Kiểm tra phát xạ âm kết cấu cầu thép

Tổng quan kiểm tra phát xạ âm

Thử nghiệm phát xạ âm thanh (Acoustic Emission Testing – AET) là một kỹ thuật thử nghiệm không phá hủy (NDT) thường được sử dụng để phát hiện các vết nứt do mỏi trong các bình chịu áp lực bằng thép và composite, bể chứa khí trên mặt đất cũng như cầu thép và bê tông. Thử nghiệm phát xạ âm thanh là kỹ thuật NDT thụ động vì nó không truyền năng lượng vào cấu trúc để khảo sát các dị thường của vật liệu. Kết cấu kiểm tra phải chịu ứng suất đến mức làm cho vết nứt mỏi phát triển. Khi vết nứt mỏi phát triển trong phạm vi micromet, hoặc thậm chí nhỏ hơn, tín hiệu phát xạ sẽ phát ra từ vật liệu nứt vỡ. Phát xạ âm thanh chỉ đơn giản là một tập hợp các sóng siêu âm truyền trong môi trường vật liệu. AE được truyền đến các cảm biến chủ yếu thông qua sóng dọc, sóng cắt, sóng bề mặt và sóng dẫn hướng.

Tải trọng kiểm tra Phát xạ âm thanh cho các kết cấu khác nhau

Dưới đây là một số phương pháp phổ biến để gây ứng suất diễn tiến cho kết cấu khác nhau trong quá trình kiểm tra phát xạ âm thanh:

• Thử nghiệm AE của bình chịu áp lực bằng thép: Bình được điều áp bằng thủy tĩnh hoặc khí nén tương ứng bằng 5/3 và 1,1 lần áp suất sử dụng.
• Thử nghiệm AE của bình chịu áp lực hỗn hợp: Bình được điều áp bằng thủy tĩnh hoặc khí nén tương ứng với 1,5 và 1,1 lần áp suất sử dụng.
• Thử nghiệm AE của bể chứa trên mặt đất: Kết cấu được khuyến nghị thử nghiệm với công suất 50% hoặc cao hơn để kích thích hoạt động của ăn mòn hoặc rò rỉ.
• Thử nghiệm AE của cầu thép: Các cầu đường sắt bằng thép được tạo ứng suất với các đoàn tàu chở hàng, đặc biệt chú trọng đến mối tương quan giữa hoạt động AE với các toa xe nặng nhất – thường là đầu máy.

Trình tự thử nghiệm phát xạ âm thanh thường được xác định trong các tiêu chuẩn ASTM, ASME, API hoặc DOT có liên quan giám sát các yêu cầu kiểm tra chế tạo và các kết cấu đang hoạt động.

Kiểm tra cầu thép bằng phát xạ âm thanh

Mục tiêu của thử nghiệm phát xạ âm thanh của cầu thép với vết nứt đã phát hiện, hoặc vết nứt được sửa chữa gần đây, là để xác định xem vết nứt đang tiếp tục phát triển hay không hoạt động. Nếu vết nứt đang hoạt động, nó có thể phát triển ở tốc độ nào? Hình 1 cho thấy một dãy bốn cảm biến phát xạ âm thanh đặt xung quanh một đầu vết nứt trên dầm cầu thép. Mặc dù có thể sử dụng ít nhất ba cảm biến để xác định vị trí phát triển vết nứt, nhưng bạn nên sử dụng nhiều hơn nếu có thể để cải thiện vị trí nguồn AE.

Thử nghiệm AE được tiến hành đúng cách sẽ sử dụng các quy trình lọc thông minh để loại bỏ tín hiệu phát xạ âm thanh không liên quan. Các bộ lọc tín hiệu được sử dụng quanh các cảm biến phát xạ âm thanh để ngăn AE từ bên ngoài ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra. Mặc dù không thể quan sát được trong Hình 1 và các bảo vệ cảm biến phát xạ âm thanh được đặt bên ngoài liền kề với khớp nối đinh tán nhằm cố gắng lọc ra AE liên quan đến vị trí cần quan tâm.

Tốc độ và cường độ phát ra âm thanh từ các vết nứt do mỏi chủ yếu được sử dụng để đánh giá xem vết nứt đang hoạt động hay không hoạt động. Nếu vết nứt đang hoạt động, một phân tích phức tạp hơn có thể được áp dụng để xác định sự phát triển của vết nứt. Tốc độ phát ra âm thanh phần lớn dựa trên số lượng sự kiện AE được phát hiện trong mỗi chu kỳ tải. Chu kỳ tải phụ thuộc vào loại kết cấu được thử nghiệm nhưng phải được chuẩn hóa bằng thời gian thử nghiệm, số lượng cảm biến AE, v.v. Cường độ phát xạ âm thanh được sử dụng để đánh giá mức độ nghiêm trọng của vết nứt và được định lượng thông qua biên độ (dB), sức mạnh AE, năng lượng AE và thời lượng AE. Tốc độ và cường độ phát ra âm thanh được xem xét bằng cách sử dụng ma trận xếp hạng mức độ nghiêm trọng.

Đoạn video ngắn đầu tiên dưới đây minh họa cách một dãy gồm 4 cảm biến phát xạ âm thanh phát hiện và hiển thị các sự kiện AE có thể định vị ở dạng 2-D. Các ô vuông màu đỏ là các sự kiện phát xạ âm được định vị theo thời gian đến tương ứng của chúng tới các cảm biến AE 1-4.

Đoạn video ngắn tiếp theo minh họa cách phần mềm AE có thể được sử dụng để nhập hình ảnh được chia theo tỷ lệ của cấu trúc thử nghiệm và xếp chồng các sự kiện AE lên hình ảnh.

Kết luận

Các vết nứt do mỏi đang phát triển có ở hầu hết các cây cầu thép. Để xác định xem các vết nứt là chủ động hay thụ động, các phương pháp kiểm tra nâng cao có thể được sử dụng theo quyết định của kỹ sư cầu đường. Thông tin bổ sung có thể được sử dụng để quyết định một vị trí nứt quan trọng cụ thể có cần thực hiện thêm hành động sửa chữa hay không, vị trí đó có nên được giám sát thường xuyên hơn so với các chương trình kiểm tra định kỳ hay không hoặc nên phân bổ kinh phí cho việc sửa chữa hoặc thay thế trong bao lâu. Trong trường hợp như vậy, phát xạ âm thanh có thể được sử dụng để phân loại mức độ nghiêm trọng của các vết nứt do mỏi ở các bộ phận quan trọng bị nứt.