管道应力波检测技术及研究进展

1、管道应力波检测技术及研究进展程载斌 王志华 马宏伟（ 太原理工大学应用力学研究所，山西太原030024）摘要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，主要内容涉及应力渡的传播特点、实验检测方法及数据处理方法等，最后 对这一研究领域的未来发展进行了展望。关键词损伤检测 管道 应力波 超声导波疲劳和断裂是工程结构件破坏的重要原因。管道作为五大运输工具之一，在石油、化 工、天然气、食品工业等方面具有很大的优势。但是，输油输气管道在长期使用中受外载 及腐蚀介质作用导致管道的破裂，从而发生石油、煤气等泄露，严重时可能发生爆炸。因 此，须保证管道在安全的状态下

2、运行，这样对管道中缺陷的定期检测就成为相当重要的课 题。常规损伤检测方法对管道检测有着众多的优势，但常规损伤检测技术都存在一个严重 的不足：检测过程为逐点扫描式。对于工业中使用的长距离管道，尤其是裹有包覆层的管 道，由于受到工作环境条件的限制，施工时开挖面积大，祛除包覆层费时费力，用常规方 法检测具有代价高、效率低的缺点。应力波技术是潜在的解决这一难题的可行方法，它在 管道中的传播特性依赖于材料的性质、结构、形状以及激发频率。与常规方法相比，它具 有开挖面积小 （ 只需祛除很小面积的包覆层 ） 、检测段长、方法简单、施工方便并能实现动 态监测的特点。目前，应力波技术已经用来对管道内外壁缺陷，早

3、期的疲劳裂纹进行诊断 以及对裂纹的深度和方位进行确定，有很大的应用价值。本文试图概述应力波技术在管道检测中的应用及研究进展，并对应力波技术在管道检 测中的应用前景进行了展望。1 应力波检测技术常见的管道损伤有以下几种情况：a. 材料缺陷：周期性重皮现象、砂眼、内渗豆；b. 几何形态的畸变：如凹陷、椭圆化、受力不均引发的几何变形；c. 金属损耗：如腐蚀、机械损伤、脱层、脱粘；d. 开裂性损伤：如疲劳性断裂、应力腐蚀裂纹、重皮使壁厚减薄出现断裂；e. 含体积型缺陷：如未焊透、夹渣、气孔。尽管管道的破坏原因复杂，破坏类型具有多样性，但最终的破坏形式常常是管道的开 裂失效。当前国际上管道检测的研究工作

4、集中于管道内电视摄像、管爬机和模态声发射检测技 术。管道内电视摄像系统是利用摄像技术对管道内壁和管道中的流体进行检测。法国 HYTEC流体技术公司的带自推进轴向摄像机的电视监测系统，适用于多种生产管道。为了 满足煤气输送管道系统检测的应用，该公司还开发了一种新型防爆式彩色摄像机，并已通 过了法国国家鉴定局的鉴定；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，国际上应用较广的主要有磁通管爬机和超声管爬机；模态声发射技术是近年来发展 起来的声发射检测新技术，它认为被测结构中的源或声发射事件在外载作用下，产生频率 和模式丰富的导波信号，对声发射信号作出合理解释，可以实现准确的源定位和分

5、离噪声 的目的。国内的管道检测还处于起步阶段，大多采用传统的损伤检测方法，如超声波法、涡流 射线法、成像法及共振传感器参数声发射法。但这些损伤检测方法，由于其抗干扰能力和 精确度较低，对一些微小、隐蔽的损伤往往造成错判、漏判，且很难应用于长距离管道检 测。应力波技术作为一种新技术，与传统方法相辅相成，在管道检测方面有很大的应用前 景。1.1 应力波技术应力波是应力以一个可鉴别的速度由介质的一部分向另一部分传递的可以鉴别的信 号。根据应力波传播理论，当应力波在介质中传播时，如遇到孔洞、裂纹等界面不连续 处，就会发生反射、折射、散射和模式转换，因此结构中应力波动信号对缺陷有很高的敏 感性。考虑到应

6、力波在传播过程中携带着大量的结构局部缺陷信息，可利用应力波信号来 检测结构的缺陷。应力波技术是受声发射启发而产生的，故又称为声一超声技术或主动声 发射技术。该技术自 20 世纪 80 年代由 Egle D M 等人提出以来，引起了研究人员的极大 兴趣， ( 美国 NASALewis Research Center 及 Washington Univ .， Johns Hopkins Univ., MIT等一些著名大学，包括前苏联、加拿大、丹麦等国家的研究机构对该技术的 理论和应用作了大量的研究。英国帝国理工大学力学工程系的学者们基于脉冲回波法发展 了管道超声导波检测技术,并对工厂中的管道进行了

7、检测。该技术的基本思想是：在材料 或结构表面某处激发询问脉冲应力波,同时在表面其他地方接收该应力波信号,然后通过 信号分析确定反映材料对于瞬态脉冲波传播效率的应力波因子,以此来表征材料的机械性 能和力学性质的变化。1.1.1 应力波技术的特点及关键应力波技术不仅具备常规超声和声发射技术的特点,还有其他优点：a. 沿外载荷作用方向进行检测，能检测超声方法测不到的、与被检测面垂直的缺陷；b. 可以在构件表面任何地方放置发射与接收探头，便于检测；c 利用激光等手段产生应力波，可实现非接触式检测；d在材料结构内部出现微缺陷群时，能够为结构的完整性评估提供一种分析手段，而 用断裂力学、损伤力学理论和方法

8、分析此类问题难度较大。应力波技术的关键是提取并量化包含于模拟应力波中的、能反映材料结构性能的应力 波因子 （stress wave factor） 。对应力波因子的提取，可采用多种信号分析方法，一方面 可采用现有的信号分析手段，如谱分析、逆谱分析和统计分析方法；另一方面更先进的信 号分析工具如逆散射理论、神经网络理论、重构理论和同态分析等技术都可应用。不同的 研究者提出了不同的应力波因子计量方法，但其核心都是围绕应力波能量的耗散问题来展 开研究。Lorenzo L等人的研究表明峰值 SWF NswF N swf=Vmax（Vmax是输出信号的最大 值）可用来描述复合材料夹层板在拉伸载荷作用下的

9、微裂纹损伤积累量。Henneke E G II等发现当试件在疲劳载荷作用下刚度下降12%时，均方根 M值下降20%，因此用功率谱的均方根值来监控疲劳载荷下的损伤比用刚度更为灵敏、有效。从资料可以看出，目前 应用较多的仍是 Vary A提出的振铃SWF如Wiliams J H 等用频谱方法对陶瓷复合材料在 动态载荷下的损伤进行实时监测，用的也是振铃SWF1.1.2 应力波的激励方法相对来讲，应力波技术的理论方面明显落后于应用，从根本上缺乏对该方法的物理原 理方面的定性解释。首先，因为输入的激励不是长时间的单一频率波，相反是一宽带脉 冲，因此不可能出现单纯的一种波，而是受边界及隐含缺陷影响且经过多

10、路径折射、反 射、散射之后叠加的随机波，问题很复杂。尽管有些学者从理论上展开了一些研究，但与 实际问题和要求差距较大。Tang B等_5曾提到接收信号中似乎有Lamb波出现，但没有提出哪类模态会出现及如何被激励起来； Kautz H E_8 刚曾建议用射线追踪进行分析；另外 还有人提出用漫射波理论来分析SWF信号，但也难提供波场的整体信号。目前的研究工作主要集中于利用超声换能器、压电传感器来激发和接收应力波。Silk与 Bain ton 研究了将压电超声换能器置于管道内部激发应力波。刘铁让等人以梁为波导 从理论上讨论了超声换能器之间的输入输出响应，但也没有把材料的缺陷考虑进去。袁慎 芳等利用压

11、电元件激发应力波，提取应力波信号峰值之和与应力波在驱动器与感应器之间 的传播时间作为应力波因子，并利用小波分析，实现了对蜂窝结构中的脱粘损伤的检测。 另外，利用激光等非接触式手段激发应力波进行检测的研究正在进行。汤立国等利用本征 函数法对管道中激光激发瞬态应力波进行了理论研究，这方面的实验研究鲜见报导。1.1.3 应力波技术的实验及数据处理方法常规的应力波技术实验装置应包括激励装置、激励接收装置和信号处理系统，下面以 基于压电元件的应力波技术实验装置为例，介绍应力波技术的实验方法：1）实验系统构成。触发脉冲信号发射器、多通道数字示波器 （ 数据采集和处理系统 ） 、压电驱动器、压电传感器电荷放

12、大器。2) 实验方法。a. 在试件一端启动压电驱动器，触发脉冲，由换能器转换成波信号入射介质中；b. 在试件末端用压电传感器检波，并将其转换成电信号，显示在示波器上；c. 调整示波器进行重复采样以降低系统的随机噪声；d 采集数据，进行应力波信号分析。3) 小波变换处理数据。小波理论是近十几年来发展起来的新的信号处理技术，它在时域和频域内都可以达到 高的分辨率，能实现多分辨率分析，在数值信号处理领域应用广泛，发展非常快。小波变 换采用改变时间一频率窗口形状的方法，很好地解决了时间分辨率和频率分辨率的矛盾， 在时间域和频率域里都具有很好的局部化性质。对信号中的低频成分，采用宽的时间窗， 得到高的分

13、辨率；对信号中的高频成分，采用窄的时间窗，得到低的频率分辨率。小波变 换的这种自适应特性，使它在工程技术和信号处理方面获得广泛应用。BP应用小波分析进行数据处理主要有两方面的工作：信号滤波；提取一些特殊的、对结 构裂纹损伤敏感的信号进行研究。 Staszewski W J 口 综述了小波变换在结构损伤探测中 的应用。 Womell G W 介绍了基于小波变换进行信号处理的方法。刘镇清介绍了小波变换的 原理及典型的 Mallat 快速变换算法，给出了这种声信号处理技术在超声探测中的应用。卢 超等 以压力容器的三种焊接缺陷为研究对象，对缺陷回波信号作连续小波变换并利用 神经网络进行训练和分类。实验

14、结果表明，连续小波变换在信号特征提取上具有优良特 性。最近，张立新、苏先樾等。 利用小波变换处理应力波信号对自由端受冲击的含裂纹悬 臂梁进行了时频分析，提取中高频信号的特征，探测出损伤是否存在并探测出了裂纹的位 置，但没有探测出缺陷的类型和损伤程度。1.2 应力波技术在管道检测中的应用近年来，发展较快并有望实现工业化的管道检测技术就是基于应力波技术的的超声导 波技术。导波可在管道中传播很长的距离，如果将激发、接收装置放在管道的两端，接收 信号中将含有发射和接收装置之间的完整波信息。因此，利用导波进行管道检测是线检测 而不是点检测，可节省时间。另外，因为导波能在整个管壁内产生应力波，因此可以探测

15、 管壁的整个厚度，即，它可以发现管壁内部的缺陷。导波在管道中的产生与传播受到实验频率、激励角度及管壁厚度等条件的严格限制。 一般使用透声斜楔以纵波入射法在管中激励导波。由于不同模式导波在管壁内引起的质点 的振动沿管轴方向的分布各不相同，对不同深度处缺陷检测须采用不同模式的导波。所以 选择特殊模式的导波对检测缺陷是十分重要的。1.2.1 管中导波的传播特性由管道中导波的频散方程I Cf |= 0可知，管道中存在 3种导波模式，即轴对称纵振波，L(0, m)( m=1 , 2, 3, 4，);轴对称扭曲z波，T (O, m)(m=1, 2, 3, 4,.);非轴对称弯曲波，F(n , m)(n ,

16、 m=1, 2, 3, 4,.)。以上模式中整数反映该模式在管厚方向上的振动形态；而整数反映该模式绕管壁螺旋式传播形态。准确地描述上述3类模式较为困难，但当管壁较薄，且半径较大时，L(0 , m)模式对应于板中的 Lamb波；而T(0 , m)模式对应于板中的 SH波。由于管中导波的频散特 性，其相速度与群速度并不相等。管道的内径与壁厚比变化时对管中导波的模式行为产生 很大的影响。当内径与壁厚比变得很大时，圆管中波的模式行为与同厚度板中波的模式行 为基本相同。柱体导波的这一特性，可作为板中的导波近似地分析。1.2.2管道导波检测研究进展通常，管道中裂纹、腐蚀等缺陷在管的内、外表面都可能发生。由

17、于在检测过程中不 能接近管道的情况居多，如果不祛除包覆层，即使是外部缺陷也无法用传统的超声无损检 测(NDT)技术来检测。超声导波检测技术可解决这一难题。由于导波具有频散特性，在管中 会产生多种模式的波，所以导波模式的选择至关重要。英国帝国理工大学力学工程系的Cawley P等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。这一方法的优点是它可以进行长距离 管道的快速检测，并且只须移去放置激励装置部分的包覆层即可检测。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

18、、透射、模式转换等进行了分析，并 取得了一定的成果。Cawley P等利用Ao(非对称0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：Ao模式对管道中的缺陷非常敏感，波对大结构、长钢管的缺陷或腐蚀的检测很有效。All wyne D等提出用L(0 , 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. LoweL2等用大约70 kHz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

19、进行了数值模拟。另外，韩国原子能研究所Moon HoPark等用Ao模式Lamb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：Ao模式Lamb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。Wa chan等用有限元方法对梯状管中阶梯截面对Lamb波的反射和透射系数进行了研究。国内焦敬品、吴斌等综述了超声柱面导波、超声导波检测技术的进展；他得安等分 析了导波在管中的传播特性以及管道内径与壁厚之比变化时对导波频散特性的影响。管道超声导波检测技术是目前管道无损检测的研究热点。但是，由于导波的多模和频 散特性，到目前为止，超声导波在管道中传播及散射的特性仍未完全理

20、解。在实际应用 中，对于热交换管道、化工管道及煤气管道，这种接触式的检测方法很不方便。因此，发 展非接触式激发和接收超声导波的检测手段是十分必要的，主要有电磁超声和激光超声。张晓春等介绍了电磁超声探测技术的基本原理及电磁超声产生应力波的激发和接收方式。 管道导波检测技术在国内刚刚起步，为使这项技术得以应用，还有许多工作要做。1.3 应力波技术有待解决的几个问题应力波技术关键性的假设是应力波相互作用的假定，要完整透彻地理解和分析应力波 信号，首先要证明应力波和材料中的裂纹以及损伤积累之间确实有定量的关系；其次要进 一步清楚材料中引入的询问应力波的衰减与外载作用下自发的应力波衰减之间的联系。目 前

21、还没有一种合适的微观本构模型可用来描述应力波和控制材料机械性能及动态响应诸因 素之间的联系。概括起来，有以下几个方面的工作有待进一步研究：a. 应用于各物理模型的各种参数的依赖关系；b. 更复杂完善的模型，将缺陷对于频散和能量耗散的影响考虑进去；c. 利用有限元或有限差分法计算发射传感器在波导及其表面产生的扰动；d 建立合理的模型预测各类缺陷的超声导波信号的影响并进行实验考证；e 针对接触式超声导波测试难以重现的问题，进一步改善实验设备，研究非接触式导波 检测方法；目前，国内在这方面的基础研究和实验技术刚刚起步，开发这一技术尚需从基础开 始。2 展望管道应力波检测技术的研究具有广阔的工程应用背景，目前已发展了各种不同的方 法，但就工程应用而言，还没有哪种方法能够全面地应用于任何管道的检测中。从目前的 研究来看，该技术的发展应主要从以下几个方面着手。1) 信号分析技术。对损伤信号的处理，可采用多种信号分析方法，一方面可采用现有的信号分析手段， 如谱分析、逆谱分析和统计分析方法；另一方面更先进的信号分析工具如逆散射理论、重 构理论和同态分析等技术都可应用。近年来，小波变换技术和神经网络理论在损伤探测领 域发挥了重要作用