（精密仪器及机械专业论文）超声导波技术在管道缺陷检测中的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 管道运输业在经济建设和国防工业中发挥着越来越重要的作用。维护管道安 全运行，防止管道生产事故的发生是管道工业生产和安全管理部门一项很重要的 工作。管道泄漏事故一旦发生，不仅造成大量物质损失，更为严重的是有可能带 来人身伤亡事故。管道缺陷检测是油气管道安全检测的重要方面。传统常规的检 测方法往往费时费事，而超声导波技术由于其具有检测效率高、速度快和检测管 壁整个厚度等的优势，使这项技术在长距离快速检测和管道完整性评价等方面受 到无损检测领域的广泛关注。 本文对超声导波技术应用于工业管道缺陷无损检测进行了理论和实验研究。 首先，分析了国内外超声导波无损检测技术研究现状，介绍了超声导波的基本概 念和原理；其次，详细推导了空心圆管中的导波理论，得出了空心圆管中柱面导 波频散方程，对频散曲线进行了计算，分析了空心圆管中纵波、扭转波、弯曲波 三种纵向模态导波；给出了在圆管中激励超声导波的方法，给出管道检测常用的 导波模态l ( 0 ，2 ) 和t ( 0 ，1 ) 的激发方法；分析了管道中超声导波传播特性，包括导 波的衰减特性和缺陷反射特性：在理论分析基础上，应用超声导波检测仪对管道 缺陷进行检测实验，以轴对称纵向l ( 0 ，2 ) 模态和扭转t ( 0 ，1 ) 模态导波进行检测， 实验结果与理论分析基本吻合。最后，对纵向l ( 0 ，2 ) 模态和扭转t ( 0 ，1 ) 模态导波 检测结果进行分析，表明：纵向模态和扭转模态导波检测到了全部的焊缝等特征， 对预制缺陷有回波信号，并可以较为准确的对缺陷定位；导波对周向缺陷较为敏 感，证明了应用超声导波技术对工业管道进行无损检测的可行性；对两种模态的 检测结果进行对比分析，前者的波形明显比后者复杂得多，表明纵向导波对所激 发信号的轴对称性要求更高。 关键词：超声导波管道缺陷检测无损检测 p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o nb u s i n e s sp l a y sam u c hi m p o r t a n tr o l ei nt h ee c o n o m y c o n s t r u c t i o na n dn a t i o n a ld e n e em d u s t r y k e e p i n gp i p e l i n es a f e t ya n dp r e v e n t i n g p i p e l i n e a c c i d e n t si sa n i m p o r t a n tw o r k t ot h e p i p e l i n e i n d u s t r ya n ds a f e t y m a n a g e m e n tb u r e a u i fp i p e l i n el e a k a g eh a p p e n s ，l o t so fm o n e yw o u l dl o s t , m o r e s e r i o u s l yi tm a y b ec a u s e sc a s u a l t y p i p e l i n ed e f e c t sd e t e c t i o ni sam a i nw o r ko fs a f e t y 1 i n s p e c t i o nf o ro i lo rg a sp i p e l i n e c o n v e n t i o n a li n s p e c t i o nm e t h o d sa l w a y st a k et i m e a n dt a k eal o to ft r o u b l e ，m e a n w h i l eu l t r a s o n i cg u i d e dw a v e st e c h n i q h eh a sg o o d c o m m a n do f e f f i c i e n c ya n di tc a ni n s p e c t st h ew h o l ew a l lt h i c k n e s so f p i p e t h e r e f o r e ， a sa nn d tm e t h o d ，u l t r a s o n i cg u i d e dw a v et e c h n i q u ei sp a i dm o r ea t t e n t i o ni n p i p e l i n el o n g - r a p i dt e s t i n ga n dp l a n ti n t e g r i t ym a n a g e m e n ta r e a i nt h i sp a p e r , i n d u s t r yp i p e l i n ed e f e c t sn d tu s i n gu l t r a s o n i cg u i d e dw a v e sw a s c a r r i e do u tt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y f i r s t l y , s o m em a i ns t u d i e sa n dp r o g r e s s e s i nt h i sf i e l dw e r er e v i e w e d ，a n dt h er e l a t i v et h e o r e t i c a lb a s i sw a si n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h et h e o r i e so fg u i d e dw a v ei nh o l l o wc i r c u l a rc y l i n d e rw e r ed e d u c e di nd e t a i l s t h e c h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o no f c y l i n d r i c a lg u i d e dw a v ew a so b t a i n e da n dt h ec o r r e s p o n d i n g d i s p e r s i o n c u r v e sw e r ec a l c u l a t e d a n dt h r e ec y l i n d r i c a lg u i d e dw a v e ：m o d e si n h o l l o wc i r c u l a rc y l i n d e rw e r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gl o n g i t u d e ，t o r s i o n a la n df l e x u r a l m o d e t h e ne x c i t a t i o nm e t h o di nh o l l o wc y l i n d e rw a sg i v e na n da l s ot h eu s u a lt e s t i n g m o d e sl ( 0 ，2 ) a n dt ( o ，1 ) e x c i t a t i o n t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nc y l i n d e r sw e r e a n a l y z e d ，i n c l u d i n ga t t e n u a t i o na n dr e f l e c t i o n o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ， p i p e l i n ed e f e c t sd e t e c t i o ne x p e r i m e n t su s i n g g u i d e dw a v et e s t i n gi n s t r u m e n tw a sd o n e ， a n dt h er e s u l t sa r eg r e a t l ya g r e e d w i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s f i n a l l y , t h el ( 0 ，2 ) m o d ea n dt ( 0 ，1 ) m o d et e s t i n gr e s u l t sw e r e a n a l y z e d ，i ti n d i c a t e st h a tt h el o n g i t u d e m o d ea n dt o r s i o n a lm o d ed e t e c t e da l lo ft h ew e l d sa n dt h ep r e f a bd e f e c t s ，a n dt h e p o s i t i o n sw e r el o c a l i z e d ；g u i d e dw a v ei sm o r es e n s i t i v et oc i r c u m f e r e n t i a ld e f e c t s ； c o m p a r i n gt h er e s u l t so f t h et w om o d e s ，w ek n o wt h ew a v e f o r m so f t h ef o r m e rw e r e o b v i o u s l yc o m p l i c a t e dn l a i lt h el a t t e r s t h a ti n d i c a t e sl o n g i t u d eg u i d e dw a v ec a l l sf o r m o r ea c c u r a t ea x i s y m m e t r i ce x c i t a t i o ns i g n a l s 一卫y o r es - u l t r a s o n i cg u i d e dw a v e s ，p i p e l i n e ，d e f e c t sd e t e c t i o n ，n d t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁洼盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：l 泵毫、肖、签字日期：矽一多年，月石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：豪，寿、 导师签名 澎辔j 签字目期：渺年月彳日签字目期：”年，月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 现代管道运输起始于1 9 世纪中叶。随着油气资源的开发以及能源市场的急 增，管道运输在世界范围内得到了飞速发展，已经成为国民经济的命脉，管道运 输业作为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输业之一，在经济建设和 国防工业中发挥着越来越重要的作用l l 】。比较几种运输方式，管道输送具有的特 点是：第一，大大减少转运换装环节，实现连续运输，运量大，效率高，可避免 空车返回的运力浪费，并且易于实现自动化管理；第二，管道建设投资省、见效 快、占地少，与建设同样长度的铁路相比，管道建设的周期和费用均不到铁路的 1 2 ，占地只有铁路的1 9 ，并且管道建成投产后，9 0 e 的土地可恢复使用：第三， 运输过程可实现完全密闭化，效率高、损耗低，燃料消耗是铁路的1 2 ，是公路 的1 9 ，运输消耗是铁路的1 3 ，是公路的l 2 ；第四，可适应各种复杂地形、地 貌和气候条件由于管道输送在运送气体、液体、浆体等散装物品方面所具有的 独特优势，管道工业在石油、化工、电力及天然气等行业具有不可替代的作用【2 】。 同时，和我们日常生活密切相关的城市供水、煤气系统更是极为庞大的管道网络。 随着管线事故的增多、管龄的增长，由于施工缺陷和腐蚀等问题和人为破坏 的存在，管道事故频频发生，给人们的生命、财产和生存环境造成了巨大的威胁。 因此，工业发达国家均高度重视管道检测技术的研究和开发，对在役长距离油气 输送管道实行强制性的检测，特别是对新建和老龄管道更是十分关注。目前我国 多数油气管道已经进入中老年期。为防止管道腐蚀穿孔、爆管等造成的恶性事故 的发生，我国每年用于油气管道维修的费用逐步增加。由于检测手段的制约，管 道的损伤状况多数不明，往往造成盲目开挖、盲目报废，维修缺少科学性，从而 造成人力、物力的巨大浪费。所以，发展一种经济实用、快速高效的管道检测技 术成为亟待解决的问题。 管道的缺陷可以分为三类：一、腐蚀。管道的内、外部点蚀造成的金属损失 对于有包覆层的管道，外部腐蚀是由于包覆层的缺失或损坏造成的。内部腐蚀是 由于管道存有腐蚀性的气体、固体、浆体或水造成的。二、机械破坏，包括弯曲、 变形、金属滑落等。这是由于对管道不适当的处置，比如施工填埋时失误操作等 都有可能造成机械破坏。三、制造缺陷。有几种不同的制造缺陷可以造成管线的 工作失效。最常见的一种是管道的纵向焊缝。通常，它们就像轴向和径向自然生 第一章绪论 长的裂纹一样。 为了确保安全，必须对管道的安全性进行有效的评定。且前，用于管道缺陷 检测的无损检测技术大致有五种【3 】：漏磁法、超声法、涡流法、射线法和磁粉法。 在国外长输管道检测中，广泛采用的漏磁管道检测( 漏磁通管爬机) 和超声波管 道检测法( 超声管爬机) 。一般情况下，长输油气管道智能检测系统全长3 - - 5 米， 总重1 - - 2 吨，在管道不停输的情况下借助管道内输送介质的压差推动行走，可 以检测2 0 0 多公里。它借助于高精度的漏磁或超声传感器阵列，先进的信号处理 和数据存储系统，配以精密的机械结构使它可以检测出管道内2 3 毫米的管道 壁厚变化、腐蚀坑、裂纹及应力情况，并将缺陷定位在1 米之内利用地面解释 分析设备对检测结果进行解读和分析，得出管道内各种缺陷和损失状态参量的数 据。这些常规技术的特点是逐点扫描、检测速度比较慢；同时，由于绝大部分管 道运输的是有腐蚀性的物质，工作条件非常恶劣，而且大部分工业管道都带有包 覆层使之与外界隔绝，常规无损检测需要剥离管道外包覆层，大大增加了检测成 本。并且一些技术都不能在线检测。因此利用这些技术对几万甚至几十万公里长 的管道进行有效的检测几乎是不可能的。这样就迫切需要一种新技术能够弥补常 规检测技术的不足来对管道进行经济、方便、有效的检测1 4 - 9 。 近年来发展出一种能够进行快速、长距离、大范围、相对低成本的无损检测 方法，即超声导波( u l t r a s o n i eg u i d e dw a v e s ) 技术。在固体中传播的超声导波， 由于本身的特性，沿传播路径衰减很小，所以可以克服逐点扫描法的缺点进行长 距离、大范围的缺陷检测；并且超声导波也可以在充液、带包覆层的管道中传播， 使得检测工业管道的费用大大降低。目前，对于超声导波技术的应用主要集中于 柱面超声导波的检测研究。柱面超声导波对于沿管道横向分布的缺陷有较高的灵 敏度，但对沿管道纵向分布的缺陷不敏感。因此，采用周向导波技术检测沿管道 纵向分布的缺陷是一个比较好的选择。 超声导波与传统超声波技术相比具有两个明显的优势【l o l 。首先，在构件的一 点处激励超声导波，由于导波本身的特性( 沿传播路径衰减很小) ，它可以沿构件 传播非常远的距离，最远可达几十米。接收探头所接收到的信号包含了有关激励 和接收两点间结构整体性的信息，因此超声导波技术实际上是检测了一条线，而 不是一个点另一方面，由于超声导波在管( 或板) 的内、外( 上、下) 表面和中部 都有质点的振动，声场遍及整个壁厚( 板厚) ，因此整个壁厚( 或板厚) 都可以被检 测到，这就意味着既可以检测构件的内部缺陷也可以检测构件的表面缺陷。利用 超声导波检测管道时具有快速、可靠、经济且无须剥离外包层的优点，是管道检 测新兴的和前沿的一个发展方向。同时，由于压力管道的广泛应用，管道的长距 离超声导波快速检测研究近年来受到国内外无损检测学者的极大关注。因此研究 第一章绪论 超声导波在结构中的激励、接收及应用与缺陷定位等问题，对于导波技术在工程 中的应用具有重大的意义1 1 ”。 1 2 国内外对本课题的研究历史和现状 1 2 1 国外研究历史和现状 国外对超声导波技术的研究始于二十世纪初，研究者们首先对在不同波导中 弹性波的传播特性进行了理论研究。从最开始无限介质中波的传播理论到板中导 波的传播理论，又从板中导波理论的研究到与实际应用更为接近的柱面导波的研 究。最早的工作主要是进行理论求解，6 0 年代，人们开始进行实验研究，近年 来，导波被应用到无损检测领域中，特别是对薄板和管道进行无损检测。由于超 声导波在管状结构、板材检测上的优越性，利用导波对多种类型、结构进行缺陷 检测和性能评价已经成为近年来导波检测技术研究与应用的热门话题。 一、导波的理论发展。 1 9 世纪后期2 0 世纪早期，人们开始研究弹性波在不同形状的有界波导中的 传播。通过早期的理论积累，人们逐渐开始对波在空心圆柱壳中传播感兴趣，并 通过板波理论对波在空心圆柱壳中传播进行了分析。1 9 2 3 年j g h o s h 1 2 1 首先推导 出波在空心圆柱壳中传播的线弹性解。得到了两个同轴圆柱体相套结构的频散方 程，得到纵向轴对称模态的数值解，但他没有对解的正确性进行讨论和数值分析。 d c g a z i s l l 3 1 分析了板壳理论和轴对称假设的局限性，提出了自己的线弹性 理论。他首先分析了平面应变假设条件下的空心圆柱壳，得到了频散方程。他分 析了轴对称和非轴对称模态导波。并得出了壁厚和内径比越小，圆柱壳中的弹性 解接近板中兰姆波的解的结论。后来，d c 。g a z i s i i 4 , 1 5 又完整地推导出在无限长、 各向同性的空心圆柱壳中的弹性解，得到了描述纵向模态和扭转模态导波在空心 圆柱壳中传播的理论表达式。并进行了数值计算，画出了含有许多模态的频散曲 线，得到了不同模态的截止频率。同时，他还进一步分析得出当壁厚和内径比较 大时，他的解更接3 f r p o e h a m m e r 的解，当该值比较小时，他的解更接近兰姆波的 解。后来，n a a r m e n a k 嬲【1 6 】等详细讨论了圆柱壳中的弹性波传播理论，指出波 在管线结构中传播时存在许多种模态，并且在相速度频散曲线中给出了可能出现 的模态。j j d i t r i 等【1 7 1 ( 1 9 9 2 ) 黜，导波模态的特征，如灵敏性和穿透力，很大 程度上依赖于模态出现的数量和频率。 目前，超声导波技术的理论研究主要集中在数值分析方法和信号处理技术 上。用数值分析方法对不同模式得到波进行计算机模拟，并对一些特性进行研究， 这对于研究导波特性的实验具有指导意义。利用数值模拟技术还可以研究导波与 第一章绪论 不同种类缺陷的相互作用，这主要涉及导波在缺陷处的反射和折射系数的研究， 以及导波在缺陷处的位移和能量变化。目前国际上通常采用两种数值分析方法： 有限元和边界元法。英国帝国学院理学工程系的超声无损检测组主要研究有限元 法：d n a 1 e y n e 和p c a w l e y 堪l 在研究l 锄b 波与各种深度、宽度以及不同方向刻 痕的相互作用的时候，采用了纯时域的有限元法；美国宾西法尼亚大学工程科学 和力学系的工作者对边界元法作了比较深入的研究工作：r o s e 等i l 川研究导波在板 材中的反射和透射时，利用边界元法对板表面缺陷的形状进行了分类。单纯使用 有限元法或边界元法并不是很完善，因此，一些新的混合研究方法出现了。c h o 并1 r o s e 2 0 用边界元和标准模式延伸的混合技术研究了平板边界处的l a m b t t 模式 转换以及l a m b 与表面破裂的相互作用。x z h a o 和j l r o s e 2 h 使用边界元法和标 准模式延伸技术研究波的散射，并由此来定征波导中二维缺陷的大小。他们把这 种技术应用于研究导波与平板中任意形状三维缺陷处的散射，也得到比较理想的 结果嘲。在信号处理技术方面，目前采用的主要的信号处理技术是二维快速傅立 叶变换( 2 d f f t ) 、短时傅立叶变换( s 叮) 、小波变换。上世纪9 0 年代，p c a w l e y 等【2 3 】人最早使用二维傅立叶变换的方法，成功地把多种模式重叠的信号分离开 来，并且指出，使用普通的傅立叶变换无法对信号进行处理：h y e o nj a es h i n 等例 研究了含有聚乙烯的钢管的检测，运用了短时间傅立叶变换对回波信号进行了时 频特性分析。l e y m 撕e 等【2 5 】对多种三维复合材料进行导波检测时，指出使用小波 变换和正确的滤波技术可以将不同模式分离。 二、管中导波的实验研究状况。 由于工业生产中迫切需要先进的管道无损检测技术，因此出现了将导波技术 应用于管道缺陷检测的研究。t h o m p s o n 等 2 6 将e m a t ( 电磁声传感器) 应用于蒸 汽发电机管道的裂缝检测。m gs i l l ( 和kf b a i n t o n 2 7 利用压电超声探头在蒸汽 管道中激励l ( 0 ，1 ) f t c l o ，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。m vb r o o k 等【2 s 】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。有 趣的是m gs i 墩和k eb a i n t o n 利用l ( o ，1 ) 模式导波对管道进行检测，而b r o o k 币j 用的却是l ( o ，2 ) 模式导波。这是由于不同的激励方法产生的不同的激励模式。m gs i l k 和k eb a i n t o n 是从管道内部激励导波的，而m vb r o o k ：黾从管道一端横截 面处激励导波的。这些实验证明了利用超声导波对管道检测的有效性。 英国帝国理工大学力学工程系的p c a w l e y 等 1 即 6 】发展了超声导波检测技 术，并对工厂中的管道进行了检测。他们的检测方法是利用脉冲回波法在管道的 单一位置进行检测，管壁中缺陷的位置和大小用反射波信号和到达时间来确定。 他们在进行各种实验的同时建立了有限元模型，对管道中应力波的反射、透射、 - 4 第一章绪论 模式转换等进行了分析，并取得了一定的成果。p c a w l e y 3 4 期j m a 0 ( 非对称零 阶模态) 等特殊模式的应力波对管道缺陷进行了检测，结果表明：a 0 模式对管道 中的缺陷非常敏感，l a m b 波对大结构、长钢管的缺陷或腐蚀的检测很有效。d n a l l w y n e 等 3 】提出用l ( o 2 ) 模式，因为该模式在一定的频带内，非频散，且传播速 度最快，适于长距离检测。他们还研究了同一模式导波在焊点、棱边及管中的反 射，证明了l ( 0 ，2 ) 模式在干、湿隔离的情况下都能传播，并报导了焊点、棱边对 反射系数的影响。m j s l o w e 等【3 s 】用大约7 0 k h z 的单频导波进行了管道缺陷检 测，建立反射函数来表征缺陷敏感性，并进行了数值模拟。另外，韩国原子能研 究所m o o mh op a r k 等i 3 s 悃a 0 模式l a m b 波对长钢管中的缺陷进行了检测，并进 行了有限元分析，结果表明：a o 模式l a m b 波对管中表面缺陷最为敏感，能量损 失最小，数值模拟与实验结果吻合较好。 目前，美国的j l r o s e 和x i a o l i a n gz h a o 3 9 1 已经在进行管道弯头处缺陷检测 的研究；英国的c a r i s t e g u i 、m j s l o w e 和p c a w l e y 4 0 1 在进行导波检测充液的 管道研究。 此外，利用非周轴对称模态( 在圆柱空腔内又称弯曲模态) 进行管道检测的 实验也在进行。s h i n 和r o s e 4 1 ，4 2 】采用非轴对称局部加载技术，通过控制表面加载 的条件，在管道中激励轴对称或非轴对称模态导波进行检测。 在导波的激励方式上，目前的研究工作主要集中于利用压电传感器和电磁声 传感器以及激光来激发和接收应力波。国外已经发展了在管道上周向对称激励产 生导波、利用梳状传感器在板上激励导波、利用相阵传感器阵列在管道上激励单 向导波等技术，英国p - c a w l e y 和美国的j l r o s e 分别作出了各自的用于检测的 传感器阵列。 1 2 2 国内研究历史和现状 与国外相比，国内对超声导波检测技术方面的研究起步较晚，但在相关各领 域也展开广泛研究。利用超声导波进行管道检测的理论和实验文章己见多篇报 道。 刘镇清【4 3 垛述近年来国内外在超声导波技术、声发射技术、新型超声非接触 换能方法、超声信号处理与模式识别等方面的若干研究成果，并分别在不锈钢直 管、铜弯管、工程塑料管进行了实验，得到了初步的结果。同济大学声学研究所 的他得安等【“】对导波在管中的传播特性以及管材内径与壁厚之比变化时，对导波 频散特性的影响进行了分析。何存富、吴斌等f 1 0 】综述了无损探测中的超声柱面导 波技术及其应用研究进展，着重评述了超声导波的模态和频率选择、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及导波技术在无损检 第一章绪论 测中的应用前景。焦敬品等m 蟓述了管道超声导波检测技术及其应用研究进展， 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，内 容涉及超声导波的传播特性、试验检测方法及其数值模拟等。程载斌等1 4 ”综述 了应力波检测技术及其应用研究进展，对应力波技术在管道损伤检测中的应用进 行了重点评述，主要内容涉及应力波的传播特点、实验检测方法及数据处理方法 等，并用有限元程序a n s y s 对管道纵波裂纹检测进行了数值模拟，通过对管道 一端端部周向各节点施加轴向瞬时位移载荷模拟入射导波，同端接收反射导波， 根据裂纹纵波回波信号到达时间和反射系数能较为精确地判断裂纹位置及周向 长度，但反射系数对管道轴向裂纹宽度不敏感。何存富、李隆涛等郴j 研究了薄壁 管道内周向超声导波的传播及其频散特性，并且通过对比薄壁板与薄壁管道内的 导波，找出来一个比较简便研究周向导波的方法，并通过实验验证了周向导波的 频散现象以及激励模态与斜探头楔型角的关系，并且认为在管道中可以激励出单 一的周向导波。刘增华等【4 9 】介绍了五种不同类型传感器在管道导波检测中的工作 原理、特性及应用。于海群等【5 0 l 研制了一种超声导波专用探头，用于在板中和管 中激励和接收超声导波，结果表明这种探头可以激励和接收超声导波 1 3 本课题的主要研究内容 管道作为在国民经济中担任重要作用的运输工具，维护管道的安全运行，防 止管道生产事故的发生是管道工业生产和安全管理部门一项很重要的工作。管道 泄漏事故一旦发生，不仅造成大量物质损失，泄漏的有毒化学物质还带来环境污 染，更为严重的是有可能带来人身伤亡事故。管道缺陷检测是油气管道安全检测 的重要方面。传统常规的检测方法往往费时费事，而超声导波技术由于其具有检 测效率高、速度快和检测整个厚度等的优势，使这项技术在长距离快速检测和管 道完整性评价等方面受到无损检测领域的广泛关注。超声导波检测技术作为一项 新兴的无损检测技术，涉及到力学、声学、传感技术、信号检测技术、信号处理 等多个领域。 本文在查阅大量国内外管道安全检测技术，获取先进的管道缺陷无损检测研 究成果的基础上，对新兴的管道缺陷无损检测超声导波技术进行了理论和实验研 究，取得了一定的进展。本文的主要研究内容： l 、对国内外超声导波技术应用于管道缺陷无损检测领域的研究现状进行了 分析。 2 、介绍了超声导波的基本理论，主要包括：导波相关的基本概念、导波的 频散特性以及多模态性。以指导下一步的实验工作 第一章绪论 3 、根据弹性力学理论推导了超声波在固体板中传播的频散方程，分析了兰 姆波和剪切波在板中传播的特性；详细推导了空心圆管中的导波理论，得出了空 心圆管中柱面导波频散方程，对频散曲线进行了计算，分析了空心圆管中纵波、 扭转波、弯曲波三种纵向模态导波。 4 、给出了在圆管中激励超声导波的方法，包括传感器的选择、导波模态的 选择、导波激励信号的选取以及传感器布置方式对激励导波的影响等；给出管道 检测常用的导波模态l ( o ，2 ) 和t ( 0 ，1 ) 的激发方法。 5 、分析了管道中超声导波传播特性，包括导波的衰减特性和缺陷反射特性； 介绍了管道结构和环境对超声导波管道缺陷检测结果的影响。 6 、应用超声导波检测仪对管道缺陷进行检测实验，以轴对称纵向l ( 0 力模 态和扭转t ( 0 ，1 ) 模态导波进行检测，测试了其在短距离内连续通过7 条焊缝及一 段弯管后的能量衰减情况，及其对凹槽、焊疤、支路等不同类型的缺陷的检测能 力。实验结果与理论分析基本吻合对纵向l ( o 2 ) 模态和扭转t ( 0 ，1 ) 模态导波检 测及检测结果解释，表明：纵向模态和扭转模态导波检测到了全部的焊缝等特征； 对预制缺陷有回波信号，并可以较为准确的对缺陷定位；导波对周向缺陷较为敏 感，证明了应用超声导波技术对工业管道进行无损检测的可行性。 7 、对两种模态的检测结果进行分析对比，从纵向导波和扭转导波接收的波 形图对比可知，前者的波形明显比后者复杂得多，而且在纵波检测图中出现了较 为复杂而明显的叠加现象，焊缝主信号后面尾随的振荡波较多。表明纵向导波对 所激发信号的轴对称性要求更高。 第二章超声导波基本理论 2 1 导波概念 第二章超声导波基本理论 当弹性介质内的某个部分受面力时，就会发生形变，由于这个部分同毗邻的 部分通过界面相互作用，形变状态就会传递给这毗邻的部分，而原来的部分将恢 复到初始的无形变状态，形变状态由此顺序向前移动，穿越介质，这是任何弹性 介质中声波的基本成因。在无限均匀介质中传播的波称为体波，体波有两种：一 种叫做纵波( p 波) ，一种叫做横波( s 波) ，它们以各自的特征速度传播而无波 形耦合。其中横波又分为s h 波和s v 波，它们的偏振方向一个是水平的，一个 是垂直的。 在一弹性半空间表面处，或两个弹性半空间表面处，由于介质性质的不连续 性，超声波将经受一次反射或透射而发生波形转换。随后，各种类型的反射波和 透射波及交界面波均以各自恒定的速度传播，而传播速度只与介质材料密度和弹 性性质有关。如图2 1 所示平板，当介质中有一个以上的交界面存在时，就会形 成一些具有一定厚度的“层”位于层中的超声波将要经受多次来回反射，这些 往返的波将会产生复杂的波形转换且波之间发生复杂的干涉。若一个弹性半空间 被平行于表面的另一个平面所截，从而使其厚度方向成为有界的，这就构成了一 个无限延伸的弹性平板。位于板内的纵波、横波将会在两个平行的边界上产生来 回的反射而沿平行板面的方向行进，即平行的边界制导超声波在板内传播。这样 的一个系统称为平板超声波导。在此板状波导中传播的超声波即板波或称l a m b 波。 图2 - 1 板中导波传播示意图 除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波导。其共同特性是由两 个或更多的平行界面存在而引入一个或多个特征尺寸到问题中来( 如壁厚、直径、 第= 章超声导波基本理论 厚度等) 。在波导中传播的超声波称为超声导波。 图2 - 2 能够很好地说明板中的导波皿锄b 波) 是如何激励出来并且传播的。首 先，由激励传感器发射出超声波，由于激励传感器为一斜探头，所以图2 - l 板中 导波以超声波在板 的上下表面发生不 断的反射并且向前 传播，板的上下表 面制导着超声波在 板内的传播，由此 形成了板中的导波 - - l 锄b 波。 2 2 群速度与相速度 敷励接收 图2 - 2 板中导波激励与接收 群速度与相速度是导波理论中两个最基本的概念，所谓群速度( 巳) 是指 脉冲波的包络上具有某种特性( 如幅值最大) 的点的传播速度，它是波群的能量传 播速度。通俗的说，群速度是关于一族频率相近的波的传播速度。而相速度( c ，) 是波上相位固定的一点传播方向的 传播速度 值得注意的是，导波以其群速 度向前传播。如图2 - 3 ，波形a 为 弹性波在传播一定距离时得到的一 个导波波形。波形b 为传播距离加 大了后得到的一个导波波形。比 较两图，b 图中包络明显向后移动 了一段时间 ，两个波形的等相位 点( 这里将其视为某一固定波形的 过零点) 相差的时间为r ，。在工程 上，就可以借此粗略地估计这种模 式导波在图2 - 3 所示超声波频率附 近的群速度c 。和相速度c 。为 图2 - 3 群速度与相速度关系 第二章超声导波基本理论 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 导波群速度大并不代表其相速度大；反之，导波的相速度大也不意味着其群 速度大 根据群速度经典定义气= 等以及勺= 詈有 2 羽d e o2 壶2 丧 ) 利用m = 2 a f ，第三个等式可以写作 c ； 旷石丢 ( 2 4 ) 这就是群速度与相速度的关系。其中：勺为群速度，勺为相速度，为频 率厚度积，为导波的频率，d 为测试件的厚度。对于板而言，d 为板的厚度； 而对于圆管，d 为管的壁厚。 2 3 导波的多模态性及频散现象 体波和导波最大的区别就在于导波是频散的，而且在一定的频率有不只一种 模态。这些导波的特性取决于加载条件和波导的形状。比如，图2 - 4 中所示铝板 的频散曲线。在图2 4 中我们可以看出导波的相速度随着频率变化。所有的兰姆 波模态可以根据各种模态的质点位移分布分为对称( s ) 和非对称( a ) 两种。 一一k = = 气 勺 第二章超声导波基本理论 t d c m h z m m ) 图2 - 4 铝板中兰姆波的相速度频散曲线 从图2 - 4 中可以看出，在任一频率厚度积下至少存在两个以上的导波模态， 并且随着频率厚度积的增加导波模态数迅速增加，这就是导波的多模态现象。多 模态的存在使得问题更加复杂在低频厚积的情况下至少存在两个模态，并且随 着频厚积的增长，会产生更多的模态。即使激励了单模态的超声导波，在边界或 其他不连续处( 如缺陷) 也要发生模态转换。因此，接收到的信号通常包含两个或 两个以上的模态，进行多模态的信号处理是必然的。 当超声导波在板、杆或管道等波导中传播时，由于受到波导几何尺寸的影响， 使得在波导中传播的超声波的速度依赖其频率，从而导致超声波的几何弥散，也 就是说，导波中相速度随频率的不同而改变，这种现象称之为频散现象。频散分 为物理频散和几何频散，物理频散是由材料本身的物理性质决定( 如非线性效应 等) ，几何频散则是由于波导几何尺寸的影响。 在实际激励某种模态的导波的过程中，通常是取5 1 0 周期的单音频信号加 窗调制，这样发出的激励信号就是以单音频信号为中心频率的一族频率不同的信 号各个频率的信号以不同的速度在波导中传播，这就意味着信号的形状将随信 号传播距离的变化而变化。通常是随着传播距离的增加时域变宽。如果频散现象 严重，信号的幅度将迅速衰减，能量分散在时域空间上。信号变宽为分析有用的 信号带来了很大的困难，幅度的减小降低了检测的灵敏度，使信号的特征提取与 识别变得很困难。 第二章超声导波基本理论 图2 - 5 频散现象示意图 图2 5 所示为一厚度为2 7 6 m m 钢板中0 4 m h z 的a 2 模态导波传播5 0 m m 、 1 0 0 m m 后的结果，激励信号为1 0 个周期的单音频加h a r m i n g 窗调制信号，可以 看出，由于频散现象严重，信号在经过1 0 0 r a m 后时域宽度明显增j j n 目- 幅度明显 减小。 2 4 板中的波 2 4 1 板中的l a m b 波 体波与导波的根本区别在于：体波在介质体内传播，所以其远离边界。然而， 波的传播却常常以反射与折射的形式与边界发生相互作用，且发生纵波与横波间 的模态转换。尽管体波和导波有本质上的区别，但它们受同一组偏微分波动方程 控制，在数学上两者的主要区别是：对于体波，所得到的解无需满足边界条件； 与此相反，导波问题的解在满足控制方程的同时必须满足实际的边界条件。 第二章超声导波基本理论 z 图2 - 6 自由板几何示惹图 一个常见的波导是横向尺寸非常大的薄平板。在各向同性的固体自由板中， 如图2 - 6 所示，沿z 轴方向传播的声波模式称为l a m b 波。这个波实际上是板内 纵波和s v 波相对于z 轴斜向运行，因而在上下板面不断受到反射而组合。根据 波的反射理论，一般地，纵波的反射波会被反射成纵波加s v 波，而s v 波会被 反射成s v 波加纵波，即反射的纵波和s v 波是“耦合”的。当板内的纵波向前 传播时在z 轴方向上的波数七。与s v 波在z 轴方向上的波数i 。相等时，板中纵 波与s v 波相互作用会形成共振，这便是兰姆波的物理模型。通常将置于空气或 真空中板内的兰姆波称为兰姆波，将置于液体中板内的兰姆波称为漏兰姆波。真 空中板内兰姆波的能量在理论上不会向板外扩散，但漏兰姆波则因板周围是液 体，其能量会不断向外泄漏，造成这种形式导波随传播距离增大而显著衰减。这 里我们主要讨论的是前者。 根据h e l m h o l t z 原理，如将位移向量分解，根据弹性理论可得两个分离的波 动方程。对于自由板( 如图2 6 ) 平面应变问题，有 害+ 窘= 吉害a t出2 缸2c ； 2 害+ 窖a x = 专2 睾钯2 2 “a 2 控制纵波 控制横波 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 其中吒和唧分别为材料的纵波波速和横波波速，而声和妒分别是同纵波和横波 有关的势函数。假设上式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 的解的形式如下： 第二章超声导波基本理论 = 中g ) c x p 她一耐) 】 妒= w ( x ) c x p i ( k z 一耐) 】 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 注意到这些解代表z 方向的行波和x 方向的驻波。另外，它还代表了沿板方向传 播的波以及在横向固定分布的扰动。 将这些假设的解代入公式( 2 - 5 ) 和( 2 - 6 ) ，可以得到未知函数中和l 壬，的控制方 程 o = 4 s i i l 缸) + 4c o s ( p x )( 2 9 ) 甲= 置s i l l + 垦c o s 鳓( 2 - 1 0 ) 式中 p 2 = 等名9 2 - 争七2 有了这些结果，就可以将它们代入位移和应力方程，得到位移和应力的表达 式。分析可知位移场和应力场就是含有以x 为宗量的s i n ( 或c o s ) 函数，s i n ( 或 c o s ) 函数为关于x = 0 的奇( 或偶) 函数。我们把解分成两组模态，对称模态和 反对称模态。特别是z 方向的位移，如果位移批，中包含余弦项，则运动是( 关于 板的中面) 对称的，如果甜：中包含正弦项，则运动为反对称的。x 方向的位移正 好与之相反，所以我们把板中传播的模态分为两种，即： 对称模态 熬q1=b1sin(qxsin(qx)co瓤s(qx)w=x s i n ( p x ) = t - 2 i k p & - q s i n ( q x ) 。缸卜， i “= 吃；比如c o s 协) + 口马 l、 = 一鹏一拖bs 岫( 曰0 f 。1 7 吒 s i i l + 忙22 hl 吒= 以仁2 + p 2 kc o s o 功一2 b 2 4 c o s 缸) + 哟岛c o s 缸刈 反对称模态 第二章超声导波基本理论 一v=b2 cos(qx)=b2 c o s ( q x = i k 4s i n ( p x ) q b 2 s i n ( q x ) i 证缸卜， i = 叱 一 i、 w = 略= 硝c o s 一鸩c o s f p ” = 【2 嘞呜c o s 慨) + 仁2 一9 2 波c o s 缸) 】l d 二= 五( 七2 + p 2 h sn ( 神一2 b 2 4 s i i l ( 神一编g 岛s i l l 缸刈 这里和五分别为l a m e 常数。 对于对称模态，波结构沿板厚对于是甜对称的，对于1 ，是反对称的；另一方 面，对于反对称模态，波结构沿板厚对于w 是对称的，而对于甜是反对称的。 边界条件为 口k 2 a k 蛩x 2 h ，分别代入公式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 。对于对称模 【2 吒2 u ，z 。- 疗 态( s ) ，边界条件将给出关于4 ，丑的齐次方程组；对于反对称模式( a ) ，边 界条件给出关于4 、岛的齐次方程组。对于齐次方程组，令系数矩阵的行列式 为零，以得到非平凡解。经适当的变换推导，可得到频散方程【5 l 】 渊一尚 丽t a n ( q h ) 一幽4 k 2 p q 对称模态 反对称模态 ( 2 - 1 钔 ( 2 - i s ) 式中p 和g 如公式( 2 一1 1 ) 定义，波数k = 兰。以上就是著名的r a y l e i g h - l a m b 频率 勺 方程。这些方程可以确定特定频率厚度积( 2 乃或f a ) 的波