Đánh giá tính toàn vẹn cấu trúc trong cơ sở hạ tầng quan trọng, đặc biệt là các tháp lưới truyền tải điện áp cao được xây dựng chủ yếu từ các phần thép góc cạnh, đưa ra những thách thức kỹ thuật sâu sắc và dai dẳng. Những tòa tháp này phải chịu đựng không ngừng, chế độ tải phức tạp—bao gồm cả trọng lượng tĩnh, lực gió động, dao động nhiệt, và hoạt động địa chấn—tất cả đều góp phần vào việc hình thành và lan truyền các khuyết tật cục bộ, chủ yếu là các vết nứt do mỏi và tổn thất vật liệu do ăn mòn, thường tập trung ở các mối hàn hoặc bắt vít quan trọng. Kiểm tra không phá hủy truyền thống (NDT) phương pháp, chẳng hạn như kiểm tra siêu âm thủ công hoặc kiểm tra hạt từ tính, thường rất chậm, tốn kém, và vốn đã được bản địa hóa, yêu cầu giàn giáo rộng rãi hoặc dây thừng để kiểm tra trên hàng nghìn phần góc bao gồm một tòa tháp. Sự xuất hiện của Kiểm tra siêu âm sóng có hướng dẫn (Ruột) đưa ra một sự thay đổi mô hình trong lĩnh vực này, tầm xa đầy hứa hẹn, khả năng sàng lọc tốc độ cao. Tuy nhiên, chuyển những ưu điểm về mặt lý thuyết của GWUT thành một giải pháp đáng tin cậy, Phương pháp kiểm tra có thể triển khai tại hiện trường đối với hình dạng phức tạp của tiết diện thép góc (Hồ sơ chữ L) đòi hỏi phải tối ưu hóa nghiêm ngặt, trọng tâm cốt lõi là lựa chọn và sàng lọc tần số kích thích tối ưu thông qua các kỹ thuật mô phỏng số tiên tiến.
Cơ sở lý thuyết của siêu âm sóng dẫn hướng trong thép góc
Sóng dẫn hướng, không giống như sóng siêu âm số lượng lớn, di chuyển dọc theo ranh giới của một cấu trúc, được hướng dẫn bởi hình học của nó. Khả năng truyền trên khoảng cách xa với mức suy giảm tối thiểu là điều mang lại cho GWUT khả năng sàng lọc tầm xa. Tuy nhiên, sự phức tạp của GWUT bắt đầu với thực tế là những sóng này đa phương thức Và phân tán.
1. Tính chất đa phương thức và sự phân tán
Đối với cấu trúc đơn giản như ống hoặc tấm, Sóng dẫn hướng thường được phân loại thành xoắn (T), theo chiều dọc (L), Và uốn (F) chế độ, mỗi loại lan truyền với tốc độ khác nhau và sở hữu một cấu hình dịch chuyển duy nhất. Khi giải quyết vấn đề phức tạp, hình học không đối xứng trục của tiết diện thép góc—hình chữ L được đặc trưng bởi hai tấm giao nhau (đôi chân) và một góc nhọn—việc phân loại các chế độ trở nên phức tạp hơn đáng kể. Các chế độ không còn có thể phân tách rõ ràng như T, L, hoặc F; hơn là, chúng rất phức tạp giống cừu các chế độ kết hợp và tương tác qua hai chân. Các trường dịch chuyển trở nên không đối xứng cao độ, phân phối năng lượng trên các bề mặt phẳng và tập trung sức căng ở góc phi lê.
Điều quan trọng, những chế độ này là phân tán, nghĩa là tốc độ lan truyền của chúng ($v_{\chữ{P}}$ hoặc $v_{\chữ{g}}$) là hàm của tần số kích thích ($f$). Sự phân tán này là thách thức kỹ thuật trọng tâm trong GWUT, đặc biệt để kiểm tra tầm xa. Nếu một gói sóng chứa một dải tần số, các thành phần khác nhau di chuyển với tốc độ khác nhau, làm cho tín hiệu bị giãn ra theo thời gian (sự lan truyền tạm thời) và giảm đỉnh năng lượng của tiếng vang trở lại, làm tổn hại nghiêm trọng đến độ nhạy và phạm vi phát hiện khuyết tật. Thử thách tối ưu hóa, Vì vậy, là xác định tần số hoặc dải tần hẹp trong đó độ phân tán là tối thiểu—một vùng thường được gọi là vùng cửa sổ không phân tán hoặc một vùng mà vận tốc nhóm ($v_{\chữ{g}}$) đường cong tương đối bằng phẳng.
2. Vai trò quan trọng của tần số kích thích
Việc lựa chọn tần số kích thích là thông số quan trọng nhất trong việc thiết kế hệ thống GWUT cho thép góc, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến ba yếu tố cạnh tranh:
-
Tính chọn lọc và tồn tại của chế độ: Các chế độ sóng dẫn hướng cụ thể chỉ tồn tại hoặc được kích thích hiệu quả trong sản phẩm có độ dày tần số nhất định ($f cdot d$) dãy. Tần số được chọn phải kích thích chế độ nhạy cảm với loại lỗi dự kiến (ví dụ., một chế độ có các thành phần ứng suất cắt cao gần góc cho các vết nứt mỏi).
-
Quản lý phân tán: Tần số phải được chọn để hoạt động trong chế độ gần như không phân tán nhằm tối đa hóa khoảng cách truyền và giảm thiểu độ phức tạp của tín hiệu.
-
Suy hao và độ nhạy: Tần số cao hơn thường cung cấp độ phân giải khuyết tật tốt hơn (bước sóng ngắn hơn $\lambda$) nhưng bị suy giảm lớn hơn do tán xạ vật chất và rò rỉ năng lượng, phạm vi giới hạn. Ngược lại, tần số thấp hơn truyền đi xa hơn nhưng có thể thiếu độ phân giải không gian ($\lambda/2$ quy tắc ngón tay cái) cần thiết để phát hiện các vết nứt mỏi nhỏ.
Sự tương tác phức tạp giữa các yếu tố này đòi hỏi một cách tiếp cận có hệ thống bằng cách sử dụng mô phỏng số—đặc biệt là Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và Phần tử hữu hạn bán phân tích (AN TOÀN) phương pháp—để mô hình hóa sự truyền sóng trong hình dạng thép góc trước khi thực hiện các thí nghiệm vật lý đắt tiền.
Phương pháp mô phỏng số: Đặc điểm chế độ mở khóa
Do chi phí cao và độ phức tạp của thử nghiệm vật lý, số lượng kết hợp tần số vô hạn trên thép góc, mô phỏng số cung cấp khung sàng lọc trước và tối ưu hóa cần thiết.
1. Phương pháp AN TOÀN cho đường cong phân tán
Bước đầu tiên là hiểu rõ các đặc tính phân tán của biên dạng thép góc. các Phần tử hữu hạn bán phân tích (AN TOÀN) phương pháp này là tiêu chuẩn ngành cho nhiệm vụ này. Không giống như FEM 3D đầy đủ, SAFE mô hình hóa mặt cắt 2D phức tạp của tiết diện L bằng cách sử dụng các phần tử hữu hạn tiêu chuẩn, trong khi giả sử sự lan truyền vô hạn ở phần thứ ba (dọc) phương hướng. Bằng cách giải phương trình sóng trong miền tần số, phương pháp AN TOÀN tạo ra hiệu quả toàn diện Đường cong phân tán—đồ thị biểu thị vận tốc pha ($v_{\chữ{P}}$) và vận tốc nhóm ($v_{\chữ{g}}$) so với tần số ($f$) cho tất cả các chế độ sóng dẫn hướng có thể.
Kết quả phân tích AN TOÀN cho tiết diện thép góc (ví dụ., $L100 lần 100 \lần 10$ góc thép với $10 \chữ{ mm}$ độ dày) là rất quan trọng:
-
Xác định các chế độ không phân tán: Người kỹ sư tìm kiếm $v_{\chữ{g}}$ đường cong cho các vùng có độ dốc gần bằng 0, biểu thị vận tốc nhóm ổn định và sự kết hợp tín hiệu tối đa. Những tần số này trở thành ứng cử viên ban đầu cho việc tối ưu hóa.
-
Lựa chọn chế độ cho độ nhạy: Phương pháp AN TOÀN cũng cung cấp chế độ hình dạng (hồ sơ chuyển vị và ứng suất) cho mỗi chế độ ở tần số ứng cử viên. Ví dụ, nếu mối lo ngại chính về khuyết tật là vết nứt mỏi ở góc, người kỹ sư phải chọn chế độ có thành phần ứng suất cắt ($T_{\chữ{xz}}$ hoặc $T_{\chữ{yz}}$) tập trung cao độ ở bán kính bên trong hoặc góc bo tròn. Các mode chủ yếu tập trung ở trung tâm của chân phẳng sẽ không nhạy cảm với các khuyết điểm ở góc.
2. FEM 3D đầy đủ để xác thực tần số và tương tác lỗi
Khi phương pháp AN TOÀN đã thu hẹp trường xuống một vài tần số tối ưu (ví dụ., $50 \chữ{ kHz}$, $75 \chữ{ kHz}$, $100 \chữ{ kHz}$), đầy đủ 3D Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) mô phỏng là cần thiết để xác nhận hiệu quả kích thích, phạm vi lan truyền, và quan trọng nhất, sự tương tác với các khiếm khuyết thực tế.
-
Xây dựng mô hình: Một mô hình động lực nhất thời được tạo ra trong phần mềm (ví dụ., $\chữ{ABAQUS}$ hoặc $\chữ{PZFlex}$) sử dụng ranh giới hấp thụ (ví dụ., các lớp phù hợp hoàn hảo, $\chữ{PML}$) để mô phỏng một cấu trúc dài vô tận, ngăn chặn những phản xạ không mong muốn từ đầu mô hình. Một khiếm khuyết thực tế (ví dụ., Một $5 \chữ{ mm}$ rãnh sâu mô phỏng vết nứt mỏi ở góc phi lê) được giới thiệu.
-
Tín hiệu kích thích: Đầu vào thường là một chuỗi giai điệu cửa sổ (ví dụ., $5$-chu kỳ cửa sổ Hanning hình sin) ở tần số ứng cử viên.
-
Phân tích và tối ưu hóa: Mô phỏng FEM cung cấp phân tích miền thời gian, tạo ra tín hiệu A-scan được nhận bởi các cảm biến ảo dọc theo cấu trúc. Người kỹ sư so sánh Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) của tiếng vang khuyết tật trên các tần số ứng cử viên. Tần số tối ưu là tần số tạo ra hiệu suất cao nhất $\chữ{SNR}$ đối với khiếm khuyết có kích thước tối thiểu có thể phát hiện được, trong khi vẫn duy trì mức tín hiệu cơ bản có thể chấp nhận được sau khoảng cách truyền dài (ví dụ., $10 \chữ{ mét}$). Mô phỏng này trực tiếp xác nhận dự đoán độ nhạy thu được từ các hình dạng của chế độ AN TOÀN và tính đến tổn thất tán xạ hình học mà phương pháp SAFE không nắm bắt được đầy đủ.
Quá trình số học gồm hai bước này biến đổi giá trị ban đầu, vấn đề cực kỳ phức tạp vào không gian thiết kế thử nghiệm có thể quản lý được, chuyển từ vô số khả năng sang một số tùy chọn tần số được kiểm tra nghiêm ngặt.
Xác minh và tối ưu hóa thử nghiệm: Bài kiểm tra cuối cùng
Kết quả mô phỏng số phải được xác nhận thông qua thử nghiệm thực tế trên các mẫu thép góc ngoài đời thực., thừa nhận rằng các điều kiện lý tưởng của mô hình máy tính không giải thích đầy đủ độ nhám bề mặt, ứng suất dư, hoặc sự biến đổi vật liệu thực tế.
1. Lựa chọn và ghép nối đầu dò
Ứng dụng thực tế của GWUT dựa vào việc chuyển đổi hiệu quả năng lượng điện thành năng lượng sóng cơ học. Đối với thép góc, chuyên đầu dò âm thanh điện từ ($\chữ{EMAT}$) hoặc công suất cao đầu dò áp điện ($\chữ{PZT}$) được yêu cầu.
-
Những thách thức của PZT: $\chữ{PZT}$ yêu cầu ghép âm thanh (gel hoặc dầu mỡ) và phải được tạo hình hoặc sắp xếp cẩn thận để phù hợp với các góc hoặc bề mặt phẳng của hình chữ L. Sự phức tạp này giới thiệu các biến thể ghép nối, một nguồn chính gây ra nhiễu trường và tín hiệu không nhất quán.
-
Ưu điểm của EMAT: $\chữ{EMAT}$ có thể kích thích sóng dẫn hướng mà không cần tiếp xúc trực tiếp hoặc môi trường ghép nối, làm cho chúng trở nên lý tưởng cho việc thô ráp, sơn, hoặc thép tháp bị ăn mòn. Chúng hoạt động bằng cách tạo ra lực Lorentz trong thép, đó là một cách đặc biệt rõ ràng để kích thích các chế độ cụ thể. Thiết kế của $\chữ{MUA}$ xôn xao (ví dụ., cuộn dây uốn khúc, cuộn dây xoắn ốc) về bản chất được liên kết với tần số tối ưu, vì bước sóng của cuộn dây quyết định bước sóng bị kích thích ($\lambda$). Tần số phải phù hợp với bước sóng yêu cầu ($\lambda = v_{\chữ{giai đoạn}}/f$) để tạo chế độ hiệu quả.
2. Kiểm tra quét tần số và giải thích dữ liệu
Một cách toàn diện Kiểm tra quét tần số được thực hiện trên một mẫu thép góc có kích thước đầy đủ có chứa các chi tiết được gia công trước, khuyết tật đại diện có kích thước và vị trí khác nhau (ví dụ., vết nứt góc, khuyết tật bề mặt chân).
-
Thủ tục: Hệ thống phấn khích với các cụm âm thanh được tối ưu hóa được xác định từ $\chữ{FEM}$ kết quả (ví dụ., $50 \chữ{ kHz}, 75 \chữ{ kHz}, 100 \chữ{ kHz}$) và các tín hiệu nhận được được so sánh.
-
Phân tích tần số thời gian: Do sự phân tán dư và tính chất đa phương thức, miền thời gian đơn giản $\chữ{MỘT}$-quá trình quét có thể mơ hồ. Xử lý tín hiệu nâng cao, chẳng hạn như Biến đổi Fourier thời gian ngắn ($\chữ{STFT}$) hoặc Phân tích bước sóng, được áp dụng cho tín hiệu nhận được. Điều này tách tín hiệu đến phức tạp thành các gói chế độ riêng biệt dựa trên nội dung tần số và tốc độ nhóm của chúng.. Mục đích là để cô lập chế độ tiếng vang bị lỗi và xác nhận vận tốc cũng như thời gian bay của nó, cung cấp sự khác biệt rõ ràng với phản xạ hình học (ví dụ., từ lỗ bu lông hoặc chất làm cứng) và tiếng ồn.
-
Tối ưu hóa cuối cùng: Tần số tối đa hóa $\chữ{SNR}$ của tiếng vang lỗi và cung cấp sự phân tách chế độ rõ ràng nhất trong miền tần số thời gian được coi là Tần số hoạt động tối ưu cho hồ sơ thép góc cụ thể đó. Kết quả thực nghiệm này thường xác nhận dự đoán của FEM nhưng cung cấp dữ liệu hiệu suất trường quan trọng cần thiết cho việc triển khai.
Việc xác nhận thử nghiệm xác nhận rằng tần số tối ưu nhất về mặt kỹ thuật không chỉ đơn giản là tần số kích thích nhiều năng lượng nhất, nhưng cái đảm bảo sự chắc chắn, tín hiệu dễ hiểu trong phạm vi dài cần thiết trong môi trường thế giới thực.
Tác động kỹ thuật và triển khai hệ thống
Việc tối ưu hóa thành công tần số GWUT cho thép góc đã biến đổi việc bảo trì các tháp truyền tải từ một công việc cục bộ, hoạt động có rủi ro cao thành một nền công nghiệp hóa, quá trình sàng lọc tốc độ cao.
1. Chế độ lấy nét và mở rộng phạm vi
Khi tần số và chế độ tối ưu được chọn, kỹ thuật tiên tiến có thể được áp dụng để nâng cao hơn nữa hiệu suất. Bằng cách sử dụng hệ thống đầu dò mảng pha (hoặc $\chữ{PZT}$ hoặc $\chữ{MUA}$ mảng), năng lượng sóng có thể chế độ tinh khiết Và tập trung theo hướng. Điều này có nghĩa là chỉ kích thích chế độ mong muốn ở tần số tối ưu trong khi hướng năng lượng sóng tới các khu vực quan trọng (giống như các khớp góc), tối đa hóa sự tập trung năng lượng tại khu vực kiểm tra và tăng phạm vi phát hiện hiệu quả vượt xa những gì mà một bộ chuyển đổi một phần tử đơn giản có thể đạt được. Việc mở rộng phạm vi là hệ quả trực tiếp của việc hoạt động trong cửa sổ tần số không phân tán với chế độ tán xạ được giảm thiểu.
2. Quản lý dữ liệu và ra quyết định
Dữ liệu được thu thập bởi hệ thống GWUT được tối ưu hóa—một bộ sưu tập lớn các dữ liệu $\chữ{MỘT}$-quét và $\chữ{STFT}$ lô—phải được tích hợp vào khung quản lý dữ liệu mạnh mẽ. Mục tiêu chính của GWUT là sàng lọc: nhanh chóng xác định các thành viên tháp có biểu hiện bất thường (tiếng vang khiếm khuyết). Những cái này “tích cực” các thành viên sau đó được gắn cờ cho thứ cấp, kiểm tra cục bộ bằng phương pháp truyền thống $\chữ{NDT}$ phương pháp (ví dụ., mảng pha $\chữ{UT}$) để xác định kích thước chính xác và xác định vị trí khuyết tật. Cách tiếp cận này tối ưu hóa việc phân bổ nguồn lực, chuyển từ kiểm tra toàn diện tốn kém sang phương pháp xác nhận có mục tiêu, giảm đáng kể chi phí bảo trì và thời gian ngừng hoạt động.
3. Những thách thức của việc triển khai trong thế giới thực
Mặc dù đã tối ưu hóa, triển khai thực tế trên các tháp truyền tải trực tiếp phải đối mặt với những thách thức:
-
Sự thay đổi hồ sơ tháp: Tháp truyền tải sử dụng nhiều kích cỡ thép góc (ví dụ., $L50 lần 50 \lần 5$ ĐẾN $L200 lần 200 \lần 20$). Vì tần số tối ưu liên quan trực tiếp đến hình học (cái $f cdot d$ sản phẩm), hệ thống kiểm tra phải có khả năng điều chỉnh tần số nhanh hoặc được trang bị thư viện cài đặt được tối ưu hóa cho các cấu hình phổ biến.
-
Mối nối bắt vít và hàn: Năng lượng sóng chắc chắn bị phân tán hoặc phản xạ tại các mối nối bu lông và mối hàn. Những khớp này hoạt động như những điểm gián đoạn hình học, thường tạo ra 'rác' mạnh mẽ’ tiếng vang có thể che giấu tín hiệu khiếm khuyết. Các thuật toán nâng cao là cần thiết để thực hiện nhận dạng đặc điểm- phân biệt giữa các phản xạ đã biết từ các đặc điểm cấu trúc và thực tế, phản xạ dị thường từ khuyết tật.
Việc triển khai thành công công nghệ này phụ thuộc vào độ chính xác đạt được trong giai đoạn tối ưu hóa tần số, xác định độ nhạy và độ rõ của tín hiệu thô, nền tảng mà tất cả quá trình xử lý tín hiệu và ra quyết định tiếp theo dựa vào đó. Do đó, nỗ lực khoa học là sự tích hợp liền mạch của cơ học sóng lý thuyết, mô phỏng số, và xác nhận thử nghiệm nghiêm ngặt, tạo ra một hệ thống có khả năng bảo vệ cơ sở hạ tầng năng lượng quan trọng một cách đáng tin cậy.
Tóm tắt các thông số tối ưu hóa
Bảng sau đây tóm tắt các thông số chính và các công cụ được sử dụng trong quá trình lặp lại tối ưu hóa tần số sóng dẫn hướng để kiểm tra thép góc:
| Danh mục thông số | Mục tiêu tối ưu hóa | Thông số kỹ thuật | Công cụ tối ưu hóa | Đầu ra quan trọng |
| TÔI. Cơ học sóng | Tuyên truyền tầm xa | Tần số không phân tán | Phương pháp AN TOÀN | Vận tốc nhóm ($v_{\chữ{g}}$) vs. Đường cong tần số |
| Tương tác khiếm khuyết | Nồng độ ứng suất tại vị trí khuyết tật | Chế độ AN TOÀN Phân tích hình dạng | Hồ sơ ứng suất cắt ($T_{\chữ{xz}}$) | |
| II. Mô phỏng | Độ nhạy & SNR | Biên độ tiếng vang khiếm khuyết so với. Tính thường xuyên | 3D FEM thoáng qua | Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm A-Scan (SNR) |
| Xác minh phạm vi | Tỷ lệ suy giảm theo khoảng cách | 3D FEM thoáng qua (Ranh giới PML) | Suy giảm tín hiệu cơ sở | |
| III. Cuộc thí nghiệm | Độ bền của trường | Chế độ chọn lọc và rõ ràng | Kiểm tra quét tần số | Phân tích tần số thời gian (STFT) Kịch bản |
| Kết hợp đầu dò | $\chữ{MUA}$ Cuộn dây hoặc $\chữ{PZT}$ Hình học | Điều chỉnh thử nghiệm | Hiệu suất kích thích và độ tinh khiết của chế độ |
