管道腐蚀缺陷超声导波检测仿真研究-开题报告

XX大学毕业设计（论文）开题报告题目 管道腐蚀缺陷超声导波检测仿真研究 专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 20xx 年 4 月 9 日一 选题的依据及意义 截止到2012年上半年，我国建成的油气管道总长度约9.3万千米。油气管道投入使用的后期是事故的高发期，我国油气管道己经进入老龄化，如果能够对管道进行周期性检测，对有腐蚀的管道采取加固或者更换的方法，可以有效延长管道的使用年限。从上个世纪60年代，美国、英国等国对油气管道检测技术开启了全面研究。现在常用的管道无损检测方法有:超声波检测、射线检测、漏磁检测和涡流检测。漏磁检测方法是先将管道磁化，然后用磁传感器阵列检测管道的磁通量，再判断缺陷的腐蚀程度。超声波检测方法是利用管道内检测器的传感器阵列发射接收信号，将信号存储在系统中，根据壁厚的变化，分析信号判断缺陷的存在。但是上述两种检测方法在检测原理上是移动检测探头逐点扫描检测管道腐蚀情况，而且不能对管道实行实时监测。同时，现在的油气管道大多数都有包覆层，或者是埋地管道，这些检测方法需要在剥离包覆层将管道开挖，或者将检测器放入管道内之后才可以进行检测，这将极大地增加检测的工程量、检测费用和检测风险，并且会降低检测效率。超声导波检测技术是近年来才发展起来的管道无损检测技术，与常规超声波技术相比较，有很多优势。第一，在构件一点激励超声导波，由于导波本身所具有的特性，它沿构件传播过程衰减很小，可以传播很远距离，最远可达几十米;第二，探头接收到的信号中包含了有关激励点和反射点间构件整体性的信息，因此，超声导波技术实际上检测的是一条线，而不是一个点，这样就克服了常规管道检测方法逐点扫描的缺点，适合长距离管道大范围的缺陷检测。第三，超声导波可以在充液、带保护层的管道中传播，在管道运行的状态下也可以进行检测。由于超声波频率较低，检测时不用祸合剂，也不用对放置探头的管道表面作特殊处理，可大大降低检测成木。第四，超声导波在管状波导中传播时，在管的内外表面和中部都有质点振动，声场遍及整个壁厚，这说明超声导波检测可同时检测管道表面缺陷和管道内部缺陷。利用超声导波检测技术进行油气管道检测时具有快速、可靠、经济且不需要剥离管道外保护层等优点，是长距离管道无损检测前沿发展方向。因此，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。 ANSYS是世界上著名的大型有限元分析软件, 具有完备的前、后处理功能, 强大的求解器以及多种方便而实用的二次开发技术, 被广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造和土木工程等一般工业及科学研究。然而, 作为通用软件不免在某些专业领域中有所欠缺,如不具备直接进行弯管缺陷导波检测数值模拟的功能。针对上述问题,提出采用ANSYS提供的二次开发技术进行弯管缺陷导波检测的数值模拟,为今后ANSYS在弯管导波检测中的广泛应用奠定了良好的基础,同时也为今后研制和开发大型检测分析软件提供了一条新的途径。相对于实地的实验，仿真具有实验所没有的优势，实验的成本比仿真来的大，周期都要比仿真来的长。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。二 国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）体波是指能够在无限波导中传播的波，而导波则是指由于波导边界的存在而产生的波。根据介质中的质点振动方向和波在介质中的传播方向是否相同，可以将波分为纵波和横波，纵波和横波以各自的传播速度向前传播而没有发生波形祸合。使用波的频率f归类并且以人的可感觉频率进行分界，可以将声波分为三类，依次为次声波(f20Hz）、可闻声波(20Hzf20kHz) 。超声导波的理论和应用在国外的研究都比较早。研究者们从二十世纪初开始对不同波导中传播的弹性波进行了理论分析，然后进行了实验验证，延伸到与实际管道接近的空心圆柱体的柱面导波的研究，最终应用到无损检测领域中。 H.Lamb1和J.Rayleigh2研究了在各向同性的板中自由状态下的弹性波的传播特性。D.C.Gazis3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，之后1959年D.C.Gazis4,5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。并通过数值计算，得到含有许多模态的频散曲线及不同模态的截止频率。M.V.Brook6等在管道一端施加法向载荷激励脉冲，利用激励出的轴向超声导波对管道进行检测，证明了用柱状导波对管道进行缺陷检测的可行性。M.G.Silk和K.F.Bainton7利用压电超声探头从热交换管道的内部激励超声导波，利用L(0,1)模式导波对管道进行检测，这是由于和M.V.Brook不同的激励方式造成的。Brook等于1990证明了轴对称纵向导波即L(0,2)模态适用于管道检测8。P.cawley和D.N.Anwyne进步将超声导波无损检测技术应用到工厂中的在役管道9。 20世纪开始利用超声导波对管道进行缺陷检测，美国宾夕法尼亚大学和英国帝国理工大学在这方面做了很多研究。Ditri进一步指出了导波中不同模态之间的特征，并且说明模态的特征和模态存在的数量以及模态的中心频率有关10。Alleyne和Lowe等通过试验论证了纵向导波在70360kHz的频率范围内群速度是最快的，而且频散是最小的，并对空管道中的扭转、弯曲和纵向模态进行了数值计算11。D.N.Allwyne等提出L(0,2)模态，因为这个模态在一定的频带内呈现非频散特性，并且在很多模态中传播速度最快12。1997年，美国宾西法尼亚大学的Rose教授提出了内插式锥型压电传感器进行在管道内激励、接收导波的思路13。 由于管道弯头处焊缝的出现导致检测效率的降低，美国的Joseph L. Rose和Xiao Bang Zhao对管道弯头处的缺陷进行了研究20。 近年来，英国帝国理工大学P.cawley和M.J.S.Lowe等人利用脉冲回波法激励超声波脉冲，并对由缺陷引起的回波信号进行分析，通过回波幅值的大小判断缺陷的程度，对导波回波信号提高信噪比运用多种方法处理分析对比14,15,16,17。国外SiqueiraMH在2004年就是用小波处理信号提高信噪比18。Peter W.Tse2012年提出新的方法MP处理数据，不仅可以提高信噪比，而且可以直接准确的判断缺陷轴向位置19，但是这些方法的缺陷定位都需要有较高的专业水平才能从回波信号中获得缺陷的信息。 国内对超声导波的研究起步较晚，虽然己经掌握了管道腐蚀检测技术，但在实际管道检测中还处于起步阶段，大多数在理论研究、传感器和实验室研究阶段，并且缺少较为专业的技术人员。徐可北分析了反射回波和传播中支点振动方向的关系21。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22,23。周正干、冯海伟24研究了导波在不同介质和结构中的频散特性。他得安，刘振清25,26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。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27,28。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29。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30。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31。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32。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33,34。何存富、刘增华等对超声导波检测中的所用到的传感器的特性，工作原理以及在有包覆层的管道、充水管道中各种导波不同模态的传播特性进行了研究分析。王智、何存富主要对采用分布式PZT传感器在管道中如何激励和接收导波，分布式可以抑制不同导波模态的波形，建立了一套实验装置，并且利用这套实验装置对管道进行检测，通过处理和分析反射回的信号幅值，达到对缺陷的识别和判断缺陷位置35。何存富、李隆涛等对薄壁管道的周向导波进行了重点研究，试验论证了激励模态与斜探头楔型角的关系，并且运用理论分析和数值模拟研究周向导波在管道中的传播特性，并使用建立的超声导波检测系统，对己加工出缺陷的试验管道进行检测，论证了周向导波检测的正确性。何存富、王秀彦等利用纵向导波L(0,2)模态对90。弯管己加工的人工缺陷进行超声导波检测试验。何存富，邓菲重点研究使用时间反转的处理方法对超声导波进行信号进行研究、缺陷的参数识别和数值分析。吴斌对如何对导波回波信号进行处理进行了研究，可以更准确的分析回波信号。国内关于导波检测技术的模态频率选择激发、探头环传感器以及各种影响回波幅值因等多方面都进行了研究，在检测结果信号方面，主要研究如何提高信号比，而在使用何种方法表示缺陷可以提高缺陷的定位则比较少。三 研究内容及实验方案1 研究内容本课题主要采用ANSYS有限元数值分析模拟软件对无腐蚀管道和有腐蚀管道进行模拟。2 实验方案1建立实体模型，设置模型参数2. 划分网络以得到有限元模型3. 设定边界条件4. 施加激励以及载荷并进行求解 5. 计算结果进行处理，或者输出四 目标，主要特色及工作进度1 研究目标应用超声导波对管道的内部腐蚀进行检测，通过仿真来探究其中的规律。2 主要特色利用仿真有着试验所没有的优势，仿真可以在实验条件不足的情况下进行研究，同时更能准确的反应出研究结果。3 工作进度2015.3.92015.3.20 前期资料收集、调研2015.2.212015. 4.09 撰写开题报告，开题 2015.4.062015.5. 1 建立模型、开展关于本课题的仿真研究2015.5.062015.6. 1 分析、整理数据，归纳总结2015.6.062015.6.26 撰写毕业论文、准备毕业答辩五参考文献1 H.Lamb. On Waves in an elastic plateJ. Proe. Royal soc.London.1917.2 J. Rayleigh. The theory of Sound. VoI.and.Dover Publications, New York,19453 D. C. Gazis. Exact analysis of the plane-strain vibrations of thick-walled hollow cylindersJ.Journal of theAcoustical Society ofAmerica,1958,30:786-794.4 Denos C. Gazis .Three-Dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders. I .Analytical foundationJ. The Journal of the Acoustical Society of America 1959,31(5):568-5735 Denos C. Gazis.Three-Dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders. II .Numerical resultsJ. The Journal of the Acoustical Society of America,1959,31(5):573-5786 M. V. Brook, Ngoc T DK, EderJ E. Ultrasonic inspection of steam generator tubing by cylindrical guided wavesJ. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1980 9:243-2497 M. GSiIk, K. F. Bainton. The Propagation in metal tubing of ultrasonic wave modes equivalent to wavesJ.Ultrasonies.1979.17(1):11一198 M. Brook, T. D.K, Bgoc, J. Eder. Ultrasonics inspcetion of steam generator tubing by chemecal guided wavesJ. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation,1990,9:243-249.9 M. J. S. Lowe, D. N. Alleyne, P. Cawley. Mode conversion of guided waves by defects in pipes.Review of progress in Quantitative Nondestructive EvaluationJ,1997,16:1261一126810 J. J. Ditri, J. L. Rose. Excitation of guided wave modes in hollow cylinders by appliedsurface fractionsJ.J.Appl.Phys.1992,72(7):2589-259711 M.J.S. Lowed D.N.Alleyne, P. Cawley. The mode conversion of a guided wave by a part-circumferential notch in a pipeJ. Journal of Applied Mechanics,1998,65:649-65612 H E Kauza,B A Lerch.Preliminary investigation of acousto-ultrasonic evaluation of metal-matrix composite specimentsJ.Materials Evaluation,1991,49(5):607-612.13 RossR.J.,pellerinR.F. Nondestruetive Testing for Assessing Wood Members in Structures:A Review Gen.Tech.ReP.FPL-gtr-70(Rev).Madison, WI: USDA, Forest Service, Forest Products Laboratory,1994:4014 Joseph L.Rose.Recent Advances In Guided Wave NDEC.IEEE Ultrasonics Symposium,1998:851-85315 Alleyne D N,Pavlakovic B,Lowe M J S,et a1.Rapid,long range inspection of chemical plant pipework using guided waveJ.Advances in noddestructive Evaluation,2004,270:434-44116 C,Aristegui,M.J.S.Lowe,p.Cawley.Guided waves in fluid-filled pipes surrounded by different fluidsJ.Ultrasonics,2001,39:367-37517 Yong-Moo Cheong， Dong-Hoon Lee， Hyun-Kyu Jung.Ultrasonic guided wave parameters for detection of axial cracks in feeder pipes of PHWR nuclear power plantsJ. Ultrasonics 42(2004):883-88818 Siqueira MH, Gatts CE, da Silva RR, Rebello JM. The use of ultrasonic guided waves and wavelets analysis in pipe inspectionJ.Ultrasonics. 2004,41(10):785-9719 Peter W. Tse，Xiaojuan Wang, Characterization of pipeline defect in guided-waves based in section through matching pursuit with the optimized dictionary. NDT&E Internationa1.2012.12:1一1120 J.L.Rose,Zhao X