（材料学专业论文）管道焊区裂纹缺陷的超声导波检测研究.pdf

u l t r a s o n i cg u i d e dw a v e si n p i p e s ，a p p r o p r i a t et r a n s m i s s i o nm o d ea n d e x c i t a t i o n s i g n a l w e r es e l e c t e da n ds i m u l a t i o nr e s e a r c hi nt h e p r o p a g a t i o no fg u i d e dw a v ei nd a m a g e dp i p e w a sd e a l tw i t hu s i n g a n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e c r a c ka n dw e l dw e r ei n c l u d e d r e s p e c t i v e l y i nt h ep i p e t h ek i n do fw e l dc o n s i s t e do ft h ec h a n g eo f e l a s t i cm o d u l u sa n d d e n s i t y o fs o m el o c a la r e ai nt h e p i p e a f t e r p r o c e s s i n gt h es i g n a l sf r o mt h ed a m a g e ，r e l a t i o n sb e t w e e nt h es i g n a l s a n dt h e i n t e n s i t y o ft h e d a m a g ew e r ef i n a l l y o b t a i n e d t h i s p a p e r e x p l o r e dt h ea b i l i t yo fd e t e c t i n gc r a c ka n dw e l di no n es t r u c t u r e j i a n gx i u j u a n ( m a t e r i a ls c i e n c e ) d i r e c t e db yp r o f x uh o n g k e y w o r d s ：p i p e ，g u i d e dw a v e ，w e l d ，n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o n 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 研究背景：1 1 2 国内外超声导波研究现状3 1 2 1 国外超声导波研究现状3 1 2 2 国内超声导波研究现状6 1 2 3 研究方法6 1 3 本文的主要工作。8 第二章超声导波及其频散特性9 2 1 超声导波的基本概念9 2 1 1 群速度和相速度9 2 1 2 频散现象1 0 2 2 频散曲线的求解1 1 2 2 ，基本理论1 1 2 2 2 板中的导波问题1 1 2 2 3 弹性空心圆柱体中的纵向导波1 2 2 3 超声导波在管道中的激励和接收1 4 2 3d 、结1 6 第三章管道损伤的数值模拟17 3 1 有限元方法和a n s y s 简介1 7 3 2 损伤模拟具体参数的设定1 7 3 2 1 检测原理及其验证1 8 3 2 2 单元的选择1 9 3 2 3 激励信号的选取2 0 3 3 导波模态的选取2 2 3 4d 、结：1 2 第四章含有裂纹管道的模拟研究2 4 4 1 模型的建立2 4 4 2 裂纹损伤的定位及其损伤程度研究2 5 4 - 3 结果分析与探讨2 6 4 4 对检测结果的f f t 信号处理2 7 4 5d 、坌吉2 8 华北电力大学硕士学位论文 第五章含有焊缝管道的数值模拟研究2 9 5 1 焊缝形状和尺寸的确定。2 9 5 2 焊缝处突起和角度大小对其回波的影响3 2 5 3 焊缝损伤数值模拟研究3 3 5 3 1 焊缝处弹性模量变化数值模拟研究。3 4 5 3 2 焊缝处密度变化数值模拟研究3 6 5 4d 、结3 8 第六章结论3 9 6 1 论文工作总结3 9 6 2 未来工作意见4 0 参考文献4 l 致j 谢4 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 7 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章引言弟一早j l 目 随着科学技术的进步，尤其是机械制造业的高速发展，管道在航空航天领域， 船舶领域，汽车工业以及压力锅炉和大型化工容器等方面均有广泛的应用。和我们 日常生活密切相关的城市供水系统，煤气系统更是极为庞大的管道系统。据统计， 目前，全球有长达数千万公里的各类在役管道，以北美地区为例，现有的油气管道 总长5 0 万公里，仅更换1 0 的费用就能可达5 0 亿美元【1 1 。而经济可靠的检测技术 可以大幅度减少更换管道的数量。延长那些虽已到服务期限但仍安然无恙的管道的 使用期限，将带来十分可观的经济效益。而在我国，在役长距离油气输送管道总长 达两万公里左右，随着西部大开发战略的实施、东南沿海地区油田的开发以及城市 成品油、供水、煤气等供给系统的扩展，我国的管道运输业还将得到蓬勃发展。相 关资料显示，我国正在兴建和拟建的管道也有近万公里，油气集输管网，炼厂，城 市管网累计达数十万公里。但是随着管线的增多，管龄的增长，以及不可避免的腐 蚀、磨损等自然或者人为损坏等原因，管道泄漏事故频繁发生，给人们的生命财产 和生产环境造成巨大的威胁【2 1 。实际上，我国现有的长距离油气输送管线已有7 0 进入了事故多发期1 3 ，4 】，而且由于输送管线穿越地域广阔，服役环境复杂，位置隐蔽， 一旦发生失效破坏，就会危及生产，甚至引起火灾，中度，爆炸等恶性事故，导致 人身伤亡等灾害，对环境也会造成很大的破坏，带来巨大的经济损失。除了石化管 道以外，在我国8 3 以上的电力是由火力发电厂提供的【5 1 。火力发电厂在基建安装 时，成千上万的管子或者管道的焊接接头需要检测。一台3 0 0 m w 机组的锅炉本体 就有1 万多个管子焊接接头，为保证锅炉的安全运行，要求1 0 0 探伤，可见其检 测工作量之大1 5 ，6 j 。另外，还有众多的供热机组，随着老机组服役时间的增长，以及 新装机组参数的增高等，给热力设备的安全经济运行和维护带来许多新问题。据统 计，热力设备事故中锅炉占6 0 ，其中管道破损事故占锅炉事故的6 5 ，可见，如 何防患于未然，搞好管道检测工作已成为当务之急。同时，自来水管网泄露的检测 和维修是城市给水工程的重要环节，而地下水管网泄漏的情况更是国内外都非常普 遍的问题。我国一些小城镇供水管网中水量净漏失率有的达到1 4 1 7 l ，一些陈旧的 给水系统的泄露量甚至多达5 0 ，远远超过了国际要求城市漏失率控制在6 以下 的标准：在国际上，据国际给水协会( i w s a ) 1 9 9 7 年的调查报告表明，管网泄漏 量占给水系统的2 0 3 0 i 引。所以对管网进行在线检测和评估，在其发生事故之前 提前预防其损伤，对保证社会生产生活以及保护人民的生命财产具有很大的实际意 义。 】 华北电力大学硕士学位论文 管材在成型或服役过程中产生的缺陷可分类如下。材料缺陷：砂眼，周期性重 皮现象，内渗豆；几何形态的畸变：如凹陷，椭圆化，受力不均引发的几何变形： 金属损耗：如腐蚀，机械损伤，脱层，脱粘；开裂性损伤；如疲劳性断裂，应力腐 蚀裂纹，壁厚减薄；含体积型缺陷，如未焊透，夹渣，气孔。尽管破坏原因多样， 但是最终的破坏形式都是开裂失效，从而造成破坏性事故。故及时发现管道缺陷并 尽可能准确地确定管道损伤位置是实时监测管道运行的主要任务之一。为了防止管 道发生事故，迫切的需要对量大面广的在用工业压力管道进行在线检测，安全评估 和寿命预测。 目前的损伤检测方法大体上可分为两类，有损伤检测和无损伤检测1 9 1 。由于有 损伤检测会造成结构的局部破坏，故在实际应用中受到限制。无损检测方法具有简 便易行、测试效率高等优点。在结构损伤检测中应用较广。目前应用于管道无损检 测的方法【1 0 j 包括有超声检测，射线检测，涡流检测，磁粉检测及渗透检测，也即常 说的五大常规无损检测技术。此外，还包括微波检测技术，激光检测技术，红外检 测技术等非常规检测技术。在管道缺陷检测中，超声检测是目前公认的最有效也是 发展最成熟的常规无损检测技术之一，与其他常规检测相比具有明显的优势【1 1 , 1 2 l 。 由于超声波在固体材料中的传播特性与材料的弹性特性、材料的微观结构密切相 关，因此提取和分析构件中传播的超声信息，就可评估其结构和性能。同时超声波 在弹性介质中传播距离远，属性好，因此可用于大型构件的检测。超声检测对于裂 纹等危险性缺陷的检测能力远高于x 射线等检测方法。加上其他的有利条件，使超 声检测成为目前常规探伤和测厚的重要手段。如国际上比较流行的超声管爬机【8 1 。 管爬机是利用管道机器人进入管道内部进行损伤检测的一种仪器，可以在管道输送 介质的驱动下，在线检测出管道上存在的各种缺陷，为管道事故的预防及管道的合 理维护提供了科学的依据。超声波检测器在管内运行时由检测器探头发射的超声波 分别在管内外表面反射后被探测器探头接收。检测器的数据处理单元便可通过计算 探头接收到的两组反射波的时间差乘以超声波传播的速度，得出管道的实际壁厚。 但是由于超声波的传导必须依靠液体介质，且容易被蜡吸收，而我国气管线或者石 油管道结蜡很厚，每次检测都需要清洗，从而导致检测精度的降低。另一类管爬机 是漏磁管爬机【8 j ，应用漏磁检测技术。它的工作原理是利用自身携带的磁性，在管 壁全圆周上产生一个纵向磁回路场。如果管壁没有缺陷，则磁力线囿于管壁之内， 均匀分布。若管内壁或者外壁有缺陷，则磁通路变窄，磁力线发生变形，部分磁力 线还将穿出管壁之外而产生的所谓漏磁。漏磁场被位于两磁极之间的、紧贴管壁的 探头检测到，并产生相应的感应信号，这些信号经过滤波、放大、模数转换等处理 后被记录到检测器的海量存储器中，检测完成后，再通过专用软件对数据进行回放 处理、识别判断。漏磁管爬机虽然不受蜡片的影响，但是其检测精度不如超声管爬 2 华北电力大学硕士学伊论文 机高。对裂缝等轴向缺陷不敏感，同时它是间接检测壁厚的方法，结果有欠直观。 以上各种检测技术都各有所优，同时弱点也很明显。由于工程结构和环境的复 杂性使得上述方法在具体的环境和结构上应用比较适合，但是不能广泛使用。有些 是局部损伤检测方法，需要预先知道损伤大概位置作为先决条件。有些需要结构的 某些功能停止使用，无法实施，将会带来很大的经济损失，故选择和开辟新的实用 性管道检测方法十分必要。 用常规的超声检测技术检测管道，必须进行逐点扫描，速度慢，对于工业上应 用的几万公里长的管道而言，是根本不可能的。同时绝大多数的运行管道的工作条 件都非常恶劣，因此工业管道一般都有外包层，而常规的超声检测必须要求除去外 包层再检测。带来的问题是，首先费用昂贵，其次是不利于在线检测。在结构的一 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) ，其可以沿构件 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 接受两点间结构整体性的信息。因此，这种技术实际上是检测一条线，而非一点。 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( 板厚) 都能被检测到，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。以上就是超声导波 与传统超声波相比所具有的优势。利用超声导波检测管道具有快速、可靠、经济且 无须剥离外包层的特点，是管道检测新兴的发展方向。同时由于管道部件的广泛应 用，其长距离超声导波检测研究近年来受到了无损检测学者的极大关注。因此研究 超声导波对缺陷的定位及其信息的识别和分析具有重要的学术意义和应用前景。 1 2 国内外超声导波研究现状 1 2 1 国外超声导波研究现状 早在2 0 世纪初期，研究者们就发起了对弹性波在不同形状的有界波导中的传 播特性的研究。 ( 1 ) 板中的导波 l a m b 波是1 9 1 7 年英国力学家h l a m b 按平板自由边界条件求解的波动方程时 得到了特殊的波动解而发现的【”j 。它是一种在厚度和激励声波波长相同数量级的声 波导中( 如金属薄板) 由纵波和横波合成的一种应力波。在板型结构内传播的导波 成为板波，当板的上下界面在力学上自由时，板波就叫l a m b 波。它是一种在薄板 中由于板的上下界面对的存在，声波在其中不断被反射并相互干涉，最终在厚度方 向上形成驻波，而在板的延伸方向形成l a m b 波的传播。l a m b 波是超声无损检测最 常见的一种导波形式。它在不同厚度及不同激励频率下会产生不同的传播模式。它 3 华北电力大学硕士学位论文 有对称l a m b 波和反对称l a m b 波两种形式。前者是指薄板中质点的振动对称于板 的中心面，上下两面相应质点振动水平分量相同，而垂直分量相反。后者是指质点 振动不对称于板的中心面，上下面相应质点振动垂直分量相同，水平分量相反，且 在薄板的中心面上，质点以横波形式振动。2 0 世纪4 0 年代末，美国人e a f i r e s t o n e 首先将l a m b 波应用于薄板检测。几乎与此同时，美国通用电器的d c w o r l t o n 提出 铝和锆的频散曲线的模式特征可以应用于材料无损检测【1 4 , 1 5 l ，w o l t e n 也于1 9 5 7 年 研究了l a m b 波与板上的薄层缺陷的相互作用【1 6 , 1 7 l ，首次讨论和l a m b 快速检测缺 陷的可能性。j r a y l e i g h l l 8 j 和h l a m b 研究了各向同性状态下的各向同性板中弹性波 的传播，并推导出了该状态下的板的r a y l e i g h l a m b 超越方程。俄罗斯科学家 v i k t o r o v i a t 2 u j 于1 9 6 7 年研究了表面波和l a m b 波的波动机理和基本物理特性，并 出版了一本关于r a l e i g h 波和l a m b 波的专著。突破性的进展是d f b a l l 和 d s h e w r i n g 在1 9 7 6 年成功的利用l a m b 波检测到了薄板中的缺陷。英国学者a l l e y n e 和c a w l e y l 2 1 1 不但研究了l a m b 波和板中缺陷的相互作用，同时还分析了模态转换现 象，提出了模态选择的推荐值和应用超声导波检测的一些技术。 ( 2 ) 管中的导波 管道的形状较矩形板等复杂很多，导致其频散方程也较为复杂。c c h r e e l 2 2 1 研 究了弹性波在无限长圆柱杆中的传播。a l o v e 2 3 1 和j r a y l e i g h 1 8 】利用板壳理论分析 了波在空心圆柱中的传播。l i n 等利用板壳理论，建立了t i m o s h e n k o 模型，推导出 波在空心圆柱壳中轴对称传播时频率与波数之间的关系，并对频散方程进行了修正 【1 4 】。在1 9 2 3 年，g h o s h l 2 4 j 推导出了空心圆柱壳中传播的线弹性解，并进一步得到 了两个同轴圆柱体相套结构的频散方程，d c g a z i s l 2 5 , 2 6 l 于1 9 5 9 年对圆柱空腔中波 在三维方向上的传播做了深入研究。推导了理论模型的两种模态( 纵向拉伸波和扭 转波) 。并通过数值计算，得到恶劣含有许多模态的频散曲线及不同模态的截止频 率。他们的研究为管道中导波的传播特性以及导波在工业中的应用奠定了良好的理 论基础。1 9 6 9 年n a a m e n a k a s 【2 7 】等详细讨论了圆柱壳中的弹性传播理论，进一步 深化了g a z i s 的理论。s i l k 和b a i n t o n 1 9 j 运用弹性应力波在介质中传播时遇强间断会 出现特定的反射和透射等力学特性，首先实现了在蒸汽管道中激励l ( 0 ，1 ) ( 管道内部 激励导波) 和u 0 ，2 ) ( 管道横截面激励导波) 模态的超声导波，并开展了相关的裂纹检 测实验，证实了超声导波技术对管道损伤检测的可行性和有效性。b r o o k 等【2 8 l 于1 9 9 0 年也证明了轴向导波，即l ( o ，2 ) 模态对管道进行检测的可行性。d i t r i 等【2 9 】于1 9 9 2 年又进一步提出了导波模态的特征，并指出它们的灵敏性和穿透力，很大程度上取 决于模态出现的频率和数量。a l l e y n e 和l o w e 等【3 0 l 通过实验证实了纵向导波在 7 0 3 6 0 k h z 的中心频率下群速度最快，频散最小，并对空管道中沿纵向传播导波的 三种模态进行利率由内研究和数值计算。l a f l e u r 和k w u n 还对充液管道中纵向模态 4 华北电力大学硕士学位论文 的传播特性进行了理论和实验研究，结果表明，充液管道的频散曲线表现为空管和 液体频散曲线的耦合，若充液管内导波在类似于空管l ( 0 ，2 ) 的分支模态的部分传播 时频散最小，且与空管中导波传播形态相似。a r i s t e g u i 3 1 j 随后研究环绕不同液体的 充液管道，分析液体粘性因素对管道中导波传播特性的影响。 此外，m b r o o k1 3 2 l ，以及m j s l o w e 等【3 3 3 4 】人得到了化工管道中柱面l a m b 波 传播的群速度频散曲线，进而描绘出柱面l a m b 波在低频情况下与板波在相应模式 上传播特性的相似性，并指明在世纪检测中对单一模式波的选择和激励1 3 引。同时他 还和d n a l l e y n e 等人1 3 6 j 对柱面导波在管道上对于圆周凹槽缺陷检测的应用进行了 实验研究，确定了导波在管道缺陷检测上的有效性。宾夕法尼亚大学机械工程系的 j o s e p hl r o s e 教授以及他的研究小组一直致力于本领域的研究。他提到，在管中， 如果其壁厚远远小于管的直径，同时波长远远小于壁厚或者与壁厚相当时，我们可 以用l a m b 波的某些特性近似表征其声场分布，从而在计算空心管道相速度时可以 得到简化。 ( 3 ) 对不同结构部件及不同材料特性的表征 关于导波在不同波导结构中的应用，已经有很多学者进行了相关的研究。下面 分别对弯头以及具有不同横截面积的条状结构中的导波研究进行举例。 在管道的弯头对导波传播影响方面，美国宾夕法尼亚大学的j o s e p hl r o s e 及其 小组【3 8 l 研究较为深入。他们最初给出了管中由于弯头的存在而产生的导波的频散曲 线的变化。同时英国帝国理工大学的d e m m a 博士1 3 9 j 也给出了管道中弯头对导波传 播的影响。他不但计算了频散曲线还用实验进行了相关的验证，给出了一般化的结 果。前者与后者在弯曲部分建模部分不甚相同，故分别应用不同的弯曲管道情况下。 日本的h i d e on i s h i n o 等【4 0 j 将激光超声系统和小波变换结合，研究了不同弯曲程度 的弯管中的频散现象，给出了很详细的结果，并且对后人的研究奠定了一定的理论 和实验基础。在研究具有不同横截面积的条状结构的导波传播方面( 包括方型，矩 形，以及铁轨等不规则形状) ，t a k a h i r oh a y a s h i 计算了导波在这些波导中的频散特 性和波的结构【4 1 , 4 2 , 4 3 】( 即径向位移分布) ，并给出了详尽的理论基础和实验验证。 由于导波的速度随材料的特性变化十分显著，故可以用其变化来预测材料以及 服役部件的某些特性的变动【4 4 1 。如材料弹性模量的局部变化和部件所经受的载荷的 变化等。英国b r i s t o l 大学的p a u l dw i l c o x 4 5 j 用有限元方法模拟了具有轴向载荷的 波导中的导波的频散特性。同时得出，在一定的频厚积范围内，导波速度( 包括群 速度和相速度) 会与应变之间呈线性关系，并且经分析得到两个速度变化大小相等， 只是正负号不同，即当相速度增加时，群速度正好呈等量的减少。同时指出，对于 扭转模态以及频率增加时所产生的模态，导波的速度对于应力变化便不是很敏感。 瑞士的d a n i e lg s e l l 4 6 】也全面的给出了在各向异性材料中( 铝管和炭纤维加强管) 弹 5 华北电力大学硕士学位论文 性波的理论，并成功的将数值方法和实验结合确定了材料的有效弹性模量的各个分 量，奠定了导波和材料弹性特性之间关系的基础。在数值分析的过程中，还应用了 傅立叶变换和矩阵束分析方法，给后人的研究提供了理论帮助。 1 2 2 国内超声导波研究现状 国内超声导波技术的研究起步较晚。徐新生、郭杏林1 4 7 l 等应用弹性波理论，讨 论了应力波在裂纹处的反射和投射规律，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。刘镇清 等介绍了板中和圆管导波及其特性，并给出了l a m b 波在板厚范围内的振动位移变 化和它的激励方法，为该波形在无损检测中的有效应用奠定了基础【4 8 , 4 9 l 。徐可北【5 0 】 和刘镇清【5 1 】还分别用实验方法对l a m b 的传播进行了探索。严萍和朱哲民对各向异 性板材中的l a m b 波传播进行了研究，推导出了各向异性薄板中有对称液层负载时 版中l a m b 波的传播的对称和反对称方程。周正干、冯海伟【2 l 综述了超声导波检测 技术的研究进展，介绍导波在不同材料和结构中的频散特性及与之相关的理论成 果。从导波的结构出发，分析了导波在介质中能量与位移的分布。论述了导波检测技 术领域中数值分析方法和信号处理方面的一些新技术。北京工业大学的何存富 5 2 , 5 3 , 5 4 】在本领域所做的研究可以说是国内超声导波无损检测的前沿人物，在理论和 实验上都给超声导波的应用奠定了坚实的基础。他得安【5 5 , 5 6 】等综合了导波模式在管 壁中的位移、应力和总能量密度分布信息，实现了导波中心频率的优化选取，指 出了管材内径和壁厚的变化会影响管道中的模式行为。 程载斌，王志华，马宏伟等利用a n s y s 有限元程序对管道纵波裂纹检测进行 了数值模拟，利用脉冲回波法精确地判断裂纹位置和周向长度，但是对裂纹的宽度 不敏感。励争等利用周向导波，实现管道内部径向裂纹的损伤检测，并利用l s d y n a 显式算法可以对壳单元进行横向积分的技术特点，模拟了含横向变形的不同深度下 径向机械性损伤裂纹的超声导波检测。吴斌和刘增华等就充液管的导波传播特性和 缺陷检测进行理论和实验研究，通过对比空管和充液管的导波传播特性的差异，确 定了管道缺陷检测的最优模态。 1 2 3 研究方法 英国帝国理工学院机械工程系的无损检测小组主要使用有限元法，美国宾夕法 尼亚大学工程系的超声导波实验室对边界元方法做了比较深入的研究。边界元方法 主要是将材料表面离散化，从而使问题减少了一个维度。而有限元是将该区域的各 个部分都离散化，相对工作量更大，但是却由于现存的商业化软件比较成熟而得到 了众多学者的青睐。l o w em j s 等利用有限元方法对管道中的函数建立了几种模式 6 华北电力大学硕士学位论文 的反射函数，而l j r o s e 7 】在研究导波在板材中的反射和透射时，利用边界元法对 板材表面缺陷的形状进行了分类。日本东京理工大学的a g u a n w a n 5 8 j 等人用边界元 法计算了多种具有不同横截面积的条状结构中的频散特性，并给出了详细的理论基 础和重要的结论。然而，并非有限元方法和边界元法完全分离。将二者结合将是更 好的选择，即混合元分析。c h o 5 9 j 等用混合元边界法研究了导波随着材料连续性的 变化而导致的模态转换问题。k a r i mm r 等研究l a m b 波在乎板中裂纹处散射时使用 ，了混合有限元方法和简正模态展开法，而简正模态展开法师有限元法和边界元法与 其他一些技术的结合。在国内，他得安也提出了用有限元法和边界元法结合研究不 同区域的缺陷。半解析有限元方法在近期得到了很大的发展。尤其是美国的j o s e p h l r o s e 和日本的t a k a h i r o h a y a s h i j 等人的研究在半解析有限元方面做出了巨大的 贡献。半解析有限元在板中是将壁厚方向分层，即离散，而对于直管道来说，半解 析有限元方法就是将导波在圆周方向的传播用正交函数来代替，那么管道的横截面 可以看作离散单元的积分。因此我们可以发现半解析有限元方法由于其计算维数比 有限元方法少，并且可以简化复杂的几何模型，从而大大提高了计算速度。i v a n b a r t o l i 等人1 6 l j 还将半解析有限元法应用于具有线粘弹性阻尼的材料中，给出了详细 的频散特性，并且在各向同性板，粘弹性的铁轨和空心圆柱进行了数值模拟。 利用超声导波进行无损检测首要应该解决的问题便是频散曲线的确定。当前两 款比较成熟的导波频散曲线计算软件为英国帝国理工学院的p c a w l e y 和l o w e 等开 发的d i s p e r s e 软件和l j r o s e 等开发的z a n l y 软件。这两款软件可以计算超声 导波在平板、圆柱体等较规则几何中传播的频散曲线。同时还可以模拟这些条件下 波导介质在不同方向的位移、应力、应变和能量等特征物理量的分布情况。商业软 件为超声导波无损检测技术的广泛应用提供了一个良好的平台。 为了更好的应用超声导波进行构件的缺陷检测，需要引入信号处理技术。对信 号的处理能更好的识别损伤。实际中接收到的导波信号会由于其模态转换等特点并 不能直接应用而需要对其进行处理。为了更好的获得我们需要的信号，并对缺陷进 行定量的识别，分类等，通常需要一些信号处理方法。常用的信号处理技术有傅立 叶变换，小波变换以及人工神经网络等方法。这里主要介绍神经网络与有限元技术， 傅立叶变换和小波变换结合的应用。 r c c s i l v a 等人【6 2 j 将神经网络与有限元结合，对多处腐蚀缺陷联合的情况进行 了研究，其有限元模拟结果虽然没有进行实验验证，但是却证明了神经网络在识别 缺陷领域的不可估量的作用。 通常来讲，只要正确的对神经网的输入信号进行处理，并且对网络进行训练， 就可以用此网络对次缺陷进行人工识别。从2 0 世纪8 0 年代以来，已经有很多学者 对其进行应用。有些还将其和小波分析结合，完成了自动识别的功能。意大利的 7 华北电力大学硕士学位论文 a l e s s a n d r af a n n i 等人【6 3 l 做了很多的工作，首先他利用数值方法模拟并激励了扭转模 态的导波，并用有限元方法建立模型，其次将得到的回波信号用二维傅立叶变换主 元分析法来减少维度，并最终提取特征。为了更好地控制神经网络的大小，他将特 征进一步处理，在保证没有信息损失的情况下，利用正向输送，多层感知器等得到 缺陷的大小和位置，完成了研究的最终目的。此项工作很是繁琐复杂，但是其结果 对于实际应用以及后人的研究却是相当有意义的。 加利福尼亚大学的i v a nb a r t o l i 等人【“】将小波变换和神经网络技术结合，并对 具有不同缺陷大小和位置的空心钢管道进行了实验研究，成功的完成了缺陷的自动 识别能力。他在理论分析时成功应用了半解析有限元方法对管道进行建模。与上述 a l c s s a n d r af a n n i 等人的工作不同的是他实现了自动识别能力，并且进行实验应用了 轴对称导波“o ，2 ) 模态。 1 3 本文的主要工作 在前人的理论基础之上，本文根据超声导波在管道中的频散曲线确定了激发导 波的模态和中心频率，同时验证了h a n n i n g 窗调制的l o 个周期的窄带信号是最 优的选择。 确定了激励信号之后，本文首先对只含有裂纹的管道进行了损伤的数值模拟研 究，得到了一定的规律，其次本文对只含有焊缝的管道进行了研究，在研究初始， 首先通过多次模拟试验确定了焊缝的形状和尺寸，然后对焊缝的两个表现形式：弹 性模量和密度的变化进行了模拟研究，得到了单一因素变化时导波的传播规律。 8 华北电力大学硕 第二章超声导波 2 1 超声导波的基本概念 三维无限均匀固体中自由传播的波称为 横波。当固体参数固定时，他们以各自的特定的速度无耦合传播。假设均匀固体是 有边界的，例如上下表面为无限延伸的平面( 交界面以外为真空) ，则形成了无限 大板状波导，且该波导在力学上是自由的。当体波在波导中传播，在上下交界面处将 发生反射，反射后体波的特性只取决于固体弹性常数而同波动本身性质无关。当固 体弹性特征没有变化时，体波将沿上下界面不断的反射，而沿着波导的方向传播， 这就形成了超声导波。也即，当普通超声波的传播介质被局限在棒状、管状、板状 的边界内，边界对超声波产生反复不断的反射，这样就形成了看似新的超声波类型， 这种特殊的超声波就叫做超声导波( g u i d e dw a v e ) 6 5 】。实际上导波也是纵波和横波 等基本类型的超声波以各种方式组合而成的。导波主要分为圆柱体中的导波以及板 中的s h 波、s v 波、l a m b 波( 置于空气或者真空中班内的l a m b ，其能量在理论上 不向板外扩散) 和漏l a m b ( 置于液体中板内的l a m b 波) 等。一些导波问题已经被 解决。如r a y l e i g h 波，l a m b 波和s t o n e l y 波。r a y l e i g h 波是版无限固体表面上的自 由波，在边界上应力为零，且随波深度而衰减。而l a m b 波是在自由板中产生的的 平面应变波，在板的上下表面应力为零。随着波的入射角和频率的改变，在每一点 上都产生不同的模态结构。超声导波的主要特性包括其速度和频散现象。 2 1 1 群速度和相速度 群速度( c g ) 是关于一族频率相近的波的传速，表现形式就是信号包络线上 幅值最大的一点的传播速度，它也是能量的传播速度。而相速度( c p ) 是波上固定一 点沿传播方向的传播速度。二者的定义式如下： c = a t o a k q t o k ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 其中w 是波的频率，k 是波数( 通常定义为波长的倒数) ，比较( 2 1 ) ，( 2 2 ) 式， 可得二者的关系如下： c = q + 七鲁 9 ( 2 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 利用w = 2 p f 也可将其关系改写为： ，q 叫 c p 叱，】- l 协4 ， ( 2 4 ) 式中，d 是频厚积，注意到当c p 关于f d 的导数为零时，c p g 。而且当c p 关 于五的导数趋于无穷大时( 即在截至频率处) ，g 趋于零。 从频谱的观点研究相速度和群速度，可分为以下三种情况： ( 1 ) 当c g c p 时，将发生经典( 正常) 频散，即起源于波群后面，向前移行，直 至消失； ( 2 ) 当q = c p 时，不发生频散； ( 3 ) 当g 呵_c口一oc一口c母_jcogo口母勺3篁一ci暑：lo o 一苛叱 华北电力大学硕士学位论文 e 不变e = 2 e 1 1 p a ，b = 4 m m p 变化 1 0 5 5 5 3 1 焊缝处弹性模量变化数值模拟研究 外力的作用会产生形变，形变主要包括弹性形变和塑性形变，对于固体来说， 其弹性形变又可以分为纵向、切向、弯曲和扭转，材料学中就用杨氏模量，又称弹 性模量，来表征材料纵向抵抗形变的能力。它定义为应力和应变的比值，e 越大， 表示使它发生一定相对形变所需要的单位横截面上的作用力也越大。 本部分分析焊缝存在使局部材料发生变化的一个方面，即弹性模量的变化对反 射回波的影响。分别对e 2 = 1 6 e l l 、1 7 e l l 、1 8 e l l 、1 9 e l l 、2 1 e l l 、2 2 e l l p a 的焊 缝进行模拟研究。任取其中四组数据，其结果如图5 1 0 a ，图5 1 0 b ，图5 1 0 c ，图 5 1 0 d 所示。 图5 1 0 ae w = - 2 0 时的时程曲线 3 4 3 5 华北电力大学硕七学位论文 5 - ，- 3 ， 嚣一 、主2 、1 0 4 、- 主 i - j，iv 、l一758 o 2 0 o 5 巾 o - 0 o 0 00 0 50 1 0 0 1 5o 2 0 e w ( ) 图5 - 1 1r w 随e w 的变化情况图5 - 1 2r e 随e w 的变化情况 图5 1 1 、5 1 2 分别给出了焊缝处回波幅值比r w 和管道末端回波幅值比r e 与 弹性模量变化量e w 的关系。 图5 1 1 结果表明，弹性模量与母体相差的越大，回波越大，同时焊缝处弹性模 量与母体弹性模量差值的绝对值一定时，弹性模量的回波值是近似相同的，说明超 声导波在通过有弹性模量变化的构件时，与变大变小无关，而只与界面左右的差值 有关，并且其反射能量与此变化量呈现典型的线性关系。 图5 1 2 结果表明，管道末端回波变化不明显，r e 都在5 8 与6 0 之间，且没 有明显的关系。值得说明的是，其中e w 对应零时，r e 也为零。并不在曲线上。 5 3 2 焊缝处密度变化数值模拟研究 焊缝处的密度变化是常见的。在材料方面，如果是异种焊接材料，则必有密度 差，同时若焊缝焊接过程中由于操作不当很容易产生各种空隙，同样导致密度的局 部变化。这里只考虑密度均匀变化的情况。本部分对密度分别为母体密度的9 0 ， 9 5 ，1 0 5 ，1 1 0 进行了对比模拟实验。其中任意两组数据结果如图5 1 3 和图5 1 4 所示。 3 6 华北电力大学硕士学位论文 ； 。 i 。 。 - 。 l i 。 i 。 -三 o 0 1 刮i 几li6 o 言0 5 训 0 , 0 0 卜 mo - 0 1 j o * 嘶劢 叫l f 皇 o o 到。 1 1 o ； 。 e o o 争 吞- 0 5 0 20 4 - 0 6o b 1 01 2 t i m e ( 1 畦3 时 图5 1 3p w = 一1 0 时的时程曲线 言0 5 ； 。 一 。 i 。 。 i 0 0 0 5刈 w l j| 1卜 i l 。 j m 0 0 0 0 刚 三 占 - 0 0 0 5 崔0 o 纠 耻 - 。j 5 。_ 。o 曩5 。5 。 1 吨、f f 。 ，盘 。三 o j - o 口 屯 考一0 5 1 - 01 2 缝处仍然存在至少两个 薹 、_ 7匕 、 、 、- o 1 0 - o 0 ) o0 0 50 1 0 _ o - 。由k 0 i3 00 0 5 0 1 0 p w禺)nw 图5 一1 5r w 随pw 的变化情况 3 7 图5 1 6r e 随pw 的变化情况 华北电力大学硕士学位论文 图5 1 5 和图5 1 6 分别是焊缝处回波幅值比r w 与管道末端回波幅值比r e 同密 度变化量p w 之间的关系。 ； 图5 1 5 表明，密度与母体差别越大，焊缝处回波幅值越大，同时，随着焊缝处 密度与母体差值的绝对值一定时，回波是相同的。本部分算例的结果得到了很好的 结果。从图5 1 5 中显示的斜率看，考虑焊缝对整体构件的影响时，密度影响能力要 稍小于弹性模量影响的能力。 图5 1 6 表明，随着焊缝处密度的增加，管道末端回波的幅值成规则线性下降。 但是同样相当微弱，只是局限于5 8 2 与5 9 3 之间，进一步说明了密度的影响能 力小于弹性模量的影响能力。 一 5 4 小结 本章对分别含有焊缝的管道进行了数值模拟研究。在管道端壁施加轴向位移来 模拟初始信号，对管道进行瞬态分析，取其时间历程曲线即可利用脉冲回波法对缺 陷进行定位。同时在分析各种参数对结果的影响时采用了敏感度分析法。 在焊缝的检测时，通过测试模拟实验首先确定了焊缝的形状和尺寸。其次对焊 缝的两种单一的表现形式：a 、弹性模量；b 、密度分别进行了数值模拟研究。结果 发现，弹性模量和密度的变化都导致了局部应力波的反射，并伴随着微弱的模态反 射，同时都与变化两呈正比关系。其中弹性模量的变化能引起波形更大的变化。 综合裂纹与焊缝的数值模拟结果发现，超声导波对于裂纹的敏感度要远远高于 对于局部焊缝的敏感度。 3 8 华= l 相对于传统的超声波检测技 一快速、大范围无损检测的特点引 态和频散特性，人们对于导波与多种形状、性能的部件的作用机制以及与不同类型 界面和缺陷的反应机理认识尚不完善。故本文利用超声导波法对管道的损伤进行检 测，旨在更好的认识超声导波与管道损伤的关系并能为实际工作带来指导。 6 1 论文工作总结 本文对管道中存在不同类型、不同尺寸损伤进行了模拟研究，分别包括裂纹、 焊缝、焊缝裂纹共同存在等三种情况。在损伤检测时，在管道端壁施加轴向位移模 拟入射l ( 0 ，2 ) 模态波，通过函数形式加载，对损伤管道进行了完全法的瞬态分析。 最终通过观测监测点的位移时程曲线来对损伤进行判断。利用脉冲回波法对损伤进 行定位，并得到了回波信号幅值与损伤程度之间的关系。主要结论如下： ( 1 ) 在对管道损伤进行定位时，可以选择使用脉冲回波法，它可以很精确的定位 所存在异相界面的位置。通过模拟实验发现，导波激励信号在中心频率为7 0 k h z 时， 选取h a n n i n g 窗调制的l o 个周期的激励信号明显要优于其他情况，5 个周期的和 1 5 个周期的都由于频散现象太严重而不能很好的应用。 ( 2 ) 在确定焊缝的形状时，发现材料几何形状的变化可以引起比局部弹性模量变 化更大的波形，说明纵向超声导波对于几何形状的敏感度远远高于对于局部弹性模 量的变化的敏感度，同时也可以作为管道损伤初期模拟的依据。 ( 3 ) 纵向导波检测裂纹时，通过裂纹径向深度扩展后导波的变化趋势可以发现， 随着裂纹深度的增加，裂纹处的回波波形呈线性增加，同时管道末端回波线性减弱。 可以作为裂纹尺寸确定的一个依据。而纵向导波对裂纹沿管道轴向的长度变化不敏 感。 ( 4 ) 焊缝的存在在物理特性方面可以表现为两种形式：局部弹性模量的变化和密 度的变化。弹性模量的变化可以使导波有更大的波动，而密度则相对不明显，然而 二者与裂纹相比，却更是微不足道。通过提取精确数据，发现，尽管微弱，却并不 是没有，且发现弹性模量的变化与密度的变化均能引起回波线性的增加或者减弱。 结果证明，回波的大小只与焊缝处弹性模量或者密度相对于母体管道的变化量有 关，而与绝对大小无关。 3 9 华北电力大学硕士学位论文 6 2 未来工作意见 超声导波检测管道损伤时- f 交叉学科，它融合了数学，力学、声学、材料学、 振动以及信号处理等方面的知识，本文对此方面做了一定的研究，得到了一些有益 的结论，但是还有许多方面值得更深入的研究。 一 首先，在裂纹损伤时，可以选择合适的模态和合适的模型来检测非轴对称裂纹。 在应用同种模态时，可以考虑各种形态的焊缝所产生的导波的回波信号，同时除了 通过弹性模量和密度的变化来表征焊缝之外，