Crack Tracking in Small-Diameter Metal Pipe Using Controlled Motor Vibrations and Flexible Sensor

Abstract

Metal pipes are the most integral part of transporting water, gas, and other petrochemical substances over long distances. Higher strength, durability (along with wear and corrosion resistance), and lower cost make these pipes suitable for extreme weather conditions and hostile environments. Over time, these pipes experience significant impacts that may lead to defects such as holes, cracks, bends, corrosion, and finally component failure and property losses. Therefore, early detection of the defects in pipes is crucial to prevent such failures. There are several methods to detect defects in metal pipes, including non-destructive testing (NDT). However, high costs and declining performance are existing concerns for those NDTs. A motor-induced vibration source is more robust and reliable than a conventional vibration sensor. Thus, the feasibility of using a motor as a vibration source for metal pipe crack detection is studied in this work. To achieve this, a DC motor is placed on one side of the metal pipe and used as the vibration source. These vibrations are collected by a piezoelectric polymer, specifically a Polyvinylidene fluoride (PVDF) sensor, on the other side of the pipe. This work considers three types of pipe conditions: healthy pipe, bent pipe, and cracked pipe. Additionally, two different sensor locations (180-degree rotation) and sensor patterns (bent and not bent) are studied. From the studies, we can see that there are significant differences in pressure responses for healthy pipe and cracked pipe conditions. The maximum pressure response for a cracked pipe is 783 a.u. (intensity) whereas it is just 262 a.u. for a healthy pipe. Thus, the difference is sufficient to set a threshold margin. We have set 300 a.u. as the threshold margin and applied it to an algorithm. The algorithm can successfully detect a healthy or cracked pipe. However, it is very tricky in the case of a bent pipe, as the pressure differences are less than 300 a.u. for three conditions and above for only one. Hence, it might provoke an incorrect decision when detecting a bent pipe.

ABSTRAK: Paip logam adalah bahagian utama dalam mengangkut air, gas, dan bahan petrokimia lain dalam jarak jauh. Kekuatan dan ketahanan tinggi (bersama rintangan hakisan dan penggunaan), dan kos lebih rendah menjadikan paip logam sesuai bagi keadaan cuaca dan persekitaran melampau. Walau bagaimanapun, dari masa ke masa, paip logam mengalami kesan ketara seperti berlubang, retak, bengkok, hakisan dan akhirnya kegagalan komponen dan kehilangan harta benda. Oleh itu, pengesanan awal kecacatan pada paip adalah sangat penting bagi mengelakkan kegagalan tersebut. Terdapat kaedah tidak merosakkan (NDT) bagi mengesan kecacatan pada paip logam. Walau bagaimanapun, kos yang tinggi dan prestasi merosot adalah kebimbangan sedia ada pada NDT. Sumber getaran dari motor adalah lebih berdaya tahan dan lebih dipercayai berbanding pengesan getaran konvensional. Oleh itu, kebolehlaksanaan motor sebagai sumber getaran bagi mengesan paip logam yang retak dikaji dalam kajian ini. Bagi tujuan ini, motor DC diletakkan pada satu sisi paip logam dan digunakan sebagai sumber getaran. Getaran ini dikumpul oleh pengesan polimer piezoelektrik Poliviniliden Fluorida (PVDF) pada bahagian lain paip. Tiga jenis keadaan paip, iaitu paip sihat, paip bengkok dan paip retak dipertimbangkan dalam kajian ini. Tambahan, dua lokasi pengesan berbeza (pada putaran 180 darjah) dan corak pengesan (bengkok dan tidak bengkok) dikaji. Dapatan kajian menunjukkan terdapat perbezaan ketara dalam tindak balas tekanan bagi paip berkeadaan sihat dan retak. Malah, tindak balas tekanan maksimum bagi paip retak adalah 783 a.u. (intensiti) sedangkan hanya 262 a.u. bagi paip sihat. Oleh itu, perbezaan ini cukup bagi menetapkan margin ambang. Kajian ini telah menetapkan 300 a.u. sebagai margin ambang dan menggunakannya pada algoritma. Algoritma ini berjaya mengesan paip sihat atau retak. Walau bagaimanapun, adalah sangat rumit bagi mengesan paip bengkok kerana perbezaan tekanan adalah kurang daripada 300 a.u. bagi tiga syarat tersebut. Oleh itu, ia mungkin mencetuskan keputusan yang salah bagi mengesan paip bengkok.