Ondergrondse pijpleidingen, sommige zo oud als de steden die ze bedienen, zijn vaak ver voorbij hun beoogde levensduur en de noodzaak om ze te vervangen doemt op als een kostenpost die de meeste gemeenten zich niet kunnen veroorloven.

De behoefte aan een betere monitoring van deze verouderingslijnen is van het grootste belang, en het gebruik van geluidsgolven - via phononics - kan gemeenten een kostenefficiënte methode bieden om pauzes te voorkomen en de gevaarlijkste gebieden eerst aan te pakken.

Serife Tol, een universitair docent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Michigan, maakt gebruik van geluidsgolven die langs pijpleidingen gaan om een ​​schat aan informatie te leveren die infrastructuurbeheerders kunnen gebruiken.

De nieuwste onderzoeksresultaten van haar team zijn beschikbaar in: Technische Natuurkunde Brieven .

Wat is phononics, en hoe kan het worden toegepast in detectiecapaciteiten?

Phononics kijkt naar elastische of akoestische golven en hoe ze bewegen door materialen die zijn samengesteld uit herhalende, of periodiek, structuren. Deze periodieke materialen omvatten fononische kristallen en metamaterialen voor toepassingen zoals het dempen van geluiden en trillingen, of akoestische verhul apparaten.

Kunstmatig ontworpen periodieke structuren kunnen worden ontworpen met behulp van elementen zoals staven, balken, platen of schelpen, die allemaal buitengewone dynamische eigenschappen vertonen die je niet aantreft in natuurlijke materialen. Die eigenschappen bepalen hoe de elastische of akoestische golven zich voortplanten.

Elastische golven die zich in een leiding voortplanten, kunnen dienen als hulpmiddel bij het opsporen van lekkages, scheuren, bochten en meer. Defecten in constructies zullen de elastische of akoestische golfsignaturen verstoren - en die verstoring kan worden gedetecteerd door sensoren die op het buisoppervlak zijn gemonteerd. Door de aankomsttijden van golven in het ontvangstsignaal te analyseren, wordt de locatie en het type defect in de buiswand bepaald. Dit type geleide golftesten wordt al veel gebruikt als een niet-invasieve techniek voor structurele gezondheidsmonitoring.

Als het gaat om pijpleidingen en hun structurele integriteit, waarom is er niet eerder phononics gebruikt?

Phononics is een nieuwe wetenschap die nog steeds wordt onderzocht door onderzoekers, en dit is de eerste keer dat we ernaar kijken voor het detecteren van toepassingen in pijpleidingen. We demonstreren de effectiviteit ervan in vergelijking met de huidige monitoringtechnologieën zoals ultrasoon geleide golven.

Ultrasone golven zijn kosteneffectief en eenvoudig te bedienen gebleken, mede omdat de pijpleiding zelf als golfgeleider dient. Echter, de methode lijdt omdat de golfamplitude kleiner en moeilijker te detecteren wordt tijdens langeafstandsinspecties van pijpleidingen.

Dit probleem kan worden overwonnen met phased array-technologie, die ultrasone elastische golven focust en defectdetectie en lokalisatie verbetert. Maar de technologie achter golffocussering vereist actieve controle via externe apparaten en een database met golfkarakteristieken die specifiek zijn voor elke pijplijn.

Hoe pakt u het probleem aan?

Met onze aanpak, de pijpleiding zelf kan worden gebruikt om een ​​state-of-the-art passieve golfgeleider te ontwerpen. We maken fononische kristallen op maat om de elastische golfenergie op een gewenste plek op de pijpleiding te geleiden en te lokaliseren. We creëren een fononische kristallens, net als een optische lens, en integreren met bestaande leidingstructuren.

Het doel is om de trillingsenergie op de sensorlocaties op de pijpleiding te versterken. De sensor produceert een elektrisch signaal dat overeenkomt met die vervolgens wordt omgezet om ons de snelheid van de golven te geven.

Hoe effectief is het pijpleidingontwerp bewezen? En hoe kan het worden toegepast op de huidige leidingsystemen?

We hebben ons lensontwerp geverifieerd door middel van numerieke simulaties en laboratoriumexperimenten op een prototype stalen buis. We observeerden tweemaal de versterking van golfenergie op de brandpuntslocatie in vergelijking met de conventionele pijp. Het ontwerp met één lens kan meerdere pijpgolfmodi focussen die gewoonlijk worden gebruikt voor ultrasone inspectie van pijpleidingen, elk met hun eigen specifieke voordelen.

Ons ontwerp richt zich ook op golfenergie over een breed frequentiebereik van 20 kHz tot 50 kHz, de ultrasone frequenties. Dat betekent dat multi-mode breedbandgolffocussering kan worden bereikt met onze conforme lens, waardoor de detectie- en detectiemogelijkheden in langeafstandspijplijnen worden verbeterd.

De lens zou een structureel onderdeel zijn van het huidige ontwerp van de pijpleidingen en kan op verschillende lengteschalen worden geïmplementeerd met de juiste schaal van de ontwerpkenmerken. Ook, het ontwerp kan worden geïmplementeerd in ondergrondse ondergrondse pijpleidingen met de lens ingebed in de pijpwand of blijven als een externe laag voor open pijpleidingen. We onderzoeken momenteel de 3D-geprinte conforme lenzen voor bestaande pijpen en ontwikkelen de volgende generatie in lenzen ingebedde pijpleidingstructuren.

Wat zouden de voordelen zijn van een systeem dat met deze technologie is geïntegreerd?

Pijpleidingstoringen zijn een ernstige zorg die gevolgen heeft voor iedereen die door hen wordt bediend, evenals voor gemeenten die belast zijn met het onderhoud ervan. Gescheurde lijnen die olie vervoeren, afvalwater en petrochemicaliën vormen een ernstige bedreiging voor mens en milieu.

Een effectieve manier om deze storingen te voorkomen, is door regelmatig inspectie/onderhoud uit te voeren door de structurele gezondheid van de pijpleidingen te bewaken. Het voorkomen van lijnstoringen is op zich al een kostenbesparing. Maar met onze technologie continue structurele gezondheidsmonitoring zou veel effectiever worden via kostenverlagingen voor strategieën voor lijnvervanging en de mogelijkheid om de levensduur van pijpleidingen te helpen verlengen.

Welke andere mogelijke toepassingen ziet u voor uw technologie?

Het voorgestelde conforme lensconcept kan worden uitgebreid naar andere structuren, inclusief windturbinebladen, liggers, en fundamenten, evenals andere burgerlijke, mechanische en ruimtevaarttoepassingen.