فعالیتهای تحقیقاتی در مورد استفاده از تکنیک آکوستیک امیشن برای ارزیابی ترک خوردگی ناشی از تنش (SCC) در دهههای اخیر مورد توجه قرار گرفتهاست. امکان ارائه نظارت مستمر در محل سازهها و اجزای سازنده، این تکنیک غیرمخرب را به وضوح در زمینه نظارت بر سلامت سازه امیدوار میکند. این مقاله قصد دارد مروری متمرکز بر ارزیابی پدیده ترک خوردگی ناشی از تنش با تکنیک آکوستیک امیشن باشد. تکنیک آکوستیک امیشن به طور گستردهای به منظور ارزیابی تکامل آسیب مصالح و سازهها و گسترش کاربرد آن در نظارت بر سلامت سازه (SHM) در سالهای اخیر، به طور فزایندهای به سمت نظارت بر مسئله خوردگی سیستمها و اجزاء، متمرکز میباشد که عاملی حیاتی در تضمین یکپارچگی صنعتی ساختاری است.
فناوری آکوستیک امیشن به طور سنتی در سال 1950 با کار جوزف کایزر پدر فناوری مدرن آکوستیک امیشن آغاز شد. درواقع، کایزر اولین تحقیق جامع را در مورد پدیدههای آکوستیک امیشن انجام داد. اما مهمترین کشف کایزر پدیده برگشت ناپذیری بود که اکنون نام او را دارد: اثر کایزر. یکی از اولین کاربردهای این فناوری برای پایش خوردگی در اواخر دهه 70 انجام شد. تکنیک آکوستیک امیشن قبلاً در دهه 1980 برای SHM عمدتاً در بخشهای عمرانی، خودروسازی و هوانوردی استفاده میشد که نشان دهنده قابلیتهای پیشبینی این تکنیک است.
فناوری آکوستیک امیشن امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد. چندین استاندارد تعریف و صادر شدهاست. بعنوان مثال، در ASME برای ارزیابی و آزمایش مخازن پلاستیکی تقویتشده با الیاف و فلز. در ASTM برای آزمایش جوشکاری، آزمایش مخازن تحت فشار و ابزار آکوستیک امیشن و تأیید سنسور. علاوه براین، استانداردهای CEN عمدتاً برروی آزمایش اثبات مخازن تحت فشار و لولهکشی متمرکز هستند. در حالی که استانداردهای ISO برروی کالیبراسیون سنسور، اصطلاحات و دستورالعملهای کلی متمرکز هستند.
اصول آکوستیک امیشن
پدیده شکست یک ماده با آزاد شدن انرژی کرنش که در آن ذخیره میشود صورت میگیرد که عمدتاً با تشکیل سطوح خارجی جدید (ترک) و با انتشار امواج الاستیک مصرف میشود. که به عنوان آکوستیک امیشن (AE) تعریف میشود. این امواج الاستیک از طریق مواد منتشر میشوند و میتوانند توسط یک حسگر فرکانس بالا، همانطور که در شکل 1 مشخص است، به دست بیایند. امواج الاستیک (تولید شده توسط تغییر شکل مواد، تبدیل یا ترک خوردگی که از طریق رسانه منتشر میشود) بر روی سطح فلز توسط سنسور آکوستیک امیشن شناسایی میشوند. که به عنوان یک ماژول تبدیل ارتعاش به سیگنال الکتریکی عمل میکند. بخشی از ارتعاشات سطحی در هوا منتشر میشود و بسته به منشاء سیگنال، احتمالاً یک موج صوتی (یعنی صدای شکست کلاسیک) شنیده میشود.
شکل 1. اصل تشخیص موج آکوستیک امیشن
در طی پدیده آکوستیک امیشن، امواج مکانیکی با فرکانس بالا (تا چندین مگاهرتز) ساطع میشود. مکان رویدادی که منشا موج آکوستیک امیشن (منبع AE) و بزرگی آن است را میتوان با شکل موج آکوستیک امیشن که توسط حسگرها به دست میآید، برای ارزیابی آسیب و انتشار آن تخمین زد. شماتیکی از تنظیم تجهیزات آکوستیک امیشن برای آزمایش ترک خوردگی ناشی از تنش مرجع در شکل 2 مشخص است.
شکل 2. شماتیک تنظیم تجهیزات AE برای آزمایش SCC معمولی.
تشخیص پدیده ترک خوردگی ناشی از تنش (SCC) توسط تکنیک آکوستیک امیشن
استرس ترک خوردگی
ترک خوردگی ناشی از تنش یکی از بحرانی ترین انواع خوردگی است. ترک خوردگی ناشی از تنش همچنین میتواند باعث خرابی زودرس اجزای سازه شود و نباید در مدیریت ریسک آسیب از آن غفلت کرد. انتشار ترک که منجر به شکستگی زودرس ماده میشود، نتیجه ترکیب هم افزایی تنشهای مکانیکی و واکنشهای خوردگی است. ترک خوردگی ناشی از تنش یکی از عوامل مرتبط با خرابی اجزای فلزی یا عیب کارخانه در طیف وسیعی از بخشهای صنعتی است. بنابراین، ارزیابی قابل اعتماد عمر سرویس این اجزا و ساختارها نیاز به پیشبینی مراحل فعالسازی و انتشار پدیده ترک خوردگی ناشی از تنش دارد.
ترک خوردگی ناشی از تنش شامل مکانیسمهای آسیب شیمیایی و مکانیکی است که به طور هم افزایی برای القای تکامل مداوم آسیب به سمت شکستگی نهایی جزء عمل میکند. پارکین ابتدا مفهوم «طیف خوردگی تنش» را به منظور ارزیابی طیف پیوسته مکانیسم ترک خوردگی ناشی از تنش ، که توسط یک سهم قابل تغییر از عوامل الکتروشیمیایی و مکانیکی کنترل میشود، بسته به مکانیسمهای آسیب ترک خوردگی ناشی از تنش در حال تکامل، معرفی کرد. تکامل کل مسیر آسیب عموماً آهسته و زمانبر است، در نتیجه، نظارت در محل انتقال از شروع به انتشار به منظور برآورد خطرات ترک خوردگی ناشی از تنش بسیار مفید است.
منابع اصلی آکوستیک امیشن در پدیده ترک خوردگی ناشی از تنش
بسته به مکانیسم خوردگی، رویدادهای آکوستیک امیشن خاصی تولید میشوند که میتوانند به طور یکسان با فرآیندهای خورنده در حال انجام مرتبط باشند. چندین اشکال خوردگی، مانند خوردگی یکنواخت، حفرهای، شکاف، SCC، tribocorrosion، خستگی خوردگی، با تکنیک آکوستیک امیشن مورد مطالعه قرار گرفتهاند که نشان میدهد این فناوری میتواند برای شناسایی پدیدههای خوردگی استفاده شود. در این سالها، به دلایل ایمنی و کاهش خطرات محیطی، نظارت مداوم توسط آکوستیک امیشن در مخازن تحت فشار تست هیدرواستاتیک و اتصالات نازل برای خوردگی تنشی رایج شدهاست.
منابع آکوستیک امیشن احتمالی قابل شناسایی در طول فرآیندهای SCC یا خستگی خوردگی (CF) را به صورت شماتیک شکل 5 نشان میدهد. همانطور که در شکل مشخص است، چندین پدیده در طول این مکانیسمهای آسیب خوردگی به کمک تنش رخ میدهد. به طور خاص، منابع اصلی آکوستیک امیشن را میتوان شناسایی کرد: شروع و رشد ترک. تکامل حباب هیدروژن به دلیل واکنش کاتدی. تجزیه لایه های اکسید سطحی ضخیم. منابع آکوستیک امیشن خاص بیشتری را میتوان در ناحیه پلاستیک نوک ترک استدلال کرد: تغییر شکل لغزش، دوقلو شدن، و شکستگی یا جداشدگی رسوبات، ذرات فاز دوم، یا اجزاء غیرفلزی.
شکل 3. شماتیک منابع احتمالی آکوستیک امیشن در طول فرآیندهای خوردگی، ترک خوردگی تنشی و خستگی خوردگی
نقش این عوامل در تکامل آسیب خوردگی و در فعالیت صوتی ناشی از آن بشدت به شرایط محیطی (که میتواند به تردی هیدروژن یا انحلال محلی فلز کمک کند)، شرایط مکانیکی (تنش ثابت یا چرخهای، سه محوری تنش) و عوامل مواد (گرما) بستگی دارد. فقط عمل هم افزایی این عوامل رفتار آکوستیک امیشن فرآیند SCC یا CF را مشخص میکند. بزرگی و تعداد رویدادهای آکوستیک امیشن بسته به مکانیسم خوردگی در حال وقوع متفاوت است.
در حال حاضر شرکت تتا با بکارگیری آزمون آکوستیک امیشن وضعیت مخازن را حین سرویس ارزیابی کرده و آسیبهای ناشی از خوردگیهای فعال و نشتیها را شناسایی مینماید.
