基于模態(tài)分離算法的管道焊縫缺陷周向定位研究

劉秋閣，嚴(yán)有琪，陳凱歌，蔣俊俊

(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(yàn)研究院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

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基于模態(tài)分離算法的管道焊縫缺陷周向定位研究

劉秋閣1，嚴(yán)有琪2，陳凱歌1，蔣俊俊1

(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(yàn)研究院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

針對管道焊縫質(zhì)量的檢測問題，研究了一種基于超聲導(dǎo)波的管道環(huán)焊縫缺陷周向定位方法，可快速確定管道焊縫中的缺陷周向位置。該方法基于超聲導(dǎo)波模態(tài)分離算法，分離出焊縫回波信號中的對稱、非對稱模態(tài)，提取對稱、非對稱模態(tài)峰值，并利用非對稱模態(tài)與焊縫中非對稱缺陷的對應(yīng)關(guān)系，確定缺陷所在周向位置。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性，并總結(jié)出可檢測缺陷的范圍。

超聲導(dǎo)波；管道焊縫缺陷；周向位置；模態(tài)分離算法；對稱-非對稱模態(tài)

管道作為日常生產(chǎn)生活的主要輸送工具，其使用安全關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全。長距離管道多是焊接而成，焊接缺陷及使用過程中焊縫處產(chǎn)生的缺陷，如裂紋、加渣、未焊透、腐蝕等，均可能引起管道泄漏事故。因此，對管道焊縫質(zhì)量的檢測對防止管道事故的發(fā)生尤為重要[1]。

目前，現(xiàn)有的X射線檢測、漏磁檢測及TOFD檢測技術(shù)在焊縫檢測方面尚不夠便捷快速，難以滿足大范圍快速檢測的需要；超聲導(dǎo)波檢測方法相比傳統(tǒng)檢測方法，對于埋地或包覆層管道，無需挖開管道或去除包覆層就能實(shí)現(xiàn)檢測，且一次可檢測上百米，檢測效率高[2-4]。本文在利用超聲導(dǎo)波檢測焊縫缺陷的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對焊縫的缺陷進(jìn)行周向定位研究。

1　試驗(yàn)條件

管道導(dǎo)波焊縫缺陷檢測試驗(yàn)系統(tǒng)包括數(shù)字示波器、函數(shù)發(fā)生器、前置放大器、前置供電信號分離器、壓電傳感器陣列、管道及計算機(jī)，試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，試驗(yàn)對象為一根帶焊縫的碳鋼管道，長度為5m，規(guī)格為108mm×5mm。

圖1　試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

距離管道A端2.5m處加工一焊縫，采用氬弧焊焊接方式，管口I型坡口，管道對口間隙為5mm，保證焊縫焊接質(zhì)量為1級。在第二象限制作凹槽表征腐蝕缺陷，位置如圖2所示。凹槽寬5mm，截面缺損率從10%增加到20%，每增加1%，采一次數(shù)據(jù)。

在A端貼兩環(huán)壓電傳感器作為激勵和接收環(huán)，每環(huán)16片，均勻分布。激勵環(huán)不分組，整環(huán)激勵。接收環(huán)按A、B、C、D、E、F、G、H均分為8組，如圖2所示。激勵頻率60～120kHz，每5kHz采8組數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的信號，分析確定激勵頻率為 80kHz時，采集到的信號最佳。

圖2　接收環(huán)分組方式及缺陷周向位置

2　信號處理方法

根據(jù)符浩等人使用的模態(tài)分離方法[5-6]，針對本試驗(yàn)設(shè)計模態(tài)分離方法如下

S=|SA+SB+SC+SD+SE+SF+SG+SH|

(1)

(2)

(3)

其中，SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG、SH分別為ABCDEFGH象限接收到的信號；S為對稱性特征曲線；SH為水平方向的非對稱性特征曲線；SV為豎直方向的非對稱性特征曲線。

根據(jù)缺陷周向定位方法[7]，進(jìn)一步設(shè)計模態(tài)分離方法

S12=|SA+SB+SC+SD|

(4)

S34=|SE+SF+SH+SG|

(5)

S14=|SA+SB+SH+SG|

(6)

S23=|SC+SD+SE+SF|

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

其中，S12為1、2象限的對稱性特征曲線；S34為3、4象限的對稱性特征曲線；S14為1、4象限的對稱性特征曲線；S23為2、3象限的對稱性特征曲線；SH12為1、2象限的水平非對稱性特征曲線；SH34為3、4象限的水平非對稱性特征曲線；SV14為1、4象限的豎直非對稱性特征曲線；SV23為2、3象限的豎直非對稱性特征曲線。

利用Matlab軟件編寫數(shù)據(jù)處理的程序：首先利用對稱-非對稱性特征曲線算法對采集到的回波信號按照式(1)～式(11)進(jìn)行相應(yīng)的處理；其次，利用小波方法，采用db9小波對信號進(jìn)行4層分解重構(gòu)，提取第2層和第3層的小波成分并作疊加處理，以濾除雜波、提高信噪比[8-9]；提取信號的包絡(luò)線，之后對幅值做歸一化處理；最后繪制波形曲線，并利用已知管道特征的幅值擬合出管道的距離-幅值(Distance-AmplitudeCorrection)曲線組。

DAC曲線組中包括法蘭DAC曲線、焊縫DAC曲線和警戒DAC曲線。法蘭DAC曲線根據(jù)管道端部反射信號幅值衰減情況繪制，通常法蘭信號均在法蘭DAC曲線附近；焊縫DAC曲線是法蘭DAC曲線的20% ，通常情況下焊縫信號的峰值均分布在焊縫DAC曲線附近；而警戒DAC曲線是法蘭DAC曲線的5%，是區(qū)分缺陷信號和噪聲信號的界限，通常情況下噪聲信號的幅值不會超過警戒DAC曲線[10]。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

使用上述信號處理方法，對所得信號SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG、SH根據(jù)式(1)～式(3)進(jìn)行處理，得到80 kHz時得到的對稱-非對稱性特征曲線圖，如圖3所示。焊縫在圖3中的位置可根據(jù)式(12)計算得到

(12)

圖3　80 kHz時對稱-非對稱性特征DAC曲線圖

其中，te為DAC曲線圖中激勵波信號時間點(diǎn)；td為缺陷信號所在時間點(diǎn)；ld為管道中缺陷所在位置；C為導(dǎo)波的傳播速度。

在本試驗(yàn)中C=5 380m/s，te=0.1×10-3s，ld=2.5m，得到焊縫在圖3中的位置td=1.03×10-3s?？梢姾缚p處的對稱性成分幅值偏低，但高出警戒DAC曲線，非對稱性特征曲線幅值明顯高于噪聲DAC曲線，甚至高出警戒DAC曲線，非對稱特征曲線幅值與對稱性特征曲線幅值比值較大，說明焊縫處存在缺陷，與加工缺陷事實(shí)一致[11]。

根據(jù)式(4)～式(11)對SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG、SH信號進(jìn)行處理，繪制兩個象限的對稱-非對稱性特征曲線圖。分析可知，當(dāng)界面缺損率為10%時，才有較清晰的對稱與非對稱性特征曲線，為利于結(jié)果分析，選取截面缺損率20%的焊縫回波對稱-非對稱性特征曲線圖，如圖4所示。

圖4　截面缺損率20%的兩象限對稱-非對稱性特征曲線圖

提取圖4中對稱性及非對稱性特征曲線SH12、S12、SH34、S34、SV14、S14、SV23及S23中焊縫處的峰值，并做比值，得到結(jié)果如表1所示。

表1　非對稱/對稱性特征曲線峰值比

由表1可看出，SH34/S34與SV14/S14的比值較小，且均<0.5，即3與4象限對稱、1與4象限對稱，可判定1、3、4象限無缺陷。SH12/S12與SV23/S23的比值均較大，且超過0.5，說明1、2、3象限中存在缺陷?？芍?與2象限不對稱、2與3象限不對稱，所以判定2象限存在缺陷，兩次判斷結(jié)果一致，且與加工缺陷位置相符，說明該方法的正確性。

4　結(jié)束語

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與含缺陷象限相關(guān)的兩象限非對稱性特征曲線與對稱性特征曲線幅值比較高，一般高于0.5；與不含缺陷象限相關(guān)的兩象限非對稱性特征曲線與對稱性特征曲線幅值比較低，一般低于0.5。再根據(jù)幅值比結(jié)果，可確定含缺陷的象限。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計的對稱-非對稱性特征曲線模態(tài)分離算法在快速判定焊縫缺陷周向位置的有效性。且根據(jù)試驗(yàn)可知，當(dāng)缺陷截面缺損率達(dá)到10%時，才可判斷缺陷周向位置。

該項(xiàng)研究對快判定焊縫缺陷提供了一種有效的檢測方法，但本試驗(yàn)是在人工加工一個象限缺陷的前提下進(jìn)行的，目前還無法指出多缺陷的周向位置，且檢測精度較低，對此仍需借助其他檢測方法。

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Circumferential Positioning of Weld Defects in Pipes By the Modal Separation Algorithm

LIUQiuge1,YANYouqi2,CHENKaige1,JIANGJunjun1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China;2.ZhenjiangSub-branch,JiangsuSpecialEquipmentSafetySupervisionInspectionInstitute,Zhenjiang212009,China)

Thequalityoftheweldissignificanttothesafetyofthepipeline.Amethodforcircumferentialdirectionlocationbasedontheultrasonicguidedwaveisstudied,whichcanquicklydeterminethecircumferentialpositionofthedefectintheweld.Basedontheultrasonicguidedwavemodalseparationalgorithm,thesymmetricandasymmetricmodesoftheechosignalareseparated,theamplitudeisextractedandthecircumferentialpositionofthedefectisconfirmed.Thecorrectnessofthemethodisverifiedbyexperiments,andtherangeofthedefectscanbedetectedisconfirmed.

ultrasonicguidedwave;defectinthepipeweld;circumferentialposition;modalseparationalgorithm;symmetricandasymmetricmodes

2015- 12- 21

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

劉秋閣(1989-), 女，碩士研究生。研究方向：管道超聲導(dǎo)波無損檢測。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.005

TP391.41; TB559

A

1007-7820(2016)09-015-04