管道腐蚀缺陷超声导波检测仿真研究

XX 大学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题目目：管道腐蚀缺陷超声导波检测管道腐蚀缺陷超声导波检测 仿真研究仿真研究 学学院：院：测试与光电工程学院测试与光电工程学院 专业名称：专业名称：测控技术与仪器测控技术与仪器 班级学号：班级学号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 二二 Oxx 年年 六六月月 管道腐蚀缺陷超声导波检测仿真研究管道腐蚀缺陷超声导波检测仿真研究 摘要:超声导波检测主要是导波在工件中的传播特性， 导波在工件中传播能量会 损失，同时，传播过程遇到两种不同的声阻抗时，导波会发生反射。其工作理论 是声源产生超声波投入管子，当在管子中传播并与缺陷发生作用，让其传播方向 发生改变，被回收设备所接管，并对它进行管理和分析。 超声导波检测技术相对其他检测技术的优势。第一，其传播过程衰减很小， 可传播很远的距离；第二，适合长距离管道的大范围检测；第三，对所检测的管 道不用做处理，大大降低了检测成本；第四，可同时对管道外观和里面的弊端进 行检测。所以，研究超声导波技术在油气管道缺陷检测中的应用具有重要意义和 发展前景。 通过超声导波理论对工件侵蚀进行理论性剖析， 探讨导波对哪种范例的侵蚀 性弊端检出灵敏度更高。并通过 ANSYS 软件对工件侵蚀举行仿真研究，进一步证 明所得出的理论结果。同时仿真研究有着实验所没有的优势，它可以在实验条件 不足的情况下进行研究。仿真可以在实验条件不足的情况下完成相关的研究，降 低各种损耗。所以在实验不太方便进行的情况下，仿真是一种不错的选择。 关键词关键词：管道腐蚀；超声导波检测技术；仿真 Simulation Research of ultrasonic guided wave testing of pipeline corrosion defects Abstract：Ultrasonic testing group if the propagation characteristics of ultrasonic guided waves in the workpiece,the guided wave propagation early artifacts energy is lost, while the propagation of acoustic impedance of two different encounters that occur guided wave will be reflected.Its working theory is that the ultrasonic sound source input pipe, when Guan Zizhong transmission and interact with defects, to change its direction, was taken over by recycling equipment, and management and analysis. Theoretical analysis of pipeline corrosion by guided wave ultrasonic principle, investigate what type of guided wave corrosion defect detection sensitivity higher。 First, the propagation attenuation is very small, can travel long distances and ； secondly, suitable for a wide range of long distance pipeline detection ；and third, dont have to do for the detection of pipeline processing, greatly reduces the cost ； Finally, you can simultaneously detect the defects in and appearance。Therefore, the study of ultrasonic guided wave technology in pipeline defect detection is of great significance and development prospects By ultrasonic guided wave theory of the workpiece aggressive conduct theoretical analysis, to explore what kind of paradigm guided wave erosion on the Abuse of higher detection sensitivity. By ANSYS software simulation of the workpiece held erosion, further proof of the theoretical results obtained。 While not the advantages of simulation with experiment, it can in case of insufficient experimental conditions was studied 。 The simulation can be done in case of insufficient experimental conditions Related research, and reduce various losses. So in the case of the experimental inconvenient, simulation is a good choice. Key words : Pipeline Corrosion； ultrasonic guided wave detection technology ； simulation 目录 1.引言 1.1 选题的依据及意义 1 1.2 国内外研究现状及趋势.2 1.3 本课题主要研究内容.3 2.超声导波对不同类型管道腐蚀检测 2.1 导波的概念以及传播模式.5 2.2 超声导波检测的传播模式.5 2.3 超声导波腐蚀检测原理.6 2.4 腐蚀类型对检测的影响.7 2.4.1 全面腐蚀7 2.4.2 局部腐蚀7 2.4.3 应力腐蚀和疲劳腐蚀8 2.5 总结.8 3.ANSYSY 仿真软件操作流程 3.1Ansys 软件的介绍9 3.2 仿真操作过程.10 3.2.1 定义工作名10 3.2.2 定义单元类型10 3.2.3 定义材料属性、建立模型11 3.2.4 划分网格12 3.2.5 加载荷、求解和后处理12 4.仿真结果处理 4.1扭转模态导波对管道腐蚀缺陷不同类型的检测.14 4.2T 模态和 L 模态导波对管道腐蚀检测灵敏度16 4.3本章总结.17 5.总结. 18 参考文献错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 致谢21 1 管道腐蚀缺陷检测超声导波检测仿真研究管道腐蚀缺陷检测超声导波检测仿真研究 1.引言引言 1.1 选题的依据及意义选题的依据及意义 管子在使用过程中产生侵蚀、蠕变、疲惫、材料损坏等多种方式，当中弊端 缺陷最具严重性。尤其是在炼油、化工等领域内，由于其管道内所加介质腐蚀性 强，又因为其经常处在高温、高压力等恶劣的外界环境当中，所以经常会发生管 道被腐蚀的事。所以为了能更好的保障连续生产，同时避免危险事故的发生，我 们应该加强对管道腐蚀的检测。 此外，随着油气资源的开发，管道运输在全球范围内得到了高速发展，极大 的满足了市场的需求，促使管道运输业成为能与铁路、公路、航空、水运齐头并 进的五大运输业之一，对经济建设和国防工业发挥着举足轻重的作用。因为随着 管道使用时间的增加、管道生成时产生的缺陷、运输介质对其进行的腐蚀危害以 及人为对其产生的损害，使管道事故发生的越发频繁，对人们的生命、财产和所 生活的生存环境产生巨大的威胁。因此，寻找有用法子对管道举行周期性检测， 和对检测出有侵蚀的管道进行修理或替换，能够减少事故的发生。 超声导波检测技术因为其独有的优势得到很好的发展， 和其他无损检测技术 相比，其可以检测工件内很小的缺陷，且检测灵敏度高，尤其对面积类缺陷检出 率高。 超声导波因为其在固体中传播时沿传播方向上衰减很小，所以其不用使用 逐点扫描法；同时导波也能够在充满液体或者有表面保护层的管子中传播，从而 大大下降了工业管子检测的用度。 ANSYS 是一款运用非常广泛的使用软件,它的功效强大，既有前、后办理功 能,也有多能力求解器。而且操作简单,在核工业、铁道、石油化工、等大多数一 般工业得到广泛地使用。由于其功能强大，操作简单，而且有着实验方法所没有 的优势变的越来越流行。然而, ANSYS 软件也会存在一些不足，尤其是在某些专 业领域,例如 ansys 软件对某些弯管缺陷不能进行导波检测数值模拟。因为该软 件存在上述的问题，是以不妨采纳 ANSYS 二次开发技巧，该技术可以举行管子弊 端导波检测的数值模式,二次开发技术的建设，为 ANSYS 在弯管导波检测中奠定 了基础,也为今后研制和开发新的软件检测技术提供了一条新的途径。 相对于导波对管子侵蚀检测的试验，仿真有着试验所没有的优势。超声导波 虽然检测费用低，但任然没有用仿真来检测的成本低，而且周期都要比仿真来的 2 长。仿真可以在实验条件不足的情况下完成相关的研究，降低各种损耗。所以在 实验不太方便进行的情况下，仿真是一种不错的选择。 1.2 国内外研究现状及趋势国内外研究现状及趋势 体波指能够在无穷波导中传输的波， 而导波则是指因为波导界限的处在而孕 育的波。对质点在介质中的振动方向以及波在介质中的传播方向的不同，我们可 以对波进行分类，分成纵波和横波两种波形。但用波的频率对波进行分类，以人 可感觉的频率为分界线，可以分为可闻声波、次声波、超声波，其中可闻声波频 率在 20Hz 到 20kHz 之间，次声波低于 20Hz，高于 20kHz 的超声波。 国外研究超声波对固体进行无损检测的始于二十世纪初， 他们通过研究波在 不同传播介质中的传播特性进行导波研究。起初，研究者对无穷介质中波的传输 问题进行研究，进而演变成对板中导波的传输问题的研究，最终演变为柱面上导 波问题的研究。起先人们举行的主要是理论探讨，直到 60 年代人们才陆陆续续 入手通过试验对其进行讨论， 最近几年， 检测领域内导波的使用变的越来越广泛， 最突出的是对薄板和管道进行导波检测。因为导波对管道和板材检测的优越性， 所以对其进行缺陷检测和性能评估越来越受欢迎。 J.Rayleigh 1和 H.Lamb2考虑了在自然状况下各向同性的板中的弹性波的 传输特征。D.C.Gazis 首先推导出壁厚和内径比越大，空心圆柱壳的解会越接近 Lamb 波的解 3，之后 1959 年 D.C.Gazis 又对空心圆柱体中的波在三维上的传播 进行了分析，推导出两种模态(纵向拉伸波和扭转波)的理论模型 4,5。接下来他 们对数值进行计算，得出许多不同模态的频散曲线图和截止频率。 由于先进的管子检测技术在工业生产中需要， 所以出现了通过使用导波技术 对管道缺陷检测进行研究。Thompson 等将 EMAT(电磁声传感器)应用于蒸汽发电 机管道的裂缝检测 6。M. G. Silk 和 K. F. Bainton 利用压电超声探头在蒸汽管 道中激励 L(0,1)和 L(0,2)模态超声导波，并进行了裂纹检测实验，证明了利用 超声导波技术对管道检测的可能性 7。M. V. Brook 等由管道一端施加法向载荷 激励轴向导波，对管道进行检测，证明了利用柱状导波对管道进行检测的可行性 8。有趣的是 M. G. Silk 和 K. F. Bainton 通过使用 L(0,1)模式导波对管道缺 陷进行检测，而 Brook 使用的却是 L(0,2)模式导波进行检测。这是因为不同的 激励方法从而产生出不同的激励模式的结果。M.G. Silk 和 K. F. Bainton 是在 管道内部对导波进行激励的，而 M. V. Brook 确是在管道一端横截面对导波进行 激励的。通过这些实验有效的证明了超声导波对管道缺陷的检测。 3 相对国外的研究，国内在该领域起步的比较晚。但在相关各领域也进行了广 泛的研究。可查找到多篇报道关于超声导波对管道检测的文章。 徐可北分析了反射回波和传播中支点振动方向的关系 9。刘振清综述了国内 外的超声波技术、声发射技术、新型超声非接触换能方法等无损检测方法 10,11。 周正干、冯海伟研究了导波在不同介质和结构中的频散特性 12。他得安，刘振清 等提出如何选取导波的中心频率， 指出了导波的模态受到管道的直径和壁厚影响 13,14。程载斌，王志华，马宏伟等重点对应力波在管道检测的应用进行了研究， 他们通过用有限元软件 ANSYS 对超声纵向导波对管道裂纹进行检测做了数值模 拟， 根据缺陷回波信号的到达时间和反射系数的大小判断缺陷的位置和大小程度 15,16。刘锋、马宏伟对激励信号的周期、频率进行研究，对双裂纹和单裂纹进行 试验， 以及能量反射率和能量透射率的研究 17。焦敬品等对超声导波在管道中的 传播特性，试验检测方法以及数值模拟方面进行了研究 18。徐新生、郭杏林等讨 论了应力波在检测到缺陷时的反射和透射性质， 然后根据反射回波的时间和强度 来判断出缺陷所在的位置和大小，并且验证理论模型和方法在检测中是有效的 19。齐瑞才、郭杏林试验验证管道的周向缺陷、轴向缺陷以及点蚀缺陷对回波信 号产生的影响 20。姜秀娟、张文雍、徐鸿利用 ANSYS 软件对管道的裂缝和焊缝进 行建模并仿真， 对各种不同腐蚀程度的缺陷进行回波研究分析得出波形和局部损 失的关系，对所给出的所研究的材料物性泊松比、密度、弹性模量不同变化条件 下 21,22。 1.3 本课题主要研究内容本课题主要研究内容 本课题主要采用 ANSYS 软件有限元数值分析模拟软件对不同类型的管道腐 蚀性缺陷进行模拟，探究其结果进行对比。以及对于同一种腐蚀缺陷用不同的波 形模态对其进行检测的灵敏度问题。论文主要包括以下几个部分： 第一章：为前言，最初概括了该学位论文课题的来历和意义。综合讲述了国内外 关于超声导波检测方法的钻研情况， 并对本文作者所做的工作进行了简 述。 第二章：介绍超声导波的检测原理以及管道腐蚀缺陷的类型。比较出超声导波对 哪种腐蚀检测灵敏度更高。 第三章：介绍导波检测技术仿真的原理以及仿真的操作流程。通过 ANSYS 软件建 立管道模型，并对管道进行网格划分，施加边界条件及载荷，最后进行 求解。 4 第四章：对所求出的仿真结果进行分析，得出结论。 第五章：对全文进行总结。 5 2.超声导波对不同类型管道腐蚀检测超声导波对不同类型管道腐蚀检测 2.1 导波的概念以及传播模式导波的概念以及传播模式 导波就是指在有限介质内传播的波，且其传播是与边界平面平行的弹性波。 因为介质的几何边界对波具有导向，所以几何体形状对波的传播有影响。介质的 几何体和导波频率也会影响导波的速率。 导波能以三种不同波模式在压力管道中传播纵波（L）、弯曲(F)和扭力波 (T) 23。 纵波指的就是质点在管道轴向或径向上的振动且沿着管道轴向传播的波， 弯曲波质点在管道轴向、周向和径向都有振动，扭转波是质点沿管道周向振动的 波。 2.2 超声导波检测的传播模式超声导波检测的传播模式 导波检测技术就是声源产生超声波进入工件， 当其在其他条件都相同的情况 下，波工件中传播并与缺陷发生相遇，因其两种介质的声阻抗的不同，使其传播 方向发生改变，被接收设备所接收。如图 2.1 所示 图 2.1检测模式 当你决定了一种导波模式，它会有一个波群速度，其在脉冲频谱范围内会发 生改变的，这种导波模式的波在传播时，其脉冲波包（也有遇到缺陷反射回来的 波） 会因为波的传播越远而变的越来越宽，这种变化会减弱了信号的瞬时分辨率 以及信号的信噪比(SNR)。选择最恰当的导波模式和操作频率，可以有效的避免 这个问题，使导波传播过程不分散或波包上的分散最小。 图 2.2 所示为各种不同的模态导波在固定材质和壁厚管道内的散射情况， 从 中我们可以得到扭转波模式 T ( 0， 1）在一定频率范围内传播基本无散射，管 道的材质和壁厚因素对其性能无影响。所以扭力波 T ( 0， 1）是首选在超声导 波管道检测过程当中导波传播形式。 6 图 2.2不同传播模式散射图 同样，当要使用 L 模态的波对管子进行检测时，我们可以发现 L（0,2）模 态的波在频率超过 20KHZ 时，其传播是几乎无散射的，而且其传播速度快，有利 于与其他波形区分，所以，检测时也可以使用 L 模态导波。 2.3 超声导波腐蚀检测原理超声导波腐蚀检测原理 在超声导波检出技术过程中有多钟因素对检测有较大的影响， 其一是导波衰 减系数，另外就是缺陷尺寸（管子横截面积金属损失百分比)。导波衰减系数与 检测范围有紧密联系。缺陷尺寸与检测信号的幅度密切相关。检测范围(R)、导 波衰减系数(）和缺陷尺寸(A)之间存在以下近似数学关系 24： R=50-6+20log （0.01A） /2（2-1） 式中导波在管道中的衰减系数，dB /m R 一可达到的检测范围，m A一缺陷尺寸(相对于管道总壁厚横截面 积的百分比%）,见图 2.3 从上述式(2-1)中通过分析可得到图 2.4 所示的关系特性曲线:其中横坐标 缺陷尺寸A,纵坐标 R是检测范围和导波衰减系数的乘积。 按照上述检测技巧的剖析， 我们能够得出导波对腐蚀性缺陷的检测是指检测 缺陷占管子横截面积的百分比，却不是检测侵蚀深度，也就是说该技术不是对管 100 321 Dt AAA A 7 道的真实厚度进行测量。 图 2.3 缺陷尺寸示意图图 2.4 特性曲线图 2.4 腐蚀类型对检测的影响腐蚀类型对检测的影响 目前工业管道腐蚀形态多种多样，就当前的研究而言，我们可以把服饰类型 分为全面腐蚀、局部腐蚀、腐蚀疲劳以及应力腐蚀等。我们可以通过对不同腐蚀 类型的研究，探讨不同不同腐蚀类型对检测的影响。 .1 全面腐蚀全面腐蚀 因为管子较大面积上产生侵蚀，形成全面侵蚀，我们可以看作均匀的壁厚变 薄，在管道的每一个截面上，其横截面积管道金属损失量并不大，且近是看作均 匀。当导波传感器发出一个短脉冲时，沿着管道传播，近是相当于无腐蚀或腐蚀 很小， 很难产生很强的反射信号， 而且由于表面的腐蚀对导波的衰减有促进作用， 缩短检测范围。 .2 局部腐蚀局部腐蚀 就局部腐蚀而言，超声导波检测技术对其具有很高的检测灵敏度，关于腐蚀 缺陷的检出率，主要依据的就是两个方面:（1）管道横截面积上所有腐蚀面积的 总和占整个管道横截面积的百分数，即参数A； （2）目前超声导波检测仪器的 检测灵敏度水平。市场上一般的仪器灵敏度在 2%一 5%范围内，即当管道腐蚀在 管道横截面上的面积占其横截面积的比超过 2%时才有可能被检测到。 局部腐蚀按情况的不同， 也存在着差异。 对工业管道经常出现的点蚀 （孔蚀) 腐蚀缺陷而言，国外以超声导波检测技术为基础，通过实验对窄深型缺陷与宽浅 型缺陷进行研究，当金属横截面积腐蚀缺陷的面积相同时，检测出前者的信号幅 值比后者幅值要高，更有利于检测。在图 2.5 中，(a)楔形和(b)垂直形的腐蚀产 生的信号比(c)水平形和(d)盘碟形产生的信号幅值要高 25,26。通常工业管道腐蚀 8 以窄深形腐蚀性缺陷为主，其危害相当严重，而超声导波技术对该缺陷检测灵敏 度高，所以导波检测技术可用在对工业腐蚀检测上。 图 a 楔形腐蚀图 b 垂直形腐蚀 图 c 水平形腐蚀图 d 盘碟形腐蚀 图 2.5 不同腐蚀类型缺陷 .3 应力腐蚀和疲劳腐蚀应力腐蚀和疲劳腐蚀 这类腐蚀性缺陷的形式主要是以裂纹为主，基本不会造成横截面积的减小， 所以长距离的导波检测技术对应力腐蚀和疲劳腐蚀检测效果不是很明显。 2.5 总结总结 经过上面一系列的分析研究， 当管道横截面积金属损失超过超声导波检测仪 的最低范围 2%时有较好的检测效果。对应力腐蚀和疲劳腐蚀检测效果不强，不 太适应，对局部腐蚀检测出来的效果确很明显，尤其是对窄深型缺陷或腐蚀孔。 9 3.ANSYSY 仿真软件操作流程仿真软件操作流程 3.1 Ansys 软件的介绍软件的介绍 Ansys 软件是一种操作十分广泛的通用有限元分析软件，是融结构、流体、 热学、电磁学、声学于一体的大型软件，功能十分强大完备，能够进行简单线性 静态分析和复杂非线性动态分析，可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等 问题的解答，其先进的多物理场耦合技术在现今世界上首屈一指。 ANSYS 主要包括三大模块： （1）前处理模块 前处理模块的实质是为相关方程组设置参数和初始条件。 模块的主要功能集 中在建立几何模型、定义及配置材料的属性、划分单元网格、设定边界条件，为 导波有限元计算做准备。模型包含有点、线、面、体等元素，这些元素称为边界 条件的施加参照。经过剖分成单元后，用以存储结果的，同时剖分的详细程度决 定着同一次计算结果数据的丰富程度。ANSYS 提供了丰富的模型剖分方式，如自 由化分、映射划分等，这些保证了计算的可靠性和操作的便捷性，使得各种形状 的几何模型都能得到有效剖分。 （2）分析计算模块 分析计算模块包括结构分析（包括线性分析、非线性分析和高度非线性分 析） 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场的耦合分 析，可对多种物理介质进行模拟分析，具有优化能力以及分析灵敏度。 （3）后处理模块 通用后处理器和时间历程后处理器是 ANSYS 的两个后处理器， 它可将计算结 果以多种形式显示，如：以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显 示、立体切片显示、透明及半透明显示（能够看到物体内部） ，同样也可以以图 表、曲线形式表示，后处理用于处理瞬态和动力分析。 不管分析的问题多复杂，其求解的基本步骤是： （1）建模及网格划分； （2）施加边界条件及载荷； （3）进行求解。 10 但在不同的工程应用中，由于涉及的问题大多数很复杂，具体步骤就会相差 很大。 3.2 仿真操作过程仿真操作过程 .1 定义工作名定义工作名 实行菜单栏中的 Utility Menu File Change Jobname 语令，跳出一个 框图，在“Enter new Name”后面输入“BS_3D”,单击“OK”按钮。如图 3.1 所示 图 3.1 定义工作名 .2 定义单元类型定义单元类型 从菜单栏中选择 Main Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 命令， 跳出 “Element Type” 单元类型框图， 点击 “Add” ， 跳出 “Library of Element Type”单元类型框图，选择“SOLID45”单元。 实体单元 SOLID45 是一种六面体三维单元，图 3.2 是 ANASYS 中典型的八节 点实体单元 SOLID45 的几何示意图。它可以承受拉压载荷、剪切力载荷，它是最 接近真实结构中的受力单元。相对于其它单元形式，实体单元可以获得非常精准 的数值模拟结果。 11 图 3.2 SOLID45 的几何示意图 .3 定义材料属性、建立模型定义材料属性、建立模型 从主菜单中选择 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models 命令，弹出“Define Material Model Behavior”定义材料属性对话框。 在右边对话框中对所要求的管道材料进行定义，定义管道弹性模量为 2.1e11， 泊松比为 0.28，密度为 7800。 ANSYS 有限元模型如下所述：管子长 1000mm，内径为 47mm，外径为 51mm。 管子壁厚为 4mm，由于前面我们已经讨论出超声导波对窄深形腐蚀性缺陷检测效 果更好。所以我们设定一个深度为 2.8mm 的腐蚀性缺陷，其轴向长度为 50mm， 起始于 450mm 处，周向横跨 30 度的规则长方体缺陷。如图 3.3 所示 图 3.3 管道缺陷模型示意图 对于在管道模型上腐蚀缺陷的生成有三中方法：一是采用单元生死法，即首 先建立无缺陷管道，对管道划分网格，然后将缺陷处的单元“杀死”，对于“死” 单元，程序通过一个很小的系数即缩减因子乘以它们的刚度，在载荷矢量中，和 这些“死”单元相联系的单元载荷也被设置为零，并约束所有不活动节点的自由 度，从而使单元从模型上“脱离”，这种方法的优点是简单易用、容易操作，但 是也有一定的缺点， 由于在 ANSYS 中， 涉及到单元生死问题都要启动非线性计算、 牛顿拉夫森选项，从而导致无法控制计算时间，甚至会发生计算不收敛，故一般 不采用此种方法。 另一个建立缺陷的方法是通过 ANSYSY 直接建立一个有缺陷的模型，然后再 对该模型进行网格划分。 12 第三种方法是先建立管道得一部分，将缺陷的模型部分先预留，通过对称将 其余部分建立，然后再在预留部分添加单元，余下缺陷，再对其进行网格划分。 .4 划分网格划分网格 从主菜单中选择 Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool 命 令，弹出 MeshTool 对话框，在该对话框中选择合适的网格单元长度，并选择扫 略 SWEEP 命令来划分网格，可以得到质量较高的有限元网格，因为网格密度的不 同，象征着材料的密度等弹性常数的不同，会引起回波信号，这与材质均匀的管 道是不符的，更会造成缺陷的误判。如图 3.4 所示 图3.4 管道网格划分示意图 .5 加载荷、求解和后处理加载荷、求解和后处理 前面已经讲述，T（0,1）模态的波质点是沿着周向位移的，也就是其在径向 和轴向的位移为零，且其周向位移分布均匀，易于用来检测。所以我们在对管道 模型进行加载荷时，先将其转为柱面坐标，约束一端的自由度，对另一端内圈外 圈每一个节点上都加上沿周向振动的质点载荷，如图 3.5 示意图所示。在实际过 程中， 我们通常会忽略管道表面的包覆层，即可以减少导波回波信号受其他因素 的干扰。 加载荷除了上述操作方式，还可以命令流的形式对其加载。命令流也分为两 种，一种是宏命令加载，还有一种是表参数加载，通过使用 DO 循环、IF/ELSE 命令控制载荷加载。 后处理有两种后处理器，通用后处理和时间历程后处理。通用后处理可以查 13 看模型在某一时刻下的结果，将结果以图形、文本或动画的形式展现。时间历程 后处理可以查看模型某一点特征随时间变化的曲线，也可以以列表的形式输出， 后处理用于处理瞬态和动力分析。本次研究选择了时间历程后处理，便于查看检 测节点位移时间变化的信息。 图 3.5T（0,1）模态导波激励与接收示意图 14 4.仿真结果处理仿真结果处理 4.1 扭转模态导波对管道腐蚀缺陷不同类型的检测扭转模态导波对管道腐蚀缺陷不同类型的检测 具前文介绍，我们可以发现在管道壁厚和材质相同的情况下，扭转波模式 T （0,1）在传播过程中基本无散射，所以我们用 T（0,1）模态对管道腐蚀缺陷进 行仿真研究,且频率为 32.38KHZ。 在管道横截面积金属腐蚀面积相同时， 通过对不同的腐蚀缺陷深度的仿真研 究其结果，我们可以得出扭转波对不同类型缺陷的灵敏度情况。本文仿真研究了 三组数据进行探讨研究， 在管子长度为 1m 一定， 腐蚀缺陷轴向长度为 50mm 一定， 腐蚀起始位置为 450mm 处，分别改变管子的径向和周向大小，使其管子横截面积 上缺陷面积相同。分别设为（1）深度 4mm，周向横跨 30 o，如图 4.3 所示； （2） 深度 3mm，周向横跨 39.6 o，如图 4.2 所示； （3）深度 2mm，周向横跨 58.8o，如 图 4.1 所示。 图 4.1 管道腐蚀深度 2mm 波形图 15 图 4.2 管道腐蚀深度 3mm 的波形图 图 4.3 管道腐蚀为深度 4mm 的波形图 16 从上述波形图我们可以得出两个波峰之间的时间差与波速的乘积和缺陷尺 寸相吻合，当管道腐蚀越深时，在其管道横截面上腐蚀面积相同的情况下，其周 向角度小，所得出腐蚀类型为窄深型的缺陷比宽浅型缺陷的波形幅值要大，即超 声导波检测技术对窄深型腐蚀缺陷检测敏感度更高。 4.2 T 模态和模态和 L 模态导波对管道腐蚀检测灵敏度模态导波对管道腐蚀检测灵敏度 T 模态的扭转波通常一般用来检测管道轴向裂纹缺陷，L 模态的纵波通常是 检测管道周向裂纹缺陷的。但是对于腐蚀性缺陷和裂纹缺陷有所不同，腐蚀通常 都是大范围或局部一块面积， 所以不能用裂纹的方式来判断用哪一种模态的波对 腐蚀检测灵敏度高。 上述我们已经对不同模态的波进行了选择，选择了 T（0,1）和 L（0,2）两 种波,且两种波形都选用 125KHZ，下面我们用两种模态的波分别对同一个腐蚀性 缺陷进行检测，且所选择的缺陷轴向和周向长度接近于相等，如：管道长 1m， 缺陷轴向长度 25mm，管道内劲 47mm，外径 51mm，周向横跨角度 30 o，且在管道 所处的位置一至。用仿真得出如下结果图，如图 4.4 和 4.5 所示。 图 4.4 T 模态扭转波检测波形图 17 图 4.5 L 模态纵波检测波形图 从上述结果明显可以看出，T 模态的扭转波检测出的波形图幅值比 L 模态检 测出的波形图幅值要高，即在本模型中，T 模态导波对管道腐蚀检测相比较于 L 模态导波检测灵敏度更高。 4.3 本章总结本章总结 由上述几组仿真操作，我们分别对管子横截面积上不同的腐蚀类型以及使用 不同的模态的波形进行检测。我们可以得出腐蚀缺陷越窄深度越深，腐蚀检测灵 敏度更好，同时对比得出 T 模态的波比 L 模态的波检测灵敏度更高。该结果非常 适用于工业管道腐蚀的检测，对其进行推广，可大大降低工业管道腐蚀的危害。 18 5.总结总结 本文主要介绍了管道腐蚀类型的不同，超声导波对其检测的灵敏度问题。首 先， 本文先讲述了一些关于超声导波技术的国内外研究现状及技术水准，然后讲 述了超声导波技术的原理， 并在该基础上剖析其导波技术对不同侵蚀进行检测的 成效。 得出当管道横截面积腐蚀面积相同时，窄深型的腐蚀比宽广型的腐蚀检测 灵敏度更高。并经过仿真学习，通过 ANSYS 仿真的方法对该结果进行研究，得出 一系列不同腐蚀缺陷的波形图，通过对这些波形图进行对比，从而进一步得出超 声导波技术对窄深型的腐蚀坑检测更灵敏，同时经过仿真研究，探讨出不同模态 波形对同一种腐蚀缺陷的检测灵敏度，并得出结论。通过本次研究可以发现仿真 研究想比较于实验更加的方便、清晰。 19 参考文献参考文献 1 H.Lamb. 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