基于角譜法的管道導波成像檢測研究

姜銀方，陳凱歌，蔣俊俊，陳 波，嚴有琪

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

基于角譜法的管道導波成像檢測研究

姜銀方1，陳凱歌1，蔣俊俊1，陳 波1，嚴有琪2

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

管道缺陷的成像檢測能夠直觀地得到缺陷的位置信息，便于對缺陷的形狀和位置做出直觀的評價。文中以超聲導波理論為基礎(chǔ)，結(jié)合角譜傳播原理的聲場成像理論，設計了管道導波成像算法，并通過試驗數(shù)據(jù)對該方法進行了分析和可行性驗證。結(jié)果表明，所用成像方法可以對管道缺陷進行成像檢測，檢測結(jié)果能夠清晰地反應缺陷的周向位置和軸向位置，成像分辨率隨著換能器的增多而增大。

管道檢測；導波；角譜；傅里葉變換；缺陷成像

我國管道運輸存在系統(tǒng)龐大、儲運工藝復雜、線路長、管道沿線區(qū)域自然條件多樣等特點，同時受到人類活動的影響，安全風險因素眾多[1-2]。超聲導波管道檢測技術(shù)具有檢測距離長、效率高的特點，適合里程距離長的管線檢測[3-4]。目前關(guān)于導波檢測管道缺陷的研究主要集中在：提取波形特征參數(shù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法對缺陷的位置和類型進行判斷。關(guān)于管道導波成像檢測的研究還處于起步階段[5-7]。

國外在上世紀90年代開始對超聲無損成像檢測進行研究，國內(nèi)關(guān)于這方面的研究則開始于20世紀末。Sicard[8]等提出合成孔徑聚焦成像技術(shù)。J.Davies和P.Cawley[9-10]提出了管道導波快速成像檢測方法。張海燕[11]、吳斌[12]等分別采用類蘭姆波法和虛擬相控聚焦法對管道成像檢測進行了研究。這些方法對檢測設備的要求較高，難以用于實際檢測。文獻[13～14]采用共源法進行了管道成像檢測，但并未對角譜理論進行詳細介紹。本文結(jié)合現(xiàn)有的試驗條件，將角譜理論應用于管道超聲導波檢測中，并對該方法進行了試驗驗證，得到了清晰的成像結(jié)果。

1 角譜法檢測原理

管道導波傳播過程中遇到缺陷時會發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，引起缺陷處聲場發(fā)生變化。角譜法[15]通過換能器接收到的信號，對管道的聲場進行重建，從而得到缺陷的位置信息。

管道一端的外徑上均勻布置N個傳感器，將管道外徑均勻分成N+1份，用 表示傳感器的位置，其中1號傳感器θ=0°，以此類推，每個傳感器代表不同的角度。每個傳感器接收到的信號記為f(θ,z=0,t)，其中z為距離管道端面的距離，t為傳播時間。將接收到的信號經(jīng)過二維傅里葉變換后即可得到管道的角譜

(1)

式(1)表示管道端面處(z=0)的角譜，管道任意位置處的角譜可通過下式計算

(2)

導波激勵的信號是具有一定帶寬的，因此疊加帶寬內(nèi)的所有角譜，即為

(3)

式(3)中的M為積分帶寬，一般積分帶寬M為激勵頻率的2倍。將得到的所有帶寬下的角譜F(n,z)進行二維傅里葉逆變換，即有

I(θ,z)=F-1[F(n,z)]

(4)

最后，通過Matlab軟件中的Imagesc函數(shù)來繪制管道導波的成像圖。

2 試驗研究

2.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)包括函數(shù)發(fā)生器AFG3011C、數(shù)字示波器LDS31010、前置放大器PAI、前置供電信號分離器、壓電傳感器陣列、管道及計算機。本文的試驗對象為帶凹槽缺陷的碳鋼管道，管道長6.8 m，外徑108 mm，壁厚5 mm。試驗器材的連接如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

在管道一端環(huán)形均勻布置兩環(huán)規(guī)格為15 mm×4 mm×1 mm的PZT-5壓電陶瓷片，陶瓷片沿管道外徑切向布置，激勵T(n,1)模態(tài)。每環(huán)16片，一環(huán)用作激勵，另一環(huán)用作接收。試驗激勵漢寧窗調(diào)制的5周期的正弦函數(shù)，激勵頻率為60 kHz。壓電陶瓷片的粘貼位置如圖2(a)所示。

在管道3.6 m處施加通透槽缺陷，缺陷尺寸為周向弧長55 mm，寬3 mm。為了驗證角譜法對缺陷的周向位置的定位準確性，將缺陷所在位置對應的3個壓電陶瓷片的編號記為1、2、3號，之后的陶瓷片編號順時針依次增加。即16個陶瓷片將管道外徑進行均分，其中1號壓電陶瓷片代表0°。加工的缺陷如圖2(b)所示。

圖2 試驗管道的布置

2.2 試驗結(jié)果及分析

2.2.1 信號采集

激勵環(huán)的16組壓電陶瓷片并聯(lián)在一起同時激勵導波信號。接收環(huán)16組壓電陶瓷片同時進行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過編號后分開保存，共采集16組信號。每組數(shù)據(jù)的編號與對應的壓電陶瓷片的編號相同。如圖3(a)所示管道為未加缺陷時的波形圖，圖3(b)所示為施加缺陷后其中一組壓電陶瓷片采集的波形。從圖3(b)可以看出，在2.2 ms時出現(xiàn)缺陷回波，計算得導波的速度為3 314 m/s，這與理論得到的 模態(tài)的導波速度相同。

圖3 接收的波形信號

2.2.2 角譜分析

將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過小波降噪后帶入式(1)，可得到管道端面處的角譜圖。如圖4所示，圖4(a)為無缺陷時管道端面的角譜F(n,z=0,w)，n與T(n,1)模態(tài)簇中各模態(tài)的周向階數(shù)n對應。圖中幅值坐標軸表示不同周向階數(shù)的導波的幅值，周向階數(shù)為0時的幅值最大，因此無缺陷管道中T(n,1)模態(tài)仍然占據(jù)主要比重，其它模態(tài)的產(chǎn)生可能是由于管道端面和管道內(nèi)部的應力以及雜波造成的。圖4(b)為含缺陷管道端面的角譜圖，圖中由于缺陷的存在，使得管道中導波的成分復雜，這是由于缺陷處導波發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換造成的。因此通過角譜法可以重建管道導波的聲場，為管道成像檢測奠定了基礎(chǔ)。

圖4 管道端面處的角譜

2.2.3 成像處理

式(3)中，在積分帶寬M內(nèi)疊加管道任意位置處的角譜F(n,z,w)。試驗激勵導波頻率為60 kHz，積分帶寬為激勵頻率的兩倍，因此M取為1～120 kHz。最后將疊加后的角譜經(jīng)過二維傅里葉反變換即可得到導波成像圖。圖5為1～120 kHz頻帶內(nèi)疊加后，經(jīng)過二維傅里葉反變換后得到的成像圖。圖中橢圓標注處為缺陷位置，橫坐標表示缺陷的軸向位置，縱坐標表示周向位置。由于圖像的顏色深度是由對應點的幅值高度決定的，而激勵波的幅值相對于缺陷波來說太大，因此加入激勵波時會使缺陷位置顏色太淺，為了方便觀察，圖中刪去了激勵波。如圖5所示，缺陷距離端面的軸向距離約為3.6 m，這與實際相符。

圖5 管道缺陷的成像圖

圖中缺陷的周向尺寸張角為-90°～0°。在實際中，55 mm的缺陷弧長在外徑為108 mm的管道上占據(jù)的周向角度為-58°～0°，因此圖5中的周向位置仍有一定誤差。由試驗情況可知，管道的外徑共布置了16組壓電陶瓷片，因此每片壓電陶瓷片所代表的角度為360°/16=22.5°，即圖像中縱軸每個色塊代表22.5°，而缺陷的周向角度為58°，因此對缺陷的周向尺寸描述不夠準確。隨著壓電陶瓷片的增加，缺陷的周向定位精度會越來越準確。綜上所述，使用角譜理論可以對實際管道進行成像，根據(jù)所得圖像可以快速準確的對缺陷進行定位。

3 結(jié)束語

通過角譜法對管道導波成像進行了研究，成功完成了對管道的成像檢測，主要結(jié)論如下：(1)通過試驗對比含缺陷管道和不含缺陷管道的角譜，表明角譜法可以對管道中導波的聲場進行重建，描述管道中導波發(fā)生的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象；(2)利用角譜傳播原理的聲場成像理論，可以快速地對管道缺陷進行成像，圖像可準確反映缺陷的位置信息；(3)本次試驗結(jié)果中周向位置的成像分辨率較小，這與傳感器的個數(shù)有關(guān)。隨著管道圓周方向布置的傳感器個數(shù)的增加，圖像的周向定位精度也將有所提高。

[1] 張耀東.構(gòu)建科學的油氣管道安全管理體系[J].國際石油經(jīng)濟,2014(Z1):178-181.

[2] 盧海軍,趙勇昌,馮治中,等.美國與加拿大油氣管道的安全保護[J].油氣儲運,2013,32(8):903-907.

[3] 王悅民,沈立華,申傳俊,等.管道導波無損檢測頻率選擇與管材特征關(guān)系[J].機械工程學報,2009,45(8):243-247.

[4] 廖達偉.管道無損檢測技術(shù)的新進展[J].電子測量與儀器學報,2012(S1):4-7.

[5] 姜銀方,郭華杰,陳志偉,等.基于小波能量系數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡的管道缺陷識別[J].電子科技,2015,28(11):13-15.

[6] 李翔,李迅波,陳亮.超聲導波信號形態(tài)分量分析方法研究[J].電子學報,2013,41(3):444-450.

[7] 吳斌,齊文博,何存富,等. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的超聲導波鋼桿缺陷識別[J].工程力學,2013,30(2)：470-476.

[8] Sicard R,Goyette J,Zellouf D E.A SAFT algorithm for Lamb wave imaging of isotropicplate-like structures[J].Ultrasonic,2002,39(7):487-494.

[9] Jacob Davies, Peter Cawley.The application of synthetically focused imaging techniques for high resolution guided wave pipe inspection[J].Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation Proceedings,2007,894(1):681-688.

[10] Jacob Davies,Peter Cawley.The application of synthetic focusing for imaging crack-like defects in pipelines using guided waves[J].IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,2009,56(4):759-771.

[11] 張海燕,于建波,陳先華.管道結(jié)構(gòu)中的類蘭姆波層析成像[J].聲學學報,2012(1):81-90.

[12] 吳斌,符浩,何存富,等.超聲導波虛擬相控聚焦方法研究[J].儀器儀表學報,2013,34(3):509-515.

[13] 周進節(jié),何存富,鄭陽,等.基于共源法的管中導波缺陷成像研究[J].工程力學,2013,30(6):288-294.

[14] 陳志偉,陳凱歌,蔣俊俊.基于超聲導波波譜法管道缺陷檢測仿真研究[J].電子科技,2016,29(9):48-51.

[15] 彭虎.超聲成像算法導論[M].合肥:中國科學技術(shù)大學出版社,2008.

[16] Jacob Davies,Peter Cawley.The application of synthetic focusing for imaging crack-like defects in pipelines using guided waves[J].IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,2009,56(4):759-771.

Research on Pipe Guided Wave Imaging Detection Based on Angular Spectrum

JIANG Yinfang1, CHEN Kaige1, JIANG Junjun1, CHEN Bo1, YAN Youqi2

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

The imaging detection of pipeline can visually obtain the position information of defects, which makes it easy to make a visual evaluation of the shape and position of defects. Based on the theory of ultrasonic guided wave, this paper designed a pipeline imaging algorithm combined with the theory of angular spectrum propagation, and analyzed its feasibility by experimental data. The result shows that the imaging method can be used to detect the pipeline, and its result can clearly reflect the circumferential and axial position of the defects.

pipeline inspection；guided wave；angular spectrum；fourier transform；defect imaging

2017- 02- 16

江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項目 (KJ155419)

姜銀方(1962-)，男，教授。研究方向：表面工程技術(shù)等。陳凱歌(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：超聲導波技術(shù)在管道無損檢測的應用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.022

TN814；TP391.41

A

1007-7820(2017)12-083-04