基于导波理论的管道缺陷成像研究

第2 1 卷第3 期 2 0 0 6 年 9 月 数 据 采 集 与 处 理 J o u r n a l o f Da t a Ac q u i s i t i o n P r o c e s s i n g Vo 1 2 1 NO 3 Se p 2 00 6 文章编 号 1 0 0 4 9 0 3 7 2 0 0 6 0 3 0 3 4 5 0 5 基于导波理论的管道缺陷成像研究 吴 斌 邓 菲 何存 富 李隆涛 J g 京工业大学机 电学 院 北 京 1 0 0 0 2 2 摘要 在 导波传播理论 和频散 波形预 测理论 的基础 上 研 究 了超声导波在检测管道 时 如何利 用时域 波形重构缺 陷图像的 问题 由于根据导波检测理论可 以获得在任意 时间管道表 面任意位置 的波 形信 息 而且管道上缺 陷的 存在 直接 影响导波信号 的幅值 并被 包含在 回波信 号 中为传感 器接 收 所 以通过 对接 收信 号进行相应 的处理便 可预测缺 陷处 的波形 用以成像 针对 管道 中的单通孔人工缺 陷和轴 向位置不 同的双槽 形人工缺 陷 利用非轴对 称 端面加 载的传感 器激励 L 0 2 模 态导波进行检 测 通过 改变传感 器周向位置 获得 一组检 测信号 以实现缺 陷 形 状 的成 像 成 像 结 果 不 仅 能 反 映 缺 陷 的 类 型 还 能 实现 缺 陷在 轴 向和 周 向 的二 维 定位 对 轴 向 双 缺 陷的 定 位 取 决 于 时 间参 数 的选 择 关键词 缺陷成像 超 声导波理论 无损检测 波形预测 中图分类号 TN8 2 文献标识码 A De f e c t Pi p e I ma g i n g Ba s e d o n Gu i d e d W a v e Te c h ni qu e Wu Bi n De n g Fe i He Cu n f u Li Lo n g t a o Co l l e ge of M e c h a ni c al Eng i ne e r i ng a nd Appl i e d El e c t r o n i c Te c h n o l o g y B e i j i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y B e i j i n g 1 0 0 0 2 2 Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d on t h e ul t r a s o ni c g ui de d wa v e t e c hni qu e a n d t h e d i s pe r s i v e wa v e f o r m p r e di c t i o n me t ho d a me t ho d ab o ut h ow t o i ma g e d e f e c t s i n pi pe s i s pr e s e n t e d Ac c o r di n g t o t he gu i d e d wa ve t e c h ni q u e t h e di s pl a c e me nt of gu i d e d wav e p r o pa g a t i on a t a n a r bi t r a r y t i me an d p o i nt o n t h e s ur f a c e o f a pi p e i s d e s c r i b e d De f e c t i n pi p e a l wa y s a f f e c t s t he a mpl i t ud e of t h e gui de d wa v e s i gn a l an d t he r e f l e c t i o n s i g na l s i n c l ud i ng t h e s e a f f e c t s c a n b e r e c e i v e d b y a s p e c i a l t r a ns du c e r I n t hi s p a p e r a n o n a x i s s y mme t r y e n d l o a di n g t r a n s d uc e r i s us e d t o g e n er a t e a n O 2 mo d e a n d r e c e i v e i t s e c h o a t o ne e nd of t he pi pe By r ot a t i n g t h i s t r a n s d uc e r t hr o ug h a s p e c i f i c s pa c e i n t h e c i r c umf e r e nt i a l di r e c t i on t we nt y f ou r s i g na l s a r e r e c e i v e d f or i ma g i ng a n d l o c a t i n g de f e c t s Exp e r i me nt pr o v e s t h a t i t i s e f f e c t i v e t o i ma g e an d r e c og ni z e de f e c t s i n t wo ki nd s of p i p e s i nc l u di n g a on e h ol e d p i pe a n d a t wo p a r t i al l y c i r c u m f e r e n t i a l n ot c he d p i pe us i ng t h e pr e s e nt e d me t h o d Ke y wo r d s d e f e c t i ma g i n g ul t r a s o ni c gui d e d wa v e t e c hni qu e no n de s t r uc t i v e t e s t i n g wav e f or m p r e di c t i on 超声无损检测技术是现代工业领域 中不可缺 少的检测手段之一 常规的超声无损检测采用逐点 扫描的方法 能够较好实现缺陷的成像 但它费时 费钱 不适合检测大型结构 超声导波具有沿传播 路径衰减小 传播距离远的特点 在检测信号中还 可以包含从激励点到接收点间的整体信息 非常适 合长距离管道的缺陷检测l j 受到广泛关注 在 以往 的长距 离管 道导 波缺 陷检测 的研究 中 文献 2 6 的研究集 中在 以下方面 设计传感器 利 用导波的频散和多模态特性 通过对检测信号的分 析识别其中的缺陷回波 并进一步计算缺陷在管道 轴向的大致位置 对于某一特定形状缺陷 通过改 基金项 目 国家 自然科学基金 1 0 2 7 2 0 0 7 1 0 3 7 2 0 0 9 6 0 4 0 4 0 1 7 资助项 目 北京市 自然科学基金 4 0 5 2 0 0 8 资助 项 目 北 京市教委 KZ 2 0 0 5 1 0 0 0 5 0 0 4 K M2 0 0 3 1 0 0 0 5 0 1 2 资助项 目 收稿 日期 2 0 0 5 1 1 0 2 修订 日期 2 0 0 6 0 1 1 1 维普资讯 3 4 6 数 据 采 集 与 处 理 第 2 1卷 变其 中的某 些 参 数 分 析对 信 号 造成 的影 响 包括 模态 转换 衰减 等 进 而推 算缺 陷尺 寸等 但 关 于获 取未知缺陷的形状 尺寸等具体信息的方法还有待 深入研究 文献F 7 3 分析了非轴对称端面传感器作 用下 的管 状结 构 中缺 陷导波 检测 的纵 向 横 向定位 问题 文献 8 则通过在管道周 向分布 的若 干 E MAT传感器 接收 T 0 1 模态的缺陷回波信号 进行孑 L 状缺陷的成像研究 本文利用非轴对称端面 加 载的传感器激励 L 0 2 模态 导波进行 缺陷检 测 针对 管道 中 的单通孑 L 人 工缺 陷和轴 向位 置不 同 的双槽形人工缺陷的成像和定位问题进行了研究 1 波形预测理论 根据导波传播理论 空心圆柱体表面任一点的 位移场是由 种模态的导波叠加而成 该点位移在 圆柱坐标 系中可表 示 为 u O aT A w e x p i 0 ik 叫 i oo t 1 式 中 A 叫 与 k 叫 分 别对 应 为第 种模态 导 波的 幅频谱 和波 数 将空 心圆柱体横截 面按 圆周方 向进 行 等 分 则 在 一0 处 位移 表示 为 f O k r o d O J 0 一0 o Z ro A 叫 e x p i 0 i k 一 iw t 2 式 中 0 一 2 v N r 为 管 道 外 径 一 f 一 O 1 2 s i n n 0 2 I 声U 通过对 t 乘以加权项 e x p 一i n E 0 后 即可实 现 导波多模 态 的分离 提取 出第 种模 态 在 z 一0 处对 应 的位移 值 为 一r A 叫 e x p i 一 E 0 i k 叫 一 l o o t 3 对 k求 和得 ex t 5 一r o 4 r A e x p i k 叫 一 i o o t 按照文献E 6 3 的频散补偿理论 若对第 z 种模 态在 处 的位移 乘以 e x p i 志 叫 一 项 后 可 预 测 在 处 第 种 模 态 的 位移值 e X t t e x p i k 一 r o A 叫 u e x p i k 叫 一 i o o t 一 由式 2 5 可得 一 t e x p i n 0 6 按照这个波形预测理论 若实验可以获得近似 单一模态的导波时域信 号 对之进行傅 里叶变换 后 再乘以预测加权项即可得到在位移 处的 波 形情 况 通 过对 圆周 方 向 个 检 测信 号 的变 换 及综 合 即可 获得 在 任 意位 置 的空 间 预测 波 形 图 正是因为缺陷的存在会对激励的导波信号振 幅产 生影响 并且这种影响将被包含在缺陷回波信号中 为 接 收传 感 器 接 收 所 以若 时 间参 数取 激 励 导 波 由缺陷处传播到接收传感器所需时间值时 即可得 到缺陷处 的波形成像 图 2 实验研究 2 1 实验装置 导 波 的频 散 和多 模 态 特性 决 定 了在 任何 给 定 的频率下 至少存在两种以上不同的群速度传播的 模 态 为 了在实验 中获得 近 似单一 模态 的导 波时 域信号 一方面要选择合适 的激励信号 通过窗函 数的作用使激励信号的能量更加集中 以避免严重 的频散现象 另一方面选择适 当的传感器 激励 出 对 缺 陷敏 感 且频 散 现 象甚 微 的导 波 模态 最 后 要 选 择合 适 的激 励频 率 尽量 避 免多 模态 混叠 的 情 况 本文 采用 的导 波实验 装 置如 图 1 所 示 首 先 由 函数 发 生器 HP 3 3 1 2 0 A 产生 特 定 频率 的 经 Ha n n i n g窗调制的 1 0 个周期单音频信号 经由功率放 芝 图 1 实验装置示意图 维普资讯 第 3 期 吴斌 等 基 于导波理论 的管道缺 陷成 像研 究 3 4 7 大器 Ul t r a 一 2 0 2 0 和信号转换装 置作用 于管道一 端 的传 感器 上 超 声 导波 的端 面 回波 缺 陷 回波经 过 传感 器 信 号转 换 装 置 为数 字 示波 器 所 接 收 通 过计算机完成对接收信号的处理 从而实现缺陷的 成像 一 般情况下 大量空心抽油杆在工作一段时间 后将会堆积在检测场所 这就决定了常用的表面作 用载荷方式的传感器不便于安装 而采用端面安置 传感器的形式将能有效地解决这一困难 为解决油 田中 空 心抽 油 杆 的检 测 并 考 虑到 L 0 2 模态 导 波在相 当宽的频带 内都具有频散小 传播速度较 快 对 缺 陷较 敏 感 的特 点 本 文 实 验 选 择 9 0 的压 电环作为传感器 用端面加载的方式在管道中激励 出 L 0 2 模 态导 波用 于检测 2 2 管道单孔缺陷 实验试件 为一外直径 7 0 0 mm 厚 3 5 mm 长 2 5 4 4 mm 的钢 管 在距 管 道一端 1 5 m 处 加工 一 个 直径 为 1 mm 的通 孔人 工缺 陷 如 图 2所 示 采 用 9 0 环状 传感 器 以端 面 加载 方式 主要激 励 L 0 2 模态导波信号 传感器沿管道的端面以 1 5 为间隔旋转一周 采集 2 4个检测波形 圆周的起始 位 置 0 记 录点 为 传感 器 中心 弧 点 与缺 陷 同一母 线 的位 置 图 2 孔缺陷检测示意图 记录点 根 据 该 管 道 对 应 的 群 速 度 C 频 散 曲线 图 3 实验选取 2 0 0 3 0 0 k Hz的频率范 围进行导波 实验 结果表明在 2 4 0 2 5 0 k Hz的频率范围内回 波信号 幅度 最大 所 以本文 选择 2 5 0 k Hz的 回波 信 号进行管道缺陷的成像研究 图4为在 0 记录点采 集到 的 2 5 0 k Hz 下 检测波 形 图 图中可 以明显 看 出 缺陷回波与端面 回波 计算检测到的回波信号速 度 并 与频 散 曲线 进 行 对 比 可 以验证 激 励 的 主要 模态为 L 0 2 随着传感器中心弧点与缺陷之间 的偏转夹角的增大 缺 陷回波信号强度将 逐渐减 弱 在夹角达到 1 8 0 时衰减到最小值 几乎无法分 辨 图 3 外 径 7 0 mm 厚 3 5 mm钢 管群速度 频散 曲线 0 1 0 0 0 5 g 0 一 0 0 5 0 1 0 缺陷回波 端面回波 J J l h L l I 一 一 1 t m s 图 4 管道单通孔导波缺陷检测时域信号 0 实验获得的 2 4个检测波形信号首先被进行时 域分析 提取检测信号 中缺陷回波的峰值对应时 间 并对 2 4个信号求平均为 2 8 2 z m 这就是波形 预测时所需要 的时间参数 然后按照频散 曲线取 得 L 0 2 模 态 在 频 率 为 2 5 0 k Hz时 的速 度值 为 5 3 0 3 4 2 m ms 计算位移参数 z为 1 4 9 5 mm 虽然导 波具 有频散 和 多模 态特性 但 是在上 述实 验 中可以近似地将缺陷回波信号简化为仅 由L 0 2 模态构成 所以这可以被看作是导波多模态分离后 的结果 当这些信号被按照旋转角度进行空间组合 后 利 用 F F T 变换 到频 域 并计算 该 频率 范 围内随 频率变化而变化的的波数值 对应管道波数一 频率 频 散 曲线 如 图 5所示 然后 按 照 前 述波 形 预测 理 论 对频 域 信 号 乘 以加 权 项 e x p i k z 即 可获得在缺陷位置的波形成像 图 如图 6 所示 虽 然在 1 5 0 0 mm 位置处仍存在许多干扰信号对判 读造成一定的影响 但从图中高亮部分仍能明显看 到J J L 缺 陷成像 其所处位置圆周角为 0 轴 向距 离为 1 4 9 7 mm 实 际距离 1 5 0 0 mm 均 与实 际情 况相 符 2 3 管道双槽缺 陷 进行双槽缺陷成像研究时采用的试件为如图 维普资讯 3 4 8 数 据 采 集 与 处 理 第 2 1 卷 N 受 援 波数 图 5 管道波数一 频率频散 曲线 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 轴向距离 m 图 6 管道单通孔缺陷成像 7 所 示 的空 心抽 油杆 空心抽 油 杆长 3 0 8 0 mm 布 有 传 感 器 一 端 的 外 径 为 7 3 8 6 mm 壁 厚 为 5 5 mm 分别加工两个与空心抽油杆的轴线垂直 的槽 型人 工 缺陷 于空 心抽 油杆 表 面 其 中缺 陷1 距 离传 感 器一端 2 1 9 2 mm 缺 陷 2距离 传感 器一端 2 4 4 2 mm 缺陷 1 周 向宽 1 5 mm 径 向深 1 mm 缺 陷 2周 向宽 1 0 mm 径 向深 1 mm 两缺 陷间 圆周夹 角 为 1 5 仍然采用 9 0 传感器沿空心抽油杆端面间 隔 1 5 旋 转 3 6 0 并 采 集 检 测 波 形 圆 周 的起 始 位 置为传感器中心弧点同缺陷 1同一母线的位置 本文将空心抽油杆简化为一空心圆柱体 因此 可 以计 算 相 应 的外 径 7 3 8 6 mm 厚 5 5 mm 的钢 管群速度频散曲线 根据频散曲线 选择 2 O 0 3 1 0 k Hz的频率 范 围进 行缺 陷检 测实验 并选 取 缺陷 回 波明显 幅值较大的 2 5 0 k Hz 下 的检测信号 同样 按照前述方法进行缺陷成像处理 时间参数为 1 2 8 t L m 该频率下波速为 5 0 2 4 0 8 m ms 位移参数为 6 4 3 mm 0 记录点的检测信号时域波形如图 8所 示 成像结果显示 如图 9 所示 从图 9 可以看出 双槽缺陷成像明显 其中缺 陷 1所 处位置 圆周角为 0 轴 向距 离为 6 4 2 mm 实际距 离 6 3 8 mm 缺 陷 2所 处 位置 圆周 角 为 0 实际 圆周 角为 1 5 轴 向距离 为 8 1 4 mm 实 际距 离 8 8 8 mm 对于缺 陷 1 基本能准确再现它在抽 油杆轴向和周 向的位置 而对于缺陷 2的定位与实 际位置还有误差 另外 由图中可以看出 槽形缺陷 圆 周 宽 度 近 似 为 1 4圆 周 远 大 于 实 际 尺 寸 1 5 mm 所以缺陷的成像尺寸与实际尺寸不吻 输 图 7 空心抽油杆缺陷检测示意 图 t ms 图 8 管道双槽导波缺 陷检测时域信号 谜 援 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 轴 向距离 m 管道双槽缺陷成像 O 会 l l i 会 O 会 5 9 O 图 O 维普资讯 第 3 期 吴斌 等 基于导波理论 的管道缺陷成像研 究 3 4 9 合的问题还有待继续研究 在缺陷成像过程 中 造成上述情况的原因主要 包括以下几点 1 9 0 非轴对称端面加载的传感器 在管道中主要激发 的是 L O 2 模态导波 但同时 还会 激发 出 F 5 1 和 F 7 2 模 态口 而 在 进行 信号处理时却将它简化为只包含 L 0 2 模态 2 缺陷 1距离传感器要比缺陷 2 距离传感器近 因此 反射回波的衰减前者要 比后者小 所以对于信号能 量的反映也更加接近实际 3 从传感器端所发 出 的信号在到达第 1个缺陷的时候会有一部分能量 发生反射 还有一部分能量再继续 向前传播 到达 第 2 个缺陷时再部分发生反射 因此这种能量的消 耗也会对成像结果造成影 响 4 在成像理论中只 有一个由时域信号 中缺陷波包到达时间决定的时 间参数 因此根据波形预测理论 它能较好地实现 该时间点对应位置的缺陷成像和定位 而对于轴 向 多缺 陷 的情况仍 存 在 问题 3 结 论 缺陷成像 日益成为导波检测技术中急待解决 的问题 本文在导波传播理论和频散波形预测理论 的基础上 针对管道中的单通孔人工缺陷和轴向位 置 不 同的双槽 形人 工缺 陷 选 择非 轴对 称端 面加 载 的传感器激励 L 0 2 模态导波进行实验研究 研 究结果 表 明 1 通过改变传感器在管道周向分布的位置 可 以获得 一 组较 全 面 反 映管 道 缺 陷分 布情 况 的检 测信号供分析处理 2 采 用本 文方 法较好 地 实现 了管道 人工 缺陷 形状的成像 3 本文的结果还显示对管道缺陷的定位 尤 其是管道不同轴向位置的缺陷在轴向和周向的二 维定位的准确性 依赖于成像理论中时间参数的选 择 本 文 的结 果 为在 导 波 检测 中最 终实 现 缺 陷 反 演奠定了基础 参考文献 1 R o s e J L Ul t r a s o n i c w a v e s i n s o l i d me d i a 1 M Ca m b r i d g e Ca mb r i d g e Un i v e r s i t y Pr e s s 1 9 9 9 4 5 4 2 何存富 吴斌 范晋伟 超声柱 面导 波技术及其应用研 究进展 J 力学进展 2 0 0 1 3 1 2 2 0 3 2 1 4 1 3 D e mma A C a wl e y P L o we M e t a 1 T h e r e f l e c t i o n of gu i d e d wa v es f r o m no t c he s i n p i pe s a gu i d e f o r i n t e r p r e t i n g c o r r o s i o n me a s u r e me n t s J N DT E I nt e r na t i o na l 2 0 04 3 7 16 7 1 80 4 L i L o n g t a o He C u n f u Wu B i n e t a 1 Th e c h a r a c t e r i z a t i o n of gu i d e d wa ve s o n hol l o w c y l i nd er f r o m n o n a x i s y mme t r i c e n d l o a d i n g 1 C AS ME P r e s s u r e Ve s s e l s a n d P i p i n g Di v i s i o n Co n f e r e n c e Ne w Yo r k Ame r i c a n So c i e t y of M e c h a ni c a l Eng i ne e r s 2 0 05 2 1 25 6 1 26 2 5 D e mma A Th e i n t e r a c t i o n o f g u i d e d wa v e s w i t h d i s c o n t i n u i t i e s i n s t r u c t u r e s D L o n d o n I mp e r i a l C o l l e g e of Sc i e n c e Te c hn ol o gy a nd M e di c i ne 2 00 3 6 Wi l c o x P D L o w e M J S C a wl e y P A s i g n a l p r o c e