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T h e u s e o f a c o u s t ic - e m is s io nt e c h n i q u e s a n d l i q u i d p e n e t r a n t st o d e t e c t s u r f a c e c r a c k sI . G . Pa lme rT h e a u t h o r d e s c r ib e s a m e t h o d o f i n f i l t r a t i n g s u r f a c e d e f e c t s w i t h a d h e s iv e l iq u i d s .A f t e r c u r i n g , h i g h a m p l i t u d e a c o u s t i c em i s s io n s a r e o b t a i n e d f r o m c r a c k i n g o f t h ea d h e si v e w h e n t h e d e f e c t o p e n s u n d e r l o a d . T h u s t h e d e f e c t s c a n be f o u n d .

A c o u s t i c e m i s s i o n t e c h n i q u e s a r e b e i n g d e v e l o p e d t o d e t e c tthe p r esence of de f ec t s in s t r uc tu r a l c om po nen ts . 1 ,2 ,3 ,4T h e e m i s s io n s u s u a l ly a r i s e f ro m p l a s ti c d e f o r m a t i o n a t t h ec r a c k t ip o r f r o m c r a c k e x t e n s i o n . T h e s i m p l e s t a p p l i c a t io no f t h e t e c h n i q u e i s t o u s e t h e e m i s s io n s t o l o c a t e t h e d e f e c t sb y t r i a n g u l a t i o n t e c h n i q u e s ; t h e s e v e r it y o f th e d e f e c t s c a nt h e n b e as se ss e d b y o t h e r n d t m e t h o d s . T h i s m e t h o d o fl o c a t i o n h a s b e e n s u c c e s sf u l ly d e m o n s t r a t e d i n l ar g e p re s -sure vessels ,s ,6 T h e u l t i m a t e a i m o f th e t e c h n i q u e , h o w e v e r ,i s t o u s e t h e e m i s s i o n s t o m o n i t o r c r a c k g r o w t h o r t o a ss es st h e i m m i n e n c e o f f ai l u re f r o m t h e s h a p e o f t h e e m i s s io n -l o a d c u r v e s o r f r o m t h e c h a r a c t e r o f t h e e m i s s i o n s t h e m -selves.A f e a t u r e o f t h e e m i s s io n p h e n o m e n o n i n m e t a l s is it si r r ever s ib i l ity ( the K a ise r e f f ec t ) . This e f f ec t me ans tha te m i s s io n s a re n o t o b t a i n e d f r o m a s t ru c t u r e u n l e s s t h e p r e -v i o u s w o r k i n g l o a d i s e x c e e d e d a n d n e w p l a s t ic d e f o r m a t i o no r c r a c k g r o w t h o c c u r s . T h i s c o u l d b e d is a d v a n t a g e o u s , f o ri n s t a n c e i f t h e r e w e r e g o o d r e a s o n s f o r a v o i d i n g o v e r -pr es sur e te s t ing of p r es sur e vesse l s. When ov er pr es sur iza t ionc a n b e c a r ri e d o u t , t h e e f f e c t c a n b e u s e d t o d e t e c t t h eg r o w t h o f d e f e c t s o c c u r r i n g b e t w e e n p r e s s u r iz a t i o n s . 7 I th a s , h o w e v e r , b e e n o b s e r v e d t h a t e m i s si o n s c an b e o b t a i n e df r o m d e f e c t s a t l o w e r l o a d s th a n t h o s e p r e v i o u s l y a p p l i e d ,i f o x i d a t i o n o r c o r r o s i o n h a s p r o d u c e d o x i d e f i l m s w i t h i nthe d e f ec t s . 8 ,9 O n r e loading , c r ack ing of the f i lms occur sg iv ing emis s ions a t low app l ied loads . This sugges t s tha t anybr i t t l e f i lm w i th in the de f ec t might g ive emis s ions in as i m il a r w a y , a n d i n p a r t i c u l a r t h a t t h e d e l i b e r a te i n f i l t r a t i o nw i t h a ' b r i t t l e ' l i qu i d m i g h t s u b s e q u e n t l y p r o d u c e e m i s s io n so n l o a d i n g a n d e n a b l e t h e d e f e c t t o b e l o c a t e d ,

E x p e r i m e n t a l d e t a i l sD u n e g a n R e s e a r c h C o r p o r a t i o n e q u i p m e n t w a s u s e d f o r t h ea c o u s t i c e m i s s i o n m o n i t o r i n g . T h e t e s t i n g t e c h n i q u e s u s e dh a v e b e e n d e s c r ib e d p r e v i o u s l y . 8 ,9 C o m p a c t t e n s i o n s p e ci -m e n s 2 5 m m t h i c k o f a C / M n r e a c t o r p r e s su r e -v e s s e l s t e elw e r e p r e f a ti g u e c r a c k e d t o g i ve a b o u t 5 m m c r a c k g r o w t ha t t h e e n d o f t h e m a c h i n e d s l i t, ( F i g . l ) . T h e s t r e s s i n t e n -s i t y r a n g e u s e d (A K ) w a s 2 0 M N m ' a P . S p e c i m e n s w e r ep r e s t r a in e d t o l o a d s ju s t l e s s t h a n a n d j u s t g r e a t e r t h a n t h eg e n e ra l y ie l d l o a d t o p r o d u c e o p e n e d f a t ig u e c r a c k t i p s inw h i c h t h e s e p a r a t i o n o f t h e c r a c k f a c e s c o u l d b e m e a s u r e d .T h e l i q u i d p e n e t r a n t s u s e d w e r e A r a l d i te f o r m u l a t i o n s , i np a r t i c u la r t h e a d h e s iv e s A Y 1 0 3 a n d A Y 1 0 5 m i x e d w i t hh a r d e n e r H Y 9 5 1 . S o m e t e s t s w e r e a l so m a d e u s i n g a st r ai n -I . G . Pa lmer i s in the mater i a l s d iv is io n o f t h e Cen t r a l E lec t r i c i t yResearch Lab orator i es , Ke l v i n Avenue, Leatherh ead, Sur rey , UK .

s e n si t iv e l a c q u e r o f t h e t y p e u s e d f o r s u r fa c e s t r a i n m e a s u r e -m e n t s . T h e l i q u id s w e r e a p p l ie d t o t h e c r a c k t i p a n d i n -f i l tr a t i o n o c c u r r e d b y c a p i l l a r y a c t i o n . O n l y t h e f a t i g u ecr acked t ip r eg ion w as f i ll ed . This w as no t d i f f icu l t exce ptt h a t w i t h v e r y v i s c o u s so l u t i o n s t h e p r o c e s s w a s r a t h e r s l o w( t h i s w a s i m p r o v e d b y w a r m i n g ) . S o m e d i f f ic u l t y w a s e x -p e r i e n c e d h o w e v e r i n p e n e t r a t i n g a s - f a t ig u e c r a c k e d s p e ci -m e n s ; m e t h o d s f o r im p r o v i n g t h i s s i t u a t io n a r e d i s c u s s e dl a t er . S u r p l u s li q u i d w a s r e m o v e d f r o m t h e s p e c i m e n s u r-f a c e a n d t h e A r a l d it e m i x t u r e s w e r e c u r e d a t r o o m t e m p e r -a t u r e ( A Y 1 0 3 ) o r s l ig h t ly e l e v a t ed t e m p e r a t u r e ( A Y 1 0 5 ) .T h e b r i t t l e l a c q u e r w a s a ll o w e d t o d r y a t r o o m t e m p e r a t u r eo v e r a p e r i o d o f t w o w e e k s .

R e s u l t sA f a t i g u e - c ra c k e d b u t u n f i ll e d s p e c i m e n w a s l o a d e d t o 0 . 9o f g e n e r a l y i el d a n d t h e a c o u s t i c e m i s s i o n re c o r d e d ( F i g .2 ) .E m i s s i o n s a r o s e f r o m p l a st i c z o n e f o r m a t i o n a t t h e c r a c kt i p . 9 , 10 A n e m i s s io n c u r v e w a s t h e n o b t a i n e d a f t e r f il li n gt h e c r a c k t i p r e g i o n o f th i s s p e c i m e n w i t h A r a l d i t e A Y 1 0 5 /H Y 9 5 1 ( F i g . 3 ) . H i g h a m p l i t u d e e m i s s io n s w e r e o b t a i n e da t lo w a p p l i e d l o a d s . T h e e m i s s io n r a t e b u i lt u p r a p i d l y t oa h ig h v a l u e o v e r a s m a l l l o a d r a n g e a n d t h e n f e ll a b r u p t l yt o z e r o . V e r y f e w e m i s si o n s w e r e o b t a i n e d f r o m t h i s p o i n to n w a r d s u n t i l t h e p r e v i o u s m a x i m u m l o a d w a s r e a ch e d .S e v e ra l re l o a d c y c l e s w e r e t h e n g i v e n a n d t h e y s h o w e d t h a ta s m a ll n u m b e r o f em i s s i o n s p e r s i st e d a t l o w l o a d s . A

, 2 - s re = 2 5 t

Loading ine

I6 2 . 5 m m

F i g . 1 T h e s p e c im e n s u se d i n t h i s w o r k w e r e m a d e f r o m r e a c t o rp r e ss u r e- v es s e l s t ee l w i t h a m a c h i n e d s l o t a n d a n i n d u c e d f a t i g u ec r a c k : t h e c r a c k l e n g t h is m e a s u r ed f r o m t h e lo a d i n g l i n e

J

NON-DESTRUCTIVE TESTING . FEB RUA RY 1974 25

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SO -~ I0S p e c i m e n P C M 2 1 !JGa in 9 7 d B ]Crosshcod speed [4 0 O . 2 m m m i n I /1

~ , 2 o, o - j y -0 O 5 I -0 1"5 2 . 0 2"5

Cr o ssh e ad d isplacem en t [ r ~ ]Fig.2 The acoustic emission f rom a crack w i th o u t ad h es ivef i l l ing increases stead i ly as the general y ie ld load is app roach ed

J 8

- - 6

- 4

2

0

= _.O3O

x5

s i m i la r s p e c i m e n w a s p r e s t r a in e d j u s t b e y o n d g e n e r a l y i e ld ,a n d t lae c r a c k t i p t ' f i led w i t h A r a l d i t e A Y 1 0 3 / H Y 9 5 1( F ig .4) . The emis s ion ac t iv i ty w as d i sp laced to a s l igh tlyh i g h e r lo a d r a n g e. R e s u l t s o b t a i n e d w i t h t h e b r i t t l e l a c q u e rw er e les s success f u l . O nly low am pl i tude emis s ions w er eo b t a i n e d , p r o b a b l y a s a r e s u lt o f t h e l o w f r a c t u r e s t r e n g t ho f t h e l a c q u e r .

D i s c u s s i o nT h e r e s u l t s s h o w e d t h a t e m i s s io n s w e r e o b t a i n e d f r o m t h ef r ac tur e of b r i t t l e adhes ive fi lms w i th in su r f ace c r acks . Thisi s v e r y s i m il a r t o t h e o b s e r v a t i o n o f e m i s s io n s f r o m t h ef r a c tu r i n g o f a d h e s i v e b o n d e d j o i n t s , 1 1,1 2 a n d o f o x i d et ri m s w i t h in d e f e c t s , s ,9 E x a m i n a t i o n o f t h e f r a c t u r e ds p e c i m e n s s h o w e d t h a t f a il u r e h a d o c c u r r e d w i t h i n t h eA r a l d it e f d m . T h e d i s p l a c e m e n t r e q u i re d t o f r a c t u r e ab r i t t l e f d m o f t h i c k n e s s t i s g iv e n b y

o f = tEw h e r e o f is th e f r a c t u r e s t r e n g t h a n d E t h e Y o u n g ' s m o d u l u so f t h e t r im . T h e t h i c k n e s s a t t h e c r a c k t ip w a s m e a s u r e dw i t h a t r a ve l l in g m i c r o s c o p e ; o f w a s t a k e n a s 3 5 . 2 M N m "2and E as 3 .45 x 103 MN m "2 ( ma nu f ac tu r e r ' s da ta shee t1 9 7 0 ) ; t h e c a l c u la t e d v a lu e s o f a r e s h o w n i n T a b l e 1 .T h e s e d i s p l a c e m e n t s c a n b e c o m p a r e d w i t h t h e c r a c k t i po p e n i n g d i s p l a c e m e n t 6 f o r t h e s t r e ss i n t e n s i t y f a c t o r K a tw hich c r ack ing of the A r a ld i te ( i e the emis s ion ac t iv i ty )ceased. 6 is given 13 by

1( 1 - U ) o l C In se eT a b l e 1 . P r o p e r t i e s o f t h e s p e c i m e n s

w her e v is Pois sons r a t io , O l i s the y ie ld s t r e s s , C is the c r acklength , # i s the shea r modu lus , and o i s the a ppl ied s t res s .For sm al l va lues of 0 r o /2O l) th i s r educes to

(1 - ~ ) K 26 - 2 # O lFor the s tee l used /a = 8 x 104 MN m - 2 , o1 = 2 6 0 M N m "2and the ca lcu la ted va lues of 6 a r e show n in Table 1 . A l thou ght h e s p e c i m e n s h a d b e e n p r e s t r a i n e d t h e e f f e c t o n 6 f o r s m a llv a l ue s o f K w i l l b e s m a l l . T h e a g r e e m e n t b e t w e e n t h e d i s-p lacement va lues ~ and 6 i s r easonable , and th i s ind ica test h e p o s s i b i l it y o f u s in g t h e t e c h n i q u e t o m a k e d i r e c t m e a s u r e -me nts o f smal l , d i sc r e te va lues of cod , in spec imens con-ta in ing s li t s o r c r acks of measur ab le w id th . I t should ben o t e d , h o w e v e r , t h a t t h e r e i s an u p p e r l i m i t t o t h e v a l ue s o fcod w h ich can b e r ea l i s ti ca l ly mea sur ed , th i s l imi t be ing'~ , 1% of the s li t w id th ( see above) , w hich i s un l ike ly to begr ea te r than a f ew mi l l ime t r es .

50 - IO~ ' Em isso n cu r ve Sp e c im e n CM 21r es e ts t o z e r o G a i n 9 7 d BCrosshead speed4 0 ~ E m i s s i o n s f r om 8am ld i t c rack in 9 O.2mm rain I - (3

- - " 3

0 n~ 20 - 4 ~

J xIO - 20 ~ ~ _ _ 1 _ _ 0O 0"5 I 'O 1"5 2 0 2 '5

C r o s s h c a d d i s p la c e m e n t [ turn]Fig.3 Aco ust ic emission f rom the cracking of the adhesive f i l l ingqu ickl y reaches a high level at a low load

5O -q IOSpecimen PCM 23mission curv er e s et t o z e r o G a i n 9 7 d B |Crosshead sp. d l4 o 0 . 2 r a m m i . - ' - 1 e. Emissions fromar a ld i t c r ~ck in 9 ~ a_

3

xI 0 2 50 0O 0"5 I 'O 1 '5 2 '0

Crosshtmd d i s p l a c ~ n t [ r a m ]Fig.4 Sim i lar emissions result w h e r e th e sp ec im en is prestrainedb eyo n d g en er a l y ie ld an d a d i f fe r en t ad h es ive i s u sed

A d h e s i v e t h i ck n e s s t F r a c t u r e d i s p l a c e m e n t S t re s s i n t e n s i t y f a c t o r K C r a c k t i p o p e n i n g d i s p l a c e m e n t 6S p e c i m e n [ m m ] [ m m ] [ M N m "3 /2 ] [ m m ]1 3 5 x 1 0 "3 0 . 3 5 x 1 0 " 3 4 . 2 0 . 2 9 x 1 0 32 1 0 0 x 1 0 - 3 1 . 0 2 x 1 0 - 3 6 . 4 0 . 6 5 x 1 0 - 3

2 6 N O N - D E S T R U C T I V E T E S T I N G . F E B R U A R Y 1 97 4

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T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t a s u f fi c i e n t l y l a r g e n u m b e r o f h i g h -a m p l i t u d e e m i ss i on s w e r e o b t a i n e d t o a l l o w l o c a t i o n o f t h ed e f e c t b y t r ia n g u l a t io n t e c h n i q u e s . T h u s i t sh o u l d b ep o s s i b l e t o u s e t h e t e c h n i q u e t o s e a r c h f o r a n d l o c a t e s u r f a c ed e f e c t s i n s t r u c t u r e s , e g p r e s su r e v e s s el s. T h e u s e o f li q u i dp e n e t r a n t t e c h n i q u e s ( e g d y e p e n e t r a n t s ) i s w e l l e s ta b l i s h e da n d t h e u s e o f b r it t l e a d h e s i v e s s h o u l d b e a s i m p l e e x t e n s i o nt o t h e s e t e c h n i q u e s . I n p r e ss u r e v e s se l t e s t in g f o r e x a m p l ed y e p e n e t r a n t t e c h n i q u e s h a v e b e e n u s e d t o c o n f i r m t h ep r e s e n c e o f d e f e c t s i n d i c a t e d b y a c o u s t i c - e m i s s i o n m e a s u r e -m e n t s o n l a r g e t h i c k s e c t i o n p r e s s u r e v e s se l s, s ,6 U s e o f t h ep r e s e n t te c h n i q u e c o u l d p r o v i d e i n d e p e n d e n t c o n f i r m a t i o no f s u c h d e f e c t s .A d v a n t a g e s o f t h e t e c h n i q u e a r e t h a t a c o u s t i c e m i s s i o n iso b t a i n e d f r o m d e f e c t s r e g a r d le s s o f t h e e m i s s i o n c h a r a c t e r -i st ic s o f t h e s t e e l. T h u s i t s h o u l d b e a p p l i c a b le t o m a n ys t ru c t u r e s w i t h o u t a n y m a t e r i al c h a r a c t e r i z a ti o n w o r k b e i n gn e c e s s a r y , a n d e m i s s i o n s s h o u l d b e o b t a i n e d f r o m d e f e c t si n s t r u c t u r e s w h i c h a r e i n t ri n s i c a ll y q u i e t . ( T h e e m i s s i o nb e h a v i o u r o f s o m e s te e ls f o r e x a m p l e i s m a r k e d l y s t r u c tu r es e n s it iv e a n d s p h e r o i d i z e d s t r u c t u r e s c a n b e v e r y q u i e t ) .T h e e m i s s io n c h a r a c t e r i s t ic s w i l l o n l y b e a f u n c t i o n o f t h ea d h es iv e u s e d a n d th e d e g r e e o f b o n d i n g o b t a i n e d . T h et e c h n i q u e s h o u l d a l s o o v e r c o m e t h e l i m i t a t i o n s o f t h e K a i s ere f f e c t a n d e n a b l e e m i s s i o n s t o b e o b t a i n e d f r o m c r a c k e dr e g i o n s o f a s t r u c t u r e o n a s e c o n d o r s u b s e q u e n t l o a d i n g ,w i t h o u t t h e n e e d f o r e x c e e d i n g p r e v i o u s l o a d le v e ls . T h u si t c o u l d b e a p p l i e d t o p r e s s u r e v e s s el s w h i c h h a v e p r e v i o u s l yb e e n p r e ss u r iz e d w i t h o u t b e i n g m o n i t o r e d , o r it c o u l d b ea p p l i e d o n a s e c o n d o r s u b s e q u e n t p r e s s u r i z a t i o n t o c o n -f i r m t h e p r e s e n c e o f d e f e c ts w h i c h w e r e i n d i c a t e d o n a f ir s tp r e s s u r i z a ti o n . T h e f a c t t h a t o p e n i n g o f t h e d e f e c t i s r e-q u i r e d t o p r o d u c e e m i s s i o n s m e a n s t h a t i n s i g n i f i c a n t d e f e c t s( e g s u r f a c e s c r a t c h e s ) w h i c h s h o w n o o p e n i n g u n d e r l o a d ,w i ll n o t b e d e t e c t e d . I t is a l s o n o t e w o r t h y t h a t t h e e m i s -s i o n a c t i v i ty c e a s e s w e l l b e f o r e t h e o c c u r r e n c e o f e m i s s i o n sf r o m n e w y i e l d i n g o r c r a c k e x t e n s i o n , s o t h a t t h e e m i s s i o n sw o u l d n o t i n t e r f e r e w i t h a n y q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f t h o s eo b t a i n e d s u b s e q u e n t l y . I t s h o u l d b e n o t e d , h o w e v e r , t h a tc r a c k i n g o f A r a l d i t e o n t h e f r e e s u r f a c e w i l l b e o b s e r v e dw h e n t h e s u r fa c e s tr a i n s e x c e e d ~ 1 % .T h e b e s t a d h e s i v e s t o u s e a r e p r o b a b l y A r a l d i t e s o r s i m i la re p o x y r es in s w h i c h s e t b y c u r in g a n d n o t b y e v a p o r a t i o n o fa so l v e n t . T h e y a l s o h a v e h i g h f r a c t u r e s t r e n g t h s a n d s o w i l lp r o d u c e h i g h - a m p l i t u d e e m i s si o n s. T h e a p p l i c a t i o n o f t h et e c h n i q u e t o ' t i g h t ' c r a c k s , r e q u i r e s fu r t h e r d e v e l o p m e n t .A r a l d i t e o r s i m i la r a d h e s i v e s w i t h b e t t e r c a p i l la r y a c t i o n a r eu n d o u b t e d l y a v a il a b le a n d s h o u l d b e t r i e d . A l t e r n a t i v e l y ,t h e l i q u i d s c o u l d b e a p p l i e d t o s u s p e c t r e g i o n s w h i l e t h es t r u c t u r e i s u n d e r l o a d , a t e c h n i q u e a l r e a d y u s e d w i t h d y ep e n e t r a n t s . 1 4 E v e n w i t h o u t p e n e t r a t i o n o f t h e d e f e c t i t i sp o s s i b l e t h a t e m i s s i o n s w o u l d b e o b t a i n e d f r o m t h e c r a c k -i n g o f t h e a d h e s i v e a c r o s s t h e t o p o f t h e d e f e c t a s it o p e n e du n d e r l o a d . A l l t h e s e p o s s ib i l it ie s r e q u i r e f u r t h e r e v a l u a t i o n .I t is c le a r , h o w e v e r , t h a t e v e n i n i ts p r e s e n t s t a t e o f d e v e l o p -m e n t t h e t e c h n i q u e s h o u l d b e a u s e f u l e x t e n s i o n t o e x i s t i n gn d t t e c h n i q u e s .

Th e advantages over exist ing dye-penetranttechniquesL o c a t i o n o f d e f e c t s c an b e a c h ie v e d w i t h o u t t h e n e c e s s i tyf o r ex t ens i ve v i sua l s ea r ch i ng .

E m i s s i o n s a r e o b t a i n e d o n l y f r o m s i g n i f i c a n t d e f e c t s w h i c ho p e n u n d e r l o a d . W h e n u s i ng d y e p e n e t r a n t s i t is n o t a l w a y sp o s s i b l e t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n s i g n i f i c a n t d e f e c t s a n di n s i g n i fi c a n t s u r f a c e i m p e r f e c t i o n s .E s t im a t e s c a n b e o b t a i n e d o f t h e s e v e r it y o f d e f e c t s b ye s t i m a t i n g t h e c r a c k t i p o p e n i n g d i s p l a c e m e n t .

ConclusionsP e n e t r a t i o n o f s u r f a c e c ra c k s c a n b e a c h i e v e d w i t h ' b r i t t l e 'a d h e s i v e li q u i d s , a n d h i g h - a m p l i t u d e a c o u s t i c e r m s s io n s areo b t a i n e d f r o m t h e c r a c k i n g o f th e a d h e s i ve w h e n t h e d e f e c to p e n s u n d e r l o a d .T h e t e c h n i q u e e n a b l e s e m i s s i o n s t o b e o b t a i n e d f r o m s u r -f a c e d e f e c t s i n d e p e n d e n t l y o f t h e e m i s s i o n c h a r a c t e ri s t i c so f t h e m a t e r ia l , a n d h e n c e o v e r c o m e s s o m e o f t h e l i m i ta -t i o n s o f c o n v e n t i o n a l a c o u s t ic e m i s si o n m o n i t o r i n g .T h e t e c h n i q u e c o m b i n e s t h e l i q ui d p e n e t r a n t a n d a c o u s t i ce m i s s i o n t e c h n i q u e s a n d r e p r e s e n t s a u s e f u l e x t e n s i o n t oe x i st in g n d t m e t h o d s .AcknowledgementsT h i s w o r k w a s c a r r i e d o u t a t t h e C e n t r a l E l e c t r i c i t y R e s e a r c hL a b o r a t o r i e s , a n d t h e p a p e r i s p u b l i s h e d b y p e r m i s s i o n o ft h e C e n t r a l E l e c t r i c i t y G e n e r a t i n g B o a r d .

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