Исследования по неразрушающему контролю угловой стали в опорах электропередач

Оценка структурной целостности критической инфраструктуры, особенно решетчатые опоры линий электропередачи высокого напряжения, построенные в основном из угловых стальных профилей., представляет глубокие и постоянные инженерные проблемы. Эти башни подвергаются беспощадному, сложные режимы нагрузки, включая статический вес, динамические силы ветра, тепловые колебания, и сейсмическая активность — все это способствует возникновению и распространению локализованных дефектов., в основном усталостные трещины и потеря материала из-за коррозии, часто концентрируется в критических сварных или болтовых соединениях. Традиционный неразрушающий контроль (неразрушающий контроль) методы, например, ручной ультразвуковой контроль или магнитопорошковый контроль., часто непомерно медленны, дорогостоящий, и по своей сути локализован, требующие обширных строительных лесов или веревочного доступа для осмотра тысяч угловых секций, составляющих одну башню. Появление Ультразвуковой контроль с направленной волной (кишка) предлагает смену парадигмы в этой области, перспективный дальнобойный, возможности высокоскоростного скрининга. Однако, перевод теоретических преимуществ GWUT в надежную, методология контроля сложной геометрии углового стального профиля, развертываемая в полевых условиях (L-профиль) требует тщательной оптимизации, Основным направлением деятельности которого является выбор и уточнение оптимальной частоты возбуждения с помощью передовых методов численного моделирования..

Теоретическая основа волноводной ультразвуковой обработки угловой стали

Направленные волны, в отличие от объемных ультразвуковых волн, путешествовать по границам конструкции, руководствуясь своей геометрией. Эта способность распространяться на большие расстояния с минимальными потерями на затухание обеспечивает GWUT его эффективность экранирования на больших расстояниях.. Однако, сложность GWUT начинается с того, что эти волны мультимодальный и дисперсионный.

1. Мультимодальная природа и дисперсия

Для простой конструкции, такой как труба или пластина, Направленные волны обычно подразделяются на Торсионный (Т), Продольный (л), и изгибный (Ф) режимы, каждый из которых распространяется с разной скоростью и обладает уникальным профилем смещения.. При работе с комплексом, неосесимметричная геометрия углового стального профиля — Г-образный профиль, характеризующийся двумя пересекающимися пластинами. (ноги) и острый угол — классификация мод существенно усложняется. Моды больше не разделяются четко, поскольку T, л, или Ф; скорее, они сложные Похожий на ягненка режимы, которые соединяются и взаимодействуют между двумя ногами. Поля смещения становятся крайне асимметричными., распределяя энергию по плоским поверхностям и концентрируя нагрузку на угловом скруглении.

Крайне важно, эти режимы дисперсионный, имеется в виду скорость их распространения ( $v_{\text{p}}$ или $v_{\text{g}}$ ) является функцией частоты возбуждения ( $f$ ). Эта дисперсия является центральной технической проблемой GWUT., особенно для дальнего контроля. Если волновой пакет содержит диапазон частот, разные компоненты движутся с разной скоростью, заставляя сигнал растягиваться во времени (временной разброс) и уменьшение пика энергии возвращающегося эха, что серьезно снижает чувствительность и дальность обнаружения дефектов. Задача оптимизации, поэтому, заключается в определении частоты или узкой полосы частот, где дисперсия минимальна — области, часто называемой недисперсионное окно или область, где групповая скорость ( $v_{\text{g}}$ ) кривая относительно пологая.

2. Критическая роль частоты возбуждения

Выбор частоты возбуждения является наиболее важным параметром при проектировании системы УГВ для угловой стали., поскольку он напрямую влияет на три конкурирующих фактора:

Селективность и существование режима: Определенные моды направленных волн существуют или эффективно возбуждаются только в пределах определенного произведения частоты и толщины. ( $f \cdot d$ ) диапазоны. Выбранная частота должна возбуждать моду, чувствительную к ожидаемому типу дефекта. (например, режим с высокими компонентами касательного напряжения вблизи угла для усталостных трещин).
Управление дисперсией: Частота должна быть выбрана так, чтобы работать в квазинедисперсионном режиме, чтобы максимизировать расстояние распространения и минимизировать сложность сигнала..
Затухание и чувствительность: Более высокие частоты обычно обеспечивают лучшее разрешение дефектов. (более короткая длина волны $\lambda$ ) но страдают от большего затухания из-за рассеяния материала и утечки энергии, предельная дальность. Наоборот, более низкие частоты распространяются дальше, но им может не хватать пространственного разрешения ( $\lambda/2$ практическое правило) требуется для обнаружения небольших усталостных трещин.

Сложное взаимодействие между этими факторами требует системного подхода с использованием численного моделирования, в частности Метод конечных элементов (ФЭМ) и Полуаналитический конечный элемент (БЕЗОПАСНЫЙ) метод— для моделирования распространения волн в геометрии угловой стали перед проведением дорогостоящих физических экспериментов..

Методика численного моделирования: Характеристики режима разблокировки

Учитывая высокую стоимость и сложность физических испытаний бесконечного числа комбинаций частот угловой стали., численное моделирование обеспечивает необходимую основу для предварительного отбора и оптимизации..

1. БЕЗОПАСНЫЙ метод для дисперсионных кривых

Первым шагом является окончательное понимание дисперсионных характеристик углового стального профиля.. The Полуаналитический конечный элемент (БЕЗОПАСНЫЙ) метод является отраслевым стандартом для этой задачи. В отличие от полного 3D FEM, SAFE моделирует сложное двумерное поперечное сечение L-профиля с использованием стандартных конечных элементов., предполагая бесконечное распространение в третьем (продольный) направление. Решая волновые уравнения в частотной области, метод SAFE эффективно генерирует комплексную Дисперсионные кривые— графики, показывающие фазовую скорость ( $v_{\text{p}}$ ) и групповая скорость ( $v_{\text{g}}$ ) в зависимости от частоты ( $f$ ) для всех возможных мод направленных волн.

Результаты анализа SAFE для углового стального профиля (например, $L100 \times 100 \times 10$ стальной уголок с $10 \text{ mm}$ толщина) имеет решающее значение:

Идентификация недисперсионных режимов: Инженер ищет $v_{\text{g}}$ кривая для регионов, где наклон близок к нулю, что указывает на стабильную групповую скорость и максимальную когерентность сигнала. Эти частоты становятся первоначальными кандидатами на оптимизацию..
Выбор режима чувствительности: Метод SAFE также обеспечивает формы мод (профили смещений и напряжений) для каждой моды на частотах-кандидатах. Например, если основной проблемой является угловая усталостная трещина, инженер должен выбрать режим, в котором составляющая напряжения сдвига ( $T_{\text{xz}}$ или $T_{\text{yz}}$ ) сильно сконцентрирован на внутреннем радиусе или угловом скруглении. Моды, преимущественно сосредоточенные в центрах плоских ветвей, будут нечувствительны к угловым дефектам..

2. Полный 3D FEM для проверки частоты и взаимодействия с дефектами

Как только метод SAFE сузил поле до нескольких оптимальных частот (например, $50 \text{ kHz}$ , $75 \text{ kHz}$ , $100 \text{ kHz}$ ), полный 3D Метод конечных элементов (ФЭМ) моделирование необходимо для проверки эффективности возбуждения, дальность распространения, и самое главное, взаимодействие с реальными дефектами.

Модельное строительство: Модель переходной динамики создается в программном обеспечении. (например, $\text{ABAQUS}$ или $\text{PZFlex}$ ) используя поглощающие границы (например, идеально подобранные слои, $\text{PML}$ ) для моделирования бесконечно длинной структуры, предотвращение нежелательных отражений от концов модели. Реальный дефект (например, а $5 \text{ mm}$ глубокая выемка, имитирующая усталостную трещину в угловом галтеле) представлен.
Сигнал возбуждения: Входной сигнал обычно представляет собой оконный тональный пакет. (например, $5$ -цикл Хэннинга синусоида с окном) на частоте кандидата.
Анализ и оптимизация: Моделирование FEM обеспечивает анализ во временной области., генерация сигнала А-скана, принимаемого виртуальными датчиками вдоль конструкции. Инженер сравнивает Отношение сигнал/шум (ОСШ) эха дефекта на возможных частотах. Оптимальная частота – это та, которая обеспечивает максимальную $\text{SNR}$ за дефект минимального обнаруживаемого размера, при сохранении приемлемого базового уровня сигнала после большого расстояния распространения (например, $10 \text{ meters}$ ). Это моделирование напрямую подтверждает прогноз чувствительности, полученный на основе формы мод SAFE, и учитывает геометрические потери рассеяния, которые метод SAFE не полностью улавливает..

Этот двухэтапный численный процесс преобразует исходный, очень сложную проблему в управляемом пространстве экспериментального проектирования, переход от бесконечного набора возможностей к нескольким тщательно проверенным вариантам частот.

Экспериментальная проверка и оптимизация: Финальный тест

Результаты численного моделирования должны быть проверены посредством практических экспериментов на реальных образцах угловой стали., признавая, что идеальные условия компьютерной модели не полностью учитывают шероховатость поверхности, остаточные напряжения, или фактическая изменчивость материала.

1. Выбор преобразователя и подключение

Практическое применение GWUT основано на эффективном преобразовании электрической энергии в энергию механических волн.. Для угловой стали, специализированный электромагнитно-акустические преобразователи ( $\text{EMATs}$ ) или высокой мощности пьезоэлектрические преобразователи ( $\text{PZTs}$ ) необходимы.

Проблемы ЦЗТ: $\text{PZTs}$ требуют акустической связи (гель или смазка) и должен быть тщательно сформирован или расположен так, чтобы соответствовать углам или плоским поверхностям L-профиля.. Эта сложность приводит к вариациям связи., основной источник полевых шумов и непостоянства сигнала.
Преимущества ЭМАТ: $\text{EMATs}$ может возбуждать направленные волны без прямого контакта или связующей среды, что делает их идеальными для грубой, окрашенный, или корродированная башенная сталь. Они работают, вызывая силы Лоренца в стали., это особенно чистый способ возбудить определенные режимы. Дизайн $\text{EMAT}$ катушка (например, меандровая катушка, спиральная катушка) неразрывно связана с оптимальной частотой, поскольку шаг катушки определяет возбуждаемую длину волны ( $\lambda$ ). Частота должна соответствовать необходимой длине волны ( $\lambda = v_{\text{phase}}/f$ ) для эффективной генерации мод.

2. Тестирование развертки частоты и интерпретация данных

Комплексный Тест развертки частоты выполняется на натурном образце угловой стали, содержащем предварительно обработанные, представительные дефекты различного размера и местоположения (например, угловые трещины, дефекты поверхности ног).

Процедура: Система возбуждается оптимизированными тональными пакетами, определяемыми по $\text{FEM}$ результаты (например, $50 \text{ kHz}, 75 \text{ kHz}, 100 \text{ kHz}$ ) и полученные сигналы сравниваются.
Частотно-временной анализ: Из-за остаточной дисперсии и мультимодального характера, простой временной интервал $\text{A}$ -сканы могут быть неоднозначными. Расширенная обработка сигнала, такие как Кратковременное преобразование Фурье ( $\text{STFT}$ ) или Вейвлет-анализ, применяется к полученному сигналу. Это разделяет комплексный поступающий сигнал на отдельные пакеты мод на основе их частотного содержания и групповой скорости.. Цель состоит в том, чтобы изолировать режим эхо-сигнала дефекта и подтвердить его скорость и время распространения., обеспечивая четкое отличие от геометрических отражений (например, из отверстий под болты или ребер жесткости) и шум.
Окончательная оптимизация: Частота, которая максимизирует $\text{SNR}$ эхо-сигнала дефекта и обеспечивает наиболее четкое разделение мод в частотно-временной области. Оптимальная рабочая частота для этого конкретного углового стального профиля. Этот эмпирический результат часто подтверждает прогноз FEM, но предоставляет критические данные о производительности месторождения, необходимые для реализации..

Экспериментальная проверка подтверждает, что наиболее технически оптимальная частота — это не просто та, которая возбуждает больше всего энергии., но тот, который обеспечивает надежную, легко интерпретируемый сигнал на необходимом большом расстоянии в реальных условиях.

Инженерное воздействие и внедрение системы

Успешная оптимизация частоты GWUT для угловой стали превращает обслуживание опор ЛЭП из локализованного, высокорискованную деятельность в промышленно развитую, высокоскоростной процесс скрининга.

1. Режим фокусировки и расширение диапазона

После выбора оптимальной частоты и режима, передовые методы могут быть применены для дальнейшего повышения производительности. Используя системы преобразователей с фазированной решеткой (или $\text{PZT}$ или $\text{EMAT}$ массивы), Волновая энергия может быть режимно-очищенный и направленно ориентированный. Это означает возбуждение только желаемой моды на оптимальной частоте, при этом направляя энергию волны в критические области. (как угловые соединения), максимизация концентрации энергии в зоне контроля и увеличение эффективной дальности обнаружения сверх того, что может достичь простой одноэлементный преобразователь. Расширение диапазона является прямым следствием работы в недисперсионном частотном окне с минимальным рассеянием мод..

2. Управление данными и принятие решений

Данные, полученные оптимизированной системой GWUT — обширная коллекция $\text{A}$ -сканирует и $\text{STFT}$ графики — должны быть интегрированы в надежную систему управления данными.. Основной целью GWUT является скрининг: быстрое выявление членов башни с аномалиями (дефектные эхо). Эти “позитивный” члены затем помечаются как второстепенные, локальный осмотр с использованием традиционных $\text{NDT}$ методы (например, фазированная решетка $\text{UT}$ ) точно определить размер и локализацию дефекта. Этот подход оптимизирует распределение ресурсов., переход от дорогостоящей комплексной проверки к подходу целевого подтверждения, значительное сокращение затрат на техническое обслуживание и простоев.

3. Проблемы реального развертывания

Несмотря на оптимизацию, практическое развертывание на опорах электропередачи под напряжением сталкивается с проблемами:

Вариативность профиля башни: В опорах электропередачи используется широкий диапазон размеров уголков из стали. (например, $L50 \times 50 \times 5$ к $L200 \times 200 \times 20$ ). Поскольку оптимальная частота напрямую связана с геометрией (тот $f \cdot d$ продукт), система контроля должна иметь возможность быстрой регулировки частоты или быть оснащена библиотекой оптимизированных настроек для общих профилей.
Болтовые и сварные соединения: Энергия волн неизбежно рассеивается или отражается от болтовых и сварных соединений.. Эти соединения действуют как геометрические разрывы., часто создавая сильный «хлам»’ эхо, которое может маскировать сигналы дефектов. Для выполнения необходимы продвинутые алгоритмы. распознавание функций— различение известных отражений от структурных особенностей и подлинных, аномальные отражения от дефектов.

Успешная реализация этой технологии зависит от точности, достигнутой на этапе оптимизации частоты., который определяет чувствительность и четкость необработанного сигнала, краеугольный камень, на котором основывается вся последующая обработка сигналов и принятие решений. Таким образом, научная деятельность представляет собой плавную интеграцию теоретической волновой механики., численное моделирование, и строгая экспериментальная проверка, в результате появилась система, способная надежно защитить критически важную энергетическую инфраструктуру..

Сводка параметров оптимизации

В следующей таблице приведены ключевые параметры и инструменты, используемые в итеративном процессе оптимизации частоты направленной волны для контроля угловой стали.:

Категория параметра	Цель оптимизации	Технические параметры	Инструмент оптимизации	Критический выход
я. Волновая механика	Распространение на большие расстояния	Недисперсионная частота	БЕЗОПАСНЫЙ метод	Групповая скорость ( $v_{\text{g}}$ ) против. Частотная кривая
	Взаимодействие дефектов	Концентрация напряжений в месте дефекта	Анализ формы режима SAFE	Профиль напряжения сдвига ( $T_{\text{xz}}$ )
II. Моделирование	Чувствительность & ОСШ	Амплитуда эхо-сигнала дефекта в зависимости от. Частота	3D Переходный МКЭ	Отношение сигнал/шум (ОСШ)
	Проверка диапазона	Скорость затухания на расстоянии	3D Переходный МКЭ (Границы ПМЛ)	Затухание базового сигнала
III. Эксперимент	Полевая надежность	Избирательность режима и четкость	Тест развертки частоты	Частотно-временной анализ (СТФТ) Сюжет
	Согласование преобразователя	$\text{EMAT}$ Шаг катушки или $\text{PZT}$ Геометрия	Экспериментальная настройка	Эффективность возбуждения и чистота моды