超聲導(dǎo)波在管道中的應(yīng)用與檢測

趙鈺龍 于灝

摘要：說明了導(dǎo)波在無損檢測方面的重要地位，論述了導(dǎo)波檢測原理和方法，通過模擬得到了管中導(dǎo)波的群速度，并通過數(shù)值仿真的方法對缺陷進(jìn)行定位。有限元數(shù)值仿真的結(jié)果顯示與實際缺陷位置相吻合，并得出缺陷回波時間與材料和位置相關(guān)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)波橫波無損檢測

中圖分類號：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（a）-0000-00

1 引言

管道在現(xiàn)代社會的生活與生產(chǎn)中極為重要[1]。在長時間的服役中，管道容易受到外部環(huán)境影響以及管道內(nèi)介質(zhì)侵蝕產(chǎn)生缺陷。超聲導(dǎo)波無損檢測在滿足檢測精度和可靠性要求的前提下，可以進(jìn)行在線檢測，檢測范圍也大大提升。由于超聲導(dǎo)波傳播距離長且衰減很小，因此超聲導(dǎo)波廣泛應(yīng)用于規(guī)模化的無損檢測和健康狀態(tài)評估，大幅提高效率的同時保障了生命財產(chǎn)安全。

2 導(dǎo)波概述

無損檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，而超聲技術(shù)是其中一種。超聲波進(jìn)入物體遇到缺陷時聲波會產(chǎn)生反射、折射、衍射，接收器可接收回波，分析回波可以精確的探測缺陷的位置、形狀、大小等特征。但傳統(tǒng)超聲波技術(shù)也有不足，逐點掃查式的工作過程導(dǎo)致工作量巨大，在長距離、大尺寸的檢測上效率低下[2]。超聲導(dǎo)波技術(shù)有效提升了檢測效率[3，4]，在理想的管道檢測中可以一次可檢測200米的長度。在固體中傳播的超聲導(dǎo)波，由于本身的特性沿傳播路徑衰減很小，所以可以克服逐點掃描法的缺點進(jìn)行長距離、大范圍的缺陷檢測。超聲導(dǎo)波也可以在充液、帶包覆層的管道中傳播，使得檢測工業(yè)管道的費用大大降低[5]。

超聲導(dǎo)波是一種新興的無損檢測方法，其優(yōu)勢是檢測距離長、范圍廣，可以對難以觸碰的區(qū)域進(jìn)行在線檢測。其原理是應(yīng)力波在不同介質(zhì)中反射、折射、衍射，碰到缺陷后會產(chǎn)生相應(yīng)回波射信號（如圖1所示），對回波信號進(jìn)行提取、分析便可探測到被測物體的損傷情況。由被測物的邊界條件不同，又有Lame波、管狀導(dǎo)波、柱狀導(dǎo)波等，由其波結(jié)構(gòu)不同又可分為多種模態(tài)，模態(tài)中又根據(jù)周向振型n和徑向振型m加以細(xì)分。

3有限元仿真分析

單音頻疊加信號經(jīng)漢寧窗函數(shù)調(diào)制后其信號主瓣高而旁瓣迅速衰減，頻譜中能量集中在中心頻率附近。這種窄帶激勵可以提高信號強度，也可以增加導(dǎo)波的傳播距離。此仿真采用10個周期信號疊加經(jīng)漢寧窗調(diào)制的信號作為激勵信號，其中心頻率為70KHz。

ANSYS是工程計算中廣泛使用的有限元仿真軟件，在數(shù)十年的時間里其精確性與實用性獲得廣泛認(rèn)同，使用此軟件的計算參數(shù)如表1所示。

式中λmin為計算中的超聲波中最小的波長。

4信號處理

依據(jù)脈沖回波原理來對裂紋位置進(jìn)行測定。此模擬中以自激自收的方法提取信號數(shù)據(jù)，在對仿真信號進(jìn)行處理的過程中使用式（2）進(jìn)行定位：

（2）

式中 是波速， 是距離差，與其對應(yīng)的時間為 。

超聲導(dǎo)波在管道中傳播時，其不連續(xù)處會發(fā)生反射和透射現(xiàn)象，由此可以進(jìn)行缺陷定位?；夭〞r間取兩波峰之間的時間差，即激勵信號與底端回波信號的時間差，可以計算該波群速度為5291m/s。根據(jù)分析導(dǎo)波信號的基本原理和算法，可以計算出缺陷的具體位置：

5總結(jié)

本文模型中預(yù)設(shè)的單裂紋模型裂紋位置在距接收信號位置1.150m-1.152m處，計算結(jié)果與實際裂紋位置吻合較好。計算中發(fā)現(xiàn)反射波返回的時間與裂紋大小相關(guān)性較小而與裂紋位置和材料參數(shù)關(guān)系較大，與理論一致。

參考文獻(xiàn)

[1]臧鐵軍，藏天紅. 我國管道運輸?shù)陌l(fā)展概況[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備，1998， （4）： 1～4.

[2]劉鎮(zhèn)清. 超聲無損檢測中的導(dǎo)波技術(shù)[J]. 無損檢測，1999，21（8）： 367-375.

[3]ROSE J L. A baseline and vision of ultrasonic guided wave inspection potential[J]. Journal of Pressure Vessel Technology， 2002， 124（3）： 273-282.

[4]何存富， 吳斌， 范晉偉. 超聲柱面導(dǎo)波技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展. 2001， 31（2）： 203-214.

[5] 季壽宏，王強，宋祎昕. 在役天然氣管道缺陷檢測新技術(shù)概述[J]. 煤氣與熱力，2012，01： 78-81.