Kan styrkeutnyttelsen av stål måles med ultralyd?

Stål har lenge vært det mest brukte materialet i strukturer som skal tåle store belastninger. Akustiske signaler forplanter seg med letthet gjennom stål og kan derfor gi verdifull informasjon om materialet inne i selve strukturen og utnyttelsen av dets styrke. Slike ikke-destruktive testmetoder har blitt viktige for å redusere vedlikeholds- og reparasjonskostnader. DNV og Halfwave AS har utviklet og kommersialisert et verktøy som bruker akustisk resonans (Acoustic Resonance Technology - ART) for å måle veggtykkelsen i rørledninger. Teknologien bak ART-verktøyet er basert på en analyse av frekvensene til halvbølgeresonansen i et signal som forplanter seg i tykkelsesretningen av røret. Resonansfrekvensene er direkte relatert til veggtykkelsen og materialegenskapene til stålet. Med kjent lydhastighet kan veggtykkelsen estimeres. Tilsvarende vil forandringer i materialegenskaper føre til forandring i de akustiske egenskapene, og derav lydhastigheten.

Hovedmålet med studiet har vært å undersøke muligheten for å bruke akustiske målinger til å måle forandringer i materialegenskapene til stål under høye elastiske spenninger. Fremgangsmåten har vært å studere forandring i frekvensene til halvbølgeresonansene på tvers av en stålplate som blir utsatt for høye spenninger. Denne forandringen er relatert til lydhastigheten for både trykk- og skjærbølger over tykkelsen av stålplaten, og stålets materialegenskaper. De eksperimentelle resultatene viser at ART kan brukes til å måle statistisk signifikant forandring av relativ lydhastighet som funksjon av påført spenning under kontrollerte laboratorieforsøk, og viser godt samsvar med den akustoelastiske teori. I tillegg har studiet vist hvordan forholdet mellom relativ forandring i lydhastigheten til trykk- og skjærbølger kan brukes som en tykkelsesuavhengig måleverdi. Dette er et nyttig bidrag til industrielle applikasjoner hvor gode tykkelsesmålinger kan være upraktiske å gjennomføre.

Personalia

Simen Eldevik er siv.ing. innen teknisk fysikk fra NTNU 2005. Han har ni års erfaring innen strukturell integritet for offshore-rørledninger fra DNV GL. I 2010 ble han en del av Norges Forskningsråds (NFR) Næringsph.d.-program som har som overordnet mål å øke rekruteringen av forskere til norsk industri. Studiet har vært et samarbeid mellom DNV GL, Halfwave AS, og Universitetet i Bergen, og er finansiert av Gassco og NFR. Professor Per Lunde ved Institutt for fysikk og teknologi har vært veileder.