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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.
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.
Condition monitoring of industrial infrastructures using distributed fibre optic acoustic sensors
(2017)
Distributed fibre optic acoustic sensing (DAS) can serve as an excellent tool for real-time condition Monitoring of a variety of industrial and civil infrastructures. In this paper, we portray a subset of our current Research activities investigating the usability of DAS based on coherent optical time-domain reflectometry (C-OTDR) for innovative and demanding condition Monitoring applications. Specifically, our application-oriented Research presented here aims at acoustic and vibrational condition monitoring of pipelines and piping systems, of rollers in industrial heavy-duty conveyor belt systems and of extensive submarine power cable installations, respectively.
Distributed Fibre Optic Acoustic and Vibration Sensors for Industrial Monitoring Applications
(2017)
We investigate the usability of distributed fibre optic acoustic sensing (DAS) for innovative and advanced monitoring applications in industrial and civil infrastructure installations. In this paper, we report on our ongoing application-oriented research activities regarding the utilization of DAS based on coherent optical time-domain reflectometry (C-OTDR) for condition monitoring of a variety of infrastructures. Specifically, our research presented here aims at acoustic condition monitoring of and fault detection in pipelines and industrial piping systems, at acoustic condition monitoring of rollers in industrial conveyor belt installations, and at acoustic condition monitoring of and threat detection in extensive submarine power cables, respectively. Furthermore, we show a method to mitigate the effect of sensitivity fading of C-OTDR based DAS due to unstable environmental conditions via the modification of the sensor fibre. This can help to provide a continuous adequate sensor functionality for a number of different industrial monitoring applications.
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).
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.
Industrial piping systems are particularly relevant to public safety and the continuous availability of infrastructure. However, condition monitoring systems based on many discrete sensors are generally not well-suited for widespread piping systems due to considerable installation effort, while use of distributed fibre-optic sensors would reduce this effort to a minimum. Specifically distributed acoustic sensing (DAS) is employed for detection of third-party threats and leaks in oil and gas pipelines in recent years and can in principle also be applied to industrial plants. Further possible detection routes amenable by DAS that could identify damage prior to emission of medium are subject of a current project at BAM, which aims at qualifying distributed fibre optic methods such as DAS as a means for spatially continuous monitoring of industrial piping systems. Here, first tests on a short pipe are presented, where optical fibres were applied directly to the surface. An artificial signal was used to define suitable parameters of the measurement system and compare different ways of applying the sensor.
Die verbesserte Signal- und Warnwirkung fluoreszierender Materialien gewinnt in vielen Bereichen zunehmend an Bedeutung, so z.B. für Warn- und Schutzkleidung, Schulranzen und Verkehrsschilder. Gleichzeitig führt der Trend zu LED-Beleuchtung in Innenräumen und auch im Straßenverkehr zu einer Diversifikation der spektralen Verteilung, welche die Fluoreszenz anregt.
Ein weiteres Beispiel hierfür ist die Verwendung fluoreszierender Farbstoffe in der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen. Sowohl bei der fluoreszierenden Eindringprüfung als auch der Magnetpulverprüfung werden Risse durch fluoreszierende Farbstoffe optisch angezeigt.
Beide Verfahren beruhen entsprechend der Stokesschen Regel auf der Energieverschiebung im Spektrum fluoreszierender Materialien gegenüber dem Anregungsspektrum hin zu größeren Wellenlängen, so dass das fluoreszierte Licht vom reflektierten Anregungslicht unterschieden werden kann. Auch hier kommt zunehmend LED-Technik zum Einsatz, wobei die Anregung im UV-, in letzter Zeit auch im blauen Spektralbereich erfolgt.
Um die Erfüllung sicherheitstechnischer Normen zu gewährleisten, muss die Charakterisierung der spektralen und integraloptischen Eigenschaften fluoreszierender Substanzen unter Berücksichtigung verschiedenster anregender Lichtarten erfolgen. Nur die bispektrale 2-Monochromatoren-Methode (2MM) liefert eine bestrahlungsunabhängige materialcharakteristische Größe, die sogenannte Donaldson-Matrix, aus welcher die Reflexions- und Fluoreszenzstrahldichtefaktoren sowie Anregungsspektren und Farbmaßzahlen für beliebige spektrale Verteilungen der Bestrahlung bzw. Normlichtarten und unterschiedliche Normalbeobachter hervorgehen.
Bei der 2MM wird die Probe mit monochromatischer Strahlung beleuchtet und das erzeugte Emissionsspektrum für jede Anregungswellenlänge gemessen. Der modernisierte bispektrale Messplatz in der Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) erlaubt u.a. den Einsatz eines Arrayspektrometers anstelle des Detektionsmonochromators, so dass die Messzeit erheblich reduziert wird.
Zusätzlich steht in der BAM ein Spektroradiometer (OL 750, Optronic Laboratories, Inc.) zur Verfügung, mit dem die spektrale Bestrahlungsstärke verschiedener Leuchtmittel erfasst werden kann. Zusammen mit der durch die 2MM bestimmten Donaldson-Matrix kann so die Signalwirkung z.B. eines Fluoreszenzfarbstoffes für die Rissdetektion in Materialien unter diesen bestimmten Beleuchtungsbedingungen bewertet werden.
Im Beitrag wird dieses Zusammenspiel beispielhaft für verschiedene fluoreszierende Rissprüfmittel und Anregungslichtquellen diskutiert.
Distributed acoustic sensing (DAS) over tens of kilometers of fiber optic cables is well-suited for monitoring extended railway infrastructures. As DAS produces large, noisy datasets, it is important to optimize algorithms for precise tracking of train position, speed, and the number of train cars, The purpose of this study is to compare different data analysis strategies and the resulting parameter uncertainties. We present data of an ICE 4 train of the Deutsche Bahn AG, which was recorded with a commercial DAS system. We localize the train signal in the data either along the temporal or spatial direction, and a similar velocity standard deviation of less than 5 km/h for a train moving at 160 km/h is found for both analysis methods, The data can be further enhanced by peak finding as well as faster and more flexible neural network algorithms. Then, individual noise peaks due to bogie clusters become visible and individual train cars can be counted. From the time between bogie signals, the velocity can also be determined with a lower standard deviation of 0.8 km/h, The analysis methods presented here will help to establish routines for near real-time Train tracking and train integrity analysis.