基于超聲導(dǎo)波的管道幾何空間重構(gòu)方法的可行性分析

劉浩 張璐 施亞軍 李紅豫 陳婧嫕

0 引言

管道作為一種常見的長距離運輸工具，具有運輸量大、速度快、安全可靠等優(yōu)點。然而，隨著管道的長時間運行，以及自然環(huán)境的影響，管道易出現(xiàn)裂紋、腐蝕、滲漏等缺陷，管道的工程應(yīng)用存在極大的安全隱患，因此快速識別出埋設(shè)管道網(wǎng)絡(luò)的空間分布和當(dāng)前損害狀態(tài)具有非常重要的意義。

目前，管道常見的無損檢測方法有X 射線檢測、超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)和漏磁檢測等。由于城鎮(zhèn)管網(wǎng)呈枝狀、環(huán)狀分布，三通、彎頭、異徑管等較多，傳統(tǒng)無損檢測方法檢測速度慢、抗干擾能力差、精確度較低，對一些微小、隱蔽的損傷容易造成錯判、漏判，因此研究精確識別管道網(wǎng)絡(luò)空間分布及幾何特征有著重要的意義。由于超聲波檢測管道技術(shù)具有檢測速度快、使用成本低、檢測效率高的特點，因此在追求工業(yè)化的今天，超聲波無損檢測技術(shù)研究已成為一大熱點。

栗霞飛等通過仿真模擬T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波在直管與彎管中的傳播特性，發(fā)現(xiàn)T(0,1)扭轉(zhuǎn)模態(tài)在頻率為50kHz 時沒有發(fā)生頻散現(xiàn)象，適合用于管道的檢測。李東升等對四種典型管壁缺陷形式進(jìn)行模擬試驗分析，得到了具有較高精度的管道壁缺陷超聲波在役檢測的量化分析模型。王國峰等通過建立有限元仿真模型驗證管道中導(dǎo)波的傳遞機(jī)理，并提出了基于橢圓法的圓管定位，對管道的損傷定位研究進(jìn)行了分析。

雖然很多學(xué)者對管道中的超聲波檢測進(jìn)行了研究，但是對于識別管道網(wǎng)絡(luò)空間分布及幾何特征研究較為少見。因此，本文通過超聲波傳播來識別管道網(wǎng)絡(luò)空間與幾何特征，實現(xiàn)管網(wǎng)重構(gòu)。通過對接收到的超聲導(dǎo)波信號進(jìn)行分析，提取首次到達(dá)信號的峰值，證明了管網(wǎng)幾何與空間復(fù)雜度對超聲信號的影響，驗證了超聲導(dǎo)波識別管網(wǎng)的可行性。

1 管網(wǎng)復(fù)雜度

1.1 影響管道復(fù)雜度的因素

1.1.1 幾何因素

管道的空間結(jié)構(gòu)決定了影響管道復(fù)雜度的幾何因素。幾何因素包括管道直徑、管道壁厚、管道形狀。

1.1.2 路徑因素

超聲波在管道中傳播時的路徑也會影響管道的復(fù)雜度?？梢杂寐窂降拈L度來表征。

1.1.3 材料因素

管道按照材料可以分為金屬管道和非金屬管道兩類。其中，金屬管道有鋼管、鑄鐵管、銅管、鋁管、鉛管、混合金管等；非金屬管道有塑料管、混凝土管、水泥管、橡膠管。

1.1.4 連接件因素

連接件因素可以分為連接節(jié)點形式、節(jié)點數(shù)量兩類。常用的管道連接節(jié)點形式可以分為二通、三通、四通。其中，二通連接件又有不同的角度，比如45°彎管、90°彎管、180°直通等。

1.1.5 連接工藝因素

根據(jù)流體的性質(zhì)、管道的材質(zhì)及施工環(huán)境管道連接方法可以分為螺紋連接、法蘭連接、承插連接及焊接四種方法。

1.1.6 功能因素

管道按照其用途有不同的功能，如供水、供氣、供油。

1.1.7 填充物因素

管道按照其功能輸送不同的填充物，大致可分為水、氣、油三類。

1.1.8 環(huán)境因素

環(huán)境因素也會影響管道的復(fù)雜度，如是否為埋置管道、管道年限、天氣因素等。

1.1.9 管道缺陷因素

通常管道缺陷可以分為結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷兩類。結(jié)構(gòu)性缺陷如裂紋、變形、腐蝕、脫節(jié)、滲漏等；功能性缺陷如沉積、結(jié)垢、障礙物等。

1.2 復(fù)雜度定義

管網(wǎng)復(fù)雜度可以看成是構(gòu)成管道網(wǎng)絡(luò)空間所需的各種要素的集合。將含有一種要素的管道復(fù)雜度定義為一級，隨著包含的要素種類的增加，復(fù)雜度等級也逐步增加。構(gòu)成管網(wǎng)空間的要素有幾何、材料、路徑、連接方式、功能、填充物等，匯總見表1。每一個構(gòu)成要素或它們的任何組合都會影響超聲的傳播。通過提取和識別管網(wǎng)空間特征來簡化和建模，建立復(fù)雜度與超聲波特征之間的關(guān)系來重建管網(wǎng)。

表1 管網(wǎng)復(fù)雜度特征

現(xiàn)實中的管網(wǎng)很復(fù)雜，如圖1 所示，空間幾何特征可能包含表1 中的全部元素。為了直觀地解釋本文提出的管網(wǎng)復(fù)雜度的概念，這里可以用一個簡圖來簡要說明這些因素。在一片區(qū)域中，未知管網(wǎng)的部分見圖2 中的灰色區(qū)域。從A 點到B 點，管網(wǎng)有多種形式。例如，最簡單的方法是直線連接（路徑I）。隨著連接節(jié)點的參與，管道的復(fù)雜度就增加了，見圖2 中的路徑II（一個二通節(jié)點）和路徑III（兩個二通節(jié)點、兩個三通節(jié)點）。隨著復(fù)雜度的增加，管網(wǎng)會越來越復(fù)雜。

圖1 實際管網(wǎng)

圖2 具有不同復(fù)雜度的管網(wǎng)

1.3 管道復(fù)雜度量化分析

本研究的關(guān)鍵點是建立超聲波信號與復(fù)雜度之間的關(guān)系。為了便于建立二者之間的聯(lián)系，需對前文提出的復(fù)雜度的進(jìn)行簡化且賦予物理量的定義，對管道復(fù)雜度因素進(jìn)行量化處理，即定義復(fù)雜度特征值。

1.3.1 節(jié)點形式量化分析

管道節(jié)點形式如圖3 所示。定義無節(jié)點形式為；定義二通節(jié)點為：

圖3 不同管道節(jié)點形式尺寸

定義三通節(jié)點為：

定義四通節(jié)點為：

1.3.2 材料量化分析

表2 列舉了幾種材料的屬性，定義材料復(fù)雜度特征值為：

表2 材料分類及其性能

1.3.3 環(huán)境因素量化分析

1.3.4 缺陷因素量化分析

管道中常見的缺陷是裂紋和腐蝕，本文以裂紋缺陷為例并假設(shè)裂紋是規(guī)則的。在本研究中，以軸向裂紋為缺陷復(fù)雜度特征值。

其中，α 為沿管軸方向裂縫的長度；λ 為超聲波信號的波長。

2 模型驗證

本文討論了管道直徑、節(jié)點與材料的影響。為了了解復(fù)雜度對超聲波傳播的影響，采用COMSOL Multiphysics 5.5 進(jìn)行了有限元模擬。在A 端激發(fā)激勵信號，在B 端接收信號。其中，網(wǎng)格尺寸和元素分別為5mm 和四面體，時間步長選擇為1μs，采用200kHz 的頻率分辨率。激勵為頻率為200kHz 的6個周期信號，如圖4 所示。

圖4 激勵信號

2.1 管徑

本文建立的管道模型及選擇的具體參數(shù)如表3 所示，管道直徑為唯一變量。

表3 管道幾何參數(shù)

在A 端激發(fā)激勵信號，在B 端接收。在B 點的位移響應(yīng)如圖5(a)所示。提取首次接收信號的峰值，可以看出管徑的影響，從圖5(b)所示。

圖5

2.2 節(jié)點形式

本研究選用的管道直徑為76.1mm，壁厚1.4mm，如圖6 所示，節(jié)點形式為唯一變量。

圖6 不同節(jié)點形式的管道

在A 端激發(fā)激勵信號，在B 端接收。在B 點的位移響應(yīng)如圖7(a)所示。從圖7(b)可以看出管道節(jié)點形式的影響。提取首次接收信號的峰值，隨著節(jié)點形式復(fù)雜度的增加，其振幅逐漸減小。

圖7

2.3 材料

本研究選用的管道直徑為76.1mm、壁厚1.4mm、長度為1.414m 的直管，選擇的材料為銅管（TP2）、鋼管、球墨鑄鐵管三種金屬管，材料屬性如表2 所示。

在A 端激發(fā)激勵信號，在B 端接收。在B 點的位移響應(yīng)如圖8(a)所示。提取首次接收信號的峰值，可以看出管道材料的影響，如圖8(b)。

圖8

3 結(jié)論

本文基于超聲波導(dǎo)波的傳輸特性，通過有限元模擬了超聲波導(dǎo)波在不同復(fù)雜度的管網(wǎng)中的傳播特性，并探討了超聲波導(dǎo)波識別管網(wǎng)空間的方法。通過分析，管道的直徑、節(jié)點形式和材料都會引起波形的規(guī)律性變化，初步驗證了利用超聲波識別管網(wǎng)空間特征的可行性。

目前，本研究僅考慮了管道直徑、節(jié)點及材料這三個因素單獨作用時的影響，在后續(xù)的研究中，將考慮更多的因素及它們共同作用時的影響。此外，將開發(fā)一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來識別管網(wǎng)。