Любой перкуссионист или вертлявый перочинщик скажет вам, что разные материалы издают разные звуки, когда вы по ним ударяете. Исследователи из Университета Дрекселя надеются, что это основополагающее акустическое явление может стать ключом к скорейшему удалению свинцовых водопроводов, которые десятилетиями отравляли водоснабжение по всей стране.

Недавнее исследование, проведенное совместно с консультантом по геотехнике Seaflower Consulting Servces, показало, что можно определить состав заглубленной трубы, ударив по ней и отслеживая звуковые волны, достигающие поверхности. Этот метод может помочь компаниям водоснабжения, прежде чем они начнут работу по удалению свинцовых линий обслуживания.

После водного кризиса 2014 года во Флинте, штат Мичиган, многие коммунальные компании усердно работали над проверкой материалов своих линий обслуживания.

Эти усилия становятся все более актуальными в последние два года в связи с принятым администрацией Байдена Законом о двухпартийной инфраструктуре и инициативой Агентства по охране окружающей среды «Ускорители замены свинцовых линий обслуживания», которая требует удаления всех свинцовых труб, обслуживающих примерно 9,2 миллиона американских домохозяйств, что ставит коммунальные услуги в невыгодное положение. пора завершить работу к 2033 году.

«Свинцовые трубы, очевидно, являются острой проблемой общественного здравоохранения, и их замена по праву является приоритетом, особенно в городских районах», — сказал Иван Бартоли, доктор философии, один из руководителей группы и профессор Инженерного колледжа Дрекселя. «Но проблема в этих областях заключается в том, что многие линии настолько стары, что записи могут не существовать, и коммунальным компаниям приходится проверять, сделаны ли они из свинца, прежде чем они начнут дорогостоящий и длительный процесс их раскопок. и заменить их».

Другие неинвазивные варианты включают отбор проб воды, который не определяет источник загрязнения и может пропустить подводящие линии, а также проверку камерой замкнутого контура, которую трудно использовать снаружи и которая не так эффективна при использовании в старых трубах из-за коррозии и нарастание накипи.

Существующий стандарт тестирования труб — вход в дом для непосредственного тестирования инженерной линии или, в качестве альтернативы, раскопки линии для получения образца — может быть неудобным для домовладельцев, разрушительным для граждан и дорогостоящим для коммунальных компаний. А время, необходимое для проверки труб таким способом, делает маловероятным, что городские районы будут свободны от свинца в сроки, установленные Агентством по охране окружающей среды.

По оценкам Департамента водоснабжения, только в Филадельфии около 20 000 из 511 000 объектов недвижимости в городе могут иметь ведущие линии связи. С 2017 года департаменту удалось заменить только 2600 из них, поэтому поиск более быстрого и менее разрушительного способа определить, какие линии являются ведущими, может иметь решающее значение для соблюдения сроков, установленных Агентством по охране окружающей среды, без раскопок большинства городских улиц и тротуаров.

Подход команды Дрекселя основан на мониторинге распространения ультразвуковых волн напряжения — методе, который часто используется для проверки структурного состояния трубопроводов, железных дорог и крыльев самолетов.

Но вместо того, чтобы просто показать, что разные типы труб создают заметно уникальные волны акустического напряжения при ударе, в своем исследовании, недавно опубликованном в Журнале неразрушающей оценки, команда предприняла дополнительный шаг, показав, что эти волны можно обнаружить на уровне поверхности и их распространение преобразуется в сигнатуру для каждого типа труб.

«Поскольку скорость волны варьируется в зависимости от типа материала, время первого прихода волны на поверхность различается для разных материалов линий обслуживания», — пишут они. «Например, для свинца направленные волны вдоль трубы медленнее, поскольку скорость объемных волн свинца намного ниже, чем скорость других материалов для линий обслуживания».

Команда экспериментировала в лаборатории со свинцовыми, медными, стальными и поливинилхлоридными (ПВХ) трубами, используя пьезоэлектрические датчики акселерометра для регистрации распространения волны напряжения через каждую из них при ударе инструментальным молотком. Они повторили процесс, частично наполнив каждую трубу водой и еще раз закопав ее в 30-сантиметровый песок.

На основе собранных данных команда создала модели, называемые дисперсионными кривыми, показывающие, как быстро волны достигают каждого датчика и как их скорость меняется со временем для каждого типа труб и в каждой обстановке. Команда считает, что эти модели можно использовать для идентификации труб в полевых условиях.

«Эти результаты открывают многообещающую возможность для неинвазивной идентификации линий обслуживания», — сказал Чарльз Хаас, доктор философии, профессор экологической инженерии Бетца в Инженерном колледже и один из руководителей проекта. «Потребуются дополнительные испытания, чтобы проверить этот подход и собрать данные о том, как волны распространяются через разные типы грунтов, в том числе неоднородные, но это важный шаг на пути к решению очень большой проблемы».

Выделение 15 миллиардов долларов в рамках двухпартийного Закона об инфраструктуре для удаления свинцовых труб в городских районах , сельских общинах , школах и детских учреждениях оказывает дополнительное давление на коммунальные компании, требующие разработки жизнеспособной технологии для ускорения процесса идентификации и удаления.

Команда находится в процессе проектирования и тестирования прототипа системы, которую можно было бы использовать для идентификации труб в полевых условиях, разместив датчики на земле между водопроводом и домом и используя щуп и молоток для удара по запорному клапану. линии обслуживания для создания акустических волн. Они установили партнерские отношения с несколькими компаниями водоснабжения, чтобы протестировать прототип и начать сбор данных для уточнения своих моделей.

«Коммунальные предприятия должны работать быстро, чтобы нанести на карту и проверить свои линии обслуживания, но они также должны гарантировать, что не будет никаких промахов», — сказал Курт Сйоблом, доктор философии, бывший профессор Инженерного колледжа Дрекселя, основатель Seaflower. Консалтинговые услуги и руководитель проекта. «Если раскопки всей системы водоснабжения просто невозможны, такой инструмент может помочь им указать правильное направление и сократить ненужные раскопки».