超聲界面波在充液雙金屬復合管道中的傳播特性分析

孔令天， 李 兵， 張云飛， 李明航， 王家琪

(西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室， 西安 710049)

復合管道由兩種或兩種以上材料復合而成，利用各層材料的特性抵抗運輸介質(zhì)的腐蝕和外界環(huán)境的侵蝕，大大提高了管道的使用壽命和環(huán)境適應性。金屬復合管道利用耐蝕金屬襯里進行管材的防腐改性，借助基管力學性能保證強度，極大降低了管道腐蝕泄露的概率、起到較好的防腐作用，是解決管線腐蝕問題的一種相對安全和經(jīng)濟的辦法[1]。

目前，復合管道的檢測常常采用超聲導波的方法。超聲導波法是根據(jù)超聲導波在波導結(jié)構(gòu)中能量衰減小、傳播距離遠的特點，用于管道系統(tǒng)的大規(guī)模無損檢測。在管道的一端激勵某種模態(tài)的超聲導波，在管道合適位置接收超聲導波的回波信號，通過分析回波信號，判斷管道內(nèi)部的狀況[2]。與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，超聲導波法檢測具有檢測方便、檢測速度快、檢測距離長、檢測范圍廣等優(yōu)點[3]。

超聲界面波是沿介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ囊环N超聲導波，可以對介質(zhì)的界面位置進行檢測。根據(jù)相鄰介質(zhì)的不同，超聲界面波可以劃分為Stoneley波[4]、Scholte波[5]、Rayleigh波[6]。Stoneley波是沿兩半無限大固體介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ慕缑娌ǎ钕缺籗toneley發(fā)現(xiàn)，又稱固-固界面波；Scholte波是沿固體和液體界面?zhèn)鞑サ慕缑娌?，又稱固-液界面波；Rayleigh波稱為表面波，是沿固體和氣體界面?zhèn)鞑サ慕缑娌?，又稱固-氣界面波[7]。相比于單層管道，不同材料層的相鄰界面是復合管道特有的幾何位置。利用超聲界面波沿介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ奶攸c，可以對金屬復合管道的界面進行檢測。

在超聲導波領域，學者們已經(jīng)開展了大量工作。劉增華等[8]理論分析和實驗研究了在充非黏性液體管道中超聲導波的傳播特性；劉勝興等[9]研究了在無限液體介質(zhì)管道中超聲導波的傳播特性；蔣謇等[10]研究了孔隙介質(zhì)包裹的充液管道中縱向?qū)Рǖ膫鞑ヌ匦?，并分析了孔隙介質(zhì)參數(shù)對頻散曲線的影響；趙乃志等[11]理論研究了超聲導波在充液埋地管道結(jié)構(gòu)中的傳播特性；齊向上[12]對充黏性液體的單層管道進行了損傷檢測的實驗研究；宋振華等[13]研究了基于小波分析的超聲導波法充液管道的損傷檢測，并對導波的頻散現(xiàn)象進行了理論和數(shù)值分析。然而，針對超聲界面波在充液金屬復合管道中的傳播問題尚鮮有報道。在油氣輸送領域，石油管道在工況下內(nèi)部充滿液體。故研究超聲界面波在充液金屬復合管道中的傳播特性、實現(xiàn)對充液管道界面位置的檢測，對節(jié)約工況管道的檢測時間、提高檢測效率、增加經(jīng)濟效益具有重要意義。

隨著數(shù)值分析軟件的進步，科研人員越來越多地采用有限元仿真分析軟件研究各類振動和聲學問題。謝大帥等[14]利用ANSYS軟件研究了氣液兩相流海洋立管的流固耦合振動，并將單、雙向流固耦合進行了對比分析；曾昭陽等[15]利用ANSYS軟件研究了基于多層圓柱殼體結(jié)構(gòu)的潛艇減振降噪問題，并定量分析了影響減振效果的因素；McCarthy等[16]利用ABAQUS軟件分析了固-氣界面波的傳播情況；董福祥等[17]采用COMSOL軟件對多孔材料夾層板的隔聲性能進行了仿真分析，并研究了影響隔聲性能的因素。有限元仿真分析軟件的應用，為模擬并分析各種工程問題的工作過程和作用機理提供了便利。

基于此，采用電信號激勵超聲界面波的有限元分析方法，重點研究超聲界面波在充液雙金屬復合管道中的傳播問題。仿真分析超聲界面波在充液雙金屬復合管中的傳播特性，與超聲界面波在空的雙金屬復合管道中的傳播特性進出對比，分析不同液體對超聲界面波傳播的影響，以期為復合管道損傷檢測提供理論參考。

1 充液雙金屬復合管道的有限元建模

在充液雙金屬復合管道這種波導結(jié)構(gòu)中，利用壓電材料激勵超聲界面波，沿著管道軸向方向傳播，該過程涉及電、力、聲等多個物理場?；诖?，采用COMSOL軟件進行多物理場耦合的仿真分析。COMSOL是一款采用有限元方法求解多物理場耦合問題的大型仿真軟件，它將每一種物理場表達成一個偏微分方程，對多個物理場耦合的偏微分方程組進行離散、通過差值的方法求得方程組的結(jié)果，從而解決多個物理場耦合的問題。

雙金屬復合管道具有軸對稱結(jié)構(gòu)，采用二維軸對稱空間建立充液雙金屬復合管道的幾何模型，分別建立液體、鋼管、鈦管以及激勵探頭的幾何模型。其中液體材料選擇水作為具體仿真對象；探頭幾何模型建立在裸露鋼管的外表面，由壓電材料和丙烯酸塑料兩種材料組成，給壓電材料施加漢寧窗調(diào)制的激勵電壓信號，利用逆壓電效應激勵超聲界面波。有限元模型，如圖1所示。

圖1 仿真模型Fig.1 Simulation model

1.1 材料參數(shù)

根據(jù)超聲導波有限元仿真的需要，設置充液雙金屬管道中各種材料參數(shù)，如表1所示。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

1.2 仿真參數(shù)

1.2.1 激勵信號

采用頻率為1MHz經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的五周期正弦電壓信號，激勵信號時域波形如圖2所示。

圖2 激勵信號Fig.2 Excitation signal

1.2.2 邊界條件設置

固體邊界采用低反射邊界條件，消除雜波的干擾；液體邊界采用阻抗邊界條件，超聲導波部分能量被吸收，部分能量被反射。

1.2.3 有限元網(wǎng)格劃分

采用四邊形網(wǎng)格劃分幾何，提高有限元分析的精度；采用獨立網(wǎng)格劃分技術(shù)，針對不同幾何，根據(jù)相應幾何所賦予的材料特性來確定有限元網(wǎng)格的大小，網(wǎng)格尺寸為對應材料縱波波長的1/6，從而在保證計算精度的同時，提高計算效率。

1.2.4 多物理場選擇和耦合

選擇靜電場、固體力學場、壓力聲學場，耦合壓-電效應和聲-結(jié)構(gòu)邊界，實現(xiàn)電-力-聲的多物理場耦合。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 超聲界面波的傳播特性分析

超聲界面波在充液金屬復合管道中的傳播云圖，如圖3所示。

圖3 典型時刻的仿真云圖Fig.3 Simulation cloud chart of typical time

在導波激勵的起始階段，一股導波能量沿鋼管外表面?zhèn)鞑?，形成?氣界面波；另一股能量射入液體中，形成液體中的超聲導波并向管壁對面擴散傳播。如圖3(a)所示。

固-氣界面波在傳播過程中，能量逐漸向固液界面處遷移、形成固-液界面波并向前傳播。同時，液體中的超聲導波在管道壁面形成反射波。如圖3(b)所示。

隨著傳播的進行，原始的固-液界面波能量大幅泄露到水中。此時，主要是液體中的超聲導波在傳播。超聲導波經(jīng)過管道壁面反射，形成一股沿著水-鋼界面?zhèn)鞑サ男鹿?液界面波。如圖3(c)所示。

液體中的超聲導波每經(jīng)過一次壁面反射，就會形成一股新的固-液界面波，從而形成間隔傳播的固-液界面波群組，如圖3(d)所示。對上壁面而言，依次形成1階、3階、5階、7階固-液界面波(階數(shù)代表超聲導波在管道上下壁面的總反射次數(shù))

在充液的金屬復合管道中，超聲界面波產(chǎn)生和傳播均受到液體的影響。一方面，主要的固-液界面波產(chǎn)生于液體中超聲導波的反射；另一方面，初始激勵的超聲界面波能量在傳播過程中逐漸泄露進入液體中。

2.2 超聲界面波的時域信號

在靠近鋼鈦復合界面的鋼管外表面設置超聲界面波的信號接收點，采集超聲界面波的時域信號，如圖4所示。

圖4 充水管道中界面波的時域信號Fig.4 Time domain signal of interface wave in water filled pipeline

該時域圖中共有7個波包信號，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)：第一個波包是固-氣界面波直達信號；后面6個波包全部為由液體中的超聲導波反射形成的固-液界面波信號，依次為1階固-液界面波直達信號、1階固-液界面波反射信號、3階固-液界面波反射信號、5階固-液界面波反射信號、7階固-液界面波反射信號、9階固-液界面波反射信號。界面波的反射信號以均勻時間間隔分布，也從側(cè)面印證這些界面波源自于液體中超聲導波在管道壁面的反射。

在充液管道中，超聲界面波能量主要分布于固-液界面處，主要沿著固-液界面?zhèn)鞑?，最終以固-液界面波的形式存在。

2.3 仿真對比

在充液復合管道有限元仿真的基礎上，對超聲界面波在空復合管道中傳播特性進行有限元仿真，與超聲界面波在充液管道中的傳播特性進行對比。

(1)超聲界面波在空的復合管道中的傳播云圖，如圖5所示。在激勵的起始階段，超聲界面波沿著鋼管的外表面?zhèn)鞑?、形成?氣界面波，界面波的能量也集中于鋼的外表面，如圖5(a)所示；到達分界面時，超聲界面波的小部分能量反射回去、形成沿著鋼管外表面?zhèn)鞑サ姆瓷浣缑娌?，大部分能量射入鋼鈦復合管道?nèi)部，形成固-固界面波、沿著鋼-鈦界面?zhèn)鞑?，如圖5(b)、圖5(c)所示。

圖5 空管道的仿真云圖Fig.5 Simulation cloud chart of empty pipeline

超聲界面波在沒有液體的金屬復合管道中，沒有發(fā)生能量的大規(guī)模泄露，能量保持在初始的界面位置，以初始的傳播路徑向前傳播，并且在分界面處發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換。

(2)在相同的位置采集空管道中超聲界面波的時域信號，如圖6所示。

圖6 超聲界面波在空管道中的時域信號Fig.6 Time domain signal of ultrasonic interface wave in empty pipeline

該時域圖中共有兩個波包信號，根據(jù)超聲導波的飛行時間法，計算各波包的傳播距離，可以確定第一個為固-氣界面波直達信號，第二個為固-固界面波經(jīng)過右端面反射回來的回波信號。即在空管道狀態(tài)下，超聲界面波能量集中于界面位置、沿著界面位置傳播，在單層管道處以固-氣界面波的形式傳播，在管道復合處(具體為鋼鈦復合界面)主要以固-固界面波的形式傳播。

超聲界面波在空管道和充液管道中有不同的傳播特性。相比于在空管道中的傳播情況，超聲界面波在管道充液狀態(tài)下的傳播特性發(fā)生了變化：超聲界面波在充液復合管道中有獨特的傳播特性。

2.4 液體類型對超聲界面波的影響

在研究超聲界面波在充液管道中傳播特性的基礎上，進一步探究液體類型對超聲界面波傳播的影響。選取汽油、甘油兩種液體進行有限元仿真分析，與水的仿真結(jié)果進行對比。汽油、甘油和水這三種液體的材料參數(shù)如表2所示。

表2 液體材料參數(shù)Table 2 Liquid material parameters

采集充甘油管道和充汽油管道中的超聲界面波信號，得到汽油、甘油的仿真結(jié)果如圖7(a)、圖7(b)所示。

圖7 汽油和甘油的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of gasoline and glycerinum

更換雙金屬復合管道中的液體，超聲界面波的時域信號中仍然存在等間隔排布的波包。與界面波在充水復合管道中的情況相比，界面波在充汽油復合管道中的能量相對集中，波包的間隔增大；界面波在充甘油復合管道中的能量相對分散、波包幅值總體上是減小的，同時波包的間隔縮小。

超聲界面波在充汽油和充甘油復合管道中保持原來的傳播規(guī)律，印證了界面波在充液雙金屬復合管道中傳播特性的普適性。液體密度影響界面波的能量分布：液體密度越大，界面波能量越分散；液體的縱波波速影響波包的形成速度：波速越快，形成速度越快。

3 結(jié)論

通過有限元仿真，研究了超聲界面波在充液雙金屬復合管道中的傳播特性；分析了液體類型對界面波的影響，得出如下結(jié)論。

(1)超聲界面波在充液雙金屬復合管道中的能量主要分為：①一股能量產(chǎn)生于原始的激勵、集中在復合管道的固-氣界面處，且隨著傳播的進行，能量向管道內(nèi)部和液體中泄漏；②另一股能量產(chǎn)生于液體中超聲導波的反射，集中在管道的固液界面處傳播。

(2)超聲界面波在充液雙金屬復合管道中傳播過程分為三個階段：①在激勵的起始階段，一股能量形成沿管道表面?zhèn)鞑サ墓?氣界面波，另一股能量射入液體中，形成液體中的超聲導波；②在傳播的中間階段，固-氣界面波能量泄漏到管道內(nèi)部，并在固液界面處形成固-液界面波，進而泄漏到液體中；③在傳播的最后階段，液體中的超聲導波在壁面間來回反射并向前傳播，每經(jīng)過一次壁面反射，就在固液界面處形成一股新的固-液界面波，從而形成等間隔分布的固-液界面波群組，并向前傳播。超聲界面波最終主要以固-液界面波的形式存在。

(3)液體類型對超聲界面波有一定影響。液體密度影響界面波的能量分布：液體的密度越大，界面波的能量越分散；液體縱波波速影響固-液界面波的形成速度：縱波波速越快，固-液界面波的形成速度越快。