نظارت بر سلامت سازه حین بهره برداری با آکوستیک امیشن

نظارت بر سلامت سازه بطور کلی و نظارت بر سلامت سازه با روش آکوستیک امیشن (AE SHM) بطور خاص زمینه‌های نوظهوری از مهندسی هستند که با توسعه و کاربرد رویکردهایی برای ارزیابی آنلاین و نظارت بر سازه‌ها سروکار دارند. ایمنی و نیازهای تجاری انگیزه اصلی توسعه AE SHM هستند.

انگیزه ایمنی

تجزیه و تحلیل خرابی‌ها در صنایع مختلف نشان داد که طراحی مناسب، انتخاب مصالح و ساخت، ایمنی سازه‌ها را در درازمدت تضمین نمی‌کند. زیرا سازه‌ها می‌توانند در طول عمر عملیاتی خود تحت بارهای شدید و شرایط محیطی سخت قرار گیرند. خواص مواد ممکن است به طور قابل توجهی در طول زمان کاهش یابد. همچنین آمار خرابی‌ها نشان می‌دهد که بررسی‌های دوره‌ای غیر مخرب سازه‌ها به دلایل مختلف برای جلوگیری از خرابی‌های احتمالی کافی نیست. بنابراین، به منظور کاهش خطر خرابی غیرمنتظره، توسعه روش‌هایی با قابلیت انجام ارزیابی و نظارت بر خط و آنلاین، ضروری است.

انگیزه تجاری

یکی دیگر از نیروی محرکه AE SHM نیاز تجاری به توسعه روش‌هایی است که می‌تواند معیارهای کمی قابل اندازه‌گیری را برای نگهداری مبتنی بر شرایط ارائه دهد. CBM یک رویکرد نسبتاً جدید است که در صنایع مختلف اتخاذ شده‌است که برنامه تعمیر و نگهداری را بر اساس شرایط ساختار تعریف می‌کند. به عبارت دیگر، تعمیر و نگهداری در هر زمان و هر کجا که لازم باشد انجام می‌شود و امکان عملیات مقرون به صرفه، به حداقل رساندن نیاز به خروج از سرویس و کاهش خطر خرابی را فراهم می‌کند.

روش آکوستیک امیشن به دلیل مزایای متعدد، بطور منحصر بفردی با مفهوم پایش سلامت سازه مطابقت دارد. به ویژه، می‌توان از آن برای موارد زیر استفاده کرد:

• تشخیص یکپارچگی کلی سازه از جمله تشخیص، مکان، شناسایی و ارزیابی عیب/عیوب در طول عملیات عادی سازه.
• نظارت مستمر یا دوره ای.
• شناسایی شرایط عملیاتی که باعث پیدایش و توسعه عیب/عیوب می‌شود.

در ادامه، اصول پایش سلامت سازه با روش انتشار صوتی توضیح داده‌می‌­شود که شامل اصطلاحات و تعاریف، مفروضات اساسی و فرآیند استاندارد AE SHM است.

اصطلاحات و تعاریف

• Structural health monitoring پایش سلامت سازه فرآیندی برای تشخیص و نظارت بر وضعیت سازه‌ها است که معمولاً در حین عملیات آنها انجام می‌شود.
• Diagnosis فرآیندی است برای شناسایی و ارزیابی عیوب، ویژگی ها یا شرایطی که بر ایمنی/عملکرد آینده سازه تأثیر می‌گذارد یا ممکن است بر آن تأثیر بگذارد.
• Flaw   نقص یا ناپیوستگی است که ممکن است با آزمایش غیر مخرب قابل تشخیص باشد و لزوماً قابل رد نیست.
• Fault  وضعیت یا نقص غیرعادی در سطح قطعه، تجهیزات یا زیر سیستم که ممکن است منجر به خرابی شود.
• Monitoring  فرآیند پیگیری تغییرات در وضعیت یک ساختار.
• Prediction فرآیندی برای تخمین خرابی احتمالی نقص/عیب در آینده بر اساس نتایج تشخیص، نظارت و/یا مدل‌سازی عددی.

فرآیند نظارت بر سلامت سازه SHM

مراحل اجرای SHM به شرح ذیل طبقه بندی می­‌شود :

• AE SHM procedure development

مرحله اول به جمع آوری کلیه اطلاعات لازم در مورد سازه، طراحی و مواد آن، شرایط عملیاتی، آمار خرابی‌ها و غیره اختصاص دارد. علاوه بر این، آزمایش‌های آزمایشگاهی و/یا در مقیاس صنعتی بر روی سازه‌هایی با عیوب شناخته‌شده انجام می‌شوند تا توانایی ردیابی، شناسایی و ارزیابی عیوب را توسعه دهند. بر اساس اطلاعات جمع‌آوری‌شده، ابزار دقیق، روش‌های جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها و سیاست‌های بارگذاری و غیره تعیین می‌شود.

• Sensing

یک فرآیند اندازه‌گیری داده است. این فرآیند شامل اندازه‌گیری آکوستیک امیشن و همچنین داده‌های پارامتری مانند فشار، دما، کرنش و موارد دیگر مطابق با روش توسعه یافته نظارت بر سلامت سازه می­‌شود. مهم است که بررسی کنید که داده‌های جمع‌آوری‌شده در طول فرآیند جمع‌آوری داده معتبر هستند و می‌توانند به طور رضایت‌بخشی برای اهداف تعریف‌شده در روش توسعه‌یافته نظارت بر سلامت سازه استفاده شوند. اگر چنین نیست، ممکن است به اندازه‌گیری‌های اضافی با تنظیمات یا بارگذاری متفاوت، شرایط عملیاتی و/یا محیطی نیاز باشد.

• Diagnosis

تشخیص یکی از اهداف اولیه نظارت بر سلامت سازه است. این به طور موثر یک AE NDE معمولی را از AE SHM متمایز می‌کند. اهداف فرآیند تشخیص نه تنها شناسایی و مکان یابی عیوب مانند NDE معمولی است، بلکه شناسایی و ارزیابی آنها نیز می‌باشد. مدل‌سازی عددی، تحلیل شرایط تنش، تاریخچه سازه بازرسی‌شده، کاربرد موضعی روش‌های مختلف NDE، بررسی مواد و موارد دیگر ممکن است برای تبلور صحیح‌ترین تصویر تشخیصی از وضعیت یک سازه مورد بررسی لازم باشد.

• Monitoring

مانیتورینگ برای پیگیری وضعیت یک سازه در طول زمان انجام می‌‌شود. بسته‌ به کاربرد خاص به صورت دوره‌ای یا مداوم. برای موفقیت در پایش، شناسایی ویژگی‌های کمی و/یا کیفی آکوستیک امیشن که با توسعه نقص/عیب در حال تغییر هستند، ضروری است. انجام مانیتورینگ در شرایط عادی عملیاتی و محیطی سازه بسیار مهم است.

اگر تغییر در شرایط تنش/عملیات/محیطی به هر دلیلی رخ دهد یا ساختاری تحت تأثیر شدید و آسیب دیدگی قرار گرفته‌باشد، ممکن است نیاز به تغییر در یک سیاست نظارتی داشته‌باشد. هدف مهم دیگر نظارت، شناسایی شرایطی است که باعث پیدایش و توسعه عیب/عیوب در ساختار بازرسی‌شده می‌شود. نمونه هایی از این شرایط عبارتند از خستگی، تنش­‌های مکانیکی ، تنش‌های حرارتی و غیره.

• Prediction

اهداف پیش بینی عبارتند از:

• عمر مفید باقیمانده سازه را شناسایی کند.
• یک سیاست بازرسی مجدد/نظارت مجدد مناسب بر اساس نتایج تشخیصی و نظارتی را تعریف کند.
• ارائه اطلاعات لازم برای تصمیمات CBM.

 پیش‌بینی معمولاً بر اساس نتایج تشخیصی، نظارت‌های متعدد و همراه با تمام اطلاعات مربوط به سازه، تاریخچه آن و همه عوامل خطر قابل اندازه‌گیری یا غیرقابل اندازه‌گیری انجام می‌شود.

فرضیات اساسی نظارت بر سلامت سازه با روش آکوستیک امیشن :

نظارت بر سلامت سازه با روش آکوستیک امیشن به عنوان هر مفهوم علمی دیگر مبتنی بر مجموعه‌ای از مفروضات اساسی است که به طور معمول بدیهی هستند و ضروری نیستند که از نظر علمی اثبات شوند. نقش مفروضات، تعریف یک مبنای سیستماتیک از یک مفهوم یا نظریه است. در حال حاضر نمی‌توان ادعا کرد که این مجموعه از مفروضات کامل است و بنابراین ممکن است اصلاحات و اصلاحات بیشتری مورد نیاز باشد. مفروضات اساسی به چهار گروه تقسیم شدند:

• توسعه روش AE SHM
• تشخیص و نظارت ساختار
• تجزیه و تحلیل داده‌ها
• پیش بینی و توصیه‌ها

چند نمونه از بدیهیات AE SHM در زیر ارائه شده است :

• یک روش بهینه AE SHM روشی است که حداکثر احتمال تشخیص عیب/عیوب را تضمین می‌کند و در عین حال یافته‌های منفی کاذب را به حداقل می‌رساند.
• توسعه برنامه‌های کاربردی جدید AE SHM اساساً بر اساس فرآیند یادگیری است. این شامل جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل اطلاعات در مورد:

1. طراحی سازه، تاریخچه بهره‌برداری، تعمیرات و نتایج بازرسی های قبلی.
2. خواص مواد.
3. بارهای اعمال‌شده، شرایط عملیاتی و محیطی.
4. عیب/عیوبی که می‌توانند در ساختار بازرسی‌شده ایجاد شوند.
5. ویژگی‌های آکوستیک امیشن عیب/عیوب شناسایی، ارزیابی و پایش‌شده.
6. مشخصات انتشار موج در مواد و هندسه سازه مورد بازرسی شامل حالت های انتشار، تضعیف، پراکندگی و سایر مشخصات.
7. ابزار دقیق آکوستیک امیشن مناسب برای کاربرد خاص.

• یک بارگذاری و/یا شرایط محیطی بهینه برای اجرای نظارت بر سلامت سازه، شرایطی در نظر گرفته‌می‌شود که تحت آن عیب /عیوب به طور طبیعی در ساختار بازرسی شده منشأ می‌گیرند و ایجاد می‌شوند.
• در حین ارزیابی عیب/عیوب، در صورت عدم قطعیت نتایج باید یک رویکرد محافظه کارانه اتخاذ شود. عیوبی که می‌توانند به طور مساوی به دو گروه مختلف بر اساس سطح شدتشان طبقه‌بندی شوند، باید به گروه مربوط به عیوب شدیدتر نسبت داده‌شوند.
• مقایسه بارگذاری، شرایط عملیاتی ویا محیطی با فعالیت آکوستیک امیشن یا ویژگی‌های آکوستیک امیشن که منعکس کننده ویژگی‌های جنبشی توسعه عیوب است می‌تواند برای شناسایی استفاده شود. شرایطی که باعث پیدایش، توسعه، شتاب یا توقف عیب می‌شود.
• ویژگی‌های سیگنال انتخاب‌شده برای تجزیه و تحلیل داده‌ها باید حداقل مجموعه‌ای از ویژگی‌های مهم آماری لازم برای برنامه خاص نظارت بر سلامت سازه باشد. هر زمان که لازم باشد فیلتر و نرمال می‌شود، بنابراین تأثیر نویز پس زمینه به حداقل می‌رسد و داده‌ها در زمان‌های مختلف و مکان‌های مختلف اندازه‌گیری می‌شوند.
• ویژگی‌های مورد استفاده در تجزیه و تحلیل داده‌ها باید با پدیده‌های فیزیکی اندازه‌گیری‌شده در طول AE SHM ارتباط برقرار کند تا از تشخیص صحیح  در ساختار بازرسی‌شده اطمینان حاصل شود.
• فعالیت آکوستیک امیشن قابل تشخیص از نویز پس زمینه آکوستیک امیشن باید به عنوان فعالیت مرتبط با نقص/عیب در نظر گرفته‌شود مگر اینکه تفاوت آن ثابت شود.
• یک نقص/عیب که در طول تست گسترش نمی­‌یابد(رشد نمی­کند) نمی‌تواند باعث خرابی شود مگر اینکه تغییری در شرایط بارگذاری، عملیاتی ویا محیطی ایجاد شود.
• فاصله بازرسی مجدد بهینه به گونه‌ای است که خطر شکست غیرمنتظره به حداقل احتمال قابل قبول، تعریف‌شده برای برنامه خاص کاهش می‌یابد.

نظارت بر سلامت سازه حین بهره برداری با آزمون آکوستیک امیشن