Dutos subterrâneos, alguns tão antigos quanto as cidades que atendem, muitas vezes ultrapassam a expectativa de vida prevista e a necessidade de substituí-los é uma despesa que a maioria dos municípios não pode pagar.

A necessidade de um melhor monitoramento dessas linhas de envelhecimento é fundamental, e o aproveitamento de ondas sonoras - por meio da fonônica - pode fornecer aos municípios um método de baixo custo para evitar quebras e abordar primeiro as áreas mais perigosas.

Serife Tol, um professor assistente de engenharia mecânica da Universidade de Michigan, está utilizando ondas sonoras que passam ao longo de pipelines para fornecer uma grande variedade de informações que os operadores podem usar.

Os resultados das pesquisas mais recentes de sua equipe estão disponíveis em Cartas de Física Aplicada .

O que é fonônica, e como pode ser aplicado nas capacidades de detecção?

A fonônica analisa as ondas elásticas ou acústicas e como elas se movem através de materiais compostos de repetição, ou periódico, estruturas. Esses materiais periódicos incluem cristais fonônicos e metamateriais para aplicações como amortecimento de sons e vibrações, ou dispositivos de camuflagem acústica.

Estruturas periódicas artificialmente projetadas podem ser projetadas usando elementos como hastes, feixes, placas ou conchas, todos os quais exibem propriedades dinâmicas extraordinárias que você não encontra em materiais naturais. Essas propriedades determinam como as ondas elásticas ou acústicas viajam.

Ondas elásticas se propagando em um tubo podem servir como uma ferramenta para detectar vazamentos, rachaduras, curvas e muito mais. Defeitos presentes em estruturas irão interromper as assinaturas de ondas elásticas ou acústicas - e essa interrupção pode ser detectada por sensores montados na superfície do tubo. A análise dos tempos de chegada das ondas no sinal do receptor determina a localização e o tipo de defeito presente na parede do duto. Este tipo de teste de onda guiada já é amplamente utilizado como uma técnica de monitoramento de integridade estrutural não invasiva.

Quando se trata de dutos e sua integridade estrutural, por que a fonônica não foi usada antes?

A fonônica é uma nova ciência que ainda está sendo explorada por pesquisadores, e esta é a primeira vez que o examinamos para aplicações de detecção em pipelines. Estamos demonstrando sua eficácia em comparação com as tecnologias de monitoramento atuais, como ondas guiadas por ultrassom.

As ondas ultrassônicas provaram ser econômicas e fáceis de operar, em parte porque o próprio oleoduto serve como guia de ondas. Contudo, o método sofre porque a amplitude das ondas fica menor e mais difícil de detectar durante as inspeções de longo alcance dos dutos.

Este problema pode ser superado com a tecnologia de phased array, que concentra as ondas elásticas ultrassônicas e melhora a detecção e localização de defeitos. Mas a tecnologia por trás do foco de onda requer controle ativo por meio de dispositivos externos e um banco de dados de características de onda específicas para cada tubulação.

Como você está lidando com o problema?

Com nossa abordagem, o próprio pipeline pode ser usado para projetar um guia de ondas passivo de última geração. Adaptamos cristais fonônicos para guiar e localizar a energia da onda elástica em um ponto desejado na tubulação. Nós criamos uma lente de cristal fonônico, muito parecido com uma lente ótica, e integrá-lo às estruturas de tubos existentes.

O objetivo é amplificar a energia vibracional nos locais dos sensores na tubulação. O sensor produz um sinal elétrico para combinar, que é então convertido para nos dar a velocidade das ondas.

Qual a eficácia do projeto do duto comprovado? E como isso poderia ser aplicado aos sistemas de dutos atuais?

Verificamos nosso projeto de lentes por meio de simulações numéricas e experimentos de laboratório em um protótipo de tubo de aço. Observamos o dobro da amplificação da energia das ondas no local focal em comparação com o tubo convencional. O design de lente única pode focar vários modos de onda de tubo comumente usados ​​para inspeção ultrassônica de tubulações, cada um com suas vantagens específicas.

Nosso projeto também concentra a energia das ondas em uma ampla faixa de frequência de 20 kHz a 50 kHz, as frequências ultrassônicas. Isso significa que o foco de onda de banda larga multimodo pode ser alcançado com nossas lentes conformadas - aprimorando os recursos de detecção e detecção em tubulações de longo alcance.

A lente seria um componente estrutural para o projeto atual dos dutos e pode ser implementada em várias escalas de comprimento com o dimensionamento adequado dos recursos de projeto. Também, o projeto pode ser implementado em dutos subterrâneos enterrados com a lente embutida na parede do duto ou permanecer como uma camada externa para dutos abertos. No momento, estamos investigando as lentes conformadas impressas em 3-D para tubos existentes e desenvolvendo estruturas de tubulação embutidas de lentes de próxima geração.

Quais seriam os benefícios de um sistema integrado com essa tecnologia?

As falhas de oleodutos são uma preocupação séria que afetam todos os que são atendidos por eles, bem como os municípios encarregados de mantê-los. Linhas rompidas transportando óleo, esgoto e produtos petroquímicos representam sérias ameaças para os humanos e também para o meio ambiente.

Uma maneira eficaz de evitar essas falhas é realizar inspeção / manutenção regular por meio do monitoramento da integridade estrutural dos dutos. A prevenção de falhas de linha é uma economia em si. Mas com nossa tecnologia, o monitoramento contínuo da integridade estrutural se tornaria muito mais eficaz por meio de reduções de custo para estratégias de substituição de linha e a capacidade de ajudar a estender a vida útil dos dutos.

Que outros usos potenciais você vê para sua tecnologia?

O conceito de lente conformada proposto pode ser estendido a outras estruturas, incluindo lâminas de turbina eólica, vigas, e fundações, bem como outros civis, aplicações mecânicas e aeroespaciais.