Recherche sur les tests non destructifs des cornières d'acier dans les pylônes de transmission de puissance

L’évaluation de l’intégrité structurelle des infrastructures critiques, pylônes en treillis pour lignes de transmission particulièrement haute tension, construits principalement à partir de sections d'acier inclinées, présente des défis d’ingénierie profonds et persistants. Ces tours sont soumises à des pressions incessantes, régimes de chargement complexes, y compris le poids statique, forces dynamiques du vent, fluctuations thermiques, et l'activité sismique, tous contribuant à l'initiation et à la propagation de défauts localisés, principalement des fissures de fatigue et des pertes de matière dues à la corrosion, souvent concentré au niveau des joints soudés ou boulonnés critiques. Contrôles non destructifs traditionnels (CND) méthodes, tels que les tests manuels par ultrasons ou l'inspection par magnétoscopie, sont souvent d'une lenteur prohibitive, cher, et intrinsèquement localisé, nécessitant de nombreux échafaudages ou un accès par corde pour les inspections sur les milliers de sections d'angle comprenant une seule tour. L'émergence de Tests par ultrasons à ondes guidées (Intestin) propose un changement de paradigme dans ce domaine, prometteur à long terme, capacités de criblage à grande vitesse. Cependant, traduire les avantages théoriques du GWUT en un outil fiable, méthodologie d'inspection déployable sur le terrain pour la géométrie complexe d'une section d'angle en acier (Profil en L) nécessite une optimisation rigoureuse, dont l'objectif principal est la sélection et le raffinement de la fréquence d'excitation optimale grâce à des techniques de simulation numérique avancées.

Le fondement théorique des ultrasons à ondes guidées dans l'acier d'angle

Ondes guidées, contrairement aux ondes ultrasonores massives, voyager le long des limites d'une structure, guidé par sa géométrie. Cette capacité à se propager sur de longues distances avec une perte d'atténuation minimale est ce qui confère au GWUT sa puissance de filtrage à longue portée.. Cependant, la complexité du GWUT commence par le fait que ces vagues sont multimodal et dispersif.

1. Nature multimodale et dispersion

Pour une structure simple comme un tuyau ou une plaque, les ondes guidées sont généralement classées en Torsion (T), Longitudinal (L), et Flexion (F) Modes, chacun se propageant à une vitesse différente et possédant un profil de déplacement unique. Face au complexe, géométrie non axisymétrique d'une section d'angle en acier - un profil en L caractérisé par deux plaques qui se croisent (les jambes) et un virage serré : la classification des modes devient beaucoup plus complexe. Les modes ne sont plus proprement séparables comme T, L, ou F; plutôt, ils sont complexes Résigné modes qui se couplent et interagissent entre les deux jambes. Les champs de déplacement deviennent fortement asymétriques, répartir l'énergie sur les surfaces planes et concentrer la contrainte au niveau du congé d'angle.

Surtout, ces modes sont dispersif, c'est-à-dire leur vitesse de propagation ( $v_{\text{p}}$ ou $v_{\text{g}}$ ) est fonction de la fréquence d'excitation ( $f$ ). Cette dispersion est le défi technique central du GWUT, en particulier pour l'inspection à longue distance. Si un paquet d'ondes contient une plage de fréquences, différents composants se déplacent à des vitesses différentes, provoquant l'étirement du signal dans le temps (propagation temporelle) et réduire le pic d'énergie de l'écho de retour, ce qui compromet gravement la sensibilité et la portée de la détection des défauts. Le défi de l'optimisation, donc, consiste à identifier une fréquence ou une bande de fréquences étroite où la dispersion est minime – une région souvent appelée zone fenêtre non dispersive ou une région où la vitesse de groupe ( $v_{\text{g}}$ ) la courbe est relativement plate.

2. Le rôle critique de la fréquence d’excitation

Le choix de la fréquence d'excitation est le paramètre le plus critique dans la conception d'un système GWUT pour les cornières en acier., car il influence directement trois facteurs concurrents:

Sélectivité et existence des modes: Des modes d'ondes guidées spécifiques n'existent ou ne sont efficacement excités que dans certains produits fréquence-épaisseur ( $f \cdot d$ ) gammes. La fréquence choisie doit exciter un mode sensible au type de défaut attendu (par ex., un mode avec des composants à forte contrainte de cisaillement près du coin pour les fissures de fatigue).
Gestion des dispersions: La fréquence doit être choisie pour fonctionner dans un régime quasi-non dispersif afin de maximiser la distance de propagation et de minimiser la complexité du signal..
Atténuation et sensibilité: Les fréquences plus élevées offrent généralement une meilleure résolution des défauts (longueur d'onde plus courte $\lambda$ ) mais souffrent d'une plus grande atténuation en raison de la diffusion des matériaux et des fuites d'énergie, plage limite. Inversement, les basses fréquences voyagent plus loin mais peuvent manquer de résolution spatiale ( $\lambda/2$ règle générale) nécessaire pour détecter les petites fissures de fatigue.

L'interaction complexe entre ces facteurs nécessite une approche systématique utilisant la simulation numérique, en particulier la Méthode des éléments finis (FEM) et le Éléments finis semi-analytiques (SÛR) méthode— pour modéliser la propagation des ondes dans la géométrie des cornières avant de tenter des expériences physiques coûteuses.

Méthodologie de simulation numérique: Caractéristiques du mode de déverrouillage

Compte tenu du coût élevé et de la complexité des tests physiques d'un nombre infini de combinaisons de fréquences sur les cornières en acier, la simulation numérique fournit le cadre essentiel de présélection et d'optimisation.

1. La méthode SAFE pour les courbes de dispersion

La première étape consiste à comprendre définitivement les caractéristiques de dispersion du profilé d'angle en acier.. Le Éléments finis semi-analytiques (SÛR) la méthode est la norme de l’industrie pour cette tâche. Contrairement à la FEM 3D complète, SAFE modélise la section transversale 2D complexe du profil en L à l'aide d'éléments finis standards, en supposant une propagation infinie dans le troisième (longitudinal) direction. En résolvant les équations d'ondes dans le domaine fréquentiel, la méthode SAFE génère efficacement l’ensemble des Courbes de dispersion—les graphiques montrant la vitesse de phase ( $v_{\text{p}}$ ) et vitesse de groupe ( $v_{\text{g}}$ ) par rapport à la fréquence ( $f$ ) pour tous les modes d'ondes guidées possibles.

Résultat de l'analyse SAFE pour une cornière en acier (par ex., $L100 \times 100 \times 10$ cornière en acier avec $10 \text{ mm}$ épaisseur) est crucial:

Identification des modes non dispersifs: L'ingénieur recherche le $v_{\text{g}}$ courbe pour les régions où la pente est proche de zéro, indiquant une vitesse de groupe stable et une cohérence maximale du signal. Ces fréquences deviennent les premières candidates à l’optimisation.
Sélection du mode pour la sensibilité: La méthode SAFE fournit également le formes modales (profils de déplacement et de contrainte) pour chaque mode aux fréquences candidates. Par exemple, si le principal problème est une fissure de fatigue dans un coin, l'ingénieur doit sélectionner un mode dont la composante de contrainte de cisaillement ( $T_{\text{xz}}$ ou $T_{\text{yz}}$ ) est fortement concentré au niveau du rayon intérieur ou du congé d'angle. Les modes principalement concentrés au centre des pattes plates seront insensibles aux défauts de coin.

2. FEM 3D complet pour la validation de fréquence et l'interaction des défauts

Une fois que la méthode SAFE a réduit le champ à quelques fréquences optimales (par ex., $50 \text{ kHz}$ , $75 \text{ kHz}$ , $100 \text{ kHz}$ ), un plein 3D Méthode des éléments finis (FEM) une simulation est nécessaire pour valider l’efficacité de l’excitation, plage de propagation, et surtout, l'interaction avec des défauts réalistes.

Construction de modèles: Un modèle de dynamique transitoire est créé dans un logiciel (par ex., $\text{ABAQUS}$ ou $\text{PZFlex}$ ) utiliser des limites absorbantes (par ex., couches parfaitement assorties, $\text{PML}$ ) pour simuler une structure infiniment longue, empêcher les réflexions indésirables des extrémités du modèle. Un défaut réaliste (par ex., un $5 \text{ mm}$ encoche profonde simulant une fissure de fatigue dans le congé d'angle) est introduit.
Signal d'excitation: L'entrée est généralement une rafale de tonalité fenêtrée (par ex., $5$ -cycle Hanning sinusoïde à fenêtre) à la fréquence candidate.
Analyse et optimisation: La simulation FEM fournit une analyse dans le domaine temporel, générer le signal A-scan reçu par les capteurs virtuels le long de la structure. L'ingénieur compare les Rapport signal/bruit (RSB) de l'écho du défaut sur les fréquences candidates. La fréquence optimale est celle qui produit le plus $\text{SNR}$ pour un défaut de taille minimale détectable, tout en maintenant un niveau de signal de base acceptable après une longue distance de propagation (par ex., $10 \text{ meters}$ ). Cette simulation confirme directement la prédiction de sensibilité dérivée des formes du mode SAFE et prend en compte les pertes de diffusion géométrique que la méthode SAFE ne capture pas entièrement..

Ce processus numérique en deux étapes transforme le, problème très complexe dans un espace de conception expérimentale gérable, passer d'un ensemble infini de possibilités à quelques options de fréquence rigoureusement testées.

Vérification expérimentale et optimisation: L'épreuve finale

Les résultats de la simulation numérique doivent être validés par des expérimentations pratiques sur des échantillons d'acier d'angle réels., reconnaître que les conditions idéales du modèle informatique ne tiennent pas pleinement compte de la rugosité de la surface, contraintes résiduelles, ou variabilité matérielle réelle.

1. Sélection et couplage du transducteur

L'application pratique du GWUT repose sur une conversion efficace de l'énergie électrique en énergie mécanique des vagues.. Pour cornière en acier, spécialisé transducteurs acoustiques électromagnétiques ( $\text{EMATs}$ ) ou haute puissance transducteurs piézoélectriques ( $\text{PZTs}$ ) sont requis.

Défis PZT: $\text{PZTs}$ nécessitent un couplage acoustique (gel ou graisse) et doit être soigneusement façonné ou disposé pour se conformer aux coins ou aux surfaces planes du profil en L.. Cette complexité introduit des variations de couplage, une source majeure de bruit de champ et d'incohérence du signal.
Avantages EMAT: $\text{EMATs}$ peut exciter des ondes guidées sans contact direct ni milieu de couplage, ce qui les rend idéaux pour les travaux difficiles, peint, ou acier de tour corrodé. Ils fonctionnent en induisant des forces de Lorentz dans l'acier, ce qui est un moyen particulièrement propre d'exciter des modes spécifiques. La conception du $\text{EMAT}$ bobine (par ex., bobine de méandre, bobine en spirale) est intrinsèquement lié à la fréquence optimale, car le pas de la bobine dicte la longueur d'onde excitée ( $\lambda$ ). La fréquence doit correspondre à la longueur d'onde requise ( $\lambda = v_{\text{phase}}/f$ ) pour une génération de mode efficace.

2. Tests de balayage de fréquence et interprétation des données

Un complet Test de balayage de fréquence est réalisée sur une éprouvette d'acier d'angle à grande échelle contenant des éléments pré-usinés, défauts représentatifs de taille et d'emplacement variables (par ex., fissures dans les coins, défauts de la surface des jambes).

Procédure: Le système est excité par les rafales de tonalités optimisées identifiées à partir du $\text{FEM}$ résultats (par ex., $50 \text{ kHz}, 75 \text{ kHz}, 100 \text{ kHz}$ ) et les signaux reçus sont comparés.
Analyse temps-fréquence: En raison de la dispersion résiduelle et de la nature multimodale, domaine temporel simple $\text{A}$ -les analyses peuvent être ambiguës. Traitement avancé du signal, comme le Transformée de Fourier à court terme ( $\text{STFT}$ ) ou Analyse d'ondelettes, est appliqué au signal reçu. Cela sépare le signal d'arrivée complexe en paquets de modes distincts en fonction de leur contenu fréquentiel et de leur vitesse de groupe.. Le but est d'isoler le mode d'écho du défaut et de confirmer sa vitesse et son temps de vol., fournissant une différenciation claire des réflexions géométriques (par ex., des trous de boulons ou des raidisseurs) et le bruit.
Optimisation finale: La fréquence qui maximise le $\text{SNR}$ de l'écho de défaut et fournit la séparation de mode la plus nette dans le domaine temps-fréquence est considéré comme le Fréquence de fonctionnement optimale pour ce profil d'acier d'angle spécifique. Ce résultat empirique valide souvent la prédiction FEM mais fournit les données critiques sur les performances sur le terrain nécessaires à la mise en œuvre..

La validation expérimentale confirme que la fréquence la plus techniquement optimale n'est pas simplement celle qui excite le plus d'énergie, mais celui qui assure une robustesse, signal facilement interprétable sur la longue portée requise dans un environnement réel.

Impact de l'ingénierie et mise en œuvre du système

L'optimisation réussie de la fréquence GWUT pour les cornières transforme la maintenance des pylônes de transmission d'un problème localisé, activité à haut risque dans un pays industrialisé, processus de criblage à grande vitesse.

1. Mode de mise au point et extension de portée

Une fois la fréquence et le mode optimaux sélectionnés, des techniques avancées peuvent être appliquées pour améliorer encore les performances. En utilisant systèmes de transducteurs multiéléments (soit $\text{PZT}$ ou $\text{EMAT}$ tableaux), l'énergie des vagues peut être mode purifié et focalisé sur la direction. Cela signifie exciter uniquement le mode souhaité à la fréquence optimale tout en dirigeant l'énergie des vagues vers les zones critiques. (comme les joints d'angle), maximiser la concentration d'énergie dans la zone d'inspection et augmenter la plage de détection efficace au-delà de ce qu'un simple transducteur à élément unique pourrait atteindre. L'extension de la gamme est une conséquence directe du fonctionnement dans une fenêtre de fréquence non dispersive avec une diffusion de mode minimisée..

2. Gestion des données et prise de décision

Les données acquises par le système GWUT optimisé, une vaste collection de $\text{A}$ -des analyses et $\text{STFT}$ parcelles – doivent être intégrées dans un cadre de gestion de données robuste. L'objectif principal du GWUT est dépistage: identifier rapidement les membres de la tour qui présentent des anomalies (échos de défauts). Ces “positif” les membres sont ensuite marqués pour le secondaire, inspection localisée à l'aide de méthodes traditionnelles $\text{NDT}$ méthodes (par ex., réseau multiéléments $\text{UT}$ ) dimensionner et localiser précisément le défaut. Cette approche optimise l’allocation des ressources, abandonner une inspection coûteuse et complète au profit d’une approche de confirmation ciblée, réduisant considérablement les coûts de maintenance et les temps d'arrêt.

3. Défis du déploiement dans le monde réel

Malgré l'optimisation, le déploiement pratique sur les pylônes de transmission en direct est confronté à des défis:

Variabilité du profil de la tour: Les tours de transmission utilisent une large gamme de tailles d'acier d'angle (par ex., $L50 \times 50 \times 5$ à $L200 \times 200 \times 20$ ). Puisque la fréquence optimale est directement liée à la géométrie (le $f \cdot d$ produit), le système d'inspection doit être soit capable d'ajuster rapidement la fréquence, soit équipé d'une bibliothèque de paramètres optimisés pour les profils courants.
Joints boulonnés et soudés: L'énergie des vagues est inévitablement dispersée ou réfléchie au niveau des joints boulonnés et des connexions soudées.. Ces joints agissent comme des discontinuités géométriques, créant souvent de solides « déchets »’ des échos qui peuvent masquer les signaux de défaut. Des algorithmes avancés sont nécessaires pour effectuer reconnaissance des fonctionnalités— faire la distinction entre les reflets connus des caractéristiques structurelles et les reflets authentiques, réflexions anormales des défauts.

La réussite de la mise en œuvre de cette technologie dépend de la précision acquise lors de la phase d’optimisation de la fréquence., qui détermine la sensibilité et la clarté du signal brut, la pierre angulaire sur laquelle reposent tous les traitements du signal et toutes les prises de décision ultérieures. L’effort scientifique est donc l’intégration transparente de la mécanique ondulatoire théorique, simulation numérique, et une validation expérimentale rigoureuse, résultant en un système capable de protéger de manière fiable les infrastructures énergétiques critiques.

Résumé des paramètres d'optimisation

Le tableau suivant résume les paramètres clés et les outils utilisés dans le processus itératif d'optimisation de la fréquence des ondes guidées pour l'inspection des cornières d'acier.:

Catégorie de paramètre	Objectif d'optimisation	Paramètre technique	Outil d'optimisation	Sortie critique
je. Mécanique des vagues	Propagation à longue distance	Fréquence non dispersive	Méthode SÉCURISÉE	Vitesse de groupe ( $v_{\text{g}}$ ) contre. Courbe de fréquence
	Interaction des défauts	Concentration de contraintes à l'emplacement du défaut	Analyse de forme en mode SÉCURISÉ	Profil de contrainte de cisaillement ( $T_{\text{xz}}$ )
II. Simulation	Sensibilité & RSB	Amplitude d'écho de défaut vs. Fréquence	3D FEM transitoire	Rapport signal/bruit A-Scan (RSB)
	Vérification de la portée	Taux d'atténuation sur la distance	3D FEM transitoire (Limites PML)	Déclin du signal de base
III. Expérience	Robustesse sur le terrain	Sélectivité et clarté du mode	Test de balayage de fréquence	Analyse temps-fréquence (STFT) Parcelle
	Correspondance des transducteurs	$\text{EMAT}$ Pas de bobine ou $\text{PZT}$ Géométrie	Réglage expérimental	Efficacité d'excitation et pureté du mode