Дослідження неруйнівного контролю кутової сталі в опорах електропередач

Оцінка структурної цілісності критичної інфраструктури, особливо решітчасті опори ліній електропередач високої напруги, виготовлені переважно з кутових сталевих секцій, представляє глибокі та постійні інженерні виклики. Ці вежі піддаються безжальним, складні режими навантаження, включаючи статичну вагу, динамічні сили вітру, теплові коливання, і сейсмічна активність — усі вони сприяють виникненню та поширенню локалізованих дефектів, головним чином втомні тріщини та втрати матеріалу, спричинені корозією, часто концентрується в критичних зварних або болтових з'єднаннях. Традиційний неруйнівний контроль (НК) методи, наприклад ручний ультразвуковий контроль або магнітопорошковий контроль, часто непомірно повільні, дорогий, і за своєю суттю локалізовані, потребує великих будівельних лісів або мотузкового доступу для перевірки тисяч кутових секцій, що входять до складу однієї вежі. Виникнення Ультразвукове випробування з направленою хвилею (Кишка) пропонує зміну парадигми в цій галузі, перспективна далека, можливості високошвидкісного скринінгу. Проте, переведення теоретичних переваг GWUT в надійні, методологія перевірки складної геометрії кутового сталевого профілю, що розгортається в польових умовах (L-профіль) потребує суворої оптимізації, основною метою якого є вибір і уточнення оптимальної частоти збудження за допомогою передових методів чисельного моделювання.

Теоретичні основи хвильового ультразвуку в кутовій сталі

Направлені хвилі, на відміну від об'ємних ультразвукових хвиль, подорожі вздовж кордонів споруди, керуючись його геометрією. Ця здатність поширюватися на великі відстані з мінімальними втратами на ослаблення є тим, що надає GWUT його потужність екранування на великій відстані. Проте, Складність GWUT починається з того, що ці хвилі є мультимодальний і дисперсивний.

1. Мультимодальний характер і дисперсія

Для простої конструкції, як труба або плита, спрямовані хвилі зазвичай класифікують на Торсійний (Т), Поздовжній (Л), і Згинальний (Ф) режими, кожен з них поширюється з різною швидкістю та має унікальний профіль переміщення. При роботі з комплексом, неосесиметрична геометрія кутового сталевого профілю — L-профіль, що характеризується двома пересічними пластинами (ноги) і гострий кут — класифікація режимів значно ускладнюється. Режими більше не можна чітко розділити, оскільки T, Л, або Ф; швидше, вони складні Бараноподібний режими, які поєднуються та взаємодіють між двома ногами. Поля зміщення стають сильно асиметричними, розподіляючи енергію по плоских поверхнях і зосереджуючи напругу в куті кута.

Вирішально, ці режими є дисперсивний, тобто швидкість їх поширення ( $v_{\text{p}}$ або $v_{\text{g}}$ ) є функцією частоти збудження ( $f$ ). Ця дисперсія є центральною технічною проблемою в GWUT, особливо для далекого огляду. Якщо хвильовий пакет містить діапазон частот, різні компоненти рухаються з різною швидкістю, викликаючи розтягування сигналу в часі (тимчасове поширення) і зменшення енергетичного піку зворотної луни, що серйозно погіршує чутливість і діапазон виявлення дефектів. Проблема оптимізації, тому, полягає у визначенні частоти або вузької смуги частот, де дисперсія мінімальна — область, яку часто називають a недисперсійне вікно або область, де групова швидкість ( $v_{\text{g}}$ ) крива відносно плоска.

2. Критична роль частоти збудження

Вибір частоти збудження є найбільш критичним параметром при проектуванні системи GWUT для кутової сталі, оскільки він безпосередньо впливає на три конкуруючі фактори:

Режим вибірковості та існування: Конкретні спрямовані хвильові моди існують або ефективно збуджуються лише в межах певного продукту частота-товщина ( $f \cdot d$ ) діапазони. Вибрана частота повинна викликати режим, чутливий до очікуваного типу дефекту (напр., режим із високими компонентами напруги зсуву біля кута для втомних тріщин).
Управління дисперсією: Частота повинна бути обрана для роботи в квазі-недисперсійному режимі, щоб максимізувати відстань поширення та мінімізувати складність сигналу.
Затухання та чутливість: Більш високі частоти зазвичай забезпечують краще вирішення дефектів (коротша довжина хвилі $\lambda$ ) але страждають від більшого загасання через розсіювання матеріалу та витоку енергії, граничний діапазон. І навпаки, нижчі частоти поширюються далі, але можуть не мати просторової роздільної здатності ( $\lambda/2$ емпіричне правило) необхідні для виявлення дрібних втомних тріщин.

Складна взаємодія між цими факторами вимагає систематичного підходу з використанням чисельного моделювання, зокрема Метод скінченних елементів (FEM) і Напіваналітичний кінцевий елемент (БЕЗПЕЧНО) метод—змоделювати поширення хвилі в геометрії кутової сталі перед спробами дорогих фізичних експериментів.

Методологія чисельного моделювання: Характеристики режиму розблокування

Враховуючи високу вартість і складність фізичного тестування нескінченної кількості частотних комбінацій на кутовій сталі, чисельне моделювання забезпечує необхідну структуру попереднього відбору та оптимізації.

1. Метод SAFE для дисперсійних кривих

Перший крок - це остаточне розуміння дисперсійних характеристик кутового сталевого профілю. The Напіваналітичний кінцевий елемент (БЕЗПЕЧНО) Метод є галузевим стандартом для цього завдання. На відміну від повного 3D FEM, SAFE моделює складний двовимірний переріз L-профілю за допомогою стандартних кінцевих елементів, припускаючи нескінченне поширення в третьому (поздовжній) напрямок. Розв'язуючи хвильові рівняння в частотній області, метод SAFE ефективно генерує комплексний Дисперсійні криві— графіки фазової швидкості ( $v_{\text{p}}$ ) і групова швидкість ( $v_{\text{g}}$ ) проти частоти ( $f$ ) для всіх можливих режимів спрямованої хвилі.

Результат аналізу SAFE для кутового сталевого профілю (напр., $L100 \times 100 \times 10$ сталевий кутник с $10 \text{ mm}$ товщина) має вирішальне значення:

Ідентифікація недисперсійних мод: Інженер шукає $v_{\text{g}}$ крива для регіонів, де нахил близький до нуля, що вказує на стабільну групову швидкість і максимальну когерентність сигналу. Ці частоти стають першими кандидатами для оптимізації.
Вибір режиму для чутливості: Метод SAFE також забезпечує форми режиму (профілі переміщень і напруг) для кожного режиму на частотах-кандидатах. Наприклад, якщо основним дефектом є кутова втомна тріщина, Інженер повинен вибрати режим, у якого компонент напруги зсуву ( $T_{\text{xz}}$ або $T_{\text{yz}}$ ) є висококонцентрованим у внутрішньому радіусі або куті скруглення. Режими, зосереджені в основному в центрах плоских ніжок, будуть нечутливі до кутових дефектів.

2. Повний 3D FEM для перевірки частоти та взаємодії з дефектами

Як тільки метод SAFE звузить поле до кількох оптимальних частот (напр., $50 \text{ kHz}$ , $75 \text{ kHz}$ , $100 \text{ kHz}$ ), повний 3D Метод скінченних елементів (FEM) для підтвердження ефективності збудження потрібне моделювання, діапазон розповсюдження, і найголовніше, взаємодія з реалістичними дефектами.

Модельне будівництво: Модель перехідної динаміки створюється програмно (напр., $\text{ABAQUS}$ або $\text{PZFlex}$ ) використання поглинаючих меж (напр., ідеально підібрані шари, $\text{PML}$ ) для моделювання нескінченно довгої конструкції, запобігання небажаним відблискам від кінців моделі. Реалістичний дефект (напр., a $5 \text{ mm}$ глибока виїмка, що імітує втомну тріщину в кутовому галтелі) вводиться.
Сигнал збудження: Вхідним сигналом є, як правило, віконний тональний пакет (напр., $5$ -цикл синусоїди з вікном Ханнінга) на частоті кандидата.
Аналіз та оптимізація: Моделювання FEM забезпечує аналіз у часовій області, генерування сигналу А-сканування, отриманого віртуальними датчиками вздовж конструкції. Інженер порівнює Співвідношення сигнал/шум (SNR) дефектного ехо-сигналу на частотах-кандидатах. Оптимальна частота - це та, яка виробляє найвищий результат $\text{SNR}$ для дефекту мінімального виявленого розміру, зберігаючи при цьому прийнятний базовий рівень сигналу після великої відстані розповсюдження (напр., $10 \text{ meters}$ ). Це моделювання безпосередньо підтверджує передбачення чутливості, отримане з форм режиму SAFE, і враховує втрати геометричного розсіювання, які метод SAFE не враховує повністю..

Цей двоетапний числовий процес перетворює початковий, дуже складну проблему в керований простір експериментального дизайну, перехід від нескінченного набору можливостей до кількох суворо перевірених варіантів частоти.

Експериментальна перевірка та оптимізація: Підсумковий тест

Результати чисельного моделювання повинні бути підтверджені шляхом практичних експериментів на реальних зразках кутової сталі, визнаючи, що ідеальні умови комп’ютерної моделі не повністю враховують шорсткість поверхні, залишкові напруги, або фактична мінливість матеріалу.

1. Вибір і підключення перетворювача

Практичне застосування GWUT спирається на ефективне перетворення електричної енергії в енергію механічних хвиль. Для кутової сталі, спеціалізовані електромагнітно-акустичні перетворювачі ( $\text{EMATs}$ ) або високої потужності п'єзоелектричні перетворювачі ( $\text{PZTs}$ ) потрібні.

PZT виклики: $\text{PZTs}$ вимагають акустичного зв'язку (гель або мастило) і повинні бути ретельно сформовані або розташовані, щоб відповідати кутам або плоским поверхням L-профілю. Ця складність вводить варіації зчеплення, головним джерелом польового шуму та неузгодженості сигналу.
Переваги EMAT: $\text{EMATs}$ може збуджувати спрямовані хвилі без прямого контакту або середовища зв'язку, що робить їх ідеальними для грубих робіт, пофарбовані, або корозійна опорна сталь. Вони працюють шляхом індукції сил Лоренца в сталі, це особливо чистий спосіб збудити певні режими. Дизайн $\text{EMAT}$ котушка (напр., меандр котушка, спіральна котушка) нерозривно пов’язана з оптимальною частотою, оскільки крок котушки визначає збуджену довжину хвилі ( $\lambda$ ). Частота повинна відповідати необхідній довжині хвилі ( $\lambda = v_{\text{phase}}/f$ ) для ефективної генерації режиму.

2. Тестування частотної розгортки та інтерпретація даних

Комплексний Тест частотної розгортки виконується на натурному кутковому сталевому зразку, що містить попередньо оброблений, типові дефекти різного розміру та розташування (напр., кутові тріщини, дефекти поверхні ніг).

Процедура: Система збуджується оптимізованими тональними сплесками, ідентифікованими з $\text{FEM}$ результати (напр., $50 \text{ kHz}, 75 \text{ kHz}, 100 \text{ kHz}$ ) і отримані сигнали порівнюються.
Частотно-часовий аналіз: Через залишкову дисперсію та мультимодальний характер, простий часовий домен $\text{A}$ -сканування може бути неоднозначним. Розширена обробка сигналу, такі як Короткочасне перетворення Фур'є ( $\text{STFT}$ ) або Вейвлет-аналіз, застосовується до отриманого сигналу. Це розділяє складний сигнал надходження на пакети різних режимів на основі їх частотного вмісту та групової швидкості. Мета полягає в тому, щоб виділити дефект ехо-моду та підтвердити його швидкість і час польоту, забезпечення чіткої диференціації від геометричних відображень (напр., з отворів під болти або ребра жорсткості) і шум.
Остаточна оптимізація: Частота, яка максимізує $\text{SNR}$ дефектного відлуння та забезпечує найчіткіше розділення мод у частотно-часовій області, вважається Оптимальна робоча частота для цього конкретного кутового сталевого профілю. Цей емпіричний результат часто підтверджує прогноз FEM, але надає критичні дані про продуктивність поля, необхідні для впровадження.

Експериментальна перевірка підтверджує, що найбільш технічно оптимальна частота – це не просто та, яка збуджує найбільше енергії, але той, який забезпечує міцність, легко інтерпретований сигнал на необхідному великому діапазоні в реальному середовищі.

Інженерний вплив і впровадження системи

Успішна оптимізація частоти GWUT для кутової сталі перетворює технічне обслуговування опор електропередач з локалізованого, діяльність високого ризику в промислову, високошвидкісний процес скринінгу.

1. Режим фокусування та розширення діапазону

Після вибору оптимальної частоти та режиму, передові методи можна застосувати для подальшого підвищення продуктивності. Використовуючи системи перетворювачів з фазованою решіткою (або $\text{PZT}$ або $\text{EMAT}$ масиви), енергія хвилі може бути режимно-очищений і направлено сфокусований. Це означає збудження лише потрібного режиму на оптимальній частоті, одночасно спрямовуючи енергію хвилі до критичних областей (як кутові з’єднання), максимізація концентрації енергії в зоні огляду та збільшення ефективної дальності виявлення понад те, що може досягти простий одноелементний перетворювач. Розширення діапазону є прямим наслідком роботи в недисперсійному частотному вікні з мінімізованим модовим розсіюванням.

2. Управління даними та прийняття рішень

Дані, отримані оптимізованою системою GWUT — величезна колекція $\text{A}$ -сканує і $\text{STFT}$ графіки — повинні бути інтегровані в надійну структуру керування даними. Основною метою GWUT є скринінг: швидке визначення елементів вежі, які виявляють аномалії (дефект відлуння). Ці “позитивний” учасники позначаються як другорядні, локалізований огляд з використанням традиційних $\text{NDT}$ методи (напр., фазована решітка $\text{UT}$ ) щоб точно визначити розмір і знайти дефект. Такий підхід оптимізує розподіл ресурсів, відхід від дорогої інспекції з повним охопленням до цільового підходу підтвердження, значно скорочує витрати на технічне обслуговування та простої.

3. Проблеми розгортання в реальному світі

Незважаючи на оптимізацію, практичне розгортання на вежах електропередач стикається з проблемами:

Змінність профілю вежі: В опорах трансмісії використовується широкий діапазон розмірів кутової сталі (напр., $L50 \times 50 \times 5$ до $L200 \times 200 \times 20$ ). Так як оптимальна частота безпосередньо пов'язана з геометрією (в $f \cdot d$ продукт), система перевірки повинна мати можливість швидкого налаштування частоти або бути оснащена бібліотекою оптимізованих налаштувань для загальних профілів.
Болтові та зварні з'єднання: Енергія хвилі неминуче розсіюється або відбивається в болтових і зварних з'єднаннях. Ці з’єднання діють як геометричні розриви, часто створює сильний «сміття».’ відлуння, які можуть маскувати сигнали дефекту. Для виконання необхідні розширені алгоритми розпізнавання ознак— розрізнення відомих відображень від структурних особливостей і справжніх, аномальні відблиски від дефектів.

Успішне впровадження цієї технології залежить від точності, отриманої на етапі оптимізації частоти, який визначає чутливість і чіткість необробленого сигналу, наріжний камінь, на якому спирається вся подальша обробка сигналів і прийняття рішень. Таким чином, наукова спроба є бездоганною інтеграцією теоретичної хвильової механіки, чисельне моделювання, і суворе експериментальне підтвердження, результатом чого є система, здатна надійно захищати критичну енергетичну інфраструктуру.

Зведення параметрів оптимізації

У наступній таблиці підсумовано ключові параметри та інструменти, що використовуються в ітераційному процесі оптимізації частоти спрямованої хвилі для перевірки сталі під кутом:

Параметр Категорія	Ціль оптимізації	Технічний параметр	Інструмент оптимізації	Критичний результат
я. Хвильова механіка	Поширення на великі відстані	Недисперсійна частота	БЕЗПЕЧНИЙ метод	Групова швидкість ( $v_{\text{g}}$ ) проти. Частотна крива
	Взаємодія дефектів	Концентрація напруги в місці дефекту	БЕЗПЕЧНИЙ режим Аналіз форми	Профіль напруги зсуву ( $T_{\text{xz}}$ )
II. Симуляція	Чутливість & SNR	Амплітуда відлуння дефекту від. Частота	3D Перехідний процес FEM	Співвідношення сигнал/шум A-Scan (SNR)
	Перевірка діапазону	Коефіцієнт загасання на відстані	3D Перехідний процес FEM (Межі PML)	Згасання базового сигналу
III. Експериментуйте	Стійкість поля	Режим вибірковості та чіткості	Тест частотної розгортки	Частотно-часовий аналіз (STFT) Сюжет
	Відповідність перетворювачів	$\text{EMAT}$ Крок котушки або $\text{PZT}$ Геометрія	Експериментальна настройка	Ефективність збудження та чистота режиму