Ultrasoon technologie in conditiebepaling van leidingen
Onze Technologie uitgelegd
Binnen onze toolrange maken we gebruik van ultrasone technologie om meer dan 10 verschillende faalmechanismen en/of kenmerken te detecteren in leidingen van alle soorten materialen.
Onze technologie uitgelegd
Ultrasoon technologie
Het gebruik van ultrasoon technologie is wetenschappelijk bewezen als een effectieve en niet-destructieve manier om de toestand van een pijpleiding te beoordelen in andere sectoren zoals de olie- en gasindustrie. Hierbij wordt gebruik gemaakt van geluidsgolven met een hoge frequentie die buiten het bereik van het menselijk gehoor liggen. Onderaan deze pagina staan links naar verschillende onderzoeken over dit onderwerp.
Werkingsprincipe
Onze inspectietools zijn uitgerust met ultrasoon sensoren die werken door pulsen van geluidsgolven met hoge frequentie uit te zenden naar de wand van de leiding. Terwijl deze golven door het materiaal van de leidingwand reizen, weerkaatsen ze terug naar de sensor aan de voor- en achterkant van de leidingwand. De tijd die nodig is voor de geluidsgolven om deze heen-en-terugreis te voltooien, en de amplitude van de terugkerende golven, bieden waardevolle inzichten in de kenmerken van het materiaal. Dit omvat details over de dikte, dichtheid en de identificatie van mogelijke afwijkingen binnen de leiding.
Figuur 1 Het principe van de ultrasone meetmethode
Wanneer het de binnenkant van de leidingwand bereikt (voorwand), weerkaatst een deel van het ultrasone signaal terug naar de sensor. Het andere deel beweegt zich door de leidingwand totdat het de buitenkant van de leidingwand bereikt (achterwand). Hier vindt hetzelfde proces opnieuw plaats: een deel van het signaal weerkaatst terug en keert terug naar de ultrasone sensor, en het andere deel gaat verder dan de leidingwand.
Figuur 2 Schematische weergave van ultrasone signalen die reflecteren op de leidingwand
Een dergelijke ultrasone meting kan vervolgens worden weergegeven in een zogenaamde A-scan (Amplitude-scan). Deze scan toont de amplitude, wat aangeeft hoeveel energie van het ultrasone signaal is teruggekeerd naar de sensor. Daarnaast laat het zien hoeveel tijd het kostte om door het begin en het einde van de leidingwand te reizen en terug te keren naar de sensor (zie A-scan figuur).
Figuur 3 A-scan
Op de X-as wordt tijd weergegeven, en op de Y-as wordt de hoeveelheid energie getoond. In de figuur zijn twee pieken in het signaal zichtbaar. De eerste piek vertegenwoordigt de voorwand, en de tweede piek de achterwand. Uit deze informatie kan de afstand tussen de voorwand en de achterwand worden afgeleid om een wanddikte te berekenen.
Gemeten faalmechanismen
Met behulp van deze ultrasone sensoren kunnen we reparatiestukken, leidingmateriaal, rondingen, bochten, T-stukken en verbindingstypen identificeren en classificeren, evenals de volgende faalmechanismen detecteren in onder druk staande leidingen:
Corrosie in metalen;
Uitloging in AC;
H2S-aantasting;
Delaminatie van meerlaagse leidingwanden;
Diktemeting van interne liners, als cement liners;
Voegwijdte;
Ovaliteit;
Afvalstoffen of schaalvorming in de leiding;
Gas- en luchtbellen.
Door ultrasone metingen te combineren met andere sensoren, kunnen onze tools de volgende aanvullende faalmechanismen en kenmerken meten:
Hoekverdraaiing van koppelingen;
Deformatie in lengterichting (axiaal) van de leiding;
X, Y, Z locatie van de leiding.
Voordelen van ultrasoon technologie in conditiebepaling van leidingen
Non-destructief: De ultrasone sensoren beschadigen de leiding of interne liners niet tijdens inspectie;
Nauwkeurigheid: Ultrasone metingen verschaffen nauwkeurige informatie over de dikte van de leiding en de aanwezigheid van afwijkingen. Zo meten we bijvoorbeeld wanddikte met een nauwkeurigheid van 0,49 mm en ovaliteit met een nauwkeurigheid van 0,5%-punt;
Veelzijdigheid: Ultrasone technologie is veelzijdig en kan worden toegepast op alle leidingmaterialen, zoals beton, asbestcement, gietijzer, nodulair gietijzer, staal en HPDE/PVC/GRP;
Vroegtijdige detectie: De technologie kan potentiële problemen in een vroeg stadium identificeren, waardoor grotere problemen worden voorkomen en proactief onderhoud wordt gewaarborgd;
Uitgebreide beoordeling: Het biedt een uitgebreide beoordeling van de gehele leiding, inclusief de verbindingen, wat helpt bij het prioriteren van onderhoudsinspanningen.
Uitrusting van onze inspectietools
Binnen onze range inspectietools maken we gebruik van meerdere ultrasone sensoren, samen met een MFW-sensor, een IMU en een hydrofoon om een volledige conditiebepaling van de leiding te bieden van elk materiaal, zoals bijvoorbeeld beton, asbestcement, gietijzer, staal en HPDE/PVC/GRP.
MFW-sensor
De MFW-sensor op onze tool, voluit de Magnetic Field Wave-sensor, fungeert als een spoel die elektromagnetisch resoneert met de spiraalvormige gewikkelde draad in het voorgespannen beton, die in feite ook als een spoel fungeert. Als een spoelwikkeling van de spiraaldraad is gebroken, kunnen we het signaalverlies oppikken. Verschillende projecten met verificaties hebben bewezen dat we zelfs enkele spoelwikkelingbreuken kunnen detecteren.
Figuur 5 Schematische weergave van een spoel in een gewapende betonnen buis
IMU
Een IMU (Inertial Measurement Unit) is een apparaat dat gebruikmaakt van versnellingsmeters, gyroscopen en magnetometers om te meten hoe snel iets beweegt en hoe het roteert. Deze sensoren werken samen om te bepalen hoe een inspectiegereedschap is gepositioneerd en georiënteerd in een leiding.
Versnellingsmeters meten de beweging in drie richtingen, gyroscopen meten hoe iets roteert (giering, helling, rol), en magnetometers meten magnetische velden in drie richtingen. Door deze metingen te combineren, kan de IMU nauwkeurig volgen hoe het inspectiegereedschap beweegt en roteert in de leiding, zelfs wanneer er ondergronds geen GPS-signaal is. De IMU is nuttig voor het bepalen van de X-, Y- en Z-positie (diepte) van de leiding, het detecteren van verschillen ten opzichte van bestaande digitale GIS (Geografisch Informatiesysteem), het analyseren van de mate van rotatie, en het bepalen of kunststof buisonderdelen buigen. Het biedt ook extra informatie om specifieke materialen of eigenschappen in de leiding te identificeren, zoals reparatieklemmen.
Figuur 6 Schematische weergave van een IMU
Hydrofoon
Een hydrofoon is een gespecialiseerde onderwatermicrofoon die is ontworpen om geluidsgolven in water te detecteren en op te nemen. Hydrofoons zijn gevoelig voor akoestische signalen onder water, waardoor ze geluidsgolven kunnen vastleggen als gevolg van turbulentie en drukveranderingen, zoals bij het ontsnappen van vloeistoffen bij een lekkage in een leiding. Onze tool is uitgerust met een hydrofoon, en we kunnen lekken lokaliseren (>13.0 dB) door de basislijn akoestische signalen te vergelijken met de gewijzigde signalen veroorzaakt door een lekkage.
Figuur 7 Hydrofoon
XYZ-mapping
Wanneer we een in-line inspectie uitvoeren, bepalen we ook de exacte XYZ-locatie van een leiding met een nauwkeurigheid van 0,5 meter.
GPS Systeem
Om een XYZ-locatie nauwkeurig te bepalen, hebben we onze in-line inspectietool verder uitgerust met een geavanceerd GPS-systeem. Dit systeem werkt door ons inspectieteam de gehele route van de leiding te laten lopen die moet worden geïnspecteerd. Om de 100 meter wordt de locatie van het gereedschap gekalibreerd met behulp van een tracker die door het team bovengronds wordt gedragen.
Odometriewielen
Daarnaast hebben we op onze Acquarius-tool odometriewielen toegevoegd. Deze odometriewielen, ook bekend als odometriesensoren of encoderswielen, meten hoe een voertuig of gereedschap van positie verandert door de rotatie van de wielen of bewegende delen te volgen. Bij in-line inspecties van waterleidingen helpt odometrie om nauwkeurig te meten hoe het inspectiegereedschap in een rechte lijn beweegt. Het inspectiegereedschap heeft wielen die de binnenkant van de leiding raken.
Terwijl het inspectiegereedschap beweegt, draaien de wielen, en we houden bij hoe vaak ze ronddraaien. Dit helpt ons om de lengtes van leidingsecties te bepalen, de totale afstand die het inspectiegereedschap aflegt en hoe snel het beweegt. In combinatie met de IMU helpt odometrie ook om de X-, Y- en Z-positie van de leiding te bepalen.
Figuur 8 Achterkant van de Acquarius met uitgerust odometriewielen
XYZ mapping in data analyse
Tijdens de gegevensanalyse, uitgevoerd door ons eigen datateam, combineren we de gegevens verkregen van de odometriewielen en GPS met de gegevens verkregen van de IMU om een nauwkeurige XYZ-mapping vast te stellen. Het kennen van de exacte XYZ-locatie is belangrijk voor waterbedrijven wanneer ze bijvoorbeeld de leiding moeten opgraven.
XYZ-mapping is essentieel als het gaat om het nauwkeurig uitlijnen van de gegevens die zijn verkregen van onze ultrasone sensoren met de XYZ-mappinggegevens. Precisie hierin is cruciaal, omdat het ons in staat stelt de exacte locaties van gemeten faalmechanismen en anomalieën nauwkeurig vast te stellen.
Gepubliceerd wetenschappelijk onderzoek
AC Sulfaataantasting validatie
Breed toegepast voor water distributie- en rioolsystemen vanwege kostenefficiëntie en duurzaamheid, lopen asbestcement (AC) leidingen in de loop der tijd kwetsbaarheid op, met name voor sulfaataantasting die de cementmatrix aantasten. Acquaint BV is sinds 2016 toonaangevend in het inspecteren van AC-leidingen, waarbij geavanceerde ultrasone technologie wordt gebruikt. In 2017 ontdekten ze duidelijk bewijs van een sulfaataantasting in AC-leidingen. Deze whitepaper geeft inzicht in bevindingen uit Acquarius-inspecties met betrekking tot sulfaataantasting in asbestcementleidingen, uitgebreid gevalideerd aan de hand van boorkernmonsters.
Asbestcementleidingen, wijdverspreid gebruikt in water- en rioleringssystemen vanwege hun sterkte en duurzaamheid, lopen risico’s naarmate ze ouder worden door calcium uitloging als gevolg van milieu-invloeden, met name water. Dit tast hun structurele integriteit aan, wat kan leiden tot potentiële storingen en waterverontreiniging. Dit rapport vergelijkt ultrasone en CT-scan technieken om calcium uitloging in asbestcementbuizen te kwantificeren en visualiseren, met als doel inzicht te bieden in hun toepasbaarheid en effectiviteit bij het beoordelen van de conditie en resterende levensduur van de leidingen.
CT-scans van asbestcementbuizen als referentie voor de conditiebepaling van waterleidingen
In dit onderzoek wordt het gebruik van X-ray computed tomography (CT) verkend voor het beoordelen van de degradatie van asbestcementbuizen uit het veld. CT-scans onthullen gedetailleerde inzichten, waarbij de nadruk ligt op het belang van een alomvattend begrip van buisdegradatie. De studie valideert CT door vergelijkingen met sterkteproeven en een commerciële inspectietechniek, waarbij de bruikbaarheid ervan wordt aangetoond voor gedetailleerde metingen van buisdegradatie die cruciaal zijn voor waterbedrijven.
Ultrasone inline inspectie van een drinkwaterleiding op basis van cement
Deze studie suggereert een methode om ultrasone signalen van leidinginspecties te vertalen naar degradatieniveaus voor een cementgebaseerd drinkwatersysteem. Met behulp van gegevens van een Nederlandse waterleiding automatiseert het proces om relatieve degradatieniveaus te schatten en de verslechterde conditie te visualiseren. De studie benadrukt het belang van het overwegen van de geluidssnelheid in cement voor het bepalen van degradatiediepte, terwijl wordt erkend dat verder onderzoek naar absolute degradatieniveaus nodig is.
Detectie van zure aantasting in cementgebonden waterleidingen met ultrasone puls-echo-techniek
De studie heeft als doel de staat van het Nederlandse drinkwaternetwerk te beoordelen, met de nadruk op het identificeren van assets die aan het einde van hun levensduur zijn. Met behulp van ultrasone testen onderzoekt het onderzoek specifiek de degradatie in cementgebonden leidingen als gevolg van zure aanvallen. De meting omvat ultrasone pulssnelheid in mortelblokken blootgesteld aan zoutzuur. De studie benadrukt belangrijke factoren bij het detecteren van door zuur veroorzaakte schade en onderstreept de geschiktheid van een transducer voor dit doel.
Wat kan de Acquarius aan m.b.t. reducties en bochten?
De Acquarius kan diameter reducties aan tot 30%, echter hangt de mate van mogelijke reductie vooral af van de diameter van de grootste buisdelen binnen het tracé. Bij kleinere leidingen kan de Acquariusminder reduceren, omdat de foam PIG dan ook kleiner is en minder kan worden samengeperst. Verder kan de Acquarius1D bochten aan tot 90 graden.
Welke werkzaamheden zijn nodig voordat een inspectie kan worden uitgevoerd?
Om de Acquarius tool in een leiding te kunnen brengen, is de juiste toegang tot de leiding nodig. Dit kan bijvoorbeeld een 90 graden (tot DN500) of een 45 graden (alle diameters) FFC T- stuk of Y-stuk zijn. De project engineers van Acquaint gaan met de klant op zoek naar de meest geschikte lanceer en ontvangstlocatie van de tool. In een aantal gevallen zijn er civiele werkzaamheden nodig om de leiding toegankelijk te maken. Dit kan variëren tot kleine voorbereidingen tot aan het inbouwen van een PIG-lanceer installatie. Het uitnemen van de Acquarius gebeurt in rioolwaterpersleidingen meestal in een put waar de persleiding in uitstroomt. Hier zijn meestal geen tot weinig voorbereidende werkzaamheden nodig. In drinkwaterleidingen zijn ontvangstwerken nodig gelijk aan het lanceren. Bij extractie is zowel bij afvalwater als bij drinkwater een kraan nodig om de PIGs eruit te halen. Wanneer deze vol zitten met water zijn ze te zwaar om eruit te tillen.
De civiele werkzaamheden worden in de meeste gevallen door de klant of een aannemer uitgevoerd.
Hoe en waar kan de Acquarius worden ontvangen en uit de leiding worden gehaald?
Het extractiepunt van de Acquarius is typisch een verzamelput, in het geval van rioolwater. Maar dit kan ook een 45 of 90 graden T-stuk of Y-stuk zijn in het geval van extractie onder druk, zoals bij drinkwater. Wanneer het een T-stuk of Y-stuk betreft, wordt een lepel ingebracht, om zo de tool de juiste kant het T-stuk of Y-stuk in te begeleiden. Omdat de Acquarius als hij bij het extractiepunt aankomt verzwaard is door het afval- of drinkwater, hij bestaat namelijk grotendeels uit schuim, wordt er een hijsband aan de Acquarius vastgemaakt en wordt hij weggetakeld middels een kraan.
Hoe worden draadbreuken in voorgespannen beton leidingen gedetecteerd?
In voorgespannen betonleidingen wordt onze Acquarius tool uitgerust met een MFW-sensor, voluit de Magnetic Field Wave-sensor, en deze fungeert als een spoel die elektromagnetisch resoneert met de spiraalvormige gewikkelde draad in het voorgespannen beton, die in feite ook als een spoel fungeert. Als een spoelwikkeling van de spiraaldraad is gebroken, kunnen we het signaalverlies oppikken. Verschillende projecten met verificaties hebben bewezen dat we enkelvoudigespoelwikkelingbreuken kunnen detecteren. Lees hier meer over onze technologie.
Welke obstakels kan de Acquarius aan?
De Acquarius kan langs schuifafsluiters en plug valves met een diameter reductie van maximaal 30%. Ook kan de Acquarius door haakse bochten. De Acquarius kan niet langs vlinderkleppen.
Is het niet goedkoper om een leiding te vervangen?
Nee, de kosten voor inspectie liggen typisch 75 tot 150 keer lager dan het vervangen van de leiding. In onze ervaring blijkt na inspectie dat grote delen van de leiding niet vervangen hoeft te worden en alleen gericht lokaal onderhoud nodig is, wat in bijna alle gevallen een sterk positieve business case presenteert.
Hoelang duurt een inspectie met de Acquarius?
De duur van een inspectie is afhankelijk van de lengte van het te inspecteren tracé. De inspectiesnelheid varieert van 0,2 – 1m/s en ligt optimaal op 0,4 m/s. Zo duurt een inspectie van 10 km ongeveer een werkdag (8 uren) wanneer er uitgegaan wordt van een snelheid van 0,4m/s. Voorafgaand aan de inspectie, zijn nog minstens 2 runs met dezelfde duur nodig voor de reiniging en de dummy run.
Kan de Acquarius ook met vuilwater worden voortgestuwd?
Ja, in rioolwatertoepassing is het heel gebruikelijk om een Acquarius met vuilwater voort te stuwen. Om blokkering van de sensoren te voorkomen, zorgen we dat er volume relatief schoon water (bijvoorbeeld rivier- of slootwater) achter Acquarius zit, voordat er op vuilwater wordt overgeschakeld. Tijdens het grootste deel van een inspectie van een persriool blijft het gemaal dus ingebruik.
