基于超聲導(dǎo)波波譜法管道缺陷檢測(cè)仿真研究

陳志偉，陳凱歌，蔣俊俊

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于超聲導(dǎo)波波譜法管道缺陷檢測(cè)仿真研究

陳志偉，陳凱歌，蔣俊俊

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對(duì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)難以準(zhǔn)確判定管道缺陷的問(wèn)題，通過(guò)分析超聲導(dǎo)波遇管道缺陷后其回波的傳播，提出了以波譜法來(lái)定位和定量管道缺陷。采用ANSYS軟件仿真了T(0, 1)模態(tài)超聲導(dǎo)波在帶缺陷管道中的傳播，得到檢測(cè)的幅值波譜圖，發(fā)現(xiàn)波譜圖中缺陷處的顏色總是最先變化；通過(guò)分析所有節(jié)點(diǎn)同一時(shí)間坐標(biāo)信號(hào)的幅值，發(fā)現(xiàn)相對(duì)最大缺陷信號(hào)幅值，幅值衰減在1/10內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)與缺陷的周向尺寸之間存在確定的系數(shù)關(guān)系。

超聲導(dǎo)波；管道缺陷檢測(cè)；波譜法；仿真

管道運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，管道事故時(shí)有發(fā)生，給國(guó)家和人民帶來(lái)了重大損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)陸上油氣管道里程已達(dá)12萬(wàn)公里；且30%以上已運(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]，所以對(duì)管道運(yùn)行狀況的檢測(cè)是必要的。超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)具有潛力的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[2-5]。檢測(cè)中，在一處檢測(cè)便可得到管道數(shù)10m內(nèi)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)，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)一次檢測(cè)的距離長(zhǎng)、效率高[5]。但該技術(shù)目前仍只能較為準(zhǔn)確的判斷缺陷位置信息，而對(duì)缺陷細(xì)節(jié)信息難以確定。

本文使用ANSYS軟件對(duì)超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)進(jìn)行仿真研究，并提出超聲導(dǎo)波波譜法，通過(guò)分析波譜圖中缺陷波帶特征的變化規(guī)律，來(lái)定位、定量缺陷；結(jié)果表明，使用波譜法可精確地判定出缺陷位置以及周向尺寸。

1　超聲導(dǎo)波在管道中傳播特性

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[6]。群速度與頻率變化關(guān)系如圖1所示。

圖1　外徑108 mm，壁厚5 mm的空心圓管的群速度頻散曲線圖

從圖1中可看出，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均至少存在兩個(gè)以上的導(dǎo)波模態(tài)，這就是多模態(tài)現(xiàn)象。同時(shí)超聲導(dǎo)波還存在模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，導(dǎo)波在傳播過(guò)程中，遇到管道結(jié)構(gòu)或缺陷，會(huì)轉(zhuǎn)換出其他模態(tài)的導(dǎo)波[2-4]。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)是重要的[7]。

如圖1所示，T(0，1)模態(tài)，在整個(gè)檢測(cè)頻率段，群速度基本不隨頻率的變化而變化，可視為無(wú)頻散導(dǎo)波，所以其是理想的檢測(cè)導(dǎo)波模態(tài)。

2　超聲導(dǎo)波波譜法

超聲導(dǎo)波在管道中遇到缺陷會(huì)發(fā)生反射，此時(shí)的缺陷相當(dāng)于是一個(gè)波源，其回波由于散射的作用，會(huì)散射至整個(gè)管道周向。

假設(shè)理想管道的一端周向均布N個(gè)傳感器，N為偶數(shù)，由于不同傳感器與缺陷距離不一致，導(dǎo)致回波傳播距離也不一致，則回波到達(dá)各傳感器所經(jīng)歷的時(shí)間也會(huì)不一致。用t表示回波傳播至傳感器經(jīng)歷的時(shí)間，由于管道為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以以缺陷中心為起點(diǎn)，取半周管道進(jìn)行討論。將該半周傳感器以距缺陷遠(yuǎn)近按1-N/2依次編號(hào)，則離缺陷最近的傳感器收到的信號(hào)記為t1，由近及遠(yuǎn)依次記為t1,t2,…,tn,…tN/2，由于

tn=Ln/C

(1)

而

(2)

則

(3)

式(1)～式(3)中，Ln為第n個(gè)傳感器與缺陷的距離；L1為缺陷距端面的軸向距離；S為管道周長(zhǎng)；C為超聲導(dǎo)波波速。

由式(3)可知，回波傳播時(shí)間t與傳感器編號(hào)n呈正相關(guān)關(guān)系，即編號(hào)越小，傳播時(shí)間越短，則缺陷回波在時(shí)域圖中越靠前，而與缺陷同周向位置的傳感器編號(hào)最??；則只要在所有傳感器信號(hào)中，找到缺陷回波最靠前信號(hào)對(duì)應(yīng)的傳感器，即可確定缺陷的周向位置；再根據(jù)該缺陷回波的時(shí)域信息，確定缺陷的軸向位置，即可確定缺陷在管道中的精確位置。

缺陷在周向上具有一定的尺寸，與缺陷同周向位置傳感器也會(huì)有相應(yīng)的數(shù)量，這些傳感器與缺陷的距離可近似為相同，則其接收到的缺陷信號(hào)回波幅值也幾乎一致。根據(jù)這一特點(diǎn)，找出缺陷周向尺寸與各傳感器幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就能對(duì)缺陷的周向尺寸作出判定[8-9]。

綜上所述，提出超聲導(dǎo)波波譜法，來(lái)精確判定缺陷在管道中的位置并對(duì)其作出定量分析。將管道周向N組傳感器接收到的信號(hào)y(t1)，y(t2)，…，y(tN)，按1～N的順序排列，組成一個(gè)N維數(shù)組，使用Matlab軟件中的jet成像命令對(duì)該數(shù)組進(jìn)行成像，得到檢測(cè)波形幅值波譜圖。通過(guò)分析波譜圖像中缺陷波帶內(nèi)顏色的變化規(guī)律，找到顏色最先變化的位置，即為缺陷所在位置；同時(shí)對(duì)處于同一時(shí)間坐標(biāo)的缺陷信號(hào)幅值的變化規(guī)律進(jìn)行研究，確定其與缺陷周向尺寸的關(guān)系，對(duì)缺陷進(jìn)行定量判定。

3　仿真模擬

3.1管道仿真模型建立

仿真模型尺寸為外徑108mm、壁厚5mm、長(zhǎng)1 000mm的鋼質(zhì)管道，密度取7 932kg/m3，彈性模量為217GPa，泊松比為0.28。在ANSYS中選擇solid185單元，采用分段方式建立管道幾何模型，掃掠生成網(wǎng)格，周向均分為40個(gè)單元。模型中缺陷為穿透型刻槽，其軸向長(zhǎng)度為5mm,分別建立缺陷周向尺寸為1/8、1/6和1/4周長(zhǎng)的管道模型。圖2為1/4周長(zhǎng)缺陷的管道仿真模型。

圖2　缺陷長(zhǎng)度為1/4周長(zhǎng)管道的超聲導(dǎo)波仿真模型

3.2激勵(lì)、接收參數(shù)設(shè)置

使用T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波進(jìn)行仿真，取激勵(lì)頻率為75kHz，由頻散曲線得其波速為3 400m/s。激勵(lì)波形為10周期Hanning窗調(diào)制的正弦波，其方程為

(4)

式(4)中，m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；這里m=10，激勵(lì)波波形如圖3所示。

圖3　激勵(lì)波形圖

仿真時(shí)，于管道一端最外圈的40個(gè)節(jié)點(diǎn)上加載瞬時(shí)周向位移載荷，載荷數(shù)據(jù)點(diǎn)按式(4)生成，激勵(lì)產(chǎn)生T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波；載荷步時(shí)長(zhǎng)為1ms，子步為1 000步，即采樣率為1MHz；取與激勵(lì)節(jié)點(diǎn)相鄰的一圈40個(gè)節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)，以其周向位移為接收信號(hào)。

4　結(jié)果分析

4.1缺陷軸向和周向定位分析

圖4為缺陷長(zhǎng)度為1/4周長(zhǎng)管道的超聲導(dǎo)波仿真檢測(cè)波形圖，其中第一個(gè)脈沖波為激勵(lì)波，第二個(gè)為缺陷回波，第三個(gè)為端面回波。缺陷回波、端面回波與激勵(lì)波之間的時(shí)間差分別為0.285ms、0.597ms，又知T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波的波速為3 400m/s，計(jì)算得缺陷位置為0.49m處，端面位置為1.01m處；同時(shí)將信號(hào)經(jīng)FFT轉(zhuǎn)換得到信號(hào)的主要頻率成分約為75kHz。結(jié)果均與實(shí)際仿真模型相符。

圖4　缺陷長(zhǎng)度為1/4周長(zhǎng)管道的超聲導(dǎo)波仿真檢測(cè)波形

圖5～圖7分別為使用Matlab軟件生成的缺陷長(zhǎng)度為1/8、1/6、1/4周長(zhǎng)管道的超聲導(dǎo)波仿真檢測(cè)波形波譜圖。為方便分析，3張圖均是將管道以缺陷為中心周向展開(kāi)，其中橫坐標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)序號(hào)，即管道周向，縱坐標(biāo)表示時(shí)間，即管道軸向。

從各圖中可明顯的看到，激勵(lì)波帶是平直的，而缺陷波帶顏色的改變則呈現(xiàn)一個(gè)弧形，即說(shuō)明缺陷波到達(dá)各節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷的時(shí)間不一致。圖5中顏色最先突變17～23號(hào)節(jié)點(diǎn)所在位置；圖6中顏色最先突變17～23號(hào)節(jié)點(diǎn)所在位置；圖7中顏色最先突變14～26號(hào)節(jié)點(diǎn)所在位置；突變位置均是以20號(hào)節(jié)點(diǎn)為中心，可判定缺陷周向中心在20號(hào)節(jié)點(diǎn)位置，即圖像橫坐標(biāo)的中心，這與以缺陷為中心周向展開(kāi)相符，各缺陷位置如圖5～圖7中箭頭所指。

綜上所述，通過(guò)波譜圖顏色的變化，可迅速直觀地確定缺陷的精確位置。

圖5　缺陷長(zhǎng)度為1/8周長(zhǎng)管道的檢測(cè)波譜圖

圖6　缺陷長(zhǎng)度為1/6周長(zhǎng)管道的檢測(cè)波譜圖

圖7　缺陷長(zhǎng)度為1/4周長(zhǎng)管道的檢測(cè)波譜圖

4.2缺陷周向尺寸定量分析

提取缺陷波帶中與缺陷信號(hào)幅值最大值點(diǎn)所處同一時(shí)間坐標(biāo)的所有節(jié)點(diǎn)的信號(hào)幅值，以節(jié)點(diǎn)號(hào)為橫坐標(biāo)，幅值為縱坐標(biāo)作圖，如圖8所示。

圖8　缺陷處周向幅值曲線圖

圖8中，缺陷處的20號(hào)節(jié)點(diǎn)及其兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的幅值變化，基本呈現(xiàn)拋物線的變化規(guī)律；而與缺陷所在直徑方向垂直的6號(hào)和35號(hào)節(jié)點(diǎn)幅值最小，接近于0，且附近節(jié)點(diǎn)的幅值變化劇烈；與缺陷相對(duì)的1號(hào)和40號(hào)節(jié)點(diǎn)以及其附近節(jié)點(diǎn)的幅值變化也呈現(xiàn)拋物線規(guī)律，幅值相對(duì)較大，但沒(méi)有缺陷處幅值大，且不同缺陷尺寸的幅值基本一致；這與模態(tài)轉(zhuǎn)換理論一致，即對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波遇到非對(duì)稱的管道特征會(huì)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生F模態(tài)的彎曲模態(tài)導(dǎo)波[10]。1/4周長(zhǎng)缺陷的幅值曲線，由于缺陷周向尺寸較大，處于同一振動(dòng)狀態(tài)的周向節(jié)點(diǎn)會(huì)較多，所以拋物線規(guī)律在該缺陷曲線中并不明顯。

通過(guò)對(duì)缺陷處周向的幅值曲線變化規(guī)律的分析發(fā)現(xiàn)，以各缺陷幅值曲線最大幅值為基準(zhǔn)，幅值衰減在1/10內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，1/8缺陷有17～24號(hào)共8個(gè)節(jié)點(diǎn)，1/6缺陷有15～26號(hào)共11個(gè)節(jié)點(diǎn)，1/4缺陷有14～29號(hào)共16個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目比值為1：1.375：2，與對(duì)應(yīng)的缺陷長(zhǎng)度尺寸比值1：1.33：2一致；因此，只需找到這些節(jié)點(diǎn)數(shù)與實(shí)際缺陷尺寸的關(guān)系，確定尺寸系數(shù)，便可對(duì)缺陷的尺寸作出判定；而1/8缺陷所對(duì)應(yīng)的實(shí)際節(jié)點(diǎn)數(shù)目為5個(gè)，與前所述的節(jié)點(diǎn)數(shù)比值為1.6，故該處取尺寸系數(shù)值為1.6，用該系數(shù)計(jì)算得到1/6缺陷、1/4缺陷的對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為6.875個(gè)和10個(gè)，與實(shí)際的節(jié)點(diǎn)數(shù)7個(gè)和10個(gè)基本相符。

綜上所述，通過(guò)確定幅值衰減在最大幅值1/10內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，并將該節(jié)點(diǎn)數(shù)除以尺寸系數(shù)，再乘以兩節(jié)點(diǎn)間的尺寸，便可對(duì)缺陷的周向尺寸進(jìn)行定量分析。

5　結(jié)束語(yǔ)

提出的超聲導(dǎo)波波譜檢測(cè)法可快速定位管道缺陷的軸向和周向位置。對(duì)超聲導(dǎo)波在帶缺陷管道中的傳播進(jìn)行了仿真模擬分析，得到超聲導(dǎo)波檢測(cè)的波譜圖，發(fā)現(xiàn)圖像中缺陷位置的顏色總是先發(fā)生改變，從而快速準(zhǔn)確的定位缺陷的位置；對(duì)缺陷波帶中所有節(jié)點(diǎn)的信號(hào)幅值進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)可用幅值衰減在最大幅值1/10內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)除以尺寸系數(shù)來(lái)判定缺陷的周向尺寸，從而對(duì)缺陷進(jìn)行定量的分析。

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Simulation of Pipeline Defect Detection By the Ultrasonic Guided Wave Spectrum Method

CHENZhiwei,CHENKaige,JIANGJunjun

(SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Itisdifficulttoaccuratelydeterminethepipelinedefectsusingultrasonicguidedwavetechnology.Thepropagationofdefectwaveisanalyzedwhentheultrasonicguidedwavepassesthroughthedefectofthepipeline,andamethodfordeterminingthedefect’slocationandsizebyusingthewavespectrumisproposed.ANSYSsimulationofthepropagationoftheT(0, 1)modeultrasonicguidedwaveinapipelinewithdefectsisperformedtoobtaintheamplitudespectrumofthedetection.Itisfoundthatthecolorofthedefectpositionisalwayschangefirst;thecoordinateamplitudeoftheallnodes’signalatthesametimeshowsthatthereisacertaincoefficientbetweenthenumberofnodeswhichtheamplitudeattenuationbelow1/10andthedefect’scircumferentialdimension.

ultrasonicguidedwave;pipelinedefectdetection;wavespectrummethod;simulation

2015- 12- 18

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

陳志偉(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：管道超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.014

TN911.72; TB553

A

1007-7820(2016)09-048-04