مروری بر روش‌های آکوستیکی و فراصوتی برای عیب‌یابی و پایش لوله‌های آب و فاضلاب

زیرساخت‌های دفن شده مانند شبکه‌های لوله‌کشی آب و فاضلاب نقش حیاتی در زندگی شهری دارند. در کشورهای مختلف مانند انگلستان، ایالات متحده و اتحادیه اروپا، ارزش جایگزینی این شبکه‌ها بالغ بر هزاران میلیارد دلار برآورد می‌شود. با توجه به رشد جمعیت، تغییرات اقلیمی و افزایش مصرف، این شبکه‌ها تحت فشار مضاعف قرار گرفته و خرابی‌ها، نشت‌ها و انسدادها بیشتر رخ می‌دهند. در چنین شرایطی استفاده از روش‌های مطمئن، سریع و دقیق برای پایش وضعیت لوله‌ها و شناسایی زودهنگام عیوب ضرورت دارد.

روش‌های متعددی برای بازرسی لوله‌ها وجود دارد، از جمله CCTV، پروفایلینگ لیزری، آزمون جریان مغناطیسی (MFL)  و جریان گرداب (CET). با این حال، در سال‌های اخیر تمرکز ویژه‌ای بر روش‌های آکوستیکی و فراصوتی قرار گرفته است، چراکه این روش‌ها حساسیت بالا، انعطاف‌پذیری و قابلیت استفاده در شرایط پیچیده شبکه‌های مدفون را دارند. در ادامه به مرور این روش های می پردازیم.

روش‌های آکوستیکی (فرکانس کمتر از ۲۰ کیلوهرتز)

روش‌های آکوستیکی عمدتاً برای شناسایی نشتی، انسداد، رسوب‌گذاری و حتی مکان‌یابی لوله‌ها به کار می‌روند. این روش‌ها می‌توانند به دو دسته فعال و غیرفعال تقسیم شوند:

• غیرفعال:  زمانی که صدای ناشی از نشتی یا جریان سیال توسط سنسورهایی مانند هیدروفون یا شتاب‌سنج ثبت می‌شود.
• فعال: در این حالت یک منبع صوتی ایجاد شده و بازتاب آن از ناپیوستگی‌ها (مثلاً ترک یا گرفتگی) تحلیل می‌شود.

شتاب‌سنج‌ها (Accelerometers)

این حسگرها وظیفه ثبت لرزش لوله را بر عهده دارند و سال‌هاست که برای شناسایی نشتی در لوله‌های فلزی به کار گرفته می‌شوند. روش رایج در این زمینه استفاده از تابع هم‌بستگی متقابل بین سیگنال‌های دو شتاب‌سنج است که می‌تواند محل دقیق نشتی را با دقتی در حد سانتی‌متر تعیین کند.

با این حال، چالش‌های مهمی نیز وجود دارد. در لوله‌های پلاستیکی به دلیل میرایی شدید امواج، دقت اندازه‌گیری به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. از سوی دیگر، نیاز به دانستن سرعت انتشار موج در لوله نیز مطرح است، زیرا در مواد پلیمری این سرعت متغیر بوده و بر نتایج تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، شتاب‌سنج‌ها قادرند تغییرات فرکانس طبیعی لوله یا ارتعاش ناشی از تغییر فشار سیال را آشکار کنند، اما تشخیص تفاوت میان یک عیب واقعی و تغییرات حاصل از وجود اتصالات و خم‌ها کار دشواری است.

هیدروفون‌ها (Hydrophones)

هیدروفون‌ها ابزارهایی هستند که فشار صوتی درون آب را اندازه‌گیری می‌کنند و از این طریق امکان شناسایی نشتی‌ها را فراهم می‌سازند. یکی از فناوری‌های شناخته‌شده در این حوزه، سامانه Sahara است که با یک هیدروفون متصل به کابل درون لوله زنده حرکت کرده و قادر است کوچک‌ترین نشتی‌ها را با دقتی در حدود نیم متر آشکار کند. این روش به‌ویژه در لوله‌های پلاستیکی، نسبت به شتاب‌سنج‌ها حساسیت بیشتری دارد و حتی می‌توان از هم‌بستگی سیگنال بین دو هیدروفون برای افزایش دقت استفاده کرد.

با وجود این مزایا، محدودیت‌هایی نیز وجود دارد. از جمله نیاز به نقاط دسترسی برای ورود دستگاه به شبکه و الزام به کابل‌کشی، که می‌تواند اجرای آن را در برخی شرایط دشوار کند. در کنار این فناوری، روش‌های گذرای مبتنی بر موج‌های فشاری نیز توسعه یافته‌اند که با تحلیل بازتاب‌های ناشی از ترک‌ها یا اتصالات ضعیف، امکان پایش وضعیت لوله را با جزئیات بیشتری فراهم می‌سازند.

فیبرنوری

سنسورهای فیبرنوری به صورت توزیعی در امتداد مسیر لوله نصب می‌شوند و با ثبت تغییرات فاز نوری ناشی از ارتعاشات یا فشارهای غیرعادی، قادرند محل نشتی را با حساسیتی بسیار بالا شناسایی کنند؛ به‌طوری که دقت اندازه‌گیری آن‌ها به کمتر از هفت سانتی‌متر می‌رسد. این فناوری با توانایی تشخیص تغییرات بسیار ظریف، ابزاری قدرتمند برای پایش لحظه‌ای وضعیت لوله‌ها به شمار می‌آید و به ویژه در شبکه‌های گسترده انتقال سیالات، امکان نظارت مداوم و دقیق را فراهم می‌کند.

با این حال، کاربرد فیبرنوری در عمل خالی از چالش نیست. نصب چنین سامانه‌ای مستلزم صرف هزینه‌های بالا و رعایت شرایط خاص فنی است و در صورت بروز آسیب در بخشی از فیبر، تعمیر و جایگزینی آن فرآیندی دشوار و پرهزینه خواهد بود. علاوه بر این، نگهداری از فیبرهای طولانی و حساس در محیط‌های صنعتی یا زیرزمینی نیازمند برنامه‌ریزی دقیق و تخصصی است. با وجود این محدودیت‌ها، مزایای فیبرنوری در دقت، پوشش گسترده و قابلیت پایش مستمر باعث شده است که به یکی از پیشرفته‌ترین گزینه‌ها برای تشخیص نشتی و پایش وضعیت لوله‌ها تبدیل شود.

روش‌های داده‌محور

با افزایش داده‌های ارتعاشی و صوتی، استفاده از یادگیری ماشین برای تشخیص نشتی یا انسداد توسعه یافته است. الگوریتم‌هایی مانند SVM، KNN، شبکه‌های عصبی و یادگیری عمیق آزمایش شده‌اند.

محدودیت اصلی: نیاز به داده‌های فراوان و شرایط کنترل‌شده. ترکیب مدل‌های فیزیکی و داده‌محور یکی از راه‌حل‌های پیشنهادی است.

روش‌های فراصوتی Ultrasonic (بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز)

امواج حجمی (Bulk Waves)

امواج فراصوتی بسته به جنس و ساختار لوله می‌توانند به صورت طولی یا برشی درون ماده انتشار پیدا کنند و برای پایش وضعیت از پیکربندی‌های مختلفی مانند Pulse-Echo یا Pitch-Catch استفاده می‌شود. در حالت Pulse-Echo یک فرستنده و گیرنده روی یک سمت لوله قرار می‌گیرند و بازتاب موج از دیواره یا عیوب داخلی اندازه‌گیری می‌شود، در حالی که در Pitch-Catch فرستنده و گیرنده در دو نقطه مجزا قرار دارند و عبور موج میان آن‌ها مورد تحلیل قرار می‌گیرد. این فناوری قابلیت‌های گسترده‌ای دارد و می‌تواند برای اندازه‌گیری ضخامت دیواره لوله‌ها، آشکارسازی ترک‌های ریز و درشت، شناسایی نواحی دچار خوردگی یا حتی تشخیص حفره‌ها و کاویتاسیون درون ساختار لوله به‌کار گرفته شود. به همین دلیل روش‌های فراصوتی در صنایع نفت و گاز، نیروگاهی و آب‌رسانی یکی از ابزارهای اصلی برای پایش سلامت لوله‌ها محسوب می‌شوند.

با وجود این مزایا، چالش‌های قابل توجهی نیز در استفاده از امواج فراصوتی وجود دارد. یکی از مهم‌ترین محدودیت‌ها میرایی بالای امواج در موادی مانند بتن، سفال یا پلیمرهاست که دقت و کارایی روش را کاهش می‌دهد. همچنین برای انتقال مؤثر انرژی صوتی از حسگر به سطح لوله نیاز به جفت‌کننده‌هایی مانند آب یا ژل وجود دارد، که در محیط‌های صنعتی یا زیرزمینی استفاده از آن‌ها همیشه آسان نیست. علاوه بر این، دسترسی دشوار به لوله‌های مدفون یا پوشیده شده باعث می‌شود اجرای این روش در برخی پروژه‌ها هزینه‌بر و زمان‌بر باشد. با این حال، دقت بالا و توانایی آشکارسازی عیوب داخلی همچنان امواج فراصوتی را به روشی ارزشمند و پرکاربرد در حوزه پایش وضعیت و بازرسی غیرمخرب لوله‌ها تبدیل کرده است.

تکنیک‌های فازی (Phased Arrays)

آرایه‌های چندعنصری امکان اسکن دوبعدی و سه‌بعدی لوله را می‌دهند. در صنایع نفت و گاز کاربرد وسیعی داشته و برای لوله‌های پلی‌اتیلن یا جوش‌های فیوژن نیز به‌کار رفته‌اند.

3. ابزارهای  PIG

ربات‌های درون‌لوله‌ای (Pipeline Inspection Gauge) مجهز به سنسورهای فراصوتی هستند و با حرکت درون لوله، نقشه کامل ضخامت و ترک‌ها را تهیه می‌کنند. هرچند این ابزارها نیازمند ورود از یک سمت و خروج از سمت دیگر هستند و در حین بازرسی اختلال موقت در سرویس ایجاد می‌شود.

امواج هدایت‌شده  (Guided Waves)

امواج هدایت‌شده درون ساختار لوله منتشر می‌شوند و به دلیل ماهیت خاص خود توانایی پیمایش مسافت‌های طولانی، حتی تا ده‌ها متر، را دارند. این ویژگی باعث شده است که بتوان از آن‌ها برای پایش بخش‌های گسترده‌ای از شبکه لوله بدون نیاز به نصب چندین حسگر استفاده کرد. روش متداول در این زمینه به‌کارگیری حلقه‌های ترانسدیوسری روی سطح خارجی لوله است که وظیفه تولید و دریافت امواج را بر عهده دارند. با این روش می‌توان تغییرات ناشی از ترک‌ها، خوردگی یا دیگر ناهنجاری‌های ساختاری را در طول لوله ردیابی و مکان‌یابی کرد.

با این حال، محدودیت‌ها و مشکلاتی نیز در استفاده از امواج هدایت‌شده وجود دارد. در لوله‌های مدفون، بخش زیادی از انرژی موج به خاک اطراف نشت می‌کند که منجر به تضعیف شدید سیگنال و کاهش دقت می‌شود. همچنین در لوله‌های ساخته‌شده از پلیمر یا بتن، به دلیل ویژگی‌های ذاتی این مواد، حساسیت روش کمتر بوده و آشکارسازی عیوب دشوارتر است. برای رفع این چالش‌ها، یکی از راه‌حل‌های نوین استفاده از ربات‌های خودکار درون لوله است؛ این ربات‌ها قادرند در مسیر حرکت خود امواج هدایت‌شده را در نقاط مختلف تولید و ثبت کنند و با کاهش اثرات تضعیف و افزایش دقت اندازه‌گیری، کارایی روش را به شکل قابل توجهی بهبود بخشند.

ارزیابی دقت و کاربردها

• در لوله‌های فاضلاب، روش‌های آکوستیکی مبتنی بر هوا می‌توانند انسداد را با دقت چند سانتی‌متر و تا ۱۰۰ متر فاصله مشخص کنند.
• در لوله‌های آب فلزی، شتاب‌سنج‌ها و هیدروفون‌ها قادر به شناسایی نشتی‌های کوچک با دقت تا چند متر هستند.
• در لوله‌های پلاستیکی، هیدروفون‌ها دقت بالاتری نسبت به شتاب‌سنج‌ها دارند.
• فیبرنوری بالاترین دقت را دارد ولی هزینه نصب آن زیاد است.
• روش‌های فراصوتی حجمی می‌توانند ضخامت را تا دقت میلی‌متر در لوله‌های پلاستیکی اندازه‌گیری کنند.
• امواج هدایت‌شده در لوله‌های مدفون معمولاً تنها چند متر کارایی دارند، اما با رباتیک می‌توان این محدودیت را کاهش داد.

روش‌های آکوستیکی و فراصوتی ابزارهای قدرتمندی برای پایش وضعیت شبکه‌های آب و فاضلاب هستند. هر روش مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارد و انتخاب آنها وابسته به جنس لوله، شرایط محیطی و نوع عیب مورد نظر است.

چشم‌انداز آینده بر ادغام این فناوری‌ها با ربات‌های خودکار تمرکز دارد. ربات‌ها می‌توانند:

• به صورت مستمر و خودکار داده جمع‌آوری کنند.
• محدوده‌های بیشتری از شبکه را پایش نمایند.
• داده‌های بزرگ برای آموزش مدل‌های یادگیری ماشین فراهم آورند.

مرجع

Yu, Yicheng, et al. “Acoustic and ultrasonic techniques for defect detection and condition monitoring in water and sewerage pipes: A review.” Applied Acoustics 183 (2021): 108282.