اختبار الموجات الموجهة

اختبار الموجات الموجهة ( GWT ) هو أسلوب تقييم غير مُتلف . يعتمد هذا الأسلوب على استخدام الموجات الصوتية التي تنتشر على طول هيكل مُمتد، مُوجهةً بحدوده. يسمح هذا للموجات بالانتقال لمسافات طويلة مع فقدان ضئيل للطاقة. يُستخدم اختبار الموجات الموجهة على نطاق واسع اليوم لفحص العديد من المنشآت الهندسية، وخاصةً فحص خطوط الأنابيب المعدنية حول العالم. في بعض الحالات، يُمكن فحص مئات الأمتار من موقع واحد. كما توجد تطبيقات أخرى لفحص قضبان السكك الحديدية ، والأعمدة، والهياكل المعدنية.

على الرغم من أن اختبار الموجات الموجهة يُعرف أيضًا باسم اختبار الموجات فوق الصوتية الموجهة (GWUT) أو الموجات فوق الصوتية الموجهة (UGWs) أو اختبار الموجات فوق الصوتية بعيد المدى (LRUT)، إلا أنه يختلف جوهريًا عن اختبار الموجات فوق الصوتية التقليدي . يعتمد التردد المستخدم في الفحص على سُمك الهيكل، ولكن اختبار الموجات الموجهة يستخدم عادةً ترددات فوق صوتية تتراوح بين 10 كيلوهرتز وعدة ميغاهرتز. يمكن استخدام ترددات أعلى في بعض الحالات، ولكن نطاق الكشف ينخفض ​​بشكل ملحوظ. إضافةً إلى ذلك، فإن الفيزياء الكامنة وراء الموجات الموجهة أكثر تعقيدًا من الموجات الحجمية. وقد تم تناول الكثير من الخلفية النظرية في مقال منفصل . في هذا المقال، سنناقش الجانب العملي لاختبار الموجات الموجهة.

انطلاقًا من دراسات أساسية في علم الزلازل وعلم المرونة الديناميكية ، بما في ذلك أعمال مبكرة حول الموجات في الصفائح والموجهات الأسطوانية، يمكن تتبع دراسة الموجات الموجهة المنتشرة في الهياكل إلى عشرينيات القرن العشرين. وعلى مدى العقود اللاحقة، بُذلت جهود تحليلية وحسابية كبيرة لفهم خصائص التشتت ، والتحليل النمطي ، والتفاعلات الرنانة في القضبان والأنابيب والهياكل الشبيهة بالصفائح. ورغم أن النظرية الأساسية كانت قد وُضعت سابقًا، إلا أن التقدم في تكنولوجيا المحولات ، ومعالجة الإشارات ، والنمذجة الحاسوبية مكّن الموجات الموجهة من الظهور في أواخر القرن العشرين كأداة عملية للاختبار غير المتلف . وبحلول أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، طُبقت طرق الموجات الموجهة في مراقبة سلامة الهياكل والتفتيش بعيد المدى للمنشآت الهندسية، ولا سيما خطوط الأنابيب في صناعات النفط والغاز والكيماويات. ^{[ 1 ]}

بخلاف الموجات فوق الصوتية التقليدية، يوجد عدد لا نهائي من أنماط الموجات الموجهة في هندسة الأنابيب، ويمكن تصنيفها عمومًا إلى ثلاث مجموعات رئيسية: أنماط الالتواء، والطول، والانحناء. وتعتمد الخصائص الصوتية لهذه الأنماط على هندسة الأنبوب، ومادته، وتردده. ويتطلب التنبؤ بهذه الخصائص غالبًا نمذجة رياضية معقدة، تُعرض عادةً في رسوم بيانية تُسمى منحنيات التشتت .

في اختبار الموجات الموجهة لخطوط الأنابيب، تُثبّت مجموعة من محولات الطاقة منخفضة التردد حول محيط الأنبوب لتوليد موجة متناظرة محوريًا تنتشر على طول الأنبوب في اتجاهي الموجة الأمامية والخلفية لمصفوفة محولات الطاقة. يُعدّ نمط الموجة الالتوائية الأكثر شيوعًا، مع استخدام محدود للنمط الطولي . يعمل الجهاز بنظام النبض الصدى، حيث تُستخدم مصفوفة محولات الطاقة لإثارة الإشارات واستقبالها.

عند حدوث تغيير في المقطع العرضي أو الصلابة الموضعية للأنبوب، يتولد صدى. وبناءً على وقت وصول هذه الأصداء، والسرعة المتوقعة لنمط الموجة عند تردد معين، يمكن حساب المسافة بين عنصر ما وموقع مصفوفة المحولات بدقة. تستخدم تقنية GWT نظام منحنيات سعة المسافة (DAC) لتصحيح التوهين وانخفاض السعة عند تقدير تغير المقطع العرضي (CSC) من انعكاس عند مسافة محددة. عادةً ما تتم معايرة منحنيات سعة المسافة باستخدام سلسلة من الأصداء ذات سعة إشارة معروفة، مثل أصداء اللحام.

بمجرد ضبط مستويات محول الإشارة الرقمية إلى التناظرية (DAC)، يرتبط سعة الإشارة ارتباطًا وثيقًا بمعامل التباين (CSC) للعيوب. لا يقيس نظام GWT سُمك الجدار المتبقي مباشرةً، ولكن من الممكن تصنيف شدة العيوب إلى عدة فئات. إحدى طرق القيام بذلك هي استغلال ظاهرة تحويل نمط إشارة الإثارة، حيث يتم تحويل جزء من طاقة نمط الموجة المتناظر محوريًا إلى أنماط الانحناء عند أحد أجزاء الأنبوب. يوفر مقدار تحويل النمط تقديرًا دقيقًا للامتداد المحيطي للعيوب، وبالاقتران مع معامل التباين (CSC)، يمكن للمشغلين تحديد فئة شدة العيب.

تُعرض نتائج تقنية GWT عادةً على شكل مسح A، حيث يُمثل سعة الانعكاس مقابل المسافة من موضع مصفوفة المحولات. في السنوات القليلة الماضية، بدأت بعض الأنظمة المتقدمة بتقديم نتائج من نوع مسح C، حيث يُمكن تفسير اتجاه كل عنصر بسهولة. وقد أثبت هذا فائدته الكبيرة عند فحص خطوط الأنابيب الكبيرة.

إلى جانب دمج نتائج المسح الضوئي C، يمكن تحقيق قدرة التركيز النشط باستخدام تقنية التصوير بالموجات فوق الصوتية الموجهة (GWT) بالاعتماد على أنماط الموجات الانحنائية. يوفر هذا ميزتين رئيسيتين: أولاً، تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لصدى العيب، وثانياً، استخدامه كأداة إضافية للمساعدة في التمييز بين المؤشرات "الحقيقية" و"الخاطئة". مع ذلك، توجد عيوب مرتبطة بهذه التقنية؛ أولاً، يجب معرفة موقع العيب قبل تطبيق التركيز، وثانياً، قد تؤدي مجموعة البيانات المنفصلة المطلوبة لتقنية التركيز النشط إلى تقليل كفاءة الوقت والتكلفة لتقنية التصوير بالموجات فوق الصوتية الموجهة (GWT) بشكل ملحوظ.

تتميز أنماط الموجات الانحنائية بتغير جيبي في نمط إزاحتها حول المحيط، بقيم صحيحة تتراوح من 1 إلى ما لا نهاية. تتضمن عملية التركيز النشط إرسال أنماط متعددة من الموجات الانحنائية، مع تطبيق تصحيحات زمنية وسعة، بحيث تصل عقدة محيطية من كل نمط موجي إلى الموضع المستهدف في نفس الوقت، وعلى نفس الموضع المحيطي، وبنفس الطور، مما يُسبب تداخلاً بناءً. أما في المواضع المحيطية الأخرى، فتصل العقد المحيطية لأنماط الموجات الانحنائية خارج الطور، مما يؤدي إلى تداخل هدام. يمكن ضبط ظروف الإثارة لتدوير هذه البؤرة حول محيط الأنابيب. تُمكّن مقارنة الاستجابة من المواضع المحيطية المختلفة المشغل من التنبؤ بدقة أكبر بالموضع المحيطي ومدى العيب.

كما ذُكر سابقًا، يمكن استخدام تقنية التركيز للمساعدة في التمييز بين المؤشرات "الحقيقية" و"الخاطئة". المؤشر "الخاطئ" هو إشارة مُستقبلة لا تتطابق مباشرةً مع موضع العيب، مثل تلك الناتجة عن الصدى أو عن عدم اكتمال إلغاء أنماط الموجات غير المرغوب فيها. إذا وُجد مؤشر "خاطئ" في بيانات المسح A، فسيظهر أيضًا في نتائج المسح C، لأن هذا النوع من المعالجة يستخدم البيانات الأصلية نفسها. ولأن التركيز النشط يتضمن جمع بيانات منفصل، فإن التركيز على موضع المؤشر "الخاطئ" سيعطي نتيجة سلبية، بينما التركيز على المؤشر "الحقيقي" سيعطي نتيجة إيجابية. لذلك، يمكن لتقنية التركيز النشط أن تساعد في التغلب على ميل أنظمة اختبار الموجات الموجهة إلى إصدار نتائج "خاطئة".

المعايير البريطانية (BSI)

• المواصفة البريطانية BS 9690-1:2011، الاختبارات غير المتلفة. اختبار الموجات الموجهة. إرشادات ومبادئ عامة
• المواصفة البريطانية BS 9690-2:2011، الاختبارات غير المتلفة. اختبار الموجات الموجهة. المتطلبات الأساسية لاختبار الموجات الموجهة للأنابيب وخطوط الأنابيب والهياكل الأنبوبية.

الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM)

• E2775 – 16 (2023)، الممارسة القياسية لاختبار الموجات الموجهة لأنابيب الصلب فوق الأرض باستخدام تحويل التأثير الكهروإجهادي
• E2929 – 13، الممارسة القياسية لاختبار الموجات الموجهة لأنابيب الصلب فوق الأرض باستخدام التحويل المغناطيسي الانفعالي

• استخدامات فحص الموجات الموجهة بعيدة المدى - القدرات التجارية الحالية واتجاهات البحث