging zone to the region where the crack opening is sufficiently large to prevent transfer of load across the crack faces. The formation of cracks and the development of the FPZ have typically been documented by Acoustic Emission (AE) methods and important conclusions regarding the nature of the FPZ and the propagation mechanisms of concrete have been drawn to form the basis of current fracture models for concrete.
The study presented in this paper focuses on Mode I cracking of concrete using compact tension specimens and is comparing the results of AE measurements to those obtained from documenting the cracking process by Digital Image Correlation (DIC). The findings from this comparison show that distinctly different AE events occur ahead of the crack tip, in the cementitious matrix at the crack tip and in the wake of the crack due to the increasing separation of the crack flanks and further opening of the crack. The DIC measurements indicate that crack initiation occurs with locally corresponding AE signals and furthermore suggest a continuous path of the crack from initiation to eventual transition to the stress-free zone. Based on these comparative measurements the study suggests that crack formation in unreinforced concrete is initiated by an individual, sharp microcrack rather than by a region of diffuse microcracking ahead of the eventual crack tip. Later on sharp crack branches originate from the main macrocrack path. Furthermore, the measurements with AE and DIC result in information on the nature of the deformation mechanisms occurring in distinct regions of the entire cracking process. AE signals detected using wideband sensors show quite different characteristics in time (waveform) and frequency (bandwidth) domain.
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.
In einer speziellen 3D-Prüfanlage zur wirklichkeitsnahen Simulation von komplexen Verhältnissen an Großproben wurden UP-Mehrlagenschweißungen am warmfesten Stahl 13CrMoV9-10 durchgeführt. Während der schweißtechnischen Fertigung und der Abkühlung auf Raumtemperatur wurden die Proben an der freien Ausdehnung und Schrumpfung gehindert. Die daraus resultierenden Reaktionsspannungen führten während der Wärmenachbehandlung zu Relaxationsrissen in der Wärmeeinflusszone. Das Spannungsarmglühen wurde bei einer Temperatur von 705°C und einer Haltezeit von 8 h durchgeführt. Während der Aufheiz- und Abkühlphasen wurde die thermische Ausdehnung der Probe über die 3D-Prüfanlage kompensiert und damit das Spannungsniveau bis zum Erreichen der maximalen Glühtemperatur aufrechterhalten. Nach Erreichen der Glühtemperatur konnte die Probe relaxieren. Der Einsatz der Schallemissionsmessung ermöglichte es die Entstehung von Spannungsrelaxationsrisse, erstmalig online, nachzuweisen. Durch Synchronisierung der Schallemissionsereignisse mit den Messdaten der 3D – Prüfanlage wurde der kritische Temperaturbereich für das Auftreten von Spannungsrelaxationsrissen bestimmt. Die Rissinitiierung findet im Temperaturbereich zwischen 350°C - 500°C statt. Aussagen über das Risswachstum können auf Grund der ungünstigen Versuchsbedingungen, mit Emission von Störgeräuchen, nicht getroffen werden.
Hinsichtlich Materialermüdung in Faserkunststoffverbunden besteht verglichen mit anderen Aspekten des Faserverbundleichtbaues – noch erheblicher Forschungsbedarf. Schon weit vor den globalen Festigkeiten des Laminates treten eine Vielzahl von Zwischenfaserbrüchen und vereinzelte Faserbrüche auf. Die Dichte dieser Mikrorisse soll als Indikator für den Zustand des Verbundes genutzt werden. Ihre Ermittlung stellt insbesondere bei Kohlenstofffasern eine Herausforderung dar. Über vergleichende Messungen mit der Schallemissionsanalyse (SEA) und der Röntgenrefraktionsanalyse (RR) wird die Entwicklung der Rissdichte bei Belastung untersucht. die SEA zeichnet die Entstehung der Risse auf und kann wegen der kompakten Messtechnik auch gut am Bauteil eingesetzt werden Die RR beobachtet die Änderung der inneren Grenzflächen, die ebenfalls eine Entwicklung der Rissdichte widerspiegelt. Sie ist allerdings zurzeit nur als Laborverfahren geeignet. Der Vortrag berichtet über den aktuellen Stand des vergleichenden Einsatzes beider Verfahren an Zugproben und Modellbehältern.
Hinsichtlich Materialermüdung und Betriebsfestigkeit in Faserkunststoffverbunden besteht - verglichen mit anderen Aspekten des Faserverbundleichtbaues – noch erheblicher Forschungsbedarf. Schon weit vor den globalen Festigkeiten des Laminates treten eine Vielzahl von Zwischenfaserbrüchen und vereinzelte Faserbrüche auf. Die Dichte dieser Mikrorisse soll hier als Indikator für den Zustand des Verbundes genutzt werden. Ihre Ermittlung stellt insbesondere bei Kohlenstofffasern eine Herausforderung dar. Über vergleichende Messungen mit der Schallemissionsanalyse (SEA) und der Röntgenrefraktionsscans (RR) wird die Entwicklung der Rissdichte bei Belastung untersucht. Die SEA zeichnet die Entstehung der Risse auf und kann wegen der kompakten Messtechnik auch gut am Bauteil eingesetzt werden. Die RR beobachtet die Änderung der inneren Grenzflächen, die ebenfalls die Entwicklung der Rissdichte widerspiegelt. Sie ist allerdings zurzeit nur als Laborverfahren geeignet. Der Vortrag berichtet(e) über den aktuellen Stand des vergleichenden Einsatzes beider Verfahren an Flachproben und innendruckbelasteten Rohrproben.
Die Restlebensdauerabschätzung von Faserkunststoffverbunden ist ein ungelöstes
Problem. Die Beobachtung der Matrixschädigung ist dabei ein vielversprechender Ansatz zur Bewertung des Schädigungszustandes insgesamt. Unter kombinierter Beobachtung mit Röntgenrefraktionsmessungen und Schallemissionsmessung wurden uni- und biaxiale Lasten statisch und zyklisch auf Kohlenstofffaserepoxidharz-Proben aufgebracht. Die uniaxiale Belastung erfolgt mittels einer eigenentwickelten Kompaktprüfmaschine direkt während der Röntgenrefraktions- und Schallemissionsmessung in der Röntgenkammer. Die biaxiale Belastung wird an Modelldruckbehältern ebenfalls mit Schallemissionsmessung durchgeführt. Hier wird der Modelldruckbehälter mit dem Röntgenrefraktionsverfahren periodisch inspiziert.
In dieser Arbeit werden geschweißte Platten aus dem Feinkornstahl P460NL1 untersucht. Korrosion und Ermüdungsrisswachstum werden als Schadensmechanismen in das Material eingebracht und auf ihre Nachweisbarkeit in Plattenversuchen geprüft. Die Schallemissionssignale wurden nach primären und sekundären Quellmechanismen getrennt und ihr Einfluss auf die Gesamtemission analysiert.
In dieser Arbeit werden geschweißte Platten aus dem Feinkornstahl P460NL1 untersucht. Korrosion und Ermüdungsrisswachstum werden als Schadensmechanismen in das Material eingebracht und auf ihre Nachweisbarkeit in Plattenversuchen geprüft. Die Schallemissionssignale wurden nach primären und sekundären Quellmechanismen getrennt und ihr Einfluss auf die Gesamtemission analysiert.