基于扭轉(zhuǎn)導波T(0,1)的埋地管道長距離結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

陳銘桐 李法新

(1.北京大學 工學院 力學與工程科學系，北京 100871;2.北京大學 湍流與復雜系統(tǒng)國家實驗室 ，北京 100871)

超聲導波作為一種新型的檢測技術(shù)，具有衰減小、檢測距離長、對缺陷分辨率高等優(yōu)點，十分適合管道的長距離結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[1]。管道的超聲導波檢測主要面臨多模態(tài)和頻散兩個難題。早期的管道檢測主要采用縱向?qū)Р↙(0,2)，因為這種模態(tài)的導波在部分頻段內(nèi)頻散小，傳播速度最快[2]。但L(0,2)波的位移主要沿管道徑向，對埋地管道而言，其能量會同時泄漏到土壤和輸運的液體中，極大地減小了可探測距離。此外，在設計L(0,2)波換能器時，還需要實現(xiàn)L(0,1)波的抑制[3]。

與L(0,2)波相比，基頻扭轉(zhuǎn)導波T(0,1)是完全非頻散的。由于液體無法承受剪切變形，T(0,1)波不能在液體中傳播，能量衰減更小。此外，低頻下管道中也不存在其他的扭轉(zhuǎn)導波模態(tài)[4]。因此，國內(nèi)外很多學者將研究重點放在T(0,1)波上。KWUN等[5]設計了一種電磁超聲換能器(EMAT)，可以激發(fā)高信噪比的T(0,1)波。但EMAT體積大，能量轉(zhuǎn)化效率低，無法滿足管道長距離監(jiān)測的需要。相比之下，壓電換能器體積小，能量轉(zhuǎn)化效率高，更適合管道的長距離監(jiān)測。ZHOU等[6]采用面內(nèi)剪切d36模式的壓電單晶環(huán)形陣列，成功在管道中激發(fā)出T(0,1)波。因為d31,d33和d36的系數(shù)是耦合的，這種換能器會同時激發(fā)出其他模態(tài)的導波。ALLEYNE等[7]基于壓電材料的厚度剪切d15模式，提出了一種T(0,1)波壓電環(huán)形陣列。由于d15變形模式是非自平衡的簡單剪切，所以這種換能器激發(fā)T(0,1)波的性能優(yōu)越，但接收效率低。MIAO等[8]采用壓電材料面內(nèi)剪切d24模式，發(fā)展了一種T(0,1)波壓電環(huán)形陣列。d24模式的壓電單元具有高阻抗和自平衡的面內(nèi)剪切變形，所以激發(fā)T(0,1)波的效率低但接收性能優(yōu)越。

針對不同變形模式壓電換能器激發(fā)與接收T(0,1)波的特點，筆者提出了一種一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列。其中，厚度剪切d15模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)波的激發(fā)，面內(nèi)剪切d24模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)波的接收。區(qū)別于單變形機制的壓電換能器，這種組合變形機制的換能器同時實現(xiàn)了T(0,1)波激發(fā)與接收的最優(yōu)化，極大地提升了對埋地管道的探測距離。試驗結(jié)果表明，該換能器對環(huán)氧涂層埋地管道的探測距離超過60 m，對瀝青涂層埋地管道的探測距離超過20 m。

1 試驗方法

對管道而言，扭轉(zhuǎn)導波T(0,1)只存在軸對稱的切向位移。為了實現(xiàn)T(0,1)波的激發(fā)，需要給管道施加軸對稱的切應力。提出的一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。將兩組壓電環(huán)形陣列黏貼在管道表面，分別用于T(0,1)波的激發(fā)與接收，如圖1(a)所示。每組陣列均包含24個單元，沿著管道的周向均勻分布，如圖1(b)所示。其中：厚度剪切d15模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)波的激發(fā)，其基本單元為鋯鈦酸鉛(PZT)壓電長條，結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示；面內(nèi)剪切d24模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)波的接收，其基本單元為PZT方片，結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示。

圖1 基于組合變形機制的一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)示意

圖2 一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列的埋地管道試驗方法示意與試驗現(xiàn)場

為了準確表征換能器的性能，采用埋地管道進行試驗。如圖2(a)所示，管道外徑、壁厚、長度分別為159，4.5 mm和10.62 m，材料為低碳鋼。管道埋地端的長度為8.22 m，埋地深度為0.8 m。對于管道的埋地部分，分別采用了環(huán)氧油漆、環(huán)氧煤瀝青油漆兩種涂層，對管道外壁進行防腐蝕處理。在兩種涂層管道的外壁，均黏貼了厚度為20 mm的聚乙烯泡沫作為包覆層，并用扎帶固定。由于聚乙烯泡沫的聲阻抗與管道、土壤均存在顯著差異，包覆層的使用可以減小管道中聲波的能量泄漏，提升換能器的檢測距離。試驗中，換能器黏貼在管道的非埋地端，距離管道端面1 m。d15壓電圓環(huán)的單個單元尺寸(長×寬×高)為10 mm × 4.5 mm × 2 mm， d24壓電圓環(huán)的單個單元尺寸(長×寬×高)為8 mm × 8 mm × 1 mm。換能器的兩個圓環(huán)陣列間距為0.4 m。試驗時，由函數(shù)發(fā)生器(Agilent, 33220A)產(chǎn)生一個漢寧窗調(diào)制的5周期正弦脈沖信號，經(jīng)門控射頻脈沖放大器(Ritec, GA-2500A)放大至650 V，施加到d15壓電圓環(huán)上，用于管道中扭轉(zhuǎn)導波T(0,1)的激發(fā)。d24壓電圓環(huán)接入示波器(Agilent, DSO-X 3024X)，對管道中傳播的T(0,1)波進行信號采集和顯示。通過分析換能器激發(fā)/接收T(0,1)波的信噪比和聲波在埋地管道中的衰減率，就可以評估換能器探測埋地管道的能力。圖2(b)為埋地管道試驗的現(xiàn)場。

2 試驗結(jié)果與討論

圖3 激勵中心頻率為35 kHz時，d24壓電圓環(huán)采集的非埋地裸管信號

圖3為管道無涂層(裸管)且不埋地，激勵中心頻率為35 kHz時，d24壓電圓環(huán)接收的信號。如圖3(a)所示，原始信號中出現(xiàn)了四個典型波包。其中，第一個為d15壓電圓環(huán)激發(fā)后直接傳播到d24壓電圓環(huán)的波包，定義為直達波；第二個為經(jīng)管道近端面(距離換能器近的一端)反射后傳播到d24壓電圓環(huán)的波包，定義為近端反射波；第三個為經(jīng)管道遠端面(距離換能器遠的一端)反射后傳播到d24壓電圓環(huán)的波包，定義為一次遠端反射波；第四個為先經(jīng)管道近端面反射，再經(jīng)管道遠端面反射，最后傳播到d24壓電圓環(huán)的波包，定義為二次遠端反射波。采用連續(xù)小波變換分析信號，如圖3(b)所示，計算得出的各個波包群速度均為3 250 m·s-1，與鋼管的剪切波波速一致。比較不同波包的幅值可以發(fā)現(xiàn)，當激勵的中心頻率為35 kHz時，T(0,1)波在不埋地的裸管中傳播時的幅值衰減較小。

試驗中，需要測量的是換能器激勵T(0,1)波的信噪比和T(0,1)波在不同涂層埋地管道中的衰減率，由此評估換能器對埋地管道的探測能力。衰減率a的定義如下

(1)

式中：A0為參考信號幅值；A1為經(jīng)過埋地管道衰減后的測量幅值；L為埋地管道長度。

實際測量的信號中，有兩組數(shù)據(jù)可以用于衰減率的計算：① 直達波與一次遠端反射波；② 近端反射波與二次遠端反射波。這里，以兩組數(shù)據(jù)計算出的衰減率的平均值作為T(0,1)波在埋地管道中的實際衰減率。

圖4 激勵中心頻率為35 kHz時，d24壓電圓環(huán)采集的埋地管道信號

圖4為激勵中心頻率為35 kHz時，d24壓電圓環(huán)采集的埋地管道信號。如圖4(a)所示，T(0,1)波在環(huán)氧涂層埋地管道中傳播后，其幅值顯著減小。這主要由以下兩個因素決定：① 涂層存在黏性阻尼，會耗散部分能量；② 對于埋地管道而言，T(0,1)波在傳播過程中有部分能量會泄漏到土壤中。與環(huán)氧涂層埋地管道相比，T(0,1)波在瀝青涂層埋地管道中傳播后，幅值減小更明顯，如圖4(b)所示。這表明瀝青涂層埋地管道中的T(0,1)波衰減率遠高于環(huán)氧涂層埋地管道中的。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，設計的一發(fā)一收式壓電換能器激發(fā)T(0,1)波的信噪比超過40 dB。這主要是因為換能器在激發(fā)端與接收端采用了不同變形機制的壓電單元，實現(xiàn)了換能器性能的最優(yōu)化。

圖5 一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列對埋地管道的探測結(jié)果

針對不同涂層的埋地管道，研究了T(0,1)波衰減率與頻率的關(guān)系，評估了換能器對于埋地管道的可探測距離。圖5為一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列對埋地管道的探測結(jié)果，如圖5(a)所示，隨著頻率的升高，埋地管道中T(0,1)波的衰減率逐漸升高。這主要是因為隨著頻率的升高，波長減小，涂層的能量耗散、聲波能量泄漏均會增大。對于環(huán)氧涂層的埋地管道，T(0,1)波在25 kHz時的衰減率約為0.25 dB·m-1。當頻率上升到50 kHz時，其衰減率升高至0.45 dB·m-1。與環(huán)氧涂層的埋地管道相比，T(0,1)波在瀝青涂層的埋地管道中衰減率顯著升高。在頻率為25 kHz時，其衰減率為0.81 dB·m-1；當頻率升到50 kHz時，其衰減率高達2.3 dB·m-1。當評估換能器探測埋地管道的能力時，取其激勵T(0,1)波的信噪比為41 dB，并以6 dB作為檢測極限，得到的結(jié)果如圖5(b)所示。由圖5(b)可見，對于環(huán)氧涂層的埋地管道，換能器的可探測距離在25 kHz時超過70 m；當頻率上升到50 kHz時，其可探測距離仍有35 m。與環(huán)氧涂層的埋地管道相比，換能器對于瀝青涂層埋地管道的可探測距離顯著減?。涸陬l率為25 kHz時，其可探測的距離約為22 m；當頻率升高到50 kHz時，其可探測距離只有約8 m。盡管如此，與傳統(tǒng)的EMAT換能器或者單變形機制的壓電換能器相比，這種組合變形機制的換能器對埋地管道檢測的能力上有了顯著提升。

雖然提出的一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列可以實現(xiàn)長距離埋地管道的檢測，但其在實際檢測中也存在一些不足。由于T(0,1)波只存在軸對稱的周向位移，所以其對于管道中的周向缺陷不敏感。相比之下，軸向位移主導的L(0,2)波對管道中的周向缺陷更敏感。當管道外壁存在強支撐時，T(0,1)波在支撐處會發(fā)生嚴重的能量泄漏，減小了換能器的探測距離。此外，外部的支撐也會引起T(0,1)波的反射，給后續(xù)的缺陷辨識帶來難度。

3 埋地管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測策略

對于埋地管道，可以在鋪設管道或者挖坑檢測時，將換能器永久地安裝在管道上，實現(xiàn)管道的終身監(jiān)測?；谝话l(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列的埋地管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法示意如圖6所示。對于已經(jīng)安裝好換能器的埋地管道，在激勵端可以引出導線到地面，用于驅(qū)動電壓的施加；在接收端，可以采用數(shù)據(jù)的無線傳輸技術(shù)，將檢測數(shù)據(jù)實時返回并分析。采用這種策略，在后續(xù)的埋地管道檢測中，只需攜帶集成的設備，即可實現(xiàn)埋地管道的快速檢測，極大地減小了埋地管道的檢修成本。

圖6 基于一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列的埋地管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法示意

4 結(jié)語

基于壓電材料不同變形模式激發(fā)與接收基頻扭轉(zhuǎn)導波T(0,1)的特點，設計了一種一發(fā)一收式T(0,1)波壓電環(huán)形陣列，用于埋地管道的長距離結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。其中，d15模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)

波的激發(fā)，d24模式的壓電圓環(huán)用于T(0,1)波的接收。試驗測量了換能器激發(fā)T(0,1)波的信噪比以及T(0,1)波在不同涂層埋地管道中的衰減率，評估了換能器檢測埋地管道的能力。結(jié)果表明，設計的換能器成功地在埋地管道中激發(fā)出了高信噪比的T(0,1)波。對于不同涂層的埋地管道，T(0,1)波的衰減率差異較大，但衰減率都隨著激勵頻率的上升而增大。設計的換能器探測環(huán)氧涂層埋地管道的距離超過60 m，探測瀝青涂層埋地管道的距離超過20 m。這種組合變形機制的一發(fā)一收式壓電換能器極大地提升了超聲導波檢測埋地管道的能力，在埋地管道的長距離結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有很好的應用前景。