基于縱向超聲導(dǎo)波管道非通透缺陷檢測(cè)研究

童今鳴，胡明慧

?

基于縱向超聲導(dǎo)波管道非通透缺陷檢測(cè)研究

童今鳴，胡明慧

(華東理工大學(xué)承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237)

管道經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期服役后，由于磨損、腐蝕和意外損傷等原因，對(duì)管道正常運(yùn)行產(chǎn)生危害。在實(shí)際工況中，小的腐蝕缺陷容易發(fā)展成腐蝕穿孔，淺層的小裂紋容易發(fā)展成穿透型裂紋，因此探究如何有效檢測(cè)管道小寬度非通透缺陷是很有必要的。利用ANSYS有限元仿真軟件模擬縱向模態(tài)導(dǎo)波對(duì)管道的周向和斜向非通透缺陷的檢測(cè)，得到了周向非通透缺陷的反射系數(shù)曲線，并證實(shí)時(shí)間反轉(zhuǎn)法可以顯著提高導(dǎo)波對(duì)非通透斜裂紋的檢測(cè)能力。還針對(duì)空管和充水管非通透斜裂紋的定位問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明利用時(shí)間反轉(zhuǎn)法可以得到缺陷較為精確的周向與軸向位置及大致形狀。

超聲導(dǎo)波；缺陷檢測(cè)；縱向模態(tài)；管道；時(shí)間反轉(zhuǎn)

0 引言

在石油、天然氣等化工生產(chǎn)部門中，管道是很重要的組成部分，一旦管道發(fā)生破損、泄漏，可能會(huì)引發(fā)極其嚴(yán)重的后果，所以必須保證它們?cè)诎踩臓顟B(tài)下運(yùn)行。因此，對(duì)管材中缺陷的檢測(cè)就成為了很重要的課題。超聲導(dǎo)波技術(shù)是一種新型無(wú)損檢測(cè)方法，可以對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)距離快速檢測(cè)。該方法既可以對(duì)管道上的泄漏點(diǎn)即穿透型缺陷進(jìn)行識(shí)別和定位，同時(shí)也可以檢測(cè)到影響管道使用壽命的非穿透型缺陷。管道中傳播的導(dǎo)波可以分為縱向模態(tài)L(0，)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0，)以及彎曲模態(tài)F(n，)，其中：是周向梯次，表示導(dǎo)波模態(tài)繞管壁螺旋式傳播的形態(tài)；是模數(shù)，反映導(dǎo)波在管道厚度方向上的振動(dòng)模態(tài)。馬書義[1]等人研究了空心圓管中導(dǎo)波頻率的選擇。Harumichi Sato[2]等人利用數(shù)值方法模擬了導(dǎo)波在充水管道中的傳播過(guò)程。劉增華[3]等人從理論上分析并得到了充水管道的頻散特性曲線，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了充水管道中縱向模態(tài)的傳播特性。

在實(shí)際檢測(cè)中，經(jīng)典導(dǎo)波技術(shù)很難檢測(cè)出非通透型小缺陷，而這些小缺陷的存在會(huì)對(duì)管道的正常運(yùn)行埋下很大的隱患。為了提高對(duì)小缺陷的檢測(cè)靈敏度并對(duì)缺陷進(jìn)行較精確的定位，很多研究人員進(jìn)行了該方面的研究。Joel Harley[4]等人利用時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦法實(shí)現(xiàn)管道健康監(jiān)測(cè)，鄧菲[5]等人提出了可以基于時(shí)間反轉(zhuǎn)法進(jìn)行管道導(dǎo)波缺陷參數(shù)的辨識(shí)，Takahiro Hayashi[6]等人利用時(shí)間反轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)管道缺陷的成像，X Guo[7-8]等人提出了利用時(shí)間反轉(zhuǎn)非線性導(dǎo)波檢測(cè)法識(shí)別管道中的微觀缺陷?？v向模態(tài)相比扭轉(zhuǎn)模態(tài)更容易激勵(lì)以及可重復(fù)，常被選擇用來(lái)進(jìn)行管道缺陷檢測(cè)[9-11]。

本文在前人的基礎(chǔ)上繼續(xù)選擇縱向模態(tài)導(dǎo)波針對(duì)管道中非通透裂紋的檢測(cè)進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用時(shí)間反轉(zhuǎn)法有效提高了管道中非通透斜裂紋的檢測(cè)靈敏度，并且可以實(shí)現(xiàn)裂紋軸向和周向位置的精確定位以及裂紋形狀的辨識(shí)。

1 基本理論

1.1 導(dǎo)波在管道中的基礎(chǔ)理論

當(dāng)波在圓柱殼結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，滿足Navier位移運(yùn)動(dòng)方程[3]，即

式中：、是材料的Lame常數(shù)；為材料密度；是時(shí)間；是位移場(chǎng)。

求解導(dǎo)波的位移場(chǎng)，歸根結(jié)底就是求解式(4)所示的頻散方程：

其中：與管徑尺寸、材料的Lames常數(shù)、密度以及頻率有關(guān)[10]。

1.2 空管道縱向模態(tài)的頻散曲線

利用超聲導(dǎo)波對(duì)空管道進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，首先需要根據(jù)導(dǎo)波的頻散曲線確定激勵(lì)導(dǎo)波的模態(tài)與頻率。利用英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)開發(fā)的Disperse軟件可以很方便地得到管道中導(dǎo)波的頻散曲線。

本文所研究的管道長(zhǎng)度為2 m，外徑和壁厚分別為100 mm和5 mm。材料參數(shù)：楊氏彈性模量為2.17×109Pa，泊松比為0.286，質(zhì)量密度為7 930 kg/m3。將管道參數(shù)輸入Disperse軟件中即可得到管道縱向模態(tài)的相速度與群速度頻散曲線，空管道縱向模態(tài)頻散曲線如圖1所示，圖中坐標(biāo)p表示相速度，g表示群速度。為了盡量避免激發(fā)導(dǎo)波頻散性對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，因此應(yīng)該選擇頻散很小的頻率和模態(tài)作為激勵(lì)導(dǎo)波。從圖1中可見(jiàn)，L(0, 2)模態(tài)在低頻段時(shí)，其頻散曲線很平滑，頻散性很小。綜合考慮，選用導(dǎo)波的激發(fā)頻率在70～260 kHz之間時(shí)，即可滿足要求。

(a) 相速度

(b) 群速度

圖1 空管L模態(tài)導(dǎo)波頻散曲線

Fig.1 Dispersion curves of the L mode guided waves in hollow pipeline

1.3 充水管道中縱向模態(tài)的頻散曲線

當(dāng)管道中充滿水后，由于縱向模態(tài)在水和管道中都可以傳播，因此，管道中縱向模態(tài)的頻散曲線由管道和水兩者耦合而成。

利用Disperse軟件繪制充水管道的參數(shù)輸入與空管參數(shù)相同，充水管道模擬時(shí)需要輸入水的密度1 000 kg/m3和水中縱波波速1 500 m/s，輸完各項(xiàng)參數(shù)后即可繪制充水管道縱向模態(tài)的頻散曲線，如圖2所示。從頻散曲線群速度中可以看出，當(dāng)選擇的頻率范圍在每個(gè)模態(tài)的群速度最大值范圍內(nèi)時(shí)(即管道中未受干擾的L(0, 2)模態(tài)分支部分)，其頻散曲線較平緩，激發(fā)出的導(dǎo)波頻散較小。

1.4 基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的導(dǎo)波檢測(cè)

時(shí)間反轉(zhuǎn)法是基于時(shí)間-空間聚焦效應(yīng)提出的，是指接收傳感器陣列接收聲源發(fā)射的時(shí)域信號(hào)，將這些信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)后再分別由相應(yīng)的接收單元重新激勵(lì)出去，它是聲互易性原理的應(yīng)用之一[12]，可以實(shí)現(xiàn)能量在空間、時(shí)間上的聚焦，從而獲得聲源位置并實(shí)現(xiàn)聲源信號(hào)的重構(gòu)。導(dǎo)波在管道中傳播時(shí)，遇到缺陷會(huì)發(fā)生反射和透射，其中被反射回來(lái)的聲波可以看作是以缺陷作為二次信號(hào)發(fā)射源的發(fā)射波，因此利用時(shí)間反轉(zhuǎn)法將接收到的缺陷信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)，然后分別由相應(yīng)的接收單元重新激勵(lì)，信號(hào)波會(huì)在傳播至缺陷位置時(shí)發(fā)生能量聚焦。

(a) 相速度

(b) 群速度

圖2 充水管道L模態(tài)導(dǎo)波頻散曲線

Fig.2 Dispersion curves of the L mode guided waves in liquid-filled pipeline

2 導(dǎo)波的有限元仿真

利用ANSYS軟件進(jìn)行仿真，選擇單元型號(hào)、確定材料參數(shù)、建立幾何模型，然后對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置好相應(yīng)的邊界條件、設(shè)定計(jì)算時(shí)間與時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 模型建立

在模型建立階段，可以通過(guò)軟件特有的APDL編程語(yǔ)言進(jìn)行前處理過(guò)程，也可以通過(guò)GUI界面進(jìn)行模型的建立與加載。ANSYS軟件中的Multiphysics模塊還可以進(jìn)行多物理場(chǎng)的耦合分析。本文研究的是管道中的一種典型缺陷：非通透型斜裂紋缺陷，圖3為數(shù)值分析時(shí)選擇的實(shí)體單元管道模型，其中缺陷的各項(xiàng)尺寸參數(shù)：缺陷長(zhǎng)度為1/8管道周長(zhǎng)，寬度為0.5 mm，徑向深度為2.5 mm，缺陷中心點(diǎn)的位置距信號(hào)發(fā)射端1 m，缺陷與管道母線夾角為60°，周向位置為0°。在建立模型時(shí)為了保證激勵(lì)出近似于單一L(0, 2)模態(tài)，管道圓周方向網(wǎng)格劃分個(gè)數(shù)應(yīng)為8的倍數(shù)，根據(jù)計(jì)算精度要求以及管道尺寸大小，選擇合適的圓周方向網(wǎng)格劃分個(gè)數(shù)，管道軸向單元的長(zhǎng)度選擇應(yīng)滿足單元尺寸必須小于激勵(lì)模態(tài)波長(zhǎng)的1/8，用以控制波形的傳播誤差在0.5%內(nèi)。斜裂紋附近采用自由網(wǎng)格劃分方式，其他區(qū)域采用掃略劃分。

圖3 缺陷管道模型

本文還重點(diǎn)探究了斜裂紋缺陷的一種特殊形式，即裂紋與管道母線成90°夾角的周向裂紋缺陷。

2.2 設(shè)置空管邊界條件及求解計(jì)算

對(duì)于管道中縱向模態(tài)導(dǎo)波的激勵(lì)方式，采用的是在管道一端所有節(jié)點(diǎn)上施加瞬時(shí)軸向位移載荷，由于施加的信號(hào)為軸對(duì)稱均勻加載的方式，因此可以激發(fā)出近似于單一L(0, 2)模態(tài)的導(dǎo)波。信號(hào)接收端為距離發(fā)射端一個(gè)單元位置處的節(jié)點(diǎn)。

在管道激發(fā)端施加瞬時(shí)軸向位移載荷，管道另一端固定，載荷信號(hào)為經(jīng)漢寧窗調(diào)制的10周期單音頻正弦信號(hào)，施加位移的表達(dá)式如下[11]：

2.3 設(shè)置充水管道邊界條件及求解計(jì)算

利用超聲導(dǎo)波進(jìn)行充水管道的損傷檢測(cè)時(shí)，由于管道中傳播的縱向L模態(tài)位移方向與管道軸線平行，且振動(dòng)位移也很小，只有微米級(jí)，所以管道對(duì)管內(nèi)液體的流動(dòng)影響非常小，管內(nèi)液體可以看成是穩(wěn)定狀態(tài)，而且，由于研究主要關(guān)注的是導(dǎo)波在管道中的傳播特性，所以對(duì)管內(nèi)液體建模時(shí)可以采取一定的簡(jiǎn)化。在對(duì)充水管道設(shè)置邊界條件及求解計(jì)算時(shí)，管道部分的邊界條件設(shè)置與空管道一致，即在管道一端施加瞬時(shí)位移載荷，另一端固定。管內(nèi)液體兩端設(shè)置為剛性邊界條件，即將液體兩端端面處所有節(jié)點(diǎn)位移設(shè)置為固定。管內(nèi)液體與管道的交界面處則采用流固界面共節(jié)點(diǎn)。

圖4 激勵(lì)信號(hào)波形圖

3 管道數(shù)值模擬

3.1 空管周向非通透缺陷檢測(cè)

本節(jié)探究的是用導(dǎo)波檢測(cè)空管中周向非通透缺陷的數(shù)值模擬。

利用頻率為130 kHz的L(0, 2)模態(tài)導(dǎo)波檢測(cè)周向長(zhǎng)度分別為占管道圓周長(zhǎng)度1/4、1/2、3/4和4/4的周向缺陷，得到的回波信號(hào)曲線如圖5所示，從信號(hào)時(shí)程曲線可以看出，利用L(0, 2)模態(tài)導(dǎo)波可以有效地檢測(cè)出具有一定長(zhǎng)度的周向小寬度非通透缺陷。

(a) 裂紋長(zhǎng)度占管道周長(zhǎng)1/4

(b) 裂紋長(zhǎng)度占管道周長(zhǎng)2/4

(c)裂紋長(zhǎng)度占管道周長(zhǎng)3/4

(d)裂紋長(zhǎng)度占管道周長(zhǎng)4/4

圖5 含不同周向長(zhǎng)度裂紋缺陷管道的模擬檢測(cè)信號(hào)

Fig.5 Simulated detection signals for the pipeline with a crack of different circumferential lengths

為了探究導(dǎo)波頻率選擇對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，繼續(xù)選擇180 kHz和260 kHz的頻率進(jìn)行空管周向缺陷數(shù)值模擬，得到的缺陷反射系數(shù)曲線如圖6所示。由圖6分析可知，當(dāng)所檢測(cè)的周向缺陷相同時(shí)，隨著導(dǎo)波頻率的增加，導(dǎo)波信號(hào)對(duì)周向缺陷的回波信號(hào)幅值呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)導(dǎo)波頻率增加時(shí)，由于其相速度大致相等，所以波長(zhǎng)變短，遇到缺陷時(shí)更加敏感，反射回的能量更多，所以會(huì)呈現(xiàn)回波信號(hào)增強(qiáng)的趨勢(shì)。然而當(dāng)導(dǎo)波頻率繼續(xù)增加的時(shí)候，導(dǎo)波在管道中傳播時(shí)的能量衰減更加嚴(yán)重，所以會(huì)呈現(xiàn)出回波信號(hào)減弱的趨勢(shì)?？偟膩?lái)說(shuō)，在一定頻率范圍內(nèi)，頻率的改變對(duì)缺陷回波大小的影響并不是很大。從圖6中還可以看出，當(dāng)導(dǎo)波頻率不變時(shí)，反射回波的幅值與周向?qū)Рǖ拈L(zhǎng)度基本呈現(xiàn)線性關(guān)系。

圖6 反射系數(shù)隨裂紋長(zhǎng)度的擬合曲線圖

3.2 基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的空管斜向非通透缺陷檢測(cè)

本節(jié)探究利用L(0, 2)模態(tài)檢測(cè)管道斜向非通透裂紋的模擬研究。當(dāng)管道中缺陷為非通透斜裂紋時(shí)，由于缺陷對(duì)于管道軸向的不對(duì)稱性，缺陷反射回波的頻散會(huì)很嚴(yán)重，導(dǎo)致缺陷回波幅值很小，在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中很可能被環(huán)境噪聲信號(hào)淹沒(méi)，因此有必要采取一定的方法提高缺陷反射回波信號(hào)。本文研究的缺陷如圖3所示，并且保持缺陷中心點(diǎn)位置不變，不斷改變其斜向角度，采用時(shí)間反轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測(cè)法來(lái)進(jìn)行管道斜裂紋的檢測(cè)，在數(shù)值模擬時(shí)采用的步驟如下：

(1) 在建立的管道有限元模型上按照如前所述的激勵(lì)方式激勵(lì)出頻率為130 kHz的L(0,2)模態(tài)導(dǎo)波進(jìn)行缺陷檢測(cè)，在48個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上讀取接收信號(hào)，將所有節(jié)點(diǎn)的信號(hào)直接疊加可以得到直接導(dǎo)波的檢測(cè)信號(hào)。圖7為部分旋轉(zhuǎn)角度缺陷的信號(hào)曲線圖，從圖中可以看出，當(dāng)裂紋角度小于75° 時(shí)，缺陷回波的幅值幾乎不可見(jiàn)。

(a) 裂紋角度為90°

(b) 裂紋角度為75°

(c) 裂紋角度為60°

(d) 裂紋角度為45°

圖7 含不同旋轉(zhuǎn)角度斜裂紋缺陷管道的直接導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)

Fig.7 Simulated direct detection signals for the pipelines with an oblique crack of different rotation angles

(4) 將時(shí)間反轉(zhuǎn)激勵(lì)信號(hào)同時(shí)在原模型管道端面的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)(與接收節(jié)點(diǎn)同周向位置所有節(jié)點(diǎn))重新激勵(lì)。而后在模型監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處提取所有節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)信號(hào)如圖8所示。由圖8可以看出，利用時(shí)間反轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測(cè)法可以有效地放大非通透型斜裂紋缺陷回波信號(hào)，特別是當(dāng)斜裂紋角度大于45°時(shí)，時(shí)間反轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測(cè)法的信號(hào)放大效果很明顯，對(duì)于小角度斜裂紋也可以從位移時(shí)程曲線中判斷出缺陷波包的位置，從而進(jìn)一步判斷出缺陷的軸向位置。圖9為使用兩種檢測(cè)方法得到的反射系數(shù)曲線，可以看出時(shí)反后缺陷反射系數(shù)有很明顯的提高，說(shuō)明利用時(shí)間反轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測(cè)法可以顯著提高導(dǎo)波對(duì)管道斜裂紋非通透缺陷的檢測(cè)能力。

3.3 非通透斜裂紋缺陷定位可視化研究

通過(guò)上述位移時(shí)程曲線圖只能得到斜裂紋的軸向位置，而無(wú)法給出關(guān)于裂紋的周向位置以及裂紋的形狀的有效信息，因此有必要對(duì)裂紋進(jìn)行有效的定位研究。

3.3.1 空管斜裂紋缺陷定位可視化研究

利用時(shí)間反轉(zhuǎn)法，選擇旋轉(zhuǎn)角度為60° 的非通透斜裂紋進(jìn)行缺陷定位可視化研究，重復(fù)3.2節(jié)中的前三個(gè)步驟，在步驟(4)時(shí)建立另一個(gè)各項(xiàng)尺寸材料參數(shù)與被檢管道相同但無(wú)缺陷的參考模型，并將步驟(3)中得到的時(shí)間反轉(zhuǎn)激勵(lì)信號(hào)同時(shí)在參考模型管道端面的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)(與接收節(jié)點(diǎn)同周向位置)重新激勵(lì)。

(a) 裂紋角度為90°

(b) 裂紋角度為75°

(c) 裂紋角度為60°

(d) 裂紋角度為45°

(e) 裂紋角度為30°

(f) 裂紋角度為15°

圖8 含不同旋轉(zhuǎn)角度斜裂紋缺陷管道的時(shí)間反轉(zhuǎn)檢測(cè)信號(hào)

Fig.8 Simulated time reversal detection signals for the pipelines with an oblique crack of different rotation angles

圖9 時(shí)反前后反射系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角度變化的擬合曲線

根據(jù)時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦效應(yīng)的原理，可以知道如果信號(hào)按照原來(lái)的途徑反向傳播，那么信號(hào)最終會(huì)在波源處聚焦。因此，建立另一個(gè)管道各項(xiàng)尺寸材料參數(shù)相同但無(wú)缺陷的參考模型，將時(shí)間反轉(zhuǎn)激勵(lì)信號(hào)同時(shí)在參考模型管道端面的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處激勵(lì)，模擬再現(xiàn)缺陷反射波在管道中傳播的逆過(guò)程，根據(jù)時(shí)間反轉(zhuǎn)理論，可以推測(cè)出當(dāng)信號(hào)傳播到參考模型中與原缺陷所在的軸向位置相對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，信號(hào)能量會(huì)聚焦于源缺陷位置。計(jì)算出信號(hào)最大峰值傳播到缺陷位置時(shí)的時(shí)間，而后讀取該時(shí)間步下相應(yīng)的位移,圖10是信號(hào)傳播到原缺陷相應(yīng)軸向位置時(shí)的管道軸向振幅云圖，從圖中波形最大峰值處可以推斷出缺陷的周向位置以及缺陷大致形狀。

(a) 缺陷所在軸向位置局部放大圖

軸向位移/m

(b) 管道位移云圖

圖10 空管道位移云圖

Fig.10 Resulting displacement profiles for hollow pipeline

3.3.2 充水管道斜裂紋缺陷定位可視化研究

與空管缺陷定位所用的方法一樣，充水管道缺陷也是采用時(shí)間反轉(zhuǎn)法進(jìn)行定位的，選擇的管道模型與缺陷尺寸和空管道一致。圖11為進(jìn)行3.2節(jié)中的步驟(1)得到的某節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)程曲線，將時(shí)間反轉(zhuǎn)后的節(jié)點(diǎn)信號(hào)，在另一個(gè)各項(xiàng)參數(shù)相同的無(wú)缺陷管道端部周向位置相同的各相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處激發(fā)，模擬缺陷回波逆?zhèn)鞑サ倪^(guò)程，如圖12所示。圖12為信號(hào)傳播到原缺陷相應(yīng)軸向位置時(shí)的管道軸向振幅云圖。相對(duì)于空管而言，充水管道的時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦效果會(huì)差一點(diǎn)，主要原因是因?yàn)楣軆?nèi)液體對(duì)管道中傳播的軸向模態(tài)與彎曲模態(tài)有一定的吸收，因此，會(huì)影響到信號(hào)波的聚焦效果。

圖11 節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)

(a) 缺陷所在軸向位置局部放大圖

軸向位移/m

(b) 管道部分位移云圖

圖12 充水管道位移云圖

Fig.12 Resulting displacement profiles for liquid- filled pipeline

3.4 試驗(yàn)研究

圖13 試驗(yàn)流程示意圖

試驗(yàn)選用長(zhǎng)度2 000 mm、壁厚3.5 mm、外徑76 mm的鋼管，在管道距激發(fā)端600 mm處加工一尺寸為30 mm×2 mm×2 mm、與管道母線偏轉(zhuǎn)75°的不通透斜裂紋。壓電晶片貼在管道端部外表面上，為了盡可能多地得到管道周向不同位置的缺陷回波信號(hào)，使后續(xù)聚焦效果較好，使用32片壓電陶瓷晶片組成導(dǎo)波傳感器陣列，并將所有壓電陶瓷晶片按照順序依次編為1～32號(hào)，將編號(hào)為奇數(shù)的壓電晶片歸為A組，編號(hào)為偶數(shù)的壓電晶片歸為B組。在進(jìn)行導(dǎo)波試驗(yàn)時(shí)，先將A組所有晶片用于激發(fā)導(dǎo)波，B組所有晶片用于接收，得到16個(gè)接收信號(hào)后，再將B組所有晶片用于激發(fā)導(dǎo)波，A組用于接收信號(hào)，得到16個(gè)接收信號(hào)，這樣可以得到管道周向32個(gè)位置處的接收信號(hào)。本試驗(yàn)分別在激勵(lì)頻率110～170 kHz、步長(zhǎng)10 kHz下完成，由于在140 kHz激勵(lì)頻率下獲得的檢測(cè)波形最清晰并且信噪比較高，所以本試驗(yàn)采用該檢測(cè)頻率進(jìn)行信號(hào)采集。圖14為某接收點(diǎn)接收信號(hào)和32個(gè)接收點(diǎn)接收到的缺陷波形信號(hào)。

(a) 某接收點(diǎn)接收信號(hào)

(b) 32個(gè)接收點(diǎn)上獲得的缺陷反射信號(hào)

圖14 帶斜裂紋管道檢測(cè)波形圖

Fig.14 The time domain waveforms for the pipeline with oblique crack

(a) 缺陷所在軸向位置局部放大圖

軸向位移/m

(b) 管道部分位移云圖

圖15 管道位移云圖

Fig.15 Resulting displacement profiles for the pipeline with oblique crack

4 結(jié)論

本文利用有限元軟件探究了縱向模態(tài)對(duì)管道缺陷檢測(cè)時(shí)的傳播特性，并基于時(shí)間反轉(zhuǎn)理論，對(duì)空管和充水管中的缺陷進(jìn)行了定位研究，主要得出了以下結(jié)論：

(1) 利用縱向模態(tài)檢測(cè)空管中的周向非通透缺陷時(shí)，缺陷回波與缺陷長(zhǎng)度基本成線性關(guān)系，改變檢測(cè)頻率對(duì)缺陷檢測(cè)效果影響不明顯。

(2) 基于時(shí)間反轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測(cè)法可以有效放大非通透斜裂紋的回波信號(hào)，提高對(duì)非通透斜裂紋的檢測(cè)能力。

(3) 利用時(shí)間反轉(zhuǎn)法可以對(duì)空管和充水管中的裂紋進(jìn)行有效的軸向和周向定位，并可根據(jù)軸向振幅云圖確定缺陷的大致形狀。

(4) 利用試驗(yàn)驗(yàn)證了缺陷成像法具有實(shí)際可行性。

[1] 馬書義, 武湛君, 劉科海, 等. 空心圓管中導(dǎo)波頻散特性與檢測(cè)頻率的選擇[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014, 50(20): 8-17. MA Shuyi, WU Zhanjun, LIU Kehai, et al. The dispersive characteristics of guided wave and the detection frequence selection[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(20): 8-17.

[2] Sato H, Ogiso H. Theoretical and simulated analysis of guided waves propagating in fluid-filled pipes[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2010, 49(7): 1-6.

[3] 劉增華, 何存富, 楊士明, 等. 充水管道中縱向超聲導(dǎo)波傳播特性的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2006, 42(3): 171-178.LIU Zenghua, HE Cunfu, YANG Shiming, et al. Theoretical analysis and experiment study on propagation characteristics of longitudinal ultrasonic guide wave in liquid-filled pipeline[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(3): 171-178.

[4] Harley J, O'Donoughue N, Jin Y, Moura J M. Time reversal focusing for pipeline structural health monitoring[C]//Proceedings of Meetings on Acoustics Acoustical Society of America, 2010, 8(1): 30001-30008.

[5] 鄧菲, 吳斌, 何存富. 基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的管道導(dǎo)波缺陷參數(shù)辨識(shí)方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 46(8): 18-24. DENG Fei, WU Bin, HE Cunfu. The defect parameter identification method of pipeline guided wave based on time reversal[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(8): 18-24.

[6] Hayashi T, Murase M. Defect imaging with guided waves in a pipe[J]. J. Acoust. Soc. Am., 2005, 117(4): 2134-2140.

[7] GUO X, ZHANG D, ZHANG J. Detection of fatigue induced micro-cracks in a pipe by useing time-reversed nonlinear guide waves: A three-dimensional model study[J]. Ultrasonics, 2012, 52(7): 912-919.

[8] Guo X, Yang D, Zhang D. Microcrack localization in pipelines using nonlinear guide waves combined with time reversal[J]. J. Acoust. Soc. Am., 2012, 131(4): 3511.

[9] 李偉. 超聲導(dǎo)波管道缺陷檢測(cè)的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué), 2007. LI Wei. Simulation and experimental research on pipe defect detection by using ultrasonic guided waves[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2007.

[10] 趙乃志. 利用壓電超聲導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)法的管道結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2013. ZHAO Naizhi. Research on pipeline structural crack monitoring by using PZT-based ultrasonic guided waves time reversal method[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2013.

[11] 齊霽. 基于PZT超聲導(dǎo)波的多裂紋管道損傷識(shí)別研究[D]. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)建筑大學(xué), 2013. QI Ji. Research on multiple crack pipeline monitoring by using pzt-based ultrasonic guided waves[D]. Shenyang: Shenyang Jianzhu University, 2013.

[12] Fink M. Time reversal of ultrasonic fields-Part I: Basic principles[J]. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 1992, 39(5): 555-566.

Detection of non-penetrating defect in pipeline based on the longitudinal ultrasonic guided wave

TONG Jin-ming, HU Ming-hui

(Key Laboratory of Pressure Systems and Safety, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

The wear, corrosion and accidental damage will harm the normal usage of the pipeline after long term operation. Under the practical working conditions, the small corrosion defects can be easily developed into corrosion perforation. Meanwhile, small crack in the shallow layer is likely to develop into a penetrating crack. Therefore, research on how to effectively detect the small defects in pipeline is necessary. In this paper, the longitudinal ultrasonic guide wave based detections of circumferential and oblique non-penetrating defects are simulated by ANSYS finite element simulation software. The reflection coefficient curves of circumferential non-penetrating defects are obtained. Itis also proved that the time reversal method could considerably increase detection capability to the oblique non penetrating defects. This paper also investigates the localization problem of the oblique non penetrating defects in hollow pipeline and liquid-filled pipeline. The result indicates that by the time reversal method, the more accurate circumferential and axial positions and the approximate shape of the defect can be obtained.

ultrasonic guided wave; defect detection; longitudinal model; pipeline; time reversal

TB553

A

1000-3630(2017)-03-0238-09

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.008

2016-11-29;

2017-03-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(51205133)資助項(xiàng)目

童今鳴(1994－), 男, 江西上饒人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)楣艿廊毕輰?dǎo)波檢測(cè)。

胡明慧, E-mail: agile_hu@ecust.edu.cn