DE3152258A1

DE3152258A1 - Method of detecting,preferably continuously,the presence of cracks,the formation of cracks and the growth of cracks in constructions

Info

Publication number: DE3152258A1
Application number: DE813152258A
Authority: DE
Inventors: K Hellqvist
Original assignee: Kockums AB
Current assignee: Saab Kockums AB
Priority date: 1980-08-26
Filing date: 1981-08-18
Publication date: 1982-10-07
Also published as: SE440829B; WO1982000718A1; FR2489522A1; DK182182A; GB2097122A; US4481818A; SE8005963L; AU7537481A; AU547990B2; NL8120316A; JPS57501492A; DK152599C; DK152599B; GB2097122B; FR2489522B1; NO821321L; CA1178706A; NO152988C; BE890058A; NO152988B

Description

VERFAHREN ZUM VORZUGSWEISE FORTLAUFENDEN FESTSTELLEN DES VORHANDENSEINS VON RISSEN; DER BILDUNG VON RISSEN UND DER FORTPFLANZUNG VON RISSEN IN KONSTRUKTIONEN 5

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum vorzugsweise fortlaufenden Feststellen des Vorhandenseins von Rissen, der Bildung von Rissen und der Fortpflanzung von Rissen in Konstruktionen durch Aufzeichnen und Analyse von akustischen Ausstrahlungen von einem Riß in der Konstruktion.

Die Notwendigkeit für ein fortlaufendes überwachen der Rißbildung und Rißfortpflanzung ist besonders im Falle komplexer Stahlkonstruktionen mit Konstruktionselementen, die für eine visuelle Inspektion und zum Prüfen durch herkömmliche Prüfverfahren schwer zugänglich sind, offensichtlich. Ein Beispiel davon sind Offshore -Plattformen, die für eine lange Zeit einer schweren Belastung und Ermüdungsbeanspruchung ausgesetzt sind, während die Plattformen zur gleichen Zeit in einem korrosiven Medium sind, das das Risiko einer Rißbildung erhöht. Große Risse können zum Bruch und im schlimmeren Fall zur Zerstörung mit einem schlimmen Schaden als Folge führen. Deshalb sind die Forderungen der Behörden und Klassifikationsgesellschaften umfassend, wenn es eine Frage des vorbeugenden Prüfens und der vorbeugenden Maßnahmen zur Vermeidung von einer Zerstörung ist. Die jährlichen Überprüfungen der Unterwasserkonstruktionen in der Nordsee z. B. umfassen vorrangig Reinigen und eine visuelle Inspektion. Rißprüfungen und Reparaturen werden wenn notwendig durchgeführt. Alle fünf Jahre werden größere Prüfungen durchgeführt, aus Kostengründen jedoch sind sie auf Teile der Plattform beschränkt, wo die Risiken von Korrosion und Rißbildung als am größten angesehen werden, d. h. ungefähr

10% der Plattformkonstruktion. Ein fortlaufendes Überwachen der Rißbildung und Rißfortpflanzung, das die ganze Plattform abdeckt, wäre natürlich wünschenswert, um eine durch Rißbildung verursachte Zerstörung auf eine verläßlichere Weise als es bislang der Fall gewesen ist, zu verhindern. Als eine Folge der Zerstörung von Plattformen, das in jüngster Zeit vorgekommen ist, darf erwartet werden, daß die vorbeugendes Prüfen betreffende Vorschriften verschärft werden.

Ein bekanntes Rißauffindungssystem, das ein fortlaufendes Erkennen einer Rißbildung und Rißfortpflanzung ermöglicht, verwendet das bekannte Phänomen, daß die Rißbildung und Rißfortpflanzung eine akustische Ausstrahlung in 5 dem Konstruktionswerkstoff verursacht. Durch Anbringen einer Vielzahl von Fühlern, die auf die von dem Riß verursachte akustische Ausstrahlung empfindlich sind, auf der Oberfläche des Konstruktionselements und Aufzeichnen und Analysieren der Signale, die die Fühler ϊ-^η Abhängigkeit von der akustischen Ausstrahlung liefern, sowie der Zeitunterschiede zwischen den Aufzeichnungen der verschiedenen Fühlern, ist eine exakte Ermittlung der Lage und Fortpflanzung von sogar sehr kleinen Rissen in dem Konstruktionselement ermöglicht worden.

. Ein Nachteil des bekannten Rißauffindungssystems besteht darin, daß die Fühler auf der Oberfläche des zu prüfenden Konstruktxonselements angebracht werden müssen, so daß es notwendig ist, im voraus fest zu bestimmen, welche Teile der Konstruktion Gegenstand der Rißauffindung sein sollen. Außerdem,wenn dieses bekannte Verfahren auf Konstruktionen mit einem komplexen Aufbau, z. B. Offshore-Plattformen, angewandt wird, ist es daher notwendig gewesen, im voraus eine begrenzte Zahl von Beobachtungspunkten auszuwählen, die unter dem

Rißaspekt für besonders gefährdet gehalten werden. Tatsächlich wäre es bei weitem zu teuer und schwierig,die Verwendung des bekannten Verfahrens zur Schaffung einer Gesamtrißermittlung an all den lasttragenden Konstruktionselernenten, die in der Plattform enthalten sind, in der Praxis durchzuführen.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Auffinden von Rissen zu schaffen, das zugegebenermaßen auf dem Aufzeichnen und der Analyse, einer akustischen Ausstrahlung eines Risses basiert, das aber nicht unter den oben erwähnten Nachteilen leidet und das somit eine fortlaufende und umfassende Rißauf findung selbst in komplexen Konstruktionen unter Verwendung von nur wenigen Fühlern ermöglicht.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung durch die Maßnahmen erreicht, die in den folgenden Ansprüchen angegeben sind.
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Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf ein in den beiliegenden Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

Fig. 1 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung auf eine Offshore-Plattfornijdie schematisch dargestellt ist, und in dem Fuß von ihr ist ein Riß angezeigt.
Fig. 2 zeigt ein Grundblockdiagramm zum Verarbeiten der .von den Abnehmern erhaltenen Signale.

Die Erfindung basiert auf der Kenntnis, daß die Rißbildung und Rißfortpflanzung eine akustische Ausstrahlung nicht nur in dem Konstruktionselement, in welchem der Riß auftritt, sondern auch in dem angrenzenden Medium verursachen. Wenn das Konstruktionselement in einem

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gasförmigen Medium, z. B. Luft ist, werden akustische Schwingungen, in die das Konstruktionselement umgebende Luft ausgesandt, und wenn das Konstruktionselement von Flüssigkeit, z. B. Wasser, umgeben wird, wie es der Fall bei Offshore-Plattformen ist, werden akustische Schwingungen in das das Konstruktionselement umgebende Wasser ausgesandt. Gemäß der Erfindung sind eine Vielzahl von Fühlern zum Messen einer akustischen Ausstrahlung von einem Riß zu dem Medium in dem Medium angeord-

2Q net, das an die Konstruktion grenzt oder sie umgibt. Das Aufzeichnen und die Analyse der Signale von den Fühlern ermöglichen es daher, die Lage der Ausstrahlungsquelle in bezug auf die Fühler zu bestimmen. Wenn das Konstruktionselement von einem gasförmigen Medium, z. B. Luft, umgeben wird, werden Mikrophone als Fühler verwendet. Wenn das Medium, an das das Konstruktionselement angrenzt,eine Flüssigkeit, z. B. Wasser ist, werden Hydrophone als Fühler verwendet.

Die Fühler sind mit einem gegenseitigen Abstand in exakt bestimmten Positionen in bezug auf die zu prüfende Konstruktion angeordnet. Die Signale von den Fühlern werden zu einem Signalanalysesystem in einem Computer übertragen, in welchem die Position der Fühler in bezug auf die Konstruktion programmiert ist.

Die Geometrie der Konstruktion ist vorzugsweise eben-. falls in dem Computer programmiert, so daß die Lage des aufgefundenen Risses unmittelbar in Form eines Abstandes von ausgewählten,festen Punkten in der Konstruktion dargeboten werden kann.

Das Verfahren gemäß der Erfindung setzt die Verwendung von mindestens zwei Fühlern voraus. Eine Messung des Zeitunterschieds zwischen der Aufzeichnung der beiden Fühler von den von einem Riß ausgesandten akustischen Schwingungen ermöglicht eine mathematische Bestimmung

eines Hyperboloids von der Art, daß eine an irgendeinem Punkt an dem Hyperboloid liegende Ausstrahlungsquelle den gemessenen Zeitunterschied zwischen den Aufzeichnungen der Fühler verursacht. Die Schnittstelle, wo

,- dieses Hyperboloid ein Konstruktionselement schneidet, stellt somit eine Schnittstelle dar, in der der Riß sein kann. Wenn das Hyperboloid nur ein Konstruktionselement schneidet, muß der Riß, von dem die akustische Ausstrahlung herrührt, in dieser Schnittstelle liegen.

Eine genauere Bestimmung der Lage des Risses wird erhalten, wenn die akustische Ausstrahlung von drei Fühlern aufgezeichnet wird. Die Zeitunterschiede zwischen den Aufzeichnungen der Fühler ermöglichen es

j^g dann, eine Linie zu bestimmen, die die Sekante zwischen zwei Hyperboloiden darstellt und die von einer solchen Art ist, daß eine an irgendeinem Punkt auf der Linie liegende AusstrahlungsquelJLe die gemessenen Zeitunterschiede zwischen den Aufzeichnungen der Fühler hervorruft.

Somit kann die Ausstrahlungsquelle, d.h. der Riß, dort liegen, wo diese Linie die Konstruktion schneidet. Wenn die Linie die Konstruktion an nur einem Ort schnei det, muß der Riß auf dieser Sekante mit der Konstruktion liegen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung werden jedoch vier Fühler verwendet. Die Zeitunterschiede zwischen den Aufzeichnungen der Fühler von den von einem Riß ausgesandten akustischen Schwingungen ermöglichen dann eine Bestimmung der Position der Ausstrahlungsquelle an einem Punkt, der den Schnitt punkt zwischen zwei Linien darstellt, von denen jede wiederum die Sekante zwischen zwei Hyperboloiden darstellt. Die Verwendung von vier Fühlern schafft somit

eine präzise Bestimmung des Abstandes und der Richtung der Ausstrahlungsquelle, d.h. des Risses, von den Fühlern.

In Fig. 1 ist eine Anwendung der Erfindung auf eine untergetauchte Plattformkonstruktion 1 äußerst schematisch veranschaulicht. Die Plattformkonstruktion umfaßt einerseits ein Fundament 2 für Ausrüstungsteile, die nicht in der Figur gezeigt sind, und andererseits drei Beine 3, 4 und 5, die das Fundament stützen und die sich nach unten erstrecken und von Wasser umgeben sind. Eine Fühlergruppe 6 ist an einer genau bestimmten Position in bezug auf die Plattformkonstruktion angeordnet/ im Wasser untergetaucht und umfaßt vier Hydrophone 7, 8, 9, 10 mit eindeutig bestimmten gegenseitigen Abständen. Die akustischen Eigenschaften der Hydrophone muß so ausgewählt sein, daß eine Messung von Frequenzen innerhalb eines wesentlichen Teiles des Frequenzbereiches für die akustische Ausstrahlung von einem Riß ermöglicht wird. Die Fühlergruppe 6 und folglich jedes der Hydrophone 7 bis 10 ist mittels Signalübertragungsleitungen mit einem Computer 11 auf dem Plattformfundament verbunden, so daß die Signale von den Hydrophonen 7 bis 10 in den Computer 11 zum Verarbeiten und zur Analyse der Signale geführt werden.

Wenn ein Riß 12 in dem Bein 3 auftritt, verursacht der Riß die Ausstrahlung akustischer Schwingungen in dem Bein 3 einerseits, aber auch in dem Wasser, das das Bein umgibt. Die akustischen Schwingungen werden wiederum von den Hydrophonen 7,8, 9 und 10 mit den Zeitintervallen t^-tg, t₂-t_Q und t₃~t_Q aufgezeichnet. Die Signale von den Hydrophonen 7 bis 10

3$ werden in den Computer 11 geführt, wo eine Signalanalyse durchgeführt wird, um die Ausstrahlungsquelle,

d.h. die Lage des Risses 12 in bezug auf die Fühlergruppe 6 zu bestimmen. Wenn die Geometrie der Plattformkonstruktion 1 ebenfalls in dem Computer 11 gespeichert ist, wird eine direkte Angabe der Position des Risses 12 in bezug auf einen ausgewählten festen Punkt, z. B, die Ecke 13, an der Plattformkonstruktion durch die Signalanalyse erhalten.

Die Signalverarbeitung ist in dem in Fig. 2 gezeigten Blockdiagramm veranschaulicht. Die Signale von den Fühlern, die aus Mikrophonen oder Hydrophonen bestehen können, werden in einem Verstärker verstärkt und dann durch ein Filter geführt, wo Hintergrundgeräusch und nicht zugehörige Interferenzsignale herausgefiltert werden. Die aus dem Filter herauskommenden Analogsignale werden in digitale Form in einem A/D Wandler umgewandelt und werden dann in den Computer zur Signalanalyse mit einem Signalanalyseprogramm geführt. Programme für eine solche Signalanalyse sind im Prinzip bekannt und werden in früher bekannten Rißauffindungssystemen, die auf der Analyse von einer akustischen Ausstrahlung basieren, verwendet. Das Ergebnis wird auf einem Aufzeichnungsgerät gezeigt, wo die derzeitige Rißsituation somit fortlaufend abgelesen werden kann.

Claims

ANSPRÜCHE

Ein Verfahren zum vorzugsweise fortlaufenden Feststellen des Vorhandenseins von Rissen, der Bildung von. Rissen und der Fortpflanzung von Rissen in Konstruktionen durch Aufzeichnen und Analyse von akustischen Ausstrahlungen von einem Riß in der Konstruktion, dadurchgekennzeichnet,

- daß mindestens zwei Fühler, die auf akustische Schwingungen, die von dem Riß an das an die Konstruktion angrenzende Medium ausgesandt werden, empfindlich sind, in dem Medium angeordnet sind, wobei die Fühler mit gegenseitigem Abstand in genau bestimmten Positionen bezüglich der Konstruktion angeordnet sind; .

-daß die Zeitunterschiede zwischen den Aufzeichnungen der verschiedenen Fühler von akustischen Schwingungen, die von einem Riß in der Konstruktion an das Medium ausgesandt werden, gemessen werden;

— und daß diese Zeitunterschiede zum Bestimmen der Position des Risses verwendet werden.
2. Ein Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitunterschiede zwischen den Aufzeichnungen von mindestens vier Fühlern von akustischen Schwingungen, die an das Medium von dem Riß ausgesandt werden, gemessen werden und daß die gemessenen Zeitunterschiede zum Bestimmen des Abstandes und der Richtung des Risses verwendet werden.
3. Ein Verfahren wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale von den Fühlern in ein Signalanalysesystem in einem Computer geführt werden, in dem die

Position der Fühler in bezug auf die Konstruktion . programmiert ist.
4. Ein Verfahren wie in Anspruch 3 beansprucht, d a durch gekennzeichnet, daß die Geometrie der zum überprüfen bestimmten Konstruktion ebenfalls in dem Computer programmiert ist.
5. Ein Verfahren wie in einem der vorhergehenden

Ansprüche beansprucht, zur Ermittlung von Rissen in einer Konstruktion, die mit einer Flüssigkeit in Kontakt ist, dadurch gekennzeich net, daß eine Vielzahl von,vorzugsweise vier,in der Flüssigkeit untergetauchten Hydrophonen zum Aufzeichnen von akustischen Schwingungen, die an die Flüssigkeit von einem Riß ausgesandt werden, verwendet werden.
6. Ein Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht zum Auffinden von Rissen in einer Konstruktion, die mit einem gasförmigen Medium, · z. B. Luft, in Kontakt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von, vorzugsweise vier, in dem gasförmigen Medium angeordneten Mikrophonen zum Aufzeichnen akustischer Schwingungen, die an das gasförmige Medium von einem Riß ausgesandt werden, verwendet werden.