基于導(dǎo)波模態(tài)對稱曲線的管道近焊區(qū)缺陷識別

張 偉，姜銀方，嚴(yán)有琪，雷玉蘭，劉秋閣，陳志偉，杜 斌

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院鎮(zhèn)江分院，江蘇鎮(zhèn)江 212009)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和油氣資源的開發(fā)，長距離管道運(yùn)輸?shù)玫搅藦V泛的應(yīng)用。但是，管道運(yùn)輸事故頻頻發(fā)生，在所發(fā)生的事故中，絕大部分管道事發(fā)位置在靠近管道對接焊縫區(qū)域，該區(qū)域因受人為焊接影響，其晶粒粗大，力學(xué)性能較差，塑性較母材下降較大，易產(chǎn)生焊接裂紋，因此對管道對接焊縫的缺陷檢測具有重大意義［1］。

傳統(tǒng)的無損檢測方法如超聲、渦流、X射線等因具有檢測效率低、檢測范圍窄、必須離線進(jìn)行檢測的缺點，已無法適應(yīng)工業(yè)對管道焊縫快速在線檢測的要求。長距離超聲導(dǎo)波技術(shù)［2］是利用超聲導(dǎo)波沿管道內(nèi)壁傳播遇到介質(zhì)突變時發(fā)生反射的原理進(jìn)行缺陷識別，該技術(shù)與傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)相比具有檢測范圍廣，檢測效率高和在管道某一處實現(xiàn)全方位檢測的特點，引起世界范圍內(nèi)廣泛的研究。Lowe M J S［3］等提出用L(0，2)模態(tài)導(dǎo)波進(jìn)行檢測，并證明L(0，2)模態(tài)導(dǎo)波適用于長距離檢測。Li等［4－5］提出了位移圓周分布調(diào)制聚焦技術(shù)，通過改變傳感器陣列中各單元的激勵信號幅值系數(shù)和時間延遲參數(shù)，將導(dǎo)波能量集中在某一個小的區(qū)域，最終通過軸向和周向的掃描獲得焊縫缺陷的相關(guān)信息。程載斌［6］等進(jìn)行了管道縱向?qū)Р鸭y檢測數(shù)值模擬的識別研究，對管道一端激勵縱向?qū)Рǎ私邮辗瓷鋺?yīng)力波，通過對接收信號位置周向各節(jié)點位移時程曲線進(jìn)行疊加，確定裂紋回波和端面回波的位置。為了增強(qiáng)超聲導(dǎo)波的檢測能力，并實現(xiàn)缺陷的圓周定位，姜秀娟［7］等利用數(shù)值模擬的方法對含有裂紋和焊縫兩種缺陷形式的管道進(jìn)行分析，發(fā)掘了超聲導(dǎo)波技術(shù)在焊縫和裂紋同時存在時缺陷檢測的能力。雖然國內(nèi)外利用導(dǎo)波技術(shù)對管道檢測展開的大量研究，但是鮮有針對近焊區(qū)裂紋缺陷的識別技術(shù)。

本文利用壓電傳感器發(fā)射和接收縱向?qū)Рㄐ盘柕脑恚瑢﹂L直管道近焊區(qū)裂紋缺陷進(jìn)行研究。研究內(nèi)容包括:(1)建立管道導(dǎo)波試驗系統(tǒng)，提出模態(tài)對稱理論，根據(jù)該理論設(shè)計模態(tài)對稱算法，根據(jù)對稱算法建立波形模態(tài)對稱曲線用于輔助近焊縫區(qū)缺陷的識別，并研究模態(tài)對稱曲線與管道近焊區(qū)缺陷的關(guān)系。(2)通過小波包能量譜分析方法，研究不同頻帶下的能量分布特征，研究導(dǎo)波能量在焊縫缺陷處的聚焦。

1 管道導(dǎo)波模態(tài)對稱理論

無限長空心管道的導(dǎo)波傳播特性相當(dāng)復(fù)雜，建立如圖1管道柱狀坐標(biāo)系進(jìn)行描述，假設(shè)空心圓柱是軸對稱、且無限長的，材料特性是均勻的、各向同性的線性彈性體，并且其邊界條件都為自由面，則空間質(zhì)點的3 個位移分量［8］為

其中，ur，uθ，uz分別為徑向、周向和軸向位移分量，為圓周方向的階次;ω 為角頻率;k為波數(shù);Ur，Uθ，Uz分別為徑向、周向和軸向位移幅度，這3個解分別對應(yīng)管道導(dǎo)波的3種模態(tài)，包括對稱模態(tài)(縱向模態(tài)、剪切模態(tài))和非對稱模態(tài)(彎曲模態(tài))。導(dǎo)波在傳播中遇到管道結(jié)構(gòu)突變會發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象［9］。由于管道檢測的導(dǎo)波為對稱模態(tài)，若缺陷在管道圓周方向上為非對稱，則反射波通常也呈現(xiàn)非對稱，即為彎曲模態(tài)導(dǎo)波［10］。隨著缺陷的圓周對稱度增大，轉(zhuǎn)換模態(tài)導(dǎo)波的幅值呈線性遞減。圓周對稱度用百分?jǐn)?shù)表示，如圖2所示。

圖1 管道圓柱坐標(biāo)系

圖2 模態(tài)對稱識別原理圖

假設(shè)沿管道外壁周向均布N個壓電傳感器，采取整環(huán)激勵、單個傳感器信號采集的方式，共得到S1～SN組回波信號，依次選擇兩個圓周對稱傳感器信號的絕對幅值進(jìn)行疊加并取均值，得到以下模態(tài)對稱曲線算法

其中，Y為模態(tài)對稱曲線的幅值;FS1～FSN為個傳感器在管道對應(yīng)母線上所有信號的幅值。

2 試驗裝置

試驗裝置如圖3所示，通過在計算機(jī)用公式編輯器編寫漢寧窗調(diào)制的多個單音頻信號，使其產(chǎn)生所需的激勵波形。此信號經(jīng)導(dǎo)波診斷儀主機(jī)后施加于管道端部PZT－5壓電傳感器陣列。激勵環(huán)由均布排列16個相同規(guī)格壓電傳感器組成，采集環(huán)由8個均布排列的壓電傳感器組成，通過激勵縱向L(0，2)模態(tài)進(jìn)行導(dǎo)波檢測檢測頻率范圍為60～100 kHz，激勵頻率步進(jìn)長度為5 kHz。

圖3 實驗裝置圖

以帶環(huán)焊縫的管道(管道長度為11.5 m，管道外徑108 mm，壁厚6 mm，環(huán)焊縫在5.75 m處)為研究對象，通過在焊縫近焊區(qū)人工制作裂紋，裂紋截面積比分別為4%，6%和10%，研究管道焊縫熱影響區(qū)裂紋在不同缺陷截面積比的情況下，整環(huán)接收波形經(jīng)對稱疊加算法處理后的對稱性曲線，其中裂紋截面積比是指橫向截面上裂紋面積占整個截面面積的百分比。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果與模態(tài)對稱曲線的繪制

采集整環(huán)傳感器信號，計算在裂紋缺陷截面積比分別為4%，6%和10%焊縫回波反射系數(shù)，即焊縫回波幅值與激勵波幅值之比。試驗發(fā)現(xiàn)，隨著激勵頻率的改變，焊縫回波的幅值也發(fā)生改變，如圖4所示，缺陷不斷加大時，焊縫回波反射系數(shù)并非成線性升高，且焊縫回波信號與裂紋信號混疊，難以辨別近焊區(qū)缺陷。

圖4 變頻率下焊縫回波幅值

通過整環(huán)傳感器激勵單個傳感器接收的方式，將單個傳感器接收到的信號的起始位置對齊，采用模態(tài)對稱算法，繪制出對稱性曲線，由于采集的波形具有一定的噪聲，給缺陷識別帶來困難，采用小波濾波方法，濾除其雜波［11－12］。為了便于波形的識別和后續(xù)的信號處理，需要取其包絡(luò)線，求包絡(luò)時，先求出信號中的極大值和極小值，然后利用這些最大值或最小值作為初始數(shù)據(jù)，通過3次樣條插值和擬合方法擬合出上包絡(luò)。然后通過 Matlab軟件編程，繪制波形的上包絡(luò)線。如圖5與圖6所示，可以直觀地看出在管道環(huán)焊縫近焊區(qū)存在缺陷時幅值明顯高于在無缺陷工況下的幅值。

圖5 無缺陷波形圖與模態(tài)對稱性曲線

圖6 帶缺陷波形圖與對稱性曲線

3.2 小波包能量譜分析

能量系數(shù)是表征金屬材料在損傷、斷裂狀態(tài)下的最佳參數(shù)，由于管道對接焊縫是圓周對稱結(jié)構(gòu)，若焊縫存在缺陷必會打破對稱分布，管道對接焊縫熱影響區(qū)組織較密，遇到缺陷在該處的能量會有相應(yīng)變化，利用小波包分析法在頻帶上的精細(xì)分解，提取不同頻帶的能量分布，利用對稱能量特征對比完好焊縫與帶裂紋缺陷焊縫識別管道焊區(qū)裂紋，并證實該特征對檢測焊縫裂紋缺陷的有效性。對稱能量系數(shù)指利用小波包分析方法將單路回波信號分解到不同頻帶內(nèi)，計算出各路回波信號在不同頻帶內(nèi)的歸一化能量比。

小波包分析是管道檢測信號的一種有效處技術(shù)，相比小波分析技術(shù)，小波包分析能夠在信號低頻區(qū)和高頻區(qū)域同時進(jìn)行向下二進(jìn)分解，可獲得精確的頻率分辨率，通過對時域信號進(jìn)行小波包分解，可描述信號在不同頻段下相應(yīng)成份的信號強(qiáng)度隨時間變化的物理特性。理論上而言，隨著小波包分解層數(shù)的增加，信號頻域?qū)⒈粍澐值母?xì)，局部特征也將更明顯。同時，其頻率的分辨率也更高。但實際情況下，由于小波包分解采用的“下取樣”不能同時滿足頻域和時域的高分辨率。所以，在對信號充分分解的同時選取合適的分解層數(shù)就顯得尤為重要，根據(jù)在時域中信號的對稱性，選擇db4小波，分解層數(shù)為3層，分別對單個傳感器進(jìn)行信號采集，計算第3層歸一化能量值。

通過在管道一處周向位置預(yù)制人工裂紋缺陷，將采集到的信號進(jìn)行小波包分解，計算此處周向能量值與整環(huán)傳感器接收信號能量值比，如圖7與圖8，比較在管道焊縫近焊區(qū)有無缺陷導(dǎo)波信號發(fā)現(xiàn)，不帶缺陷的管道環(huán)焊縫區(qū)能量集中在90～100 kHz，帶有裂紋的管道環(huán)焊縫近焊區(qū)能量集聚在70～80 kHz頻率段，在時間－幅值平面上表現(xiàn)為經(jīng)對稱疊加后幅值的升高。當(dāng)激勵導(dǎo)波頻率在70～80 kHz時，通過不斷加大缺陷后發(fā)現(xiàn)，管道焊縫缺陷處模態(tài)對稱曲線幅值升高，如圖9所示。

圖7 管道無缺陷小波子空間能量比

圖8 帶裂紋焊縫小波子空間能量比

圖9 模態(tài)對稱曲線幅值隨缺陷大小變化

4 結(jié)束語

研究管道焊區(qū)導(dǎo)波信號特征參數(shù)對于焊縫中的缺陷識別起著至關(guān)重要的作用，本文基于超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)，進(jìn)行管道對接焊縫熱影響區(qū)缺陷的實驗研究，通過在管道環(huán)焊縫近焊區(qū)人工制作裂紋缺陷，獲得所需缺陷信號。并結(jié)合近焊區(qū)缺陷信號探尋缺陷大小與模態(tài)對稱曲線的關(guān)系。

(1)通過編寫出模態(tài)對稱曲線算法，并根據(jù)該算法編制出輔助缺陷識別的模態(tài)對稱曲線。進(jìn)行管道導(dǎo)波檢測試驗，通過人工制作缺陷的方法驗證了當(dāng)近焊區(qū)存在缺陷時，對稱曲線幅值升高，且隨著缺陷截面積比越大，相同位置的對稱曲線幅值越高。

(2)通過小波包能量譜分析方法，得出帶裂紋管道對接焊縫處的能量與無缺陷時相比，導(dǎo)波在缺陷處聚焦，且聚焦頻率為70～80 kHz的區(qū)間中。

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