TWI: Langstrecken-ZfP

Deutsche Übersetzung von S. W. Kallee^<1> der englischen Veröffentlichung von X. Niu^<2><3>, K. F. Tee*^<3>, H. P. Chen^<4> und H. R. Marques^<4>: Excitation and propagation of ultrasonic guided waves in pipes by piezoelectric transducer Arrays

<1> AluStir, Im Unterdorf 19, 63826 Geiselbach, Germany

<2> National Structural Integrity Research Centre, TWI Ltd, Granta Park, Cambridge CB21 6AL, UK
<3> Department of Engineering Science, University of Greenwich, Chatham Maritime, Kent ME4 4TB, UK 
<4> Non-dectructive Testing, Integrity Management Group, TWI Ltd, Granta Park, Cambridge CB21 6AL, UK

*Korrespondierender Autor: K.F.Tee@gre.ac.uk

DOI: 10.1088/1742-6596/1065/22/222006

Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mit geführten Ultraschallwellen ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das für das Structural Health Monitoring (SHM) von Strukturen verfügbar ist. Im Vergleich zu anderen ZfP-Verfahren können sich geführte Wellen über Dutzende Meter mit einer relativ hohen Empfindlichkeit für Fehler in der Struktur ausbreiten. Der allgemeine Empfindlichkeitsbereich des Betriebs beträgt je nach Rauschabstand bis zu 3% der Querschnittsfläche. Eine weitere Optimierung des Prüfverfahrens mit geführten Ultraschallwellen ist nach wie vor erforderlich, da die Signale bisher aufgrund der großen Anzahl von erzeugten geführten Wellenmodi einer komplexen Analyse unterzogen werden müssen. Dies kann durch Optimieren des Wandler-Array-Designs erfolgen. In diesem Artikel wird das Verhalten eines Satzes piezoelektrischer Wandler-Arrays bei Erregung in einer röhrenförmigen Struktur mit simulierten Defekten beschrieben. Dies wird durch eine Kombination aus Finite-Elemente-Analyse (FEA) und experimentellen Tests erreicht. Das Hauptziel der Arbeit besteht darin, das Design von Wandler-Arrays zu optimieren, um den T (0,1)-Modus mit einem signifikanten Maß anzuregen. Dies reduziert die Komplexität der geführten Wellenanalyse erheblich, verbessert effektiv den strukturellen Zustand von Strukturen und senkt anschließend die Instandhaltungskosten der Industrie.[1]

Die Bewertung der strukturellen Integrität von Öl- und Gaspipelines mit den Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) und des Structural Health Monitoring (SHM) sind für die industrielle Anwendung besonders attraktiv, da es in Rohrleitungen aufgrund des Wanddickenverlusts durch Korrosion oder durch Ermüdungsrisse schon oft zu schwerwiegenden Unfällen durch Rohrbrüche gekommen ist. In der ZfP-Technik umfassen die meist verwendeten Verfahren die akustische Emission (Acustic Emission, AE), die Röntgenprüfung (X-Ray), die Ultraschallprüfung (Ultrasonic Testing, UT) und die geführte Welle (guided wave, GW). Für eine Langstrecken-Ultraschallprüfung (Long Range Ultrasonic Testing, LRUT) haben geführte Wellen mit einem niedrigeren Betriebsfrequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz [2] unter idealen Bedingungen eine hohe Empfindlichkeit und eine geringe Dämpfung im Vergleich zur konventionellen Ultraschallprüfung. Im Allgemeinen arbeitet die Empfindlichkeit der zerstörungsfeien Prüfung mit geführten Wellen so, dass je nach Signal-Rausch-Abstand bis zu 3% der Querschnittsfläche reduziert werden [3]. Die ausgewählten Wellenmodi für die Erregung mit geführter Welle bei Rohrinspektionen sind Longitudinalwellenmodi L (0,1) und L (0,2) sowie der Torsionswellenmodus T (0,1). Gazis [4] untersuchte die Ausbreitung dieser drei Wellenmodi mit ihren Biegemodusfamilien F (n, 1), F (n, 3) bzw. F (n, 2). Die Dispersionskurven wurden erstellt, um eine Beziehung zwischen den ausgewählten Modi und ihren Biegewellenmodi in einem Frequenzbereich von 0 bis 50 kHz [5] zu beschreiben, wie in der Veröffentlichung [6] gezeigt wird. Die konstante Phasengeschwindigkeit der Torsionswelle T (0,1) beträgt 3260 m/s laut Dispersionskurven im Frequenzbereich.

In dieser Veröffentlichung basiert das Finite-Elemente-Modell auf einem im Handel erhältlichen Prüfwerkzeug, das drei umlaufende Anordnungsringe enthält. In jedem Ring erregen 24 Wandler den Torsionswellenmodus T (0,1). Wie bei dem Prüfwerkzeug wurde die numerische Simulation in ABAQUS mit einem Abstand von 33 Grad zwischen den Start- und Endwandlern des Rings eingerichtet. Im Idealfall werden die Schallwandler in gleichem Abstand um eine Rohrleitung angeordnet, die die Ausbreitung eines reinen Wellenmodus T (0,1) ohne andere Wellenmodi anregen kann [7]. Der Torsionstyp-Biegewellenmodus F (1, 2), wie in 2 gezeigt, und seine Modi höherer Ordnung wurden jedoch so erzeugt, dass er mit dem Wellenmodus T (0, 1) durch eine Wandler-Anordnung mit einer Lücke von 33 Grad wechselwirkt [8]. Das Wandler-Array wurde modelliert, um seine Empfindlichkeitsanalyse für die Erkennung von Umfangsnuten zu untersuchen [6]. In dieser Veröffentlichung wird der Wellenmodus T (0,1) vorgestellt, der angeregt wurde, um sich auf einem 4,45 m langen, 8 Zoll (219,1 mm Außendurchmesser) und 8,18 mm Wandstärke (Schedule 40) Stahlrohr auszubreiten, wobei das Wandler-Array mit einer 33-Gradlücke und dann durch experimentelle Validierung überprüft wurde. Außerdem wurde die Empfindlichkeitsanalyse für die Erkennung von Umfangsrissen bewertet.

Die Finite-Elemente-Analyse in ABAQUS wurde an einem Stahlrohrmodell mit einer Länge von 40 cm (8 Zoll) und 8 Zoll (8 Zoll) für Wellenleitertests durchgeführt (siehe Bild 1). Das Stahlrohr wurde als linear isotropes Material mit einer Massendichte ρ = 7932kg/m³, E-Modul E = 216,9GPa und Poissonzahl  = 0,2865 modelliert. Am linken Rohrende wurden drei Wandler-Ringe installiert, um das übertragene Signal von der Rückseite der Wandler-Arrays zu löschen. Der Ringabstand beträgt 30 mm. Wie bei dem Prüfwerkzeug hat jeder Ring 24 Messwandler, die in gleichem Abstand am Rohrumfang angeordnet sind, mit Ausnahme eines Abstands von 33 Grad zwischen den Messwandlern Nr. 1 und Nr. 24. Die Wandler wurden alle als Punktquellen simuliert. Die an 24 im gleichen Abstand angebrachten Punkten bestehenden Empfänger befinden sich 2 m vom linken Rohrende entfernt. Ein Teilumfangsriss mit einer Breite von 0,5 mm in axialer Richtung und Durchgangsdicke befindet sich 1 m von der Anordnung von 24 Empfängern entfernt. Eine durchschnittliche Maschenweite von 4,5 mm in axialer Richtung und 5 Elementen in radialer Richtung wurden mit insgesamt 810.950 Hex-Elementen in Eingriff gebracht. Das übertragene Signal wurde durch einen 10-Takt-Hanning-Fensterimpuls angeregt. Das Impulssignal liegt mit der Mittenfrequenz von 35 kHz und der Frequenzbandbreite von ± 7 kHz. Eine konzentrierte Kraft an jeder Punktquelle in Umfangsrichtung wurde verwendet, um die Torsionswelle T (0,1) anzuregen. Die Erregung wurde durch den mittleren Ring invertiert, und das nicht umgewandelte Signal hatte eine Zeitverzögerung (9,2 µs), die durch den Rückring angeregt wurde.

Wandler-Arrays ohne Übertragung bei Nr. 1, 4, 7 und Nr. 10 jedes Rings wurden simuliert, um unterschiedliche Umfangsrissgrößen zu erfassen, einschließlich C15 (15 Grad), C45 (45 Grad) und C75 (Grad). Bild 2 zeigt Ergebnisse für die Wellenmodi T (0,1) mit der Amplitude F (n,2) normalisierter Umfangsverschiebungen am Empfänger Nr. 1 im Fall des Risses C15 (Nr. 1 Rx) und eines einzelnen T (0,1) normierte Umfangsverschiebungsamplituden durch Summieren der Ergebnisse bei 24 Empfängern in den Fällen mit Rissen C15 / C45 / C75 (24 Rx-Summe). Aufgrund der Ergebnisse bei einem Teilumlaufriss von 15 Grad auf der Rohroberseite wirkt der Wellenmodus T (0,1) mit unerwünschten Biegewellenmodi F (n,2) zusammen, da der Wandler-Abstand ungleichmäßig ist. Die normalisierten Amplituden der Umfangsverschiebung verringern sich, indem Biegewellenmodi aufgehoben werden. Von den Fällen mit unterschiedlichen Rissgrößen nehmen die entsprechenden Werte zu, wenn die Rissgröße in Umfangsrichtung verlängert wird. Fig. 3 zeigt, dass die maximale Amplitude der normalisierten Umfangsverschiebung abnimmt, wenn an dieser Position keine Übertragung erfolgt, und die Gesamtenergie ebenfalls abnimmt, wenn sie mit den maximalen Verschiebungsamplituden im Anfangszustand der Wandler-Arrays verglichen wird. Für die Empfindlichkeitsanalyse von Wandler-Arrays mit einer Lücke von 33 Grad und ohne Transmission bei Nr. 1, 4, 7 und Nr. 10 beträgt der Reflexionskoeffizient für den T (0,1)-Modus bei zunehmender Rissgröße durch die Rohrwandstärke 3,5 %, 16% bzw. 24%, während der Reflexionskoeffizient für die T (0,1) mit F (n,2)-Modi 11%, 44% bzw. 56% beträgt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Rissgröße mit einer Breite von 0,5 mm durch die Rohrwandstärke durch Anregung des Wellenmodus T (0,1) bei 35 kHz in numerischen Simulationen erfasst werden kann, selbst wenn die Erkennung ohne vollständige Signalübertragung von den Wandler-Arrays erfolgt. Die Empfindlichkeit von Wandler-Arrays liegt bei etwa 4% für die Überprüfung des simulierten Fehlers. Weitere experimentelle Messungen werden in zukünftigen Arbeiten ausgewertet.

Um die verwandten Finite-Elemente-Modelle zu verifizieren, wurde eine Versuchsanordnung entworfen, die in den Bildern 3 und 4 gezeigt wird. Der Torsionswellenmodus T (0,1) wurde durch einen piezoelektrischen Wandler-Kragen (Teil des Teletest^® MK3-Systems) angeregt. In diesem Experiment wurde jeder Ring mit einem Spalt von 33 Grad zwischen den Wandler-Modulen Nr. 1 und Nr. 24 eingestellt. Als Prüfstück wurde ein 4,45 m langes 8-Zoll-Stahlrohr ohne Defekt verwendet. Ein nicht abtastendes Laservibrometer, das zur Messung der Umfangsverschiebungen bei 24 im gleichen Abstand angebrachten Empfängern verwendet wurde, befand sich 2 m vom linken Rohrende entfernt. Bild 6 zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen experimentellen und den FEA-Ergebnissen. Die numerische Modellierung für die Ausbreitung geführter Wellen wird anschließend anhand der experimentellen Messung verifiziert.

Die numerischen Simulationen der zerstörungsfreien Prüfung mit geführten Ultraschallwellen wurden in ABAQUS anhand der experimentellen Validierung verifiziert. Der Torsionswellenmodus T (0,1) interagiert mit den Biegewellenmodi F (n,2), die im Vergleich zum Einzelmodus T (0,1) eine höhere Empfindlichkeit zeigen, indem Biegemodus für eine Teilumfangsdurchmesser aufgehoben werden Riss (0,5 mm Breite in axialer Richtung) unter Verwendung von Wandler-Arrays mit ungleichmäßigem Wandler-Abstand am Umfang.

Die Veröffentlichung der englischsprachigen Originalversion dieser Arbeit wurde durch das Sponsoring und die Unterstützung von TWI Ltd und der University of Greenwich ermöglicht. Die Arbeit wurde durch das National Structural Integrity Research Center (NSIRC) ermöglicht und durchgeführt, eine postgraduale Entwicklungsstätte für industriegeführte Forschung zur strukturellen Integrität, die von TWI über ein Netzwerk nationaler und internationaler Universitäten gegründet wurde und verwaltet wird.

Das englische Manuskript (Bild 7) wurde unter einer Creative Commons Lizenz (Namensnennung 3.0 Unported, CC BY 3.0) wie folgt veröffentlicht:

X Niu, K F Tee, H P Chen, H R Marques:

Excitation and propagation of ultrasonic guided waves in pipes by piezoelectric transducer arrays (Open Access pdf-Datei) 

XXII World Congress of the International Measurement Confederation (IMEKO 2018) 
IOP Publishing
IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1065 (2018) 222006 
doi:10.1088/1742-6596/1065/22/222006

Jede weitere Verbreitung dieses Werkes muss die Autoren sowie den Titel des Werks, die Zeitschrift und den digitale Objektbezeichner (DOI) aufführen.

[1] X Niu et al 2018 J. Phys.: Conf. Ser. 1065 222006, doi:10.1088/1742-6596/1065/22/222006
[2] Mudge P 2001 Insight – Non-Destructive Testing and Condition Monitoring 43 2 74-77
[3] Sharan P K, S S, Chaitanya S K and Maddi H K 2015

[4] Gazis D 1959 J. Acoust. Soc. Am. 31 573-8
[5] Duan W, Kirby R and Mudge P 2016 Ultrasonic 65 228-41
[6] Niu X, Marques H R and Chen H P 2017 The 8th Int. Conf. on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure (Brisbane)
[7] Niu X, Chen H P and Marques H R 2017 The 8th ECCOMAS Thematic Conf. on Smart Structures and Materials (Madrid)
[8] Niu X, Marques H R and Chen H P 2017 The 2017 World Congress on Advances in Structural Engineering and Mechanics (Seoul)