（工程力学专业论文）压力管道无损检测的超声导波法.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 压力管道的无损检测是维护管道安全运行的重要手段。但是目前的许多检测方法都 存在着不同程度的局限性，例如效率低、过程繁琐、仪器复杂、可操作性差等。而利用 超声导波方法可以有效地解决大多数的难题：只需剥离带覆层管道的少许覆层，从而使 得操作性更强；完全突破了单点检测的局限，实现了线检测。超声导波检测的原理为， 在管道一端利用超声换能器激励出超声导波沿管道扩散传播，在同端( 或异端) 利用超 生换能器接收回波，通过分析应力回波的变化以确定管道是否存在缺陷以及缺陷的位置 和尺寸。然而，由于导波所固有的频散特性，使得检测中发生模态转换，致使检测变得 复杂。因此，本文也就单一检测模态的选择以及模态频厚积段的选择分别予以了阐述， 并有针对性的进行了数值计算：应用h a n nin g 窗调制的多周期正弦波模拟单音频激励信 号，并设置监测质点环接收回波，通过分析说明了管道的周向裂纹、轴向裂纹以及点蚀 缺陷对缺陷回波所产生的影响，并进一步计算了缺陷处的反射系数。而后，采用2 0 0 k h z 至3 5 0 k h z 频段的入射波进行了实验验证，并每隔1 0 k h z 绘出一条峰值一时问的曲线，通过 拟合峰值点，找到对应的时间，从而准确的计算出了缺陷的所在；应用锥形探头的热交 换水管的实验表明，超声导波可以在管道中传播了近5 0 米的距离，且不受弯头的影响， 从而使得长范围、大规模检测成为可能，水载管实验说明了离面位移和能量可能会发生 泄漏的特性，为导波的深入研究和应用作了铺垫。 通过数值计算和实验，成功地对缺陷位置进行了准确定位，并对结果进行了讨论。 说明超声导波检测是一种高效、快速的检测方法，应用前景极为广阔。 关键词：无损检测；超声导波；压力管道；频散：模态转换 压力管道无损检测的超声导波法 n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gi np r e s s u r ep i p e sb a s e do nu l t r a s o n i c g u i d e dw a v e s a b s t r a c t n o n 。d e s t n 埘i v et e s t i n go tp r e s s l l r ep i p e si sa ni n l p o n a l l tm e 也o dt om a i n t a i nt h es a f b o p e r a t i o no fm ep i p e l i n e a tp r e s e n t ，m a n ye x 蛐证a t i o nm e 也o d sh a v em e i rl i m i t a t i o n ，f o r e x 锄p l e ，l o we 盟c i e n c y ，t e d i 0 1 l sp m c e s s ，c o m p l e xi i l s 衄l i n e n t s ，d i 伍c l l l to p e r a d o na i l ds oo n b u tt h eu s eo fl l l 订a s o i l i cg i l i d e dw a v e sm e t l l o dc a ns o l v ei n o s to ft 1 1 ed i m c u l tp r o b l e m s e 恐c 廿v e l y i to l l l yn c e d sr e m o v eal m l ec l a d d i l l g6 _ o mp i p e sa 1 1c o v e r e dw i t hc l a d d i n g ，m u si t i se a s i l yo p e m t e d ；i tb r e a k st h r o u g ht 1 1 e p o i n t e x 锄i n a t i o n l i m i t 撕o nc o m p l e t e l y ，w h i c h ma ：k e s 恤el 访e e x 锄i n a t i o nc o m em l e t h ep r i n c i p l eo f g u i d e dw a v e se x 锄i n a t i o ni st l l a t 也e 1 l l 廿船o n i c 仃趾s d u c e ri su s e dt 0e x c i t eu l 廿a s o n i cg l l i d e dw a v e sa to eo f 也ep i p e se n d ，t l l e n 也eg u i d c dw a v e ss p 他a d s 如n g 也ep i p e ，f i n a l l yt h ee c h oi sr e c e i v c db yu l 垭描o n i c 仃a n s d u c e r a tt 圭l es 锄ee n d ( o r 鼬o t h c re n d ) w h e 山e r 廿l ep i p eh a sd e f e c t sa sw e l la s 也ed e f e c t sp o s “i o n a n ds i z ei sd e t e 珊l i n e dt l l = 曲t 1 1 e 删”i so ft h es n e s sc c h oc l l a n g e h o 、v c v e lt 1 1 ei f 山e r c i l t c h 盯a c t c r i s t i co ff k q u e n c yd i s p e r s i o nm a k e st h em o d e sc o r e r ti n 也ee x a m i n a t i o i l ，w h i c h m a k e st l l et e s t i n gb e c o m ec o l p l e x t h e r e f o r e ，t 1 1 ec h o i c eo fs 恤西em o d ei 1 1 廿1 ee x 觚血a t i o n a n dt h e 丘u e n c y - t h i c kb 趾do fm o d eh a sb e e n 百v 钮ap a n i c u l a ri h m i n a t i o ns 印a r a t e l yi n t h ep 印e r ，f o l l o 咖gar e l a t i v en u m 喇c a ls i i n u l a t i o n a n dam u l t i - c y c l i c a ls i n es i 印a l m o d l l l a t c db yh 锄丑i n gw i n d o 、vi su s e dt os i i i 】山a t et 1 1 ee x c i 伽o nw a v e ，a n d 也e na ni 1 1 s p e c t e d r i n go fn o d e si se s t a b l i s h e dt or e c e i v et 1 1 ee c h o ，f m a l l yh o wt h el e n g 吐lo ft h ec i r c i l 】n f e r e n t i a l c r a c k s ，t 1 1 ew i 蛐o f 也ea x i a lc 瑚【c k sa n dt l l ed e g r e eo ft h ct h i d 【r l c s s r e d u c ee a 毫c tt 1 1 er e s m ti s e x p l a i l l e d 也r o u 曲m e 髓a l y s i so fm er e s u l t ，f i l r t h e rm o r e ，t h er e d o 吐i o nf 赴t o rm t l l ed e f 音c t h a sb e e nc a l c u l a t e d f o l l o w i n 舀ae x p e 曲e n th a sb e e l lc 枷e do u t ，也ei n c i d e n tw a v e s 而t ha 矗e q u e i l c yb a l l do f2 0 0 k h z 一3 5 0 妊 z a r el i s e dt ot 1 1 ee x p e r 疏e 酏a i l das e r i e so fp e a l ( v a l u e - t i m ec u e sa r ed r 踟1e a c h1 0 l 正k ，c o r r e s p o n d i n gd m ea r ef o u n dt h r o u g hf i t t i n gp e a l ( v a l u e ，也u sm ep o s m o no fm ed e f e c ti sc a l c u l a t e da c 叫a t e l y t h ea p p l i c a t i o no fa w l s h 印e d s e n s o fh e a di n 也eh e a tc h a l l g ew a t c rp i p ee x p e r i m e n tm d i c a 把s 协a tt h el l l 订嬲o i l i c g u i d e d w a v e sm a y 仕a n s 商tn e a r l y5 0m e t e r si i lt l l ep i p e ，州c hi sn o ti n n u e n c e db y 也ee l b o w sa n d m a k e si tp o s s i b l et ot e s td e f e c t si nl o n gd i s t a n c ea n dl a r g e s c a l e t h ew a t e r - 1 0 a dp i p e e x p e r i i n e n t 血d i c a t e st i a t 也ed i s p l a c ea i l de n e r g ym a y b el e a k a g ea tt h en e a r - s l l r f h c e ，w h i c hi s s i 鲫c a n t f o rm cf i l r d l e rr e s e a r c h t h r o u 曲t l l en u m e r i c a ls i m m a t i o na n d 山ee x p e f i m e n t ，t l l ea c c u 工砒ep o s i t i o no fd e f c c t si s c a l c u l a t e ds u c c e s s m l l y ，a l l dm ed i s c u s s i o no fm er e s u hh 硒b e e nc a r r i e do n i ti se x p l a i n e d 大连理工大学硕士学位论文 t h a t 也eu l 廿a s o n i c9 1 1 i d e d 、v a v e sm e t l l o di sa ne 丘b c t i v ea n df h s t t e s d n gm e 也o d ，w h o s e p r o s p e c to f 印p l i 训o ni se x t r e m e l yb r o a d k e yw o r d s ：n o n d 燃t 川c 晰et e s t i n g ；u l t n s o n i cg u i d e dw a v e s ；p r e s s u r ep i p 髂；m o d e c o n v e r s i o n ； f r e q u e n c yd i s p e l 苫i o n 压力管道无损检测的超声导波法 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：益垫盈日期： 蹲。6 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 一 夕 ，) 2 ：! 蜓年芝月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 本课题属于结构损伤识别的反问题领域，属于无损检测的范畴。课题来源于与大连 锅炉压力容器检验研究所合作的压力管道缺陷检测技术及评定方法课题项目。 压力管道【l j 应用极为广泛，化工、石油、制药、能源、航空、环保、钢铁、公用工 程等各类工业企业都不同程度的用到压力管道。但是长期以来，由于对压力管道安全管 理的认识不足，至今还没有形成一个完整的压力管道安全管理体系。在设计、制造、安 装、检验、运行、维护与检修等各个环节都不同程度的存在一些问题，安全事故时有发 生，造成的经济损失和人员伤亡事故相当严重。据不完全统计，1 9 9 4 至1 9 9 8 年期间， 我国共发生压力管道事故6 0 多起，死亡2 0 0 余人，受伤6 0 0 多人，直接经济损失7 0 0 0 余万元，因停产等因素造成的间接经济损失更我惊人。在国外，压力管道事故也屡有发 生：1 9 8 9 年，比利时一家工厂接醛塔液位指示器的一条管道因低循环疲劳在焊缝处出现 毛细裂纹，泄漏的环氧乙烷长期聚集而引起爆炸，造成的直接损失达7 7 0 0 万美元，工 厂被迫关闭两年，间接损失高达3 亿美元；1 9 9 3 年，越南广宁省一输油管道爆炸起火， 造成3 9 人死亡6 0 人受伤的严重后果。即使在经济发达的美国，在1 9 9 4 年，新泽西州 爱迪生市也发生了天然气管线损坏引起的火灾，造成1 人死亡5 0 多人受伤。因而在世 界范围内，管道的安全管理都是普遍受到高度的重视的，压力管道的维护检修更是在不 断的加强和改进。 本课题在这样的背景下，运用基于应力波理论的超声导波方法，对管道的缺陷进行 检测，从而达到确定损伤的位置和程度的目的。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 在超声导波的损伤检测领域内，国外的研究较早，且在理论和实验研究方面都处于 前列。j 【y l e i 曲拉i 和h k l i n b 【3 】研究了自由态下各向同性板中的弹性波的传播，并推导出 了该状态下板的r 丑y l e i 曲l 锄b 超越方程a l o v e 【4 】与j r 且y l e i g 2 】应用板壳理论，对应力 波在空心圆柱壳中的传播进行了分析。而l i n 【5 】爱0 在此t i i n o s h e i l k o 模型基础上上推导出 了空心圆柱中频率与波数的关系方程，并对板壳理论进行了改进。而r m c o o d c r 闱则分 析了在非轴对称波在空心圆柱壳中的传播规律，从而对板壳理论有了更进一步的完善和 补充。g h e m n a i l i l 及i m i r s k y 【6 。7 j 贝0 在考虑了扭转和剪切变形影响的前提下，进一步完 压力管道无损检测的超声导波法 善了频散方程，并给出了低阶轴对称模态下的相速度解。d c g a z i s l 9 “l 】针对板壳理论和 轴对称假设理论。提出了空心圆柱壳的平面应变理论，并计算得到频散方程。在分析了 轴对称与非轴对称模态导波的基础上，得出了空心圆柱壳和平面板中的相速度解的相似 性：当空心圆柱壳的壁厚- 内径比较大时，其解越接近p o c h 解，反之越接近l a m b 波解。 接着又完整的推导出了各项同性的无限长空心圆柱壳的弹性解，得出了超声导波纵向模 态和扭转模态在空心圆柱壳中的理论表达式，并在对其进行数值计算的过程中发现了截 止频率的存在。n a a n c n a k 踮【l2 】等发展了弹性波理论，提出了波在空心圆柱壳中传播 的多模态特征，并绘制相速度频散曲线，给出了可能存在的导波模态。英帝国理工大学 m j s l o 吧及p c a w l e y 【1 3 _ 7 l 等在前人理论发展的基础上深入研究，开发出了用于计算板 和空心圆柱壳体频散曲线的d i s p c n s e 软件，从而使导波在管道检测中的应用又向前迈进 了一大步。 实验研究方面：早在1 9 6 3 年，a h f i t c h 18 就在空心圆柱壳中迸行了实验，他激发出 了最简单的四个轴对称和非轴对称的导波模态，并得到了群速度频散髓线，该曲线与 d c g a z i s l l o 】计算得到的曲线符合的很好。m g s i l k 【1 9 等将导波理论应用于蒸汽管道的检 测。他激发出了l ( 0 ，1 ) 和l ( 0 ，2 ) 模态的导波，并将l ( o ，1 ) 模态应用于管道缺陷的检测实验， 从而肯定了超声导波技术在管道损伤检测中的可行性。同时，m v b r o o k 【2 0 】也将l ( o ，2 ) 模态的导波应用于管道损伤的检测实验，不过与m g s i u c 等人不同的是，他不是在管道 的内部激励导波，而是从管道的一端沿法线施加轴向载荷，从而激励出轴向导波。这从 不同角度表明，超声导波应用于管道的损伤检测是有效可行的。 d n _ a l l e y 1 2 1 j 应用柱状l a m b 的l ( 0 ，2 ) 模态对化工设备管道进行检测，并利用于耦 合压电传感器接收导波在焊缝、边缘以及支撑部分处反射回的导波信号，分析该信号并 与理论研究进行了比对。 y o n g m o oc h e o n g 等1 2 2 j 应用f ( m ，2 ) 和l ( o ，1 ) 导波模态对核能设备给料管道的轴向缺 陷进行了检测，说明在管道弯曲处，该模态可能会由于转变为其它的更为复杂的模态从 而对轴向缺陷更加敏感，并尝试了应用周向导波技术检测管道轴向缺陷。 p c a w l e y 等1 2 3 。2 8 】发展了超声导波检测技术，并将其应用于工厂管道的检测：应用脉 冲回波的方法在管道的一端激励超声波脉冲，并对回波的信号进行分析，通过信号返回 的时间与波幅的大小来确定缺陷信息。并对管道中的应力波反射、透射以及模式转换进 行分析，并取得了一定成果。 d n m l e y n e 【1 4 】以及m j s l o w e 【2 9 】等提出了应用l ( 0 ，2 ) 模态的导波进行检测。并对此 进行了数值模拟和实验研究，表明该模态的导波在在一定范围内相速度不随频厚积的变 化而变化，且传播速度最快，适合长距离、大范围检测，且不受传感器干湿耦合的影响。 2 大连理工大学硕士学位论文 h o o m h o p a r k l 3 0 】以及p c a w l e y 等也应用舢( 非对称零阶模态) 模态的应力波对管 道缺陷进行了检测，进行了数值模拟和实验研究，表明a o 模态对管道中存在的缺陷非 常敏感，能量损失小，对管道的大范围检测非常有效。 j o s e p hl r o s e 及x i a o l i a n gz h a o 川主要研究管道弯头处缺陷的检测，并首先采用 了“弯曲模态调节技术”，即用局部加载的办法激励弯曲导波模态，从而在提高缺陷处 的回波幅度同时显著抑制了焊缝的回波，从而收到了良好的检测效果。 在实验设备研制和改进方面，国外发展并应用了梳状传感器和相阵传感器阵列等。 1 2 2 国内研究概况 相对于国外超声导波的研究历史，国内在该领域内的研究，尤其是在超声导波的实 际应用等方面，尚处在开发探索阶段。徐新生、郭杏林【3 2 】等应用弹性波理论，讨论了应 力波在裂纹处的反射与透射规律，从而根据应力波反射时间和强度确定出裂纹的位置和 大小。并通过计算和实验表明该理论和模型在测试中是有效的。何存富、吴斌f 3 3 1 等综述 了无损检测中的超声柱面导波技术及其应用研究进展。给出了导波的频散及多模态特 征，着重评述超声导波的模式和频率的选择、导波的激励和接收方法、导波与缺陷的相 互作用、信号处理与特征提取以及导波技术在无损检测中的应用前景等。刘镇清刚对圆 管中超声导波及其在无损检测中的应用作了介绍，并给出了若干实验结果。焦敬品、何 存富等p 5 l 综述了管道超声导波检测技术及应用的研究进展，着重对超声导波技术和模态 声发射技术在管道检测中的最新应用进行了评述，并对超声导波的传播特性实验检测方 法以及数值模拟等予以概括阐述。他得安、刘镇清 3 6 】则分析了内径壁厚比和管材中较 低阶纵向导波模式波包宽度的关系。说明不同内径壁厚比的管材，检测中应当用不同 的导波模式，所用的激发脉冲周数和频厚积也应当不同。程载斌等口7 弓8 】着重说明了应力 波的传播特点、实验检测方法以及处理方法等。何存富、李隆涛f 3 9 】等在弹性力学的基础 上分析了导波在管道中传播的多模态和频散特性，通过编程数值计算了超声导波在管道 中传播时的频散曲线和各模态沿管壁的位移分布，为各种模态在管道检测中的合适应用 提供了依据。何存富、李隆涛州j 等研究了薄壁管道内周向导波的传播及其频散特性， 并通过实验验证了周向导波的频散特性与激励模态和斜探头楔形角的关系，并确定了影 响空心圆柱体中周向导波传播与频散的几何形状因素，说明在管道中是可以激励出单一 的周向导波模态的。李隆涛、何存富等【4 2 i 在弹性动力学的基础上，通过数值计算做出了 周向导波的频散曲线，并通过建立的超声导波系统，实现了对有缺陷管道的损伤检测， 说明了周向超声导波检测管道的可行性。 压力管道无损检测的超声导波法 在实验方面，北京工业大学机械与电子工程学院实验室做了非常有益的尝试，且取 得了许多宝贵的成果 大连理工大学硕士学位论文 2 压力管道的损伤及其常用的检测方法 2 1 压力管道的定义 压力管道【1 l 一指符合原劳动部1 9 9 6 年4 月颁布的压力管道安全管理与监察规定 限定的各种管道。包括最高工作压力大于等于0 1 m p a ( 表压) ，输送介质为气( 汽) 体、液化气体、可燃易爆有毒有腐蚀性或最高工作温度高于等于标准沸点的液体的管道； 输送介质最高工作压力虽低于o 1 m p a ( 表压) ，但符合g b 5 0 4 4 职业性接触毒物危害 程度分级中规定的毒性程度为极度危害介质和g b 5 0 1 6 0 石油化工企业设计防火规范 以及g b j l 6 0 建筑设计防火规范中规定的火灾危险性为甲、乙类介质的管道。 但不包括下述类型的管道： f 1 1 设备本体所属管道( 该类管道的安全管理与监察按有关规定执行) ； ( 2 ) 军事装备、交通工具上和核装置中的管道； ( 3 ) 输送无毒、不可燃、无腐蚀性气体，其管道公称直径小于1 5 0 m m ，且具最高工 作压力小于1 6 m p a 的管道； ( 4 ) 入户( 居民楼、庭院) 前的最后一道阀门之后的生活用燃气管道及热力点之后 ( 不含热力点) 的热力管道。 2 2 压力管道的分类( 级) 压力管道根据不同的特征有各种不同的分类【l 】方法： ( 1 ) 根据管道承受内压的不同可以分为：真空管道、中低压管道、高压管道、超高 压管道； ( 2 ) 根据输送介质的不同分为：蒸汽管道、燃气管道、工艺管道等； ( 3 ) 按材料分有合金钢管道、不锈钢管道、碳钢管道、有色金属管道、非金属管道 和复合材料管道等，其中又包含多种不同材料，如有色金属管道中有铜管道、铝管道等， 复合管道有金属复合管道、非金属复合管道、金属与非金属复合管道等。 原化工部在1 9 9 5 年颁布的化工企业压力管道管理规定中，将管道分为a 、b 、 c 、d 四级，如表2 1 所示。 另外，对输送g b 5 0 4 4 职业性接触毒物危害程度分级中定为极度和高度危害毒 性介质的管道，输送易燃可燃介质，工作温度大于4 5 0 。c 的合金钢和不锈钢管道、工作 温度大于3 7 0 。c 的碳素钢管道，不管压力大小都列为a 级管道；对输送甲类火灾危险气 体( 爆炸下限小于1 0 ) 介质的管道比表2 1 规定等级提升二级；对输送g b 5 0 4 4 中定 位中度危害毒性介质、乙类火灾危险气体( 爆炸下限大于等于1 0 ) 、闪点小于2 8 0 c 的 压力管道无损检测的超声导波法 易燃液体介质的管道和设计腐蚀速率大于0 2 5 唧a 的管道级别要提升一级；同一介质 按其特性( 如闪点和爆炸下限) 分列不同管道级别时，应以较高级为准。 表2 1 管道分级 t a b 2 1d e g r e eo f p i p e s 工作温度工作压力( m p a ) 管道材质 ( o c ) abcd 碳素钢 3 7 01o o4 0 “1 0 01 6 4 o1 6 合金钢及不锈钢4 5 04 o1 6 4 01 6 有色金属设计温度范围内 4 o1 6 4 o1 6 中国石油化工总公司颁布的s h 3 5 0 l 一1 9 9 7 石油化工剧毒、可燃介质管道工程施工 及验收规范将石油化工管道分为三级： s h a 类：1 毒性程度为极度危害介质管道。极度危害介质有：汞及其化合物、砷 及其无机化合物、氯乙烯、铬酸盐、重铬酸盐、黄磷、镀及其化合物、硫磷，羰基镍、 八氟异丁酸、锰及其无机化合物、氰化物；2 设计压力大于等于1 0 m p a 的s h b 级介 质管道。 s h bi 类：1 毒性程度为高度危害介质管道。高度危害介质有：高度危害介质有： 三硝基甲苯、铅及其化合物、二硫化碳、氯、丙烯腈、四氯化碳、硫化氢、甲醛、苯胺、 氟化氢、五氯酚及其钠盐、镉及其化合物、敌百虫、氯丙烯、钡及其化合物、溴甲烷、 硫酸二甲酯、金属镍、甲苯二异氰酸酯、环氧氯丙烷、砷化氢、敌敌畏、光气、氯丁二 烯、一氧化碳、硝基苯、苯；2 设计压力小于1 0 m p a 的甲类、乙类可燃气体和甲a 类 液化烃、甲b 类可燃液体介质管道；3 乙a 类可燃液体介质管道。 s h b l l 类：1 乙b 类可燃液体介质管道；2 丙类可燃液体介质管道。 这些对管道的分类( 级) ，明确了管道的性质，也为管道的设计、安装、检验、运 行、检修提供了规范，有利于提高压力管道的管理水平，保证管道运行的安全性。 2 3 压力管道的破坏形式 通常，压力管道破坏形式【l 】可分为：韧性破坏、脆性破坏、腐蚀破坏、疲劳破坏、 蠕变破坏，以及其它破坏形式。 ( 1 1 韧性破坏 韧性破坏是管道在压力的作用下管壁上产生的应力达到材料的强度极限，因而发生 断裂的一种破坏形式。发生韧性破坏的管道，其材料本身韧性一般非常好的，而破坏往 大连理工大学硕士学位论文 往是由于超压引起的。金属的韧性破坏是在大量的塑性变形后发生的，塑性变形使金属 破坏后在应力方向上留存下较大的残余伸长，表现在管道上则是直径增大( 或局部鼓胀) 和管壁的减薄，周长伸长率可达1 0 2 0 ，所以具有明显的形状改变是韧性破坏的主 要特征。 ( 2 ) 脆性破坏 脆性破坏是指管道破坏时没有发生宏观变形，破坏时的管壁应力也远未达到材料的 强度极限，有的甚至还低于屈服极限。脆性破坏往往在瞬间发生，并以极快的速度扩 展。这种破坏现象和脆性材料的破坏很相似，故称为脆性破坏。又因为它是在较低的应 力状态下发生的，故又叫作低应力破坏。脆性破坏的基本原因是材料的脆性和严重缺陷。 前者可由焊接和热处理工艺不当而引起，后者包括安装时焊缝中遗留的缺陷和使用中产 生的缺陷。此外，加载的速度、残余应力、结构的应力集中等都会加速脆断破坏的发生。 脆性破坏在破坏的形状、断口形貌等方面具有一些与韧性破裂正好相反的特征。金 属材料的脆断一般没有留下残余伸长，因此脆断后就没有明显的塑性变形，表现出宏观 的脆性性态。材料变脆形成的破坏断口，宏观上的特点是断口平齐，呈现金属光泽的结 晶状态，断口与最大主应力垂直，这与韧性断裂的纤维状斜向剪断、塑性变形大有极为 明显的区别。 f 3 1 腐蚀破坏 腐蚀破坏是由于受到内部输送物料及外部环境介质的化学或电化学作用( 也包括机 械等因素的共同作用) 而发生的破坏。腐蚀破坏形态除全面腐蚀外，尚有局部腐蚀( 点 蚀、缝隙腐蚀、焊接接头腐蚀、磨损腐蚀、冷凝液腐蚀以及涂层破损处的局部大气腐蚀) 、 应力腐蚀破裂( 碱脆、不锈钢氯离子应力腐蚀、不锈钢连多硫酸应力腐蚀破裂、硫化物 腐蚀等) 、腐蚀疲劳及氢损伤( 氢鼓泡及氢诱发阶梯裂纹、氢脆、脱碳、氢腐蚀) 。其 中危害最大的当属应力腐蚀破裂，往往在没有先兆的情况下突然发生，造成预测不到的 破坏。遭受腐蚀的管道，壁厚逐渐减薄，最后破坏。 ( 4 ) 疲劳破坏 压力管道的疲劳破坏是管道长期受到反复加压和卸压的交变载荷作用所产生的一 种破坏形式。金属在承受大小和方向都随时间发生周期性变化的交变载荷作用时，尽管 应力所产生的载荷并不大，而且往往低于材料的屈服极限，但如果长期受到这种载荷的 作用，也会发生断裂。疲劳破坏最易在两处发生：一是结构的几何的不连续处，即管道 的应力集中部位：二是存在裂纹类原始缺陷的焊缝部位。如果两种情况同时存在于处， 就极易产生疲劳破坏。疲劳破坏仍为脆性性态的破坏，断口上有明显的裂纹产生区、扩 展区和最终断裂区。 压力管道无损检测的超声导波法 ( 5 ) 蠕变破坏 在高温环境下，只要温度达到一定的程度，钢材即使受到的拉应力低于该温度下的 屈服极限温度，也会随时间的的延长而发生缓慢持续的伸长，这就是钢材的蠕变现象。 由于金属蠕变产生的破坏，成为蠕变破坏。般认为材料的使用温度不高于它的熔化温 度的2 5 3 5 ，则可不考虑蠕变影响。材料发生蠕变破坏时具有明显的塑性变形，变 形量的大小视材料的塑性而定。蠕变破坏的宏观断口呈租糙的颗粒状，无金属光泽，管 道在直径方向上有明显的变形，并伴有许多沿径向方向的小蠕变裂纹。 2 4 常用的损伤检测方法 常用的压力管道损伤的检测方法【l l 主要有：漏磁检测法、涡流检测法、电流检测法、 射线检测法以及超声检测法等。 f 1 ) 漏磁检测法 漏磁检测是一种多功能的无损检测技术，它有很高的检测速度。对于金属材料，它 不仅能提供金属材料表面缺陷的信息，还能提供材料深度的信息，且不需要耦合剂。金 属管道是电磁的良导体，利用漏磁检测技术可以检测管道的各种缺陷，如管道裂纹和管 壁的受腐蚀减薄等。漏磁检钡l 原理如下：当采用漏磁检测方法对管道的壁厚进行检测时， 由线圈产生交变磁场进入被检测管壁。此时，若被检测管壁没有受损即不存在缺陷，则 磁力线将不外溢；若被测管壁已受腐蚀减薄或者存在裂纹，部分磁力线将外溢，此时， 利用磁敏探头采集到信号，通过对信号的分析，即可得知管壁的受损情况。 漏磁检测方法也存在局限性，例如，它只限于材料表面和近表面的检测，被检测管 壁不能太厚：干扰因素多并且需要特殊的信号处理；需要存储的检测数据多，需要很大 的存储空间：另外管道中的油或水对漏磁检测仪的检测也有很大影响。漏磁检测适合于 检测管壁的细小缺陷如管壁裂纹和直径很小的腐蚀点等。 ( 2 1 涡流检测法 涡流检测法的原理是：从发射线圈发射出的电磁波的一部分从管外返回到管内，通 过其到达接收线圈时的传送时间( 发射与接收信号的相位差) 决定管的壁厚，即根据相 位差检测出腐蚀的损伤程度。这种方法广泛应用于非磁性管道探伤中。相反，如果是钢 管那样的磁性管，管道质的电磁性( 透射率等) 不均匀，就会使信号中有较大的杂音， 从而影响检测效果。遇到这种情况，通常可采用磁化式涡流法( 使管道壁达到饱和，透 磁率均匀化) 和分割式涡流法( 将线圈小型分割) 。 ( 3 ) 电流检测法 大连理工大学硕士学位论文 电流检测法的原理是：在被检表面通过一定值电流，其不同部位产生不网的电位分 布，通过测量点位分布可判断它的厚度、裂纹的深度等。根据电流检测所使用的电流， 可分为直流法和交流法两种。直流电流检测不受磁导率的影响，故检测较方便，但它必 须有稳定性能好的恒流源和低噪音、高灵敏度的放大器。交流电流检测灵明度较高，且 只需有频率稳定的振荡器，由于交流电有趋肤效应，测量电流较小，受工件形状的影响 亦较小。该检测方法不仅与电导率有关，同时还受磁导率影响，因而操作较复杂。电流 检测广泛使用于焊缝区熔合程度、管道腐蚀的检查，还用于测量裂纹深度及倾斜角。 ( 4 ) 射线检测法 射线检测法是利用射线能穿透物质，并在物质中发生能量衰减的特性来检验物质内 部缺陷的一种检测方法。射线检测方法有射线照相法、荧光屏观察法和工业x 射线电视 法等类型。工程中最常用的是射线照相法，其原理是：当射线透过管道材料内部的缺陷 时，由于缺陷( 如气孔、裂纹、非金属夹杂等) 处吸收射线的能力较差，故投射到材料 底部照相底片上相应部位的感光度较大，因此，可根据底片上的感光度鉴别出缺陷是否 存在及其外形和大小。 岱) 超声检测法 超声检测法是利用高频率的声波在不同的材料界面上能反射回来的特性来进行探 伤的，具体的检测原理在本文第三章有详细说明。本课题所采用的超声导波法就是在超 声检测法的基础上发展而来的一种新型的检测技术。 压力管道无损检测的超声导波法 3 管道中的超声导波理论 3 1 常规超声波的发射与接收 3 1 1 瑞利( r a y l e i g h ) 渡 瑞利( r a y l e i 曲) 波m 3 1 是超声波在固体介质中可能传播的一种形式，它只在厚度远 大于波长的物体表面层上传播。瑞利波传播时，介质表面层质点运动状态具有纵波和横 波的综合特性，运动轨迹为一椭圆。振幅随深度的增加衰减很快。离表面一个波长以上 的地方振动幅度己经微弱。瑞利波试件在表面上传播时，其速度c 。可以用下式表示； 巴。坚粤堕c r ( 3 1 ) j 十。 其中，c ，c 。，仃分别为横波波速，瑞利波速和材料的波松比。 瑞利波在曲面上传播时，其速度随曲面形状和曲率大小而有所不同，凸面上速度较 平面、凹面上速度偏小，当曲率半径与波长之比足够大时( 约5 0 以上) ，基本与平面 相同。 瑞利波在其传播过程中遇到表面或近表面缺陷时，部分声波在缺陷处可仍以瑞利波 的形式被反射。并沿物体表面返回，利用这种特性，瑞利波可用于探伤。 ( 1 ) 瑞利波的激励 产生瑞利波的方法较多，这里仅介绍探伤中最常用的纵波折射法。 h 斜楔p 试件 图3 1 瑞利波的激励 f i 9 3 ie x c i t 商彻o f r 丑y i e i 曲啪v e s 正如横波探伤的方法所述，当横波通过斜楔，斜入射至半无限大的固体介质表面时， 如果入射角大于第二临界角，则在第二介质中，既无纵波也无横波。在入射角口满足下 式的情况下在界面上可产生瑞利波： s i i l 口：孚 ( 3 2 ) g 一 大连理工大学硕士学位论文 其中，c ，c 。分别为透声斜楔中纵波传播速度和被检固体中瑞利波的传播速度。 用这种方法产生瑞利波的透声斜楔在检查钢材、铝材时一般均采用有机玻璃制件， 压电晶片一般是矩形的。有机玻璃的纵波传播速度约为2 6 8 0 州s ，钢中的瑞利波传播速 度约为3 2 3 0 m s ，故入射角a 约为5 6 0 。 ( 2 ) 扫描速度以及灵敏度的调整 考虑到试件与试块材质上的差异，时间基线的调整最好直接在试件上进行。 l l e 冉w 竹办w w 力 乡 图3 2 荧光屏上时间基线的标定 f 蟾3 2d e m a r c a d o no f n l e 廿m ed a t 哪! i n eo ns c r e e n 将探头垂直地对准试件的个棱边( 如图3 2 ) ，距探头前沿a m m 处，荧光屏的 时间基线上将出现棱边的反射波( 位置a ) 。将探头保持与棱边垂直向后移动至b 处， 此时棱边的反射波相应的移至位置b 处。此时基线上a 、b 两反射波的距离成正比例于 探头在试件上两位置的相距。当出现缺陷反射波时，缺陷与探头前沿的距离可从此时反 射波与棱边的距离来算出。 在瑞利波探伤中，灵敏度的调整可在带人工缺陷的试块上进行，但试块的材质、表 面粗糙度应与试件相同。 ( 3 1 缺陷的检查 不同形状的缺陷对瑞利波的反射能力有明显不同。对于暴露在表面上有尖锐棱角的 缺陷，有较大的反射能力。当棱边的曲率半径较大( 约大于5 个波长) 时，瑞利波甚至 可以全部跨越继续前进至下一个较尖锐的棱边处才反射回来。利用这一特性可用瑞利波 来定期检查机械零件背面的危险部位。此外，随着缺陷距离表面下埋藏深度的增加，反 射能力也迅速下降。 在瑞利波的探伤中，一般都采用粘度较大的机油作藕合剂。探头前的油滴应擦拭干 净，因为瑞利波在传播途径上遇到油滴会被衰减，同时尚有可能部分反射而形成反射波。 如果用沾有油的手指贴在瑞利波的反射点或按在其传播途径上，瑞利波也会立即被衰 减，用这种方法可以很容易的找到反射点，有助于判断是缺陷反射还是其他棱边的反射。 压力管道无损检测的超声导波法 铁锈、水垢以及与材料表面相接触的其他物质对瑞利波也有强烈的衰减作用或形成反射 波，故也应该清除干净。 3 1 2 兰姆( l a m b ) 波 兰姆( l a i n b ) 波【4 3 】也是一种常用的超声波检测形式，主要应用于板材缺陷的检 测l 黝b 波的传播特性取决于板的密度、弹性和组织，也受到板厚和振动频率的影响， 在检测过程中，板材的整个壁厚都在作复杂的振动。 l 蜘b 波有两种基本形式，即对称性和非对称性。这由质点相对于板的中间层作对 称性( s 型) 还是非对称性( a 型) 运动来决定。每种型式又可进一步分成具有不同 相速度c 。的若干种模式。 ( b ) 蒌 三暮参 h 1 一一j ； i 图3 3 板中l a m b 波的质点振动型式( a ) a o 模( b ) s o 模( c ) s l 模 f i g 3 t 3p a m c l ev i b r 缸i o nf o r mo f l 锄bw a v e si l lp l 砒e ( a ) m o d ea o ( b ) m o d e s o ( c ) m o d es 如果将频率板厚的乘积( ) 作为一个因子来考虑，则对于不同材料的薄板，可从材 料中的纵波和横波传播速度算得与c 。的关系曲线，如图3 4 所示。从中图中可以看 出，当薄板的厚一定时，b m b 波在板中的传播速度会随着入射频率的不同而改变，这 也是超声导波所固有的特性之一。 大连理工大学硕士学位论文 顿章扳厚f b z - ) 图3 4 a 钢板的相位速度曲线 f 4 ap h 嬲ev e l o c 时c u r v e sf o rs t c e lp l a t e 24681 0l 21 41 6 1 8 2 02 22 4 图3 4 b 钢板的群速度曲线 f i g 3 4 b 嘶u pv e l o c i t yc u r v e s i i ls t e e lp l a t e ( 1 ) 兰姆( l 锄b ) 波的激励 l 锄b 波激励采用透声斜楔以纵波斜入射法。为得到较强的发射，入射角口可由下 式确定： s 缸口= 鲁 。， 式中：q ，c 。分别为透声斜楔中纵波传播速度和在板中所激起的l 血b 波的传播 速度( 相速度) 。 斗试件 b - 晶片 c _ 斜楔 图3 5 k b 波的激励 f 培3 5e x c i 协t i o no f l 锄bw a v e s 此外，为了易于激起l a m b 波，要求激励脉冲持续时间长些，晶片尺寸大些；为使 荧光屏上显示的波型比较单一，仪器放大器的带宽要窄些。 所激起的波是否确为l a m b 波而非横波，可以用如下的方式来鉴别：将探头前沿垂 直板的边缘放置在靠近棱边处，在将探头垂直棱边后移时，注意荧光屏上板棱边的反射 回波宽度及幅度的变化。在用脉冲波激励l a m b 波时，所得l 锄b 波是由不同频率的波 组成的，由于板厚定，不同频率的波相速度不同，当探头距棱边较近时，各反射波因 i)簧霉 压力管道无损检测的超声导波法 速度不同在荧光屏时间基线上所引起的时间差不大，反射波宽度较窄；但随着探头后移 与棱边的距离增大，这种时差就会逐渐明显，反射波宽度随之变宽。此外，随着探头的 后移，棱边反射波的幅度也会变小。如激起的是横波，则当探头后移时，棱边反射波宽 度不变，幅度则作规则的跳跃式的改变，且数值变化不大，与l 锄b 波之间的区别是相 当明显的。 ( 2 ) 检测模态的选择 堡警一搬 a _ 薄l 射角( q i ) 图3 7 不同入射角的反射波幅 f i g 3 7a m p l i t u d e so f w a v e sf b rd i m 胛n ti n c i d e n c e 锄g l e s 对于某一给定材料的板材，当工作频率和板厚给定时，通过入射角的改变可在板中 得到不同模式的l 鼬b 波。模式的选择是将可变角探头按图3 6 放置，在改变入射角的 同时记录板的端面反射波的幅度，做出如图3 7 所示的关系曲线，得到可能加以利用的 几种模式。因为不同模式的波发现距离表面不同深度处缺陷的灵敏度不同，须分别再对 几种模式的波在板中传播时质点振动行为进行分析，从而选择合适的模式 ( 3 ) 缺陷的检测 在l 锄b 波传播的路径中出现缺陷时，部分能量被反射而形成反射波，其幅度与所 使用的模式、缺陷距表面的深度、缺陷近波面的形状及大小等有关。l a l b 波遇到油滴 胃雠罂螺蒜堪陋鲁 大连理1 大学硕士学位论文 或者其它附着在板面上的物体时会被衰减。因此，可用沾有油