基于導(dǎo)波能量差的管道缺陷周向定位實(shí)驗(yàn)研究

竇林彬,陳志偉,2,嚴(yán)有琪

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

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基于導(dǎo)波能量差的管道缺陷周向定位實(shí)驗(yàn)研究

竇林彬1,陳志偉1,2,嚴(yán)有琪1

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

摘要針對(duì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)需通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析而得到管道健康信息,而無(wú)法反映缺陷的周向位置信息的問(wèn)題。文中采用超聲導(dǎo)波方法對(duì)管道缺陷周向定位進(jìn)行了研究,分析了超聲導(dǎo)波在管道中遇缺陷后的能量分布,以及周向定位的原理。根據(jù)F(1,3)模態(tài)導(dǎo)波周向波數(shù)只有一個(gè)的特性,提出了象限能量差定位缺陷方法,并對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,方法可以準(zhǔn)確地判定出缺陷所在周向位置。

關(guān)鍵詞超聲導(dǎo)波;管道缺陷;周向定位;F(1,3)模態(tài);能量分布

管道運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱,陸上油氣管道里程已達(dá)12 000 km;而且30%以上已經(jīng)運(yùn)行了10年以上,千公里泄露事故率年均4次,遠(yuǎn)高于美國(guó)和歐洲[1]。管道事故的不時(shí)發(fā)生,帶來(lái)了重大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重地環(huán)境污染,甚至危害人民生命安全,對(duì)管道健康狀況的檢測(cè)尤為必要。

超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[2-5]。檢測(cè)中在管道某一處布置兩環(huán)傳感器陣列,一環(huán)用于激勵(lì)檢測(cè)用超聲導(dǎo)波原始信號(hào),另一環(huán)用于接收帶有管道健康狀況的回波信號(hào)。同時(shí)一處檢測(cè)就可以得到管道數(shù)十m內(nèi)的全壁厚的健康信息。相比傳統(tǒng)的管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù),如射線(xiàn)檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等,超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有一次檢測(cè)距離長(zhǎng)、效率高等特點(diǎn)[5]。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)主要通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析得到管道健康信息,但檢測(cè)中接收到的回波信號(hào),只包含時(shí)域的信息,時(shí)域信息只可以準(zhǔn)確地定位缺陷在管道軸向位置,不能反映缺陷的周向位置信息。對(duì)于一些管徑較大管道,缺陷的周向快速定位也是有必要的。

為定位管道缺陷的周向位置,提出了象限能量差定位缺陷方法。該方法將管道分成若干象限,通過(guò)比較每個(gè)象限內(nèi)回波信號(hào)的能量差,確定缺陷在哪個(gè)象限,從而達(dá)到缺陷周向定位的目的。

1超聲導(dǎo)波在管道中傳播特性

超聲導(dǎo)波由于超聲波在介質(zhì)中的不連續(xù)交界面間產(chǎn)生多次往復(fù)反射,并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)雜的干涉和幾何彌散而形成的。管道中超聲導(dǎo)波可分為:軸對(duì)稱(chēng)縱向模式導(dǎo)波L(0,m),其中,m=1,2,…;軸對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波T(0,m),其中,m=1,2,3,…;彎曲模式導(dǎo)波F(n,m),其中,n,m=1,2,3,…,m為模數(shù),n為周向階數(shù)[6]。

頻散現(xiàn)象是超聲導(dǎo)波在介質(zhì)中傳播的一個(gè)重要特性,其表現(xiàn)為群速度和相速度隨著頻率的變化而變化,即在傳播過(guò)程中波形在時(shí)間和空間上的分散[7]。群速度與頻率變化關(guān)系圖如圖1所示。

圖1　外徑108 mm,壁厚4 mm空心鋼管的群速度頻散曲線(xiàn)

從圖1可以看出,隨著頻率的增加,導(dǎo)波在某一頻率下的模態(tài)數(shù)迅速增加,在任一頻率厚度積下都至少存在兩個(gè)以上的導(dǎo)波模態(tài)。同時(shí)超聲導(dǎo)波還存在模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象[2-4];檢測(cè)時(shí),射入單一模態(tài)的超聲導(dǎo)波,在反射、折射以及透射的傳播過(guò)程中,導(dǎo)波模態(tài)會(huì)轉(zhuǎn)換某些其他模態(tài),轉(zhuǎn)換后所有模態(tài)的總能量和與射入單一模態(tài)導(dǎo)波總能量相當(dāng)。因此,在激勵(lì)導(dǎo)波時(shí),激勵(lì)方式的選擇以及使用何種模態(tài)檢測(cè)就顯得尤為重要。因?yàn)槿绻x擇不當(dāng),可能會(huì)引入許多其他模態(tài),干擾檢測(cè)結(jié)果。從圖1中可以看到L(0,2)模態(tài)在30 kHz以上群速度基本不隨頻率的變化而變化,且波速最快,可以在干擾模態(tài)前到達(dá)傳感器,受多模態(tài)因素的影響較小,因此本文選擇L(0,2)模態(tài)超聲導(dǎo)波進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2缺陷周向定位

管道中出現(xiàn)的缺陷多為腐蝕缺陷,是一種類(lèi)凹槽缺陷,多以塊狀出現(xiàn),這類(lèi)缺陷是一種典型的非對(duì)稱(chēng)管道特征。當(dāng)軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)的超聲導(dǎo)波遇到管道缺陷時(shí),根據(jù)聲波的反射及折射定律,在缺陷截面處,由于聲阻抗的差異,必然會(huì)反射部分導(dǎo)波。此時(shí)的缺陷就相當(dāng)于一個(gè)點(diǎn)波源,顯然這是一個(gè)非軸對(duì)稱(chēng)的導(dǎo)波激勵(lì)源,其激勵(lì)出的導(dǎo)波會(huì)發(fā)生頻散以及模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,研究發(fā)現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換后主要模態(tài)為F(1,3)彎曲模態(tài)[2]。根據(jù)殼體非軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)定義,F(1,3)模態(tài)周向波數(shù)只有一個(gè)[8],即在管道垂直于軸線(xiàn)的截面上,振動(dòng)主要集中在某一直徑方向上質(zhì)點(diǎn)上,其環(huán)向振型如圖2所示,該直徑方向即為缺陷所在圓周位置。

圖2　F(1,3)環(huán)向振型圖

由于F(1,3)模態(tài)這種非軸對(duì)稱(chēng)的特性,回波能量在管道周向上的分布就會(huì)有一定的規(guī)律,對(duì)應(yīng)缺陷處回波能量相比其他位置要大,振幅也相對(duì)為最大。

簡(jiǎn)化后,將幅值平方,各象限內(nèi)波形幅值差異被放大,一些干擾信號(hào)相對(duì)回波信號(hào)影響會(huì)更小,可以進(jìn)一步消除這些干擾信號(hào)的影響。

3實(shí)驗(yàn)研究

3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)中使用激勵(lì)波形為n周期Hanning窗調(diào)制的正弦波,其方程為

其中,n為周期數(shù);f為激勵(lì)信號(hào)的中心頻率;t為時(shí)間;T為脈沖間隔;本實(shí)驗(yàn)中取n=10,激勵(lì)波波形如圖3所示,其由任意波函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生。

圖3　激勵(lì)波形圖

實(shí)驗(yàn)中傳感器選用為PZT-5的壓電晶片,其有較高的機(jī)電耦合系數(shù)、壓電應(yīng)變常數(shù)以及壓電電壓常數(shù)。實(shí)驗(yàn)中取12片壓電片為一環(huán),長(zhǎng)度方向與軸線(xiàn)平行,均布于管道一周,共兩環(huán),一環(huán)為激勵(lì)環(huán),另一環(huán)為接收環(huán),此時(shí)激勵(lì)出的導(dǎo)波模態(tài)為L(zhǎng)(0,2)模態(tài)[9]。

實(shí)驗(yàn)所用管道為長(zhǎng)10.5 m,外徑108 mm,厚度4 mm的碳鋼管道,管道密度7.9 g/cm3。在管道8.0 m、5.5 m、3.5 m處加工缺陷。

3.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將管道上的接收環(huán)傳感器,每3個(gè)分為一組,即將整個(gè)管道周向分為4個(gè)象限,以此為A、B、C、D象限;在管道3.5 m處C象限內(nèi)加工截面缺損率為10.82%凹槽缺陷,在管道5.5 m處A象限內(nèi)加工截面缺損率為16.43%凹槽缺陷,在管道8 m處D象限內(nèi)加工截面缺損率為8.64%凹槽缺陷,分別將3處缺陷記為缺陷1、缺陷2、缺陷3;使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為90 kHz的10周期的漢寧窗正弦脈沖信號(hào),通過(guò)激勵(lì)環(huán)傳感器在管道中激勵(lì)L(0,2)模態(tài)的超聲導(dǎo)波,同時(shí)使用示波器及前置放大器接收并保存每個(gè)象限的超聲導(dǎo)波回波信號(hào)。

3.3信號(hào)處理

對(duì)接收到的回波信號(hào),首先進(jìn)行小波降噪和幅值歸一化處理,消除干擾信號(hào)的影響以及統(tǒng)一指標(biāo)數(shù)量級(jí)。

通過(guò)L(0,2)模態(tài)波速計(jì)算確認(rèn)缺陷回波位置,并與實(shí)際波形對(duì)比。通過(guò)計(jì)算,一個(gè)周期的漢寧窗脈沖波,在1 MHz采樣率下,需要約100個(gè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)描述,考慮到導(dǎo)波頻散等現(xiàn)象,實(shí)際取脈沖波中心兩側(cè)各100點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,得到回波的能量系數(shù)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4為整環(huán)傳感器接收的缺陷回波時(shí)域波形圖,由該圖得到缺陷1回波的脈沖波中心在約1.303 ms處;缺陷2回波的脈沖波中心約在2.046 ms處;缺陷3回波的脈沖波中心約在2.986 ms處。由頻散曲線(xiàn)可知,F(1,3)模態(tài)波速與L(0,2)模態(tài)相當(dāng),在某一頻率后基本無(wú)頻散,所以這里由頻散曲線(xiàn)取L(0,2)模態(tài)波速為5 400 m/s,計(jì)算3處缺陷的位置。得缺陷1約在3.52 m處,缺陷2約在5.52 m,處缺陷3約在8.06 m處。與實(shí)際缺陷軸向位置基本一致,且誤差都<10 cm。

圖4　缺陷回波時(shí)域圖

根據(jù)得到的脈沖波中心,計(jì)算3處缺陷信號(hào)各象限能量系數(shù),得到如表1所示數(shù)據(jù),其中缺陷1能量系數(shù)與缺陷3能量系基本相當(dāng),而缺陷2能量系數(shù)最大,這與它們之間截面缺損率關(guān)系吻合。

表1　各處能量回波系數(shù)

由表1數(shù)據(jù)得到如圖5所示的周向能量系數(shù)圖。缺陷1的周向能量系數(shù)圖,可以很明顯看到在周向180°處,缺陷回波的能量系數(shù)較大,達(dá)到0.101 1,且0°～180°的直徑方向上能量系數(shù)達(dá)0.131 0,而90°～270°直徑方向0.065 1。由之前周向定位理論,缺陷所在周向位置的徑向上,質(zhì)點(diǎn)振幅最大,導(dǎo)波能量最大。可以得到缺陷1在0°～180°的直徑方向上,而周向180°處,能量系數(shù)最大,可以確定缺陷1在該處,即C象限處,與實(shí)際缺陷位置相符。同時(shí)缺陷2、缺陷3,使用該理論也可以快速實(shí)現(xiàn)周向定位,由圖可以判定缺陷2、缺陷3分別在A、D象限。

圖5　周向能量回波系數(shù)圖

5結(jié)束語(yǔ)

超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)方法具有檢測(cè)距離長(zhǎng),效率高的優(yōu)點(diǎn)。提出的象限能量差定位缺陷方法可以快速對(duì)管道缺陷進(jìn)行軸向和周向的定位。對(duì)缺陷周向定位進(jìn)行了理論研究,根據(jù)F(1,3)模態(tài)導(dǎo)波周向只有一個(gè)波數(shù)的特性,提出了象限能量差定位缺陷方法,并對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證,結(jié)果顯示缺陷的軸向位置可以通過(guò)波速迅速得到;缺陷的周向位置通過(guò)計(jì)算比較象限能量差異,可以迅速得到定位;實(shí)驗(yàn)中不同象限內(nèi),不同尺寸的缺陷都得到了準(zhǔn)確定位。這表明象限能量差定位缺陷方法可以得到缺陷在管道確切位置,方便相關(guān)人員對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

參考文獻(xiàn)

[1]張艷玲.中國(guó)陸上油氣管道總里程達(dá)12萬(wàn)公里30%運(yùn)行超10年[EB/OL].(2014-07-29)[2015-09-06] http://news.china.com.cn/2014-07/29/content_33084535.htm.

[2]Lowe M J S,Alleyne D N,Cawley P.Defect detection in pipes using guided waves[J].Ultrasonics,1998,36(1):147-154.

[3]何存富,吳斌,范晉偉.超聲柱面導(dǎo)波技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2001,31(2):203-214.

[4]王秀彥,王智,焦敬品,等.超聲導(dǎo)波在管中傳播的理論分析與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2004,40(1):11-16.

[5]劉鎮(zhèn)清.超聲無(wú)損檢測(cè)中的導(dǎo)波技術(shù)[J].無(wú)損檢測(cè),1999,21(8):367-375.

[6]Silk M G,Bainton K F.The propagation in metal tubing of ultrasonic wavemodes equivalent to lamb waves[J].Ultrasonics,1979,17(1):11-19.

[7]Wilcox P,Lowe M,Cawley P.The effect of dispersion on long-range inspection using ultrasonic guided waves[J].NDT&E International,2001,34(2):1-9.

[8]董奇,鄭津洋,胡八一.殼體中的軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)和非軸對(duì)稱(chēng)模態(tài)[C].無(wú)錫:第七屆全國(guó)壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2009.

[9]周進(jìn)節(jié),何存富,鄭陽(yáng),等.基于共源方法的管中導(dǎo)波缺陷成像研究[J].工程力學(xué),2013,30(6):203-214,288-294.

Experimental Research on Circumferential Localization of Pipeline Defects Basedon Guided Wave Energy Difference

DOU Linbin1,CHEN Zhiwei1,2,YAN Youqi1

(1.Zhenjiang Branch,Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute,Zhenjiang 212009,China;2.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

AbstractCurrent ultrasonic guided wave detection can acquire information on the pipepline’s health by analyzing the echo signal,but it fails to provide circumferential information on the pipeline defects.This paper studies the circumferential localization of pipeline defects by analyzing the energy distribution of ultrasonic guided waves when they pass through the defect of the pipe and the theory of circumferential localization.The F(1,3) mode guided wave has only one circumferential wave.Based on this fact,we present the quadrant energy difference locating defect method.Experimental results show that this method precisely judges the circumferential position of the defects.

Keywordsultrasonic guided wave;pipeline defects;circumferential localization;F(1,3) mode;energy distribution

中圖分類(lèi)號(hào)TB302.5;TB553

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)04-123-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.032

作者簡(jiǎn)介:竇林彬(1965—),男,高級(jí)工程師。研究方向:特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)。

基金項(xiàng)目:江蘇省特檢院2012年度科技基金資助項(xiàng)目(KJ(Y)2012049)

收稿日期:2015- 09- 07