基于Ansys软件的管道超声导波激励特性研究【优秀毕业课程设计】
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基于Ansys软件的管道超声导波激励特性研究【优秀毕业课程设计】,基于,ansys,软件,管道,超声,导波,激励,鼓励,特性,研究,钻研,优秀,优良,毕业,课程设计
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中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 毕业论文任务书 学 院 ： 信息商务学院 专 业 ： 机械工程系 学 生 姓 名： 冀晓琪 学 号： 12020143计 (论文 )题目 ： 基于 管道导波激励特性研究 起 迄 日 期 : 2016 年 2 月 29 日 2016 年 6 月 5 日 设计 (论文 )地点 : 信息商务学院 指 导 教 师 : 周进节 负 责 人 : 暴建岗 发任务书日期 : 2016 年 2 月 29 日 任务书填写要求 1毕业论文任务书由指导教 师根据各课题的具体情况填写，经 学生所在学院 的负责人 审查、负责人签字后生效。此任务书应在毕业论文开始前一周内填好并发给学生； 2 任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴； 3 任务书内填写的内容，必须和学生毕业论文完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及学院领导审批后方可重新填写； 4 任务书内有关“学院”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号（如 0201140102,为 10 位数），不能只写最后 2 位或 1 位数字； 5 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2004 年 3 月 15 日”或“ 2004 毕 业 论 文 任 务 书 1毕业论文课题的任务和要求： 该同学承担“基于 管道导波激励特性研究”的任务。 设计要求： 通过 数值模拟研究采用超声导波进行管道缺陷检测时，管中导波激励特性的影响因素，为缺陷轴向定位研究提供理论指导。 2毕业论文课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）： 工作任务： （ 1）学习掌握有限元基本理论及 件的使用方法。 （ 2）空心圆管中超声导波频散曲线的计算及模态分析，并研究管中导波激励特性。 （ 3）基于 件模拟研究管道缺陷导波检测，包含材料参数选择、单元选择、缺陷建立、网格划分、边界条件的定义；选择合适的求解类型，并进行求解选项的设定；对求解结果进行分析和可视化。 （ 4） 研究不同载荷（包含加载面积、位置、激励信号类型和频率）对不同壁厚管中导波激发特性的影响 ， 为实际工程检测提供理论指导。 （ 5）翻译外文资料。 毕 业 论 文 任 务 书 3对毕业论文课题成果的要求包括毕业论文、图纸、实物样品等 )： （ 1）基于 次开发的软件程序 1 套 （ 2）设计说明书 1 份 （ 3）英文翻译资料 1 份 4毕业论文课题工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2014 年 2 月 25 日 3 月 24 日 3 月 25 日 5 月 26 日 5 月 27 日 6 月 9 日 6 月 10 日 6 月 16 日 撰写开题报告 完成具体仿真任务 撰写设计说明书 论文答辩 学生所在学院审查意见： 负责人： 年 月 日 I 基于 管道导波激励特性研究 摘要 ：超声导波检测技术是一种新兴的无损检测技术 ,由于他的穿透能力强、对人体无害其快速准确、检测范围广、实施方便、检测成本低等优点受到越来越广泛的关注1。它不仅改变了传统无损检测方逐点检测的方式 ,而且解决了有包覆层管道与埋地管道的检测难题 2。 通过分析超声导波在管道中传播时的频散特性 ,本文选择了 L(O,2)模态并用瞬态分析对管道裂纹进行检测 3。本文首先利用 件分别对直管道单裂纹裂纹、双裂纹进行了模拟计算。结果表明 ,超声导波可以清晰、准确的检测出直管道 中的缺陷位置；同时 ,采用实验设备 ,结合仿真模拟中的方案对管道中的缺陷进行了检测。通过实验结果与模拟结果的比对来进一步修正和完善模拟方案 ,为声导波的实际检测应用奠定基础。 关键词 :超声导波；管道裂纹； 件；仿真模拟 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 is a of a of to It DT a to By of in as an in be of of in to of 北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 第 共 录 1 绪论 . 1 题的目的和意义 . 1 2 直管道裂纹检测的数值模拟 . 1 处理 . 2 立几何模型 . 2 立 1 个裂纹 . 3 型的网格划分 . 4 载约束 . 7 解 . 17 移幅值分布图 . 18 裂纹的轴向定位 . 25 3 总结 . 28 4 展望 . 28 参考文献 . 29 致谢 . 31 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 1 1 绪论 课题的目的和意义 管道作为五大运输工具之一，在流动介质（如石油、天然气、煤气。蒸汽、泥浆）的运输方面具有特殊优势，尤其在石油、天然气、核电等产业中发挥着重要作用。具有连续性、低成本、高运力的优点常常工作在比较特殊或极其恶劣的环境中 ,经过一定时间的运行后 ,会出现锈蚀、腐蚀、裂纹等缺陷 力不断增 大的情况下，管内压力的作用很容易使其发生快速扩展，造成管壁开裂，引发恶性事故 4。尤其近年来管道事故频频发生，所以管道的安全问题值得人去思考。 随着石油、核电、天然气等产业的发展，压力管道运行总长度的增加，服役时间的延长，压力已接近、甚至超过了其使用寿命，这也就意味着管道事故的发生率在增加。与此同时，管道的各种缺陷也慢慢的暴露出来了。其缺陷主要有三大类：腐蚀缺陷、焊接缺陷和机械破坏。并且这些问题都会进一步导致管道破裂。管道的破裂是石油、化工等行业中经常面临的一个重要问题。 综上所述，管道系统的缺陷会导致环 境污染和设备损坏，很有必要 研究管道缺陷导波检测 管路中的传播进行动态分析，以揭示其变化规律， 研究其危害的措施， 确保系统安全、可靠运行。 2 直管道 裂纹 检测的数值模拟 管道中的裂纹相当于被动超声导波源 ,当超声导波在管道中传播时遇到裂纹时往往会发生反射、折射及透射等现象。当管道中存在多个裂纹时 ,往往会由于各个缺陷的回波之间的相互干扰 ,对检测结果造成一定的困难。因此 ,本章针对管道实际工况中比较常见的裂纹 ,首先在直管道模型中建立了一个周向裂纹 ,在能够对其位置进行精准定位的基础上 ,分析所获得的裂纹回波信号的特征。在对 单裂纹缺陷进行一定研宄的前提下 ,在管道上的不同位置设置双裂纹 ,探宄超声导波在管道中传播时遇到双裂纹时的传播特性 ,进而为双裂纹的检测奠定基础。借助 限元软件进行超声导波检测各种管道里的有问题部分 ,然后采集并且分析安装在管道端点部位的监测点收到的波的返回信号 ,着重分析其特殊性。 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 2 前处理 管长度 管外径 壁厚 材料为钢管，其密度为 103Kg/弹性模量为 1011 裂纹中心距端面距离为 纹宽度为 纹起始角度为 60 、裂纹终止角度为 120 ； 单元类型为 网格长度为 激励信号为中心频率 100000 10 周期加汉宁窗调制的正弦波； 波的传输时间为 。 建立几何模型 建 立局部坐标 1（ 0,0,0）， 2（ ,0 ）， 3 (, ,4（ 0,0, 。 连接点 1,4 和点 2,3；将线 14,23绕其中间的一条线相互旋转一周得到管道的二维模型。 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 3 图 道的二维模型 建立 1 个 裂纹 在管道与端面距离为 裂纹起始角度为 60 、裂纹终止角度为 120 建 立的裂纹长度为 北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 4 图 道缺陷的建立 模型的网格划分 （ 1）网格尺寸进行控制（控制网格密度）。划分前保存几何模型，保存划分后的数据。（ 2）单元控制方式： z 能网格划分。 z 体单元尺寸控制 z 对网格进行细化：在较关键的区域细化，不清除已划好的网格。 选中关键线段，分别用不同颜色线条将其分为三部分，网格长度 3则轴向 48个点， 管道长画 400 个均匀网格，在均匀划分的基础上在中间位置对其网格进行细画。 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 5 图 道线段选取 图 道线段选取的端面图 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 6 图 管道的网格划分 图 格划分缺陷部位放大图 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 7 加载约束 任何实际的结构都会受到一定的约束条件来保持其稳定性。因此给模型施加合适的约束条件是进行有限元分析的一个重要步骤。 对管道端面施加 调试 的正弦波。 本次论文的目的是研究不同数量的载荷对管道的超声导波激励特性的影响，所以，我们在一端加载载荷是首先从一个载荷开始。 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 8 图 个约束加载位置 激励加载 完成后就需要在接收节点处将信号数据提取出来保存 ,以进一步进行处理。接收节点位置位于导 波激发节点相邻的一圈管道外表面的节点。对于直管道 ,本文选择的是自激自收的接收方式并将各节点数据相加取平均后得到的波形数据作为最终的波形信号。在该信号中 ,将由于因为缺陷的存在而产生的缺陷回波信号的最值提取出来用作分 祈 缺陷的轴向定位以及程度识别只用。然后把提取出的数据进行 次插值处理 ,画出相应的趋势图。 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 9 图 形趋势图 由图可以看出，我们选取的两个峰值波是发出的信号与回波信号在管壁中的波形图，但是在两个峰值波之间还存在其他的波段，这是由于加载的正弦波不仅仅是在管壁中轴向传播，它是向着四面八 方的，有一部分波会碰到管道内壁，反射后被接收器接收到，并且由超声波在空气中传播的损耗大于在金属中的，所以波形会非常小。 本次论文的目的是研究不同数量的载荷对管道的超声导波激励特性的影响，并且为了消除在管壁之外传播的波的影响，我们采用对称位置加载载荷，为的是可以让正弦波抵消在其它方向的波的影响。所以，我们在管道一端对称的位置加载 4 个载荷。 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 10 图 对称 4 个载荷位置 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 11 图 波形趋势图 由我们接收到的波形图可以明显的看出，在两个波峰之间存在的波段较之一个载荷时有明显的减弱趋于平稳的变化。之 后我们还是在管道一端对称的位置加载 16 个载荷。 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 12 图 对称 16 载荷位置 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 13 图 波形趋势图 对称位置加载 24 个载荷，如图 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 14 图 对称 24 载荷位置 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 15 图 形趋势图 对称位置加载 48 个载荷，如图 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 16 图 称 48 载荷位置 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 17 图 形趋势图 求解 任何实际的结构都会受到一定的约束条件来保持其稳定性。因此给模型施加合适的约束条件是进行有限元分析的一个重要步骤。 当导波检测管道缺陷的模型建立好后 ,就交由 完成计算 ,完成后 就需要在接收节点处将信号数据提取出来保存 ,以进一步进行处理。接收节点位置位于导波激发节点相邻的一圈管道外表面的节点。对于直管道 ,本文选择的是自激自收的接收方式并将各节点数据相加取平均后得到的波形数据作为最终的波形信号。在该信号中 ,将由于因为缺陷的存在而产生的缺陷回波信号的最值提取出来用作分 祈 缺陷的轴向定位以及程度识别只用。然后把提取出的数据进行 次插值处理 ,画出相应的趋势图。 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 18 位移幅值 分布图 图 移幅值分布图 励导波在 含 裂纹管道中的传播 单裂纹不同时刻位移导波 传播示意图 : 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 19 10500 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 20 10584 s 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 21 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 22 图 移幅值对比图 其中 : （ a）当 时管道模型左端激励的位移波群； （ b）当 期间位移波群向右传播； （ c）当 时波群遇到裂纹发生交汇作用 ,产生反射、透射及模式转换； 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 23 （ d）当 期间 位移波群在裂纹处分解成反射波和透射波 ,分别向两个方向传播； （ e）当 期间管道中全部的波整个往右边传播，其中一些被反射的波往左传播，还有一些投射过去 的波往右传播； （ f）当 时波群遇到端面发生交汇作用 ,开始产生全反射及模式转换； （ g）当 07 4 2 6 07 0 6 6 期间位移波群在端面处分产生反射波 ,向左边方向传播； （ h）当 期间位移波群向左传播。 散曲线 管道中的导波可以分为纵向、切向以及弯曲导波等多种模态 , 用线弹性理论提出了谐波在无限长中空管道中传播的频散方程 5: 066 式中 :径尺寸； 、 为材料的 数； 为密度 ; 为频率； 用数值方法对此行列式方程进行求解，可得到频率与相速度、群速度之间的关系 ,即频散曲线。 图 给出了本文实验中所用的直径为 壁厚为 钢管的群速度频散曲线 31 ，纵向 2,轴对称模态 20，L 和弯曲模态 2,21 组成。当 0M 时， 2,示纵向模态，当 0M 时， 2,示弯曲模态。所选钢管弹性模量为 ，材料密度为 3/932.7 松比为 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 24 图 管群速度频散曲线 根据上述分析 ,可得出如下结论 : （ 1） 选用一定数目、 调制的叠加音频信号作为管道端部激励可显著减小圆管道中导波频散现象的影响，使裂纹回波信号容易识别 6。本文数值模拟时选用 10个音频信号叠加作为激励信号，从结果来看 ,频散影响非常小； （ 2） 根据提出的导波检测公式及数值模拟的位移时程曲线，对单节点位移时程曲线进行简单叠加，由公式 2 较为精确地确定单裂纹的位置。计算中发现反射波返回的时间与裂纹大小无关，而与裂纹位置和材料参数有关； （ 3） 对位移时程曲线进行频谱分析 ,可观察到裂纹个数不同以及裂纹尺寸不同时频谱有明显得变化 ,对此应进行进一步的研究。 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 25 单裂纹的轴向定位 0 100 200 300 400 500 600 700 800- 1 00102030405060T i m e ( s)m)图 向裂纹检测回波信号各点时域图 0 100 200 300 400 500 600 700 800- 5 0 0- 4 0 0- 3 0 0- 2 0 0- 1 0 00100200300400500X : 5 2 . 8 1Y : 4 6 8T i m e ( s)m)图 向裂纹检测回波信号图 上图 别是管道带圆心角 60周向裂纹的超声导波信号。观察图形可以发现 ,中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 26 经过管道中的传播过程 ,超声导波能量具有一定程度 的衰减 ,致使端面回波信号的幅值小于激励波的幅值。当管道中存在裂纹 ,在换能器阵列所接收到的时域图中可以清晰的发现裂纹回波信号。 裂纹的位置定位主要通过公式 2 决定。模拟过程中 ,在对裂纹进行轴向定位时 ,需首先通过计算得到超声导波传播的速度。因为管道模型总长为 此超声导波在一个传播过程的总程长 察上图 结果数据中提取出入射波的到来时刻为 s,而反射波的到来时刻为 s,因此通过计算可得模拟过程中的传播速度约为 s。 0 100 200 300 400 500 600 700 800- 5 0 0- 4 0 0- 3 0 0- 2 0 0- 1 0 00100200300400500X : 2 7 0 . 1Y : 4 0 . 1 5T i m e ( s)m)图 向裂纹检测回波信号图 裂纹位置： 61 观察图 其结果数据中提取出入射波与裂纹回波的到达时刻分别为 S。因此 ,计算可得 ,裂纹的轴向位置在管道的 在模拟过程中，裂中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 27 纹的实际位置位于管道中心 。因此，用超声导波法检测的裂纹的轴向位置与实际位置之间的误差为 2%。结果显示，用超声导波法可以较为准确的判断出裂纹在管道中的轴向位置。 0 100 200 300 400 500 600 700 800- 5 0 0- 4 0 0- 3 0 0- 2 0 0- 1 0 00100200300400500X : 5 0 1 . 7Y : 1 5 2 . 5T i m e ( s)m)图 向裂纹检测回波信号图 端面回波长度 ： 62 观察图 及 。因此 ,计算可得 ,裂纹的轴向位置在管道的 而在模拟过程中，裂纹的实际位置位于管道中心 。因此，用超声导波法检测的裂纹的轴向位置与实际位置之间的误差为 %结果显示，用超声导波法可以较为准确的判断出裂纹在管道中的轴向位置。 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 28 本文以管道为研究对象，对其建立了三维模型，并进行了动态态分析和模态分析，得出如下结论 : 对有限元的原理进行了分析，了解并掌握了管道不同部位的缺陷导波激励特性的变化，使用有限元软件 立了直管道中的无缺陷模型、单缺陷模型、双缺陷模型，模拟研 究管道缺陷导波检测，对其进行了动力学分析，得到其具体的受力情况，通过数值模拟研究采用超声导波进行管道缺陷检测时，并对其进行计算 ,得到仿真模拟的结果。 结果表明 ,借助 然后采集并且分析安装在管道端点部位的监测点收到的波的返回信号，可以准确的找到管子中单个缺陷的在轴向上的位置，以及管中导波激励特性的影响因素，为缺陷轴向定位研究提供理论指导。 这次毕业论文的完成过程中遇到了太多的困难，如果没有导师和同学们的帮助我无法这么准确和快速的完成， 这说明我本人的学识水平和自身能力还是有限的，这致使我对论文所研究的对象分析与研究无法深入。我这次的设计研究对象是直管道，我也只是对直管道进行了有限元的分析，而没有对弯管道和其他的特殊管道进行研究，另外对管道上的缺陷也是只进行了一种缺陷的波形分析，现实情况下还有很多的我所不知道的缺陷，而这些缺陷我都没有研究到。所以我希望今后我无论在做什么事情上一定要仔细深入的专研，千万不要只停留在浅显的表面。 中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 29 参 考 文 献 1 J. of a of 1923, 24(14): 3140。 2 N. A. D. C. G. of 1969 。 3 J. J. J. L. of in by J. 1992, 72(7): 25892597 4 焦敬品 ,吴斌 ,王秀彦 ,等 J。实验力学 ,2002,5,17(1):1 一 9。 5 何存富 ,吴斌 ,范晋伟 J。力学进展 ,2001,31(2):203 一 214。 6 他得安 ,刘镇清 ,田光春 J。声学技术 ,2000,20(3):131 一 134。 7 何存富 ,李隆涛 ,吴斌 J。实验力学 ,2002,17(4):419 一 424。 8 程载斌 ,王志华 ,马宏伟 J。太原理工大学学报 ,2003,34(4):426 一 431。 9 程载斌 ,王志华 ,张立军 ,马宏伟 C。爆炸与冲击 ,2003,23:133 一 135。 10 马宏伟 D。太原 :太原理工大学硕士学位论文 ,2004。 11 李隆涛 D。北中北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 30 京 :北京工业大学博士学位论文 ,2005。 12 F. D. P. C. G. S. D. A. of 2007, 63: 505北大学信息商务学院 2016 届 毕业论文 31 致 谢 光阴似箭 ， 如白驹过隙，在这篇论文写完之际，也代表着我四年的大学生活在不久之后就要结束。在这里，我最先感谢的就是我的导师周进节教授，在我写论文的过程中遇到过无数的困难，这些困难使得我的论文无法进行下去，每当这个时候我都会向我的导师周进节教授请求帮助，有些问题他给我讲好多次我都无法理解，但是他还是会耐心的给我一次次讲解与演示。我真的非常感谢周进节教授对我的悉心指导，以及他对我的谆谆教诲 ，如果没有他，不仅无法按时按量的完成 我的论文，更没有办法给我的四年大学生涯画上完美的句号。在四年的大学学习与生活中，我的每一点的成绩都是在各个任课老师的悉心教导下取得的，在这里我非常非常的感谢他们！而我的导师周进节教授它不仅是我的毕业论文导师，也是我大学课程的代课老师之一，在与他接触的时间里，我感受到的不仅仅是他非常渊博的知识储备、兢兢业业的教学态度，还有他对待学生所表现出的那种和蔼可亲、平易近人的性格，以及诲人不倦的崇高师德。在做毕业设计的这段时间里，导师所给予我的关心与鼓励已经深深的烙印在我的记忆中，他所有的语言上的教诲与行为上的教导我都 会铭记在心中，这会成为我对大学生活最美好的回忆之一，并且也会对我之后走上社会的人生道路起到至关重要的作用。 1 先进的超声导波无损检测技术 炼油石化工业和其它工业所用的管道在长时间服役后，腐蚀是一个经常被人们关心的问题，尤其是管外（即使是加装了防腐层后管外壁）的腐蚀问题，一旦失效，将给生产和人身带来严重的损害。因此，管道安全运行，首先要适时检测其管壁强度，被腐蚀或有裂纹渗漏等要有预警。 管外防腐层的剥除费用高，不但费时、费工，而且当遇有公路交叉时，管道只有进行大规模挖掘才能进行腐蚀检测。这就引出了具有世界先进水平的较理想的“超声导波技术”，现已由国内开发研究成功。对管壁的这种超声导波检测为上述问题提供了一 个非常好的解决方法。在一处安装后，可以沿管道传播若干米，反射的回波便可显示管道的腐蚀或其它特征。 超声导波检测技术利用低频扭曲波或纵波可对管路、管道进行长距离检测，包括对于地下埋管不开挖状态下的长距离检测。 超声导波（也称为制导波）的产生机理与薄板中的兰姆波激励机理相类似，也是由于在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉以及几何弥散形成的。但是对于管道检测，在一般管壁厚度下要产生适当的波型，则需要使用比通常超声波探伤低得多的频率，导波通常使用的频率 f 100此导波对单个缺 陷的检出灵敏度与通常使用频率在 别的超声检测相比是比较低的，但是导波检测的优点是能传播 2030 米长距离而衰减很小，因此可在一个位置固定脉冲回波阵列就可做大范围的检测，特别适合于检测在役管道的内外壁腐蚀以及焊缝的危险性缺陷。低频导波长距离超声检测法用于管道在役状态的快速检测，内外壁腐蚀可一次探测到，也能检出管子断面的平面状缺陷。 超声导波应用的主要波型包括 也简称为扭波）和纵波。 扭曲波的特点是能够一边沿管子周向振动，一边沿管子轴向传播，声能受管道内部液体影响较小（在导波检测时，液体在管道中流 动是允许的），回波信号能包含管轴方向的缺陷信息，通常能得到清晰的回波信号，信号识别较容易，在应用中需要换能器数量少，重量轻、费用省、因管内液体介质而产生的扩散效应较小，波型转换较少，检测距离较长，对轴向缺陷灵敏度高。 2 超声导波检测的工作原理：探头阵列发出一束超声能量脉冲，此脉冲充斥整个圆周方向和整个管壁厚度，向远处传播，导波传输过程中遇到缺陷时 ,缺陷在径向截面上有一定的面积 ,导波会在缺陷处返回一定比例的反射波 ,因此可由同一探头阵列检出返回信号 壁厚度中的任何变化，无论内壁或外 壁，都会产生反射信号，被探头阵列接收到，因此可以检出管子内外壁由腐蚀或侵蚀引起的金属缺损（缺陷），根据缺陷产生的附加波型转换信号，可以把金属缺损与管子外形特征（如焊缝轮廓等）识别开来。 导波的检测灵敏度用管道环状截面上的金属缺损面积的百分比评价（测得的量值为管子断面积的百分比），导波设备和计算机结合生成的图像可供专业人员分析和判断 超声导波检测得到的回波信号基本上是脉冲回波型，有轴对称和非轴对称信号两种，检测中以法兰、焊缝回波做基准，根据回波幅度、距离、识别是法兰或管壁横截面缺损率的缺陷评价门限等以及轴 对称和非轴对称信号幅度之比可以评价管壁减薄程度，能提供有关反射体位置和近似尺寸的信息，确定管道腐蚀的周向和轴向位置，目前超声导波检测灵敏度可达到截面缺损率 3%以上，即一般能检出占管壁截面 39%以上的缺陷区以及内外壁缺陷。 缺陷的检出和定位借助计算机软件程序显示和记录，减少操作判断的依赖性（避免了操作者技能对检测结果的影响），能提供重复性高、可靠的检测结果。 应当注意超声导波检测不提供壁厚的直接量值，但对任何管壁深度和环向宽度范围内的金属缺损都较敏感，在一定程度上能测知缺陷的轴向长度，这是因为沿管壁传播 的圆周导波会在每一点与环状截面相互作用，对截面的减小比较灵敏。 超声导波与传统超声波检测的最大区别是，前者可在一个测试点对一个大的长距离管道的材质进行 100%的检测，而传统的超声波在一个测试点只能对该点进行检测。 超声导波的频率范围为 5 60播速度为 3260 米秒，检测时不需要液体进行耦合。它采用机械或气体施加到探头的背面以确保探头与管道表面接触，达到超声波良好的耦合。为了使声波以管道轴芯对称地进行传播，管道环向的超声波探头均匀地间隔排列，如此环向声波沿着管道传播，能使整个管道被振动的声波 而“激励”，使其作为波导的媒体而处于“工作”状态中。 超声导波与传统超声波检测的第二个区别是，后者若对壁厚进行测量，只能检测到传感器下管壁的厚度，所以，在检测大范围管线时的速度很慢，而且常常要找 3 出几个有代表性的特征点进行检测。一旦遇到埋地或绝缘的管道，则束手无策。而使用特制安装在管道上的传感器环进行检测，操作人员利用 测系统就可完成单项测试，而且能够对传感器环两侧数十米内的管道进行有效的检测。传感器两侧的有效检测距离是受到多种因素制约的，条件好的情况下，可达几十米，条件不好或有 某种覆盖层情况时，只能检测几米。 总之，作为无损检测领域内刚刚兴起的超声导波技术，利用其检测距离长，操作简单和灵敏度高等优势，通过与其相配的检测装置，不但适宜于在役管道的腐蚀检测、新建管道基线检测，而且，对埋地、穿越、架空等管道进行腐蚀情况检测也更具优势。这项技术可用于炼油、化工、石油、天然气输送、电力建设以及战场、密闭系统所涉及的各种工业管道、压力管道，是确保生产安全运行的好帮手。 4 DT il is a of a of to or in in to to s by a a to an or of or be on of of as in a to in of of to a to f 100a of of Hz is 5 is of 0 0 m be in a be of of in of be in of to as be by a a of is in is a in a of to is a of to in is a a of so by of to of of no or by it be by 6 or by to be a as to of as a of of of to as to is or of of of of of to of be % or be % of of by of a is on It be a of to of to a of it is in of of is 7 is be a on a 00% in a be 60260 m / s, is It a or is to of to is in of To to so to is to as a in if is of so in a of is a or of in is be in a to on of of of is to up to of or of a In as in of of 8 is an be in in a is to of of a 中北大学信息商务学院 毕业 论文 基于 件的管道超声导波激励特性研究 学生姓名： 冀晓琪 学号： 12020143系 别 ： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 周进节 职称： 讲师 2016 年 6 月 2 日 中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 毕业设计开题报告 学 生 姓 名： 冀晓琪 学 号： 12020143 名 ： 机械工程系 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 设 计 题 目 ： 基于 特性研究 指 导 教 师 : 周进节 2016 年 3 月 21 日 毕 业 设 计 开 题 报 告 1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 1. 课题研究背景及研究意义 现代管道运 输起始于 19 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。 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。 常规的无损检测方法主要有： (1)射线检测法，如 x 射线、 r 射线、 b 射线等； (2)声学检测法，如超声检测、声发射检测、声显微检测等； (3)电学检测法，如涡流检测等； (4)磁学检测法，如磁粉检测、漏磁检测等 。但是常规的无损检测技术检测管道，必须要求沿管道逐点检测，检测速度很慢，而检测的成本却比较高，劳动强度大。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外包层使之与外界隔绝，常规无损检测必须剥开外包层，大大增加了检测成本。近年来发展出了一种能够进行快速、长距离、大范围、相对低成本的无损检测方法，即超声导波检测法。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。随着超声导波技术的不断发展，超声导波的管道缺陷检测的研究已经逐步从判断缺陷有无和缺陷定位技术，深入到缺陷损伤程度的研究。研究缺陷的损伤程度，主要包括对缺陷几何尺寸和缺陷类型 (裂纹、腐蚀、局部变形 )的识别等等。为了能够通过超声导波技术实现对缺陷损伤程度的判断，就必须在导波检测所获得的回波信号 f，即建立 y=f(x)的关系，也就是获得缺陷几何特征 (尺寸、形状等 )对缺陷回波信号的影响规律。但是，这需要获得大量的针对不 同缺陷的检测信号。在目前的研究 基础上，检测信号的获得主要来自于两个方面，一是通过实验获得，二是在实验验证基础上，通过数值模拟的方法获得。相对而言，数值模拟研究的方法具有周期短、成本低、可重复性好，因此，本文就将通过数值模拟的方法，对管道缺陷检测进行研究。通过建立一系列管道缺陷检测的有限元模型以及进行大量的管道缺陷检测的数值模拟和一定数量的对比实验，来获得所需要的数据，研究超声导波检测信号与缺陷几何尺寸之间关系 2. 国内外研究概况 国外的导波理论研究经历了弹性波在板状有界波导中的传播特性理论推导到将导波技术应用于管道缺陷检测研究的过程。目前 ,国外导波检测技术在工程中的应用已相对成熟 ,试验研究的热点也集中在利用“弯曲模态调节技术”对管道弯头处检测及进行充液管道导波检测的研究。 国内的超声导波检测技术方面的研究较国外起步晚 ,但在相关各领域也展开了广泛研究。理论方面 ,根据弹性纵波理论 ,通过计算分析管中导波的频散曲线 ,讨论了 L(0,2)模式导波在裂纹处的反射和透射规律 ,从而根据导波反射时间和强度确定出裂纹的位置和尺寸 ;实验方面 ,采用合理的传感器设计方案 ,在管道中抑制其他模态导波 ,激励理想的 L(0,2)模式导波 ,研究超声导波在一定长管道中以特定频 率传播时的频散现象 ,分析纵波管道检测的灵敏度 参考文献 ： 1 臧铁军 ， 藏天红 ， 我国管道运输的发展概况 ,管道技术与设备 ， 1998， (4)： 1 4. 2 宋志东，超声导波技术在管道缺陷检测中的研究，天津大学硕士学位论文 2006. 3 李家伟
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