Spørgsmål og svar:Udnyttelse af lyd til bedre at overvåge aldrende pipeline-infrastruktur

Underjordiske rørledninger, nogle lige så gamle som de byer, de betjener, er ofte langt forbi deres tilsigtede levetid, og behovet for at udskifte dem er en udgift, som de fleste kommuner ikke har råd til.

Behovet for bedre overvågning af disse aldrende linjer er altafgørende, og udnyttelsen af ​​lydbølger – gennem fononik – kan give kommunerne en omkostningseffektiv metode til at forhindre pauser og tage fat på de farligste områder først.

Serife Tol, en assisterende professor i maskinteknik ved University of Michigan, bruger lydbølger, der passerer langs rørledninger til at levere et væld af information, som infrastrukturoperatører kan bruge.

Hendes teams seneste forskningsresultater er tilgængelige i Anvendt fysik bogstaver .

Hvad er fononik, og hvordan kan det anvendes i sansekapaciteter?

Phononics ser på elastiske eller akustiske bølger, og hvordan de bevæger sig gennem materialer, der er sammensat af gentagne, eller periodisk, strukturer. Disse periodiske materialer omfatter fononiske krystaller og metamaterialer til applikationer såsom dæmpning af lyde og vibrationer, eller akustiske tildækningsanordninger.

Kunstigt konstruerede periodiske strukturer kan designes ved hjælp af elementer som stænger, bjælker, tallerkener eller skaller, som alle udviser ekstraordinære dynamiske egenskaber, du ikke finder i naturlige materialer. Disse egenskaber bestemmer, hvordan de elastiske eller akustiske bølger bevæger sig.

Elastiske bølger, der forplanter sig i et rør, kan tjene som et værktøj til at opdage lækager, revner, bøjninger og mere. Defekter i strukturer vil forstyrre de elastiske eller akustiske bølgesignaturer - og denne forstyrrelse kan detekteres af sensorer monteret på røroverfladen. Analyse af ankomsttiderne for bølger i modtagersignalet bestemmer placeringen og typen af ​​defekt i rørvæggen. Denne type guidede bølgetest er allerede meget brugt som en ikke-invasiv strukturel sundhedsovervågningsteknik.

Når det kommer til rørledninger og deres strukturelle integritet, hvorfor har man ikke brugt fononi før?

Phononics er en ny videnskab, der stadig udforskes af forskere, og det er første gang, vi ser på det for at registrere applikationer i rørledninger. Vi demonstrerer dens effektivitet sammenlignet med nuværende overvågningsteknologier såsom ultralydsstyrede bølger.

Ultralydsbølger har vist sig at være omkostningseffektive og nemme at betjene, dels fordi selve rørledningen fungerer som bølgeleder. Imidlertid, metoden lider, fordi bølgernes amplitud bliver mindre og sværere at detektere under langdistanceinspektioner af rørledninger.

Dette problem kan overvindes med phased array-teknologi, som fokuserer elastiske ultralydsbølger og forbedrer defektdetektion og lokalisering. Men teknologien bag bølgefokusering kræver aktiv kontrol gennem eksterne enheder og en database med bølgekarakteristika, der er specifikke for hver pipeline.

Hvordan tackler du problemet?

Med vores tilgang, selve rørledningen kan bruges til at designe en avanceret passiv bølgeleder. Vi skræddersyer foniske krystaller til at guide og lokalisere den elastiske bølgeenergi på et ønsket sted på rørledningen. Vi skaber en fononisk krystallinse, meget som en optisk linse, og integrere det med eksisterende rørkonstruktioner.

Målet er at forstærke vibrationsenergien ved sensorplaceringerne på rørledningen. Sensoren producerer et elektrisk signal, der matcher, som så konverteres til at give os bølgernes hastighed.

Hvor effektivt har pipeline-designet vist sig at være? Og hvordan kunne det anvendes på nuværende rørledningssystemer?

Vi verificerede vores linsedesign gennem numeriske simuleringer og laboratorieeksperimenter på et prototype stålrør. Vi observerede to gange forstærkningen af ​​bølgeenergi ved det fokale sted sammenlignet med det konventionelle rør. Enkeltlinsedesignet kan fokusere flere rørbølgetilstande, der almindeligvis bruges til ultralydsinspektion af rørledninger, hver med deres egne specifikke fordele.

Vores design fokuserer også bølgeenergi over et bredt frekvensområde på 20 kHz til 50 kHz, ultralydsfrekvenserne. Det betyder, at multi-mode bredbåndsbølgefokusering kan opnås med vores konforme linse, hvilket forbedrer registrerings- og detektionskapaciteter i langdistancerørledninger.

Linsen vil være en strukturel komponent til det nuværende design af rørledningerne og kan implementeres i forskellige længdeskalaer med korrekt skalering af designfunktionerne. Også, designet kan implementeres i underjordiske nedgravede rørledninger med linsen indlejret i rørvæggen eller forblive som et eksternt lag for åbne rørledninger. Vi er i øjeblikket ved at undersøge de 3-D-printede konforme linser til eksisterende rør og udvikler næste generations linseindlejrede rørledningsstrukturer.

Hvad ville fordelene ved et system integreret med denne teknologi være?

Rørledningsfejl er en alvorlig bekymring, som påvirker alle, der betjenes af dem, såvel som kommuner, der har til opgave at vedligeholde dem. Brudde linjer med olie, spildevand og petrokemikalier udgør en alvorlig trussel mod såvel mennesker som miljøet.

En effektiv måde at undgå disse fejl på er at udføre regelmæssig inspektion/vedligeholdelse via overvågning af rørledningernes strukturelle sundhed. Forebyggelse af linjefejl er en omkostningsbesparelse i sig selv. Men med vores teknologi, Kontinuerlig strukturel sundhedsovervågning ville blive meget mere effektiv via omkostningsreduktioner for linjeudskiftningsstrategier og evnen til at hjælpe med at forlænge rørledningernes levetid.

Hvilke andre potentielle anvendelser ser du for din teknologi?

Det foreslåede konforme linsekoncept kan udvides til andre strukturer, inklusive vindmøllevinger, dragere, og fundamenter, samt andre civile, mekaniske og rumfartsapplikationer.