Tuberías subterráneas, algunos tan antiguos como las ciudades a las que sirven, a menudo están muy por encima de su vida útil prevista y la necesidad de reemplazarlos se perfila como un gasto que la mayoría de los municipios no pueden afrontar.

La necesidad de un mejor seguimiento de estas líneas de envejecimiento es primordial, y el aprovechamiento de las ondas sonoras, a través de la fonética, puede proporcionar a los municipios un método rentable para prevenir las roturas y abordar primero las áreas más peligrosas.

Serife Tol, un profesor asistente de ingeniería mecánica de la Universidad de Michigan, está utilizando ondas de sonido que pasan a lo largo de las tuberías para ofrecer una gran cantidad de infraestructura de información que los operadores pueden utilizar.

Los últimos resultados de la investigación de su equipo están disponibles en Letras de física aplicada .

¿Qué es la fonética? y ¿cómo se puede aplicar en las capacidades sensoriales?

La fonónica analiza las ondas elásticas o acústicas y cómo se mueven a través de los materiales que se componen de repetición, o periódica, estructuras. Estos materiales periódicos incluyen cristales fonónicos y metamateriales para aplicaciones como amortiguar sonidos y vibraciones, o dispositivos de camuflaje acústico.

Las estructuras periódicas diseñadas artificialmente se pueden diseñar utilizando elementos como varillas, vigas platos o conchas, todos los cuales exhiben extraordinarias propiedades dinámicas que no se encuentran en materiales naturales. Esas propiedades determinan cómo viajan las ondas elásticas o acústicas.

Las ondas elásticas que se propagan en una tubería pueden servir como herramienta para detectar fugas, grietas curvas y más. Los defectos presentes en las estructuras interrumpirán las firmas de ondas elásticas o acústicas, y esa interrupción puede detectarse mediante sensores montados en la superficie de la tubería. El análisis de los tiempos de llegada de las ondas en la señal del receptor determina la ubicación y el tipo de defecto presente en la pared de la tubería. Este tipo de prueba de ondas guiadas ya se utiliza ampliamente como una técnica de control de la salud estructural no invasiva.

Cuando se trata de tuberías y su integridad estructural, ¿Por qué no se ha utilizado antes la fonética?

La fonónica es una nueva ciencia que los investigadores aún están explorando, y esta es la primera vez que lo examinamos para detectar aplicaciones en tuberías. Estamos demostrando su eficacia en comparación con las tecnologías de monitorización actuales, como las ondas guiadas ultrasónicas.

Las ondas ultrasónicas han demostrado ser rentables y fáciles de operar. en parte porque el propio oleoducto sirve como guía de ondas. Sin embargo, el método sufre porque la amplitud de las ondas se vuelve más pequeña y más difícil de detectar durante las inspecciones de largo alcance de las tuberías.

Este problema puede superarse con la tecnología de matriz en fase, que enfoca las ondas elásticas ultrasónicas y mejora la detección y localización de defectos. Pero la tecnología detrás del enfoque de ondas requiere un control activo a través de dispositivos externos y una base de datos de características de ondas específicas para cada tubería.

¿Cómo está abordando el problema?

Con nuestro enfoque, la propia tubería se puede utilizar para diseñar una guía de ondas pasiva de última generación. Adaptamos cristales fonónicos para guiar y localizar la energía de la onda elástica en un punto deseado de la tubería. Creamos una lente de cristal fonónico, como una lente óptica, e integrarlo con las estructuras de tuberías existentes.

El objetivo es amplificar la energía vibratoria en las ubicaciones de los sensores en la tubería. El sensor produce una señal eléctrica para igualar, que luego se convierte para darnos la velocidad de las olas.

¿Qué tan efectivo ha demostrado ser el diseño de la tubería? ¿Y cómo podría aplicarse a los sistemas de tuberías actuales?

Verificamos nuestro diseño de lentes a través de simulaciones numéricas y experimentos de laboratorio en un prototipo de tubería de acero. Observamos el doble de amplificación de la energía de las olas en la ubicación focal en comparación con la tubería convencional. El diseño de lente única puede enfocar múltiples modos de onda de tubería comúnmente utilizados para la inspección ultrasónica de tuberías, cada uno con sus propias ventajas específicas.

Nuestro diseño también enfoca la energía de las olas en un amplio rango de frecuencia de 20 kHz a 50 kHz, las frecuencias ultrasónicas. Eso significa que el enfoque de onda de banda ancha multimodo se puede lograr con nuestra lente conformada, lo que mejora las capacidades de detección y detección en tuberías de largo alcance.

La lente sería un componente estructural del diseño actual de las tuberías y se puede implementar en varias escalas de longitud con una escala adecuada de las características del diseño. También, el diseño se puede implementar en tuberías subterráneas enterradas con la lente incrustada en la pared de la tubería o permanecer como una capa externa para tuberías abiertas. Actualmente estamos investigando las lentes conformadas impresas en 3-D para tuberías existentes y desarrollando estructuras de tuberías integradas con lentes de próxima generación.

¿Cuáles serían los beneficios de un sistema integrado con esta tecnología?

Las fallas en los ductos son una preocupación seria que afecta a todos los que reciben sus servicios, así como a los municipios encargados de mantenerlos. Líneas rotas que transportan aceite, las aguas residuales y los productos petroquímicos representan una grave amenaza para los seres humanos y el medio ambiente.

Una forma efectiva de evitar estas fallas es realizar inspecciones / mantenimientos regulares mediante el monitoreo de la salud estructural de las tuberías. La prevención de fallas en la línea es un ahorro de costos en sí mismo. Pero con nuestra tecnología, El monitoreo continuo de la salud estructural se volvería mucho más efectivo a través de reducciones de costos para las estrategias de reemplazo de líneas y la capacidad de ayudar a extender la vida útil de las tuberías.

¿Qué otros usos potenciales ve para su tecnología?

El concepto de lente conformada propuesto puede extenderse a otras estructuras, incluyendo palas de aerogeneradores, vigas, y cimientos, así como otros civiles, aplicaciones mecánicas y aeroespaciales.