CN100526875C - 一种对带粘弹性包覆层充液管道导波检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对带粘弹性包覆层充液管道导波检测的方法，属于无损检测技术领域。利用压电换能器激励比较单一的轴对称超声导波纵向模态用于带粘弹性包覆层充液管道无损检测的方法：在管道外壁周向轴对称放置一组长度伸缩型压电陶瓷片，激励和接收衰减低于6dB/m，群速度随频率变化率的绝对值低于0.0003m，采样率为50MHz的激励信号的6dB带宽控制小于单个未受干扰的纵向模态L(0，2)分支之一的带宽的单一轴对称超声导波未受干扰的纵向模态L(0，2)的分支部分对带粘弹性包覆层充液管道进行无损检测。本发明解决了带粘弹性包覆层充液管道无法长距离、快速、全面、在役无损检测的现状。

Description

一种对带粘弹性包覆层充液管道导波检测的方法

技术领域

本发明涉及一种带粘弹性包覆层充液管道导波检测的方法，利用激励频率控制在纵向模态的衰减低于6dB/m，群速度随频率变化率的绝对值低于0.0003m的范围内，采样率为50MHz的激励信号的6dB带宽控制小于单个未受干扰的纵向模态L(0，2)分支之一的带宽的单一轴对称超声导波未受干扰的纵向模态L(0，2)的分支部分进行带粘弹性包覆层充液管道无损检测的方法，属于无损检测技术领域。

背景技术

目前，利用超声导波进行管道缺陷检测的研究已经取得较大进展。但目前主要用于单层管道、充液管道和带包覆层管道的缺陷检测，在选择超声导波检测管道时，通常只考虑模态频散大小，或只考虑波的衰减。然而，由于在工程实际中，在化工、热电、供水及供热等厂矿中常用来输送化工产品、水等液体介质。管内介质的腐蚀冲刷使管壁减薄，而管壁长期裸露易受到潮湿空气、土壤的腐蚀或外界损伤，引起管路泄漏和爆管事故，从而造成重大经济损失和资源浪费。为了保护管道不受腐蚀或外力损伤，以保障管路运行安全和延长管道使用寿命，在管道内外壁常附着一层粘弹性包覆层。但由于粘弹性包覆层、管内液体的存在，使得常规无损检测方法如超声、涡流、磁粉和射线等无法快速有效地对这些在役的长距离带粘弹性包覆层充液管道进行缺陷检测。

与单层管道等结构较简单的管道相比，带粘弹性包覆层充液管道中超声导波的传播特性更加复杂，选取合适超声导波模态用于该类管道的缺陷检测显得十分重要。刘增华等在2006年42卷3期《机械工程学报》中发表了一篇关于超声导波纵向模态在充液管道中传播特性研究的文章。主要研究了充液管道中纵向模态的传播特性，对未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分的检测能力进行了分析，并利用长度伸缩型压电陶瓷片激励和接收换能器。但没有给出适合管道缺陷的未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分的具体参数，并且当管道出现粘弹性包覆层时，适合检测的未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分的频带和衰减也相应发生了变化，适合检测充液管道中缺陷的未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分并不一定适合带粘弹性包覆层充液管道中的缺陷检测。J.L.Barshinger在2002年的博士论文“Guided wave propagation in pipes withviscoelastic coatings”中研究了高阶纵向模态的检测带粘弹性包覆层管道中缺陷的可能性，但其没有对低频纵向模态L(0，2)的检测能力进行分析。目前，由于理论和实验分析困难，国内外尚无人对超声导波模态之一纵向模态在带粘弹性包覆层充液管道缺陷检测进行过相关研究。当粘弹性包覆层管道充液后，除了考虑纵向模态在传播过程中部分能量被包覆层吸收后所引起的衰减，还需要考虑管中液体对纵向模态的部分能量吸收所产生的影响和对纵向模态L(0，2)所产生的模态分支现象，由于模态分支现象，使得低频的纵向模态传播特性较为复杂，并且由于带粘弹性包覆层充液管道结构复杂，接收到的纵向模态信号也较复杂，除此之外，在对管道进行导波检测时，由于轴对称模态从缺陷处反射回来时会产生模态转换，一些从缺陷处反射回来的转换模态易被误判为缺陷回波，给缺陷的数量和位置的识别带来困难。因此，在对该类管道进行检测时，需要选择衰减和频散小，传播距离远，对管道中的缺陷检测能力强的纵向模态，否则接收的波形复杂，难以分析，不能进行长距离检测，对缺陷不敏感，并且需要采用有效方法消除模态转换现象所产生的对缺陷数量和轴向位置定位的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决粘弹性包覆层充液管道无法长距离、快速、全面、在役无损检测的现状，为对带粘弹性包覆层充液管道的健康状况和使用寿命进行评估，提出了一种带粘弹性包覆层充液管道导波检测的方法，基于对纵向模态的理论分析，选择衰减低于6dB/m，群速度随频率变化率的绝对值低于0.0003m，采样率为50MHz的激励信号的6dB带宽控制小于单个未受干扰的纵向模态L(0，2)分支之一的带宽的单一轴对称超声导波未受干扰的纵向模态L(0，2)的分支部分对带粘弹性包覆层充液管道内外部裂纹和腐蚀等缺陷检测。

本发明所采用的装置参见图1，包括：长度伸缩型压电陶瓷环1、函数发生器2、功率放大器3、转换开关4、数字示波器6和计算机7等，由一组长度伸缩型压电陶瓷片并联而成的压电陶瓷环1安装在带粘弹性包覆层充液管道5上，和转换开关4相连接，转换开关4与数字示波器6和功率放大器3相连接，函数发生器2的输出端和功率放大器3的输入端连接，计算机7和数字示波器6连接。

本发明的对带粘弹性包覆层充液管道导波检测的方法是通过以下步骤实现的：

(1)如果粘弹性包覆层在管道外壁，则沿管道周向局部剥开一圈粘弹性包覆层，在剥开处周向均布多个长度伸缩型压电陶瓷片；如果粘弹性包覆层在管道内壁，则将压电陶瓷片直接均布在管道外壁。但粘弹性包覆层无论在内层或外层，检测方法一样。压电陶瓷片的长度方向与管道轴线平行，极化方向沿压电陶瓷片厚度方向，压电陶瓷片的上下表面为电极。各压电片并联成一压电陶瓷环1。该压电陶瓷环1既作激励换能器，又作接收换能器；

(2)由函数发生器2产生一个中心频率可调的窄带脉冲，激励频率控制在纵向模态的衰减低于6dB/m，群速度随频率变化率的绝对值低于0.0003m，采样率为50MHz的激励信号的6dB带宽控制小于单个未受干扰的纵向模态L(0，2)分支之一的带宽；

(3)激励信号经功率放大器3进行功率放大；通过转换开关4激励压电陶瓷环1，在带粘弹性包覆层充液管道5中激励未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分；

(4)激励的未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分的信号在带粘弹性包覆层充液管道5中传播，经缺陷和管道端部反射后，通过转换开关4，压电陶瓷环1又接收信号，在数字示波器6显示，并通过以太网端口存储到计算机7；

(5)在其他不变的条件下，改变窄带脉冲的中心频率，激励同一未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分。该频率控制在纵向模态的衰减低于6dB/m，群速度随频率变化率的绝对值低于0.0003m，采样率为50MHz的激励信号的6dB带宽控制小于单个未受干扰的纵向模态L(0，2)分支之一的带宽。得到又一个时域波形；

(6)对接收到的两个频率不同的信号中端面回波前的所有回波的时间位置进行对比。如果这两个信号在端面回波前的同一时间位置上均出现一回波，则可确定该回波为缺陷回波，如果一信号中回波的时间位置在另一信号中同样的时间位置没有出现，则可确定该回波为转换模态，不予考虑。对于确定的缺陷回波，通过缺陷回波的传播时间乘以未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分的群速度值，并除以2，即为带粘弹性包覆层充液管道中缺陷距压电陶瓷环1的轴向位置，从而确定缺陷的个数和轴向位置。

本发明的无损检测方法的设计原理为：选取适合带粘弹性包覆层充液管道缺陷检测的纵向模态，需要从理论上分析纵向模态的频散和衰减特性，以确定纵向模态的频率范围。该频率范围控制在衰减低于6dB/m，群速度随频率变化率的绝对值低于0.0003m，采样率为50MHz的激励信号的6dB带宽控制小于单个未受干扰的纵向模态L(0，2)分支之一的带宽。

利用全局矩阵法，对带粘弹性包覆层充液管道中纵向模态传播特性分析，在此首先考虑粘弹性包覆层在管道外壁的情况。利用Navier方程得到纵向模态在粘弹性包覆层、空心管道和液体中传播时应力和位移表达式，然后根据应力和位移边界条件得到一组特征方程。

(1)粘弹性包覆层中应力和位移表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_r^v=[-{\mathrm{\α}}_1{A}_1{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)-{\mathrm{\α}}_1{A}_2{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)+B_{1}k{H}_1^1\left({\mathrm{\β}}_{1}r\right)+B_{2}k{H}_1^2\left({\mathrm{\β}}_{1}r\right)]e^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\\ u_z^v=[-k{A}_1{H}_0^1\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)-k{A}_2{H}_0^2\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)-B_1{\mathrm{\β}}_1{H}_0^1\left({\mathrm{\β}}_{1}r\right)-B_2{\mathrm{\β}}_1{H}_0^2\left({\mathrm{\β}}_{1}r\right)]e^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^v={\mathrm{\μ}}_1\left\{\begin{array}{c}{A}_1[(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_0^1\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_1}{r}{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)]+\\ A_2[(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_0^2\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_1}{r}{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)]+\\ B_1[2k{\mathrm{\β}}_1{H}_0^1\left({\mathrm{\β}}_{1}r\right)-2\frac{k}{r}{H}_1^1\left({\mathrm{\β}}_{1}r\right)]+\\ B_2[2k{\mathrm{\β}}_1{H}_0^2\left({\mathrm{\β}}_{1}r\right)-2\frac{k}{r}{H}_1^2\left({\mathrm{\β}}_{1}r\right)]\end{array}\right\}{e}^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rz}}^v={\mathrm{\μ}}_1\left[\begin{array}{c}-2k{\mathrm{\α}}_1{A}_1{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)-2k{\mathrm{\α}}_1{A}_2{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)+\\ B_1(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_1^1\left({\mathrm{\β}}_{1}r\right)+B_2(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_1^2\left({\mathrm{\β}}_{1}r\right)\end{array}\right]e^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\end{array}\right.---\left(2\right)$

(2)空心管道中应力和位移表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_r=[-{\mathrm{\α}}_2{A}_3{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_{2}r\right)-{\mathrm{\α}}_2{A}_4{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_{2}r\right)+B_{3}k{H}_1^1\left({\mathrm{\β}}_{2}r\right)+B_{4}k{H}_1^2\left({\mathrm{\β}}_{2}r\right)]e^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\\ u_z=[-k{A}_3{H}_0^1\left({\mathrm{\α}}_{2}r\right)-k{A}_4{H}_0^2\left({\mathrm{\α}}_{2}r\right)-B_3{\mathrm{\β}}_2{H}_0^1\left({\mathrm{\β}}_{2}r\right)-B_4{\mathrm{\β}}_2{H}_0^2\left({\mathrm{\β}}_{2}r\right)]e^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}={\mathrm{\μ}}_2\left\{\begin{array}{c}{A}_3[(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_0^1\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_1}{r}{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_{1}r\right)]+\\ A_4[(k^2-{\mathrm{\β}}_2^2)H_0^2\left({\mathrm{\α}}_{2}r\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_2}{r}{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_{2}r\right)]+\\ B_3[2k{\mathrm{\β}}_2{H}_0^1\left({\mathrm{\β}}_{2}r\right)-2\frac{k}{r}{H}_1^1\left({\mathrm{\β}}_{2}r\right)]+\\ B_4[2k{\mathrm{\β}}_2{H}_0^2\left({\mathrm{\β}}_{2}r\right)-2\frac{k}{r}{H}_1^2\left({\mathrm{\β}}_{2}r\right)]\end{array}\right\}{e}^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rz}}={\mathrm{\μ}}_2\left[\begin{array}{c}-2k{\mathrm{\α}}_2{A}_3{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_{2}r\right)-2k{\mathrm{\α}}_1{A}_2{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_{2}r\right)+\\ B_3(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_1^1\left({\mathrm{\β}}_{2}r\right)+B_4(k^2-{\mathrm{\β}}_2^2)H_1^2\left({\mathrm{\β}}_{2}r\right)\end{array}\right]e^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\end{array}\right.---\left(4\right)$

(3)液体中应力和位移表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^f=2{\mathrm{\μ}}_3\left\{\begin{array}{c}[\frac{1}{2}(k^2-{\mathrm{\β}}_3^2)J_0\left({\mathrm{\α}}_{3}r\right)+\frac{{\mathrm{\α}}_3}{r}{J}_1\left({\mathrm{\α}}_{3}r\right)]A_5+\\ [-\mathrm{ik}{\mathrm{\β}}_3^2{J}_0\left({\mathrm{\β}}_{3}r\right)+\frac{\mathrm{ik}{\mathrm{\β}}_3}{r}{J}_1\left({\mathrm{\β}}_{3}r\right)]B_5\end{array}\right\}{e}^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rz}}^f={\mathrm{\μ}}_3[-2\mathrm{ik}{\mathrm{\α}}_3{J}_1\left({\mathrm{\α}}_{3}r\right)A_5-({\mathrm{\β}}_3^2-k^2)J_1\left({\mathrm{\β}}_{3}r\right)B_5]e^{i(\mathrm{kz}-\mathrm{\ωt})}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，A₁，A₂，A₃，A₄，A₅，B₁，B₂，B₃，B₄和B₅为待定系数； ${\mathrm{\α}}_1^2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_{L1}^2}-k^2,$ ${\mathrm{\α}}_2^2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_{L2}^2}-k^2,$ ${\mathrm{\α}}_3^2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_{L3}^2}-k^2,$ ${\mathrm{\β}}_1^2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_{T1}^2}-k^2,$ ${\mathrm{\β}}_2^2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_{T2}^2}-k^2,$ ${\mathrm{\β}}_3^2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c_{T3}^2}-k^2,$ c_T1、c_T2和c_T3分别为粘弹性包覆层、空心管道和液体的横波波速；c_L1、c_L2和c_L3分别为粘弹性包覆层、空心管道和液体的纵波波速；μ₁、μ₂和μ₃分别为粘弹性包覆层、空心管道和液体的Lame常数；k为波数；H为Hankel函数；J为Bessel函数；r为半径，z为轴向位置；ω为波的圆频率。上标f、v分别表示液体和粘弹性包覆层。

带粘弹性包覆层充液管道中的应力和位移边界条件有：

(1)粘弹性包覆层外表面(r＝r₁)：

$\left\{\begin{array}{c}{\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^v\right)}_{r=r_1}=0\\ {\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rz}}^v\right)}_{r=r_1}=0\end{array}\right.---\left(6\right)$

(2)管道和粘弹性包覆层的交界面(r＝r₂)：

$\left\{\begin{array}{c}{\left(u_r\right)}_{r=r_2}={\left(u_r^v\right)}_{r=r_2}\\ {\left(u_z\right)}_{r=r_2}={\left(u_z^v\right)}_{r=r_2}\\ {\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}\right)}_{r=r_2}={\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^v\right)}_{r=r_z}\\ {\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rz}}\right)}_{r=r_2}={\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rz}}^v\right)}_{r=r_2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

(3)管道和液体的交界面(r＝r₃)：

$\left\{\begin{array}{c}{\left(u_r\right)}_{r=r_3}={\left(u_r^f\right)}_{r=r_3}\\ {\left(u_z\right)}_{r=r_3}={\left(u_z^f\right)}_{r=r_3}\\ {\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}\right)}_{r=r_3}={\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^f\right)}_{r=r_3}\\ {\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rz}}\right)}_{r=r_3}={\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rz}}^f\right)}_{r=r_3}\end{array}\right.---\left(8\right)$

利用以上位移与应力连续条件建立一组特征方程，方程的矩阵形式为：

$\left[\begin{array}{cccccccccc}{D}_{11}& D_{12}& D_{13}& D_{14}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ D_{21}& D_{22}& D_{23}& D_{24}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ D_{31}& D_{32}& D_{33}& D_{34}& D_{35}& D_{36}& D_{37}& D_{38}& 0& 0\\ D_{41}& D_{42}& D_{43}& D_{44}& D_{45}& D_{46}& D_{47}& D_{48}& 0& 0\\ D_{51}& D_{52}& D_{53}& D_{54}& D_{55}& D_{56}& D_{57}& D_{58}& 0& 0\\ D_{61}& D_{62}& D_{63}& D_{64}& D_{65}& D_{66}& D_{67}& D_{68}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& D_{75}& D_{76}& D_{77}& D_{78}& D_{79}& D_{7\left(10\right)}\\ 0& 0& 0& 0& D_{85}& D_{86}& D_{87}& D_{88}& D_{89}& D_{8\left(10\right)}\\ 0& 0& 0& 0& D_{95}& D_{96}& D_{97}& D_{98}& D_{99}& D_{8\left(10\right)}\\ 0& 0& 0& 0& D_{\left(10\right)5}& D_{\left(10\right)6}& D_{\left(10\right)7}& D_{\left(10\right)8}& D_{\left(10\right)9}& D_{\left(10\right)\left(10\right)}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ B_1\\ B_2\\ A_3\\ A_4\\ B_3\\ B_4\\ A_5\\ B_5\end{array}\right\}=0---\left(9\right)$

为使式(9)有非零解，其系数行列式必须为零。即：

$\left|\begin{array}{cccccccccc}{D}_{11}& D_{12}& D_{13}& D_{14}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ D_{21}& D_{22}& D_{23}& D_{24}& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ D_{31}& D_{32}& D_{33}& D_{34}& D_{35}& D_{36}& D_{37}& D_{38}& 0& 0\\ D_{41}& D_{42}& D_{43}& D_{44}& D_{45}& D_{46}& D_{47}& D_{48}& 0& 0\\ D_{51}& D_{52}& D_{53}& D_{54}& D_{55}& D_{56}& D_{57}& D_{58}& 0& 0\\ D_{61}& D_{62}& D_{63}& D_{64}& D_{65}& D_{66}& D_{67}& D_{68}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& D_{75}& D_{76}& D_{77}& D_{78}& D_{79}& D_{7\left(10\right)}\\ 0& 0& 0& 0& D_{85}& D_{86}& D_{87}& D_{88}& D_{89}& D_{8\left(10\right)}\\ 0& 0& 0& 0& D_{95}& D_{96}& D_{97}& D_{98}& D_{99}& D_{8\left(10\right)}\\ 0& 0& 0& 0& D_{\left(10\right)5}& D_{\left(10\right)6}& D_{\left(10\right)7}& D_{\left(10\right)8}& D_{\left(10\right)9}& D_{\left(10\right)\left(10\right)}\end{array}\right|=0---\left(10\right)$

上式为带粘弹性包覆层充液体管道中纵向模态的频散方程。方程中行列式的各项具体表达式见附录。当液体为非粘性流动介质时，频散方程缩减为9×9的行列式。

当将式(10)中的粘弹性层和单层管道所有参数对调一下，即可得到粘弹性包覆层在单层管道内壁时带粘弹性包覆层充液管道中纵向模态的频散方程。

式(10)适用于粘弹性包覆层在单层管道内壁或外壁时的情况。带粘弹性包覆层充液管道如图2所示。图2(a)为粘弹性包覆层8在外，单层管道9在内，液体10在单层管道9内的带粘弹性包覆层充液管道。图2(b)为粘弹性包覆层8在内，单层管道9在外，液体10在粘弹性包覆层8内的带粘弹性包覆层充液管道。

本发明采用了以上的技术方案，达到了以下效果：(1)可以对带粘弹性包覆层充液管道进行长距离检测，并能进行在役检测；(2)只需在一处安装换能器即可对一段较长距离的带粘弹性包覆层充液管道整个截面进行全面检测，检测效率高，劳动强度低。

附图说明

图1检测装置原理图；

图2带粘弹性包覆层充液管道示意图；

图3带有环氧树脂包覆层充水钢管中扭转模态频散曲线；

图4带环氧树脂包覆层充水钢管中的缺陷轴向位置示意图；

图5缺陷截面示意图；

图6激励信号图；

图7频率105kHz时，在环氧树脂包覆层充水钢管中接收到的波形图；

图8频率120kHz时，在环氧树脂包覆层充水钢管中接收到的波形图；

图中，1、压电陶瓷环，2、函数发生器，3、功率放大器，4、转换开关，5、带粘弹性包覆层充液管道，6、数字示波器，7、计算机，8、粘弹性包覆层，9、单层管道，10、液体，11、周向缺陷，12、带环氧树脂包覆层充水钢管，13、环氧树脂层，14、钢管，15、水，16、第一回波，17、第二回波，18、第三回波，19、第四回波，20、第五回波，21、第六回波。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供一下实施例：

(1)将16片长宽厚分别为20mm、4mm和0.5mm的长度伸缩型压电陶瓷片并联组成一压电陶瓷环1，周向均布在带粘弹性包覆层充液管道5一端，长度方向与管道轴线平行，极化方向沿压电陶瓷片厚度方向，压电陶瓷片的上下表面为电极。压电陶瓷片的长度方向与管道轴线平行，各压电片并联成一压电陶瓷环1。该压电陶瓷环1既作激励换能器，又作接收换能器。本实施例中的带粘弹性包覆层充液管道5为带环氧树脂包覆层充水钢管12，长4m，钢管外直径60mm，壁厚3.5mm，环氧树脂平均厚0.24mm。钢的纵波波速为5960m/s，横波波速为3260m/s，纵波衰减和横波衰减均为0，密度为7932kg/m³；环氧树脂纵波波速为2532m/s，横波波速为1114m/s，密度为1170kg/m³，纵波衰减为0.068np/wl，横波衰减为0.17np/wl；水的纵波波速为1500m/s，横波波速、纵波衰减和横波衰减均为0，水的密度为1000kg/m³。

根据对式(10)的数值求解，图3给出了上述参数的带环氧树脂包覆层充水钢管12中纵向模态的频散曲线。图3(a)和图3(b)分别为群速度和衰减频散曲线。图中各未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分的带宽约在35-40kHz范围内变化。在频带0-0.5MHz，衰减低于6dB/m，群速度随频率变化率的绝对值低于0.0003m，适合带环氧树脂包覆层充水钢管12中缺陷检测的未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分的频率范围是：93-128kHz，144-184kHz，205-245kHz，264-304kHz，319-363kHz，386-422kHz和446-483kHz。

在上述几何及材料参数的带环氧树脂包覆层充水钢管12中加工了一人工周向缺陷11，缺陷轴向位置如图4。缺陷距带环氧树脂包覆层充水钢管12一端(即压电陶瓷环1安装处)为3.77m。图5给出了周向缺陷横截面示意图。其中，从外到内分别为环氧树脂层13，钢管14和水15。周向缺陷11周向弦长14mm，轴向宽1.1mm。其横截面为整个管道横截面的5.55％，为非穿透缺陷；

(2)由函数发生器2产生一个中心频率可调的窄带脉冲，窄带脉冲的类型、频率、强度和脉冲间隔等都会对超声导波产生影响。在本实施中，由函数发生器2产生峰峰值150mV的经汉宁窗调制的20个震荡周期的正弦信号，选择的频率有两种：105kHz和120kHz，这两个频率下激励的纵向模态为同一未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分。这些窄带脉冲激励间隔均大于20ms。这两个激励信号的频率在纵向模态的衰减低于6dB/m，群速度随频率变化率的绝对值低于0.0003m，采样率为50MHz的激励信号的6dB带宽控制小于单个未受干扰的纵向模态L(0，2)分支之一的带宽。采样率为50MHz的频率为120kHz单音频信号如图6所示，其中，时域波形为6(a)，频域图为6(b)，激励信号的6dB带宽约为12.5kHz；

(3)激励信号经功率放大器3进行功率放大，峰峰值达到150V；通过转换开关4激励压电陶瓷环1，在带环氧树脂包覆层充水钢管12中激励未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分；

(4)激励的纵向模态信号在带环氧树脂包覆层充水钢管12中传播，经缺陷和管道端部反射后，通过转换开关4，压电陶瓷环1又接收信号，在数字示波器6显示，并通过以太网端口存储到计算机7；

(5)频率105kHz时，在环氧树脂包覆层充水钢管12中接收到波形如图7。频率120kHz时，在环氧树脂包覆层充水钢管12中接收到波形如图8。通过分析信号中的反射回波到达接收点的时间，确定管道中周向缺陷11的轴向位置。由图7可知，第三回波18为端面回波，在第三回波18前有第一回波16和第二回波17，由图8可知，第六回波21为端面回波，在第六回波21前有第四回波19和第五回波20。第一回波16和第四回波19的时间位置相同，约为1.476ms。中心频率为105kHz和120kHz时，未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分的群速度均约为3.130m/ms，根据波速乘以时间可以确定传播的距离，可知时间1.142ms时得到缺陷的位置为3.786m，与周向缺陷11的实际距离相对误差仅为0.4％。由于第二回波17在图8中没有出现，第五回波20在图7中没有出现，可以确定为转换模态，不予考虑。从而确定缺陷的数量和轴向位置。

附录

$D_{11}=(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_0^1\left({\mathrm{\α}}_1{r}_1\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_1}{r_1}{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_1{r}_1\right)$          $D_{37}=-{\mathrm{\μ}}_2[2k{\mathrm{\β}}_2{H}_0^1\left({\mathrm{\β}}_2{r}_2\right)-2\frac{k}{r_2}{H}_1^1\left({\mathrm{\β}}_2{r}_2\right)]$

$D_{12}=(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_0^2\left({\mathrm{\α}}_1{r}_1\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_1}{r_1}{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_1{r}_1\right)$          $D_{38}=-{\mathrm{\μ}}_2[2k{\mathrm{\β}}_2{H}_0^2\left({\mathrm{\β}}_2{r}_2\right)-2\frac{k}{r_2}{H}_1^2\left({\mathrm{\β}}_2{r}_2\right)]$

$D_{13}=2k{\mathrm{\β}}_1{H}_0^1\left({\mathrm{\β}}_1{r}_1\right)-2\frac{k}{r_1}{H}_1^1\left({\mathrm{\β}}_1{r}_1\right)$             $D_{41}=-2k{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\μ}}_1{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_1{r}_2\right)$

$D_{42}=-2k{\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\μ}}_1{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_1{r}_2\right)$                   $D_{14}=2k{\mathrm{\β}}_1{H}_0^2\left({\mathrm{\β}}_1{r}_1\right)-2\frac{k}{r_1}{H}_1^2\left({\mathrm{\β}}_1{r}_1\right)$

$D_{43}={\mathrm{\μ}}_1(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_1^1\left({\mathrm{\β}}_1{r}_2\right)$                  $D_{21}=-2k{\mathrm{\α}}_1{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_1{r}_1\right)$

$D_{44}={\mathrm{\μ}}_1(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_1^2\left({\mathrm{\β}}_1{r}_2\right)$                  $D_{22}=-2k{\mathrm{\α}}_1{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_1{r}_1\right)$

$D_{45}=-2k{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\μ}}_2{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_2{r}_2\right)$                    $D_{23}=(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_1^1\left({\mathrm{\β}}_1{r}_1\right)$

$D_{46}=2k{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\μ}}_2{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_2{r}_2\right)$                    $D_{24}=(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_1^2\left({\mathrm{\β}}_1{r}_1\right)$

$D_{47}=-{\mathrm{\μ}}_2(k^2-{\mathrm{\β}}_2^2)H_1^1\left({\mathrm{\β}}_2{r}_2\right)$                 $D_{31}={\mathrm{\μ}}_1[(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_0^1\left({\mathrm{\α}}_1{r}_2\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_1}{r_2}{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_1{r}_2\right)]$

$D_{48}=-{\mathrm{\μ}}_2(k^2-{\mathrm{\β}}_2^2)H_1^2\left({\mathrm{\β}}_2{r}_2\right)$                 $D_{32}={\mathrm{\μ}}_1[(k^2-{\mathrm{\β}}_1^2)H_0^2\left({\mathrm{\α}}_1{r}_2\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_1}{r_2}{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_1{r}_2\right)]$

$D_{51}=-{\mathrm{\α}}_1{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_1{r}_2\right)$                        $D_{52}=-{\mathrm{\α}}_1{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_1{r}_2\right)$

$D_{33}={\mathrm{\μ}}_1[2k{\mathrm{\β}}_1{H}_0^1\left({\mathrm{\β}}_1{r}_2\right)-2\frac{k}{r_2}{H}_1^1\left({\mathrm{\β}}_1{r}_2\right)]$          $D_{53}=k{H}_1^1\left({\mathrm{\β}}_1{r}_2\right)$

$D_{34}={\mathrm{\μ}}_1[2k{\mathrm{\β}}_1{H}_0^2\left({\mathrm{\β}}_1{r}_2\right)-2\frac{k}{r_2}{H}_1^2\left({\mathrm{\β}}_1{r}_2\right)]$          $D_{54}=k{H}_1^2\left({\mathrm{\β}}_1{r}_2\right)$

$D_{55}={\mathrm{\α}}_2{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_2{r}_2\right)$                        $D_{35}=-{\mathrm{\μ}}_2[(k^2-{\mathrm{\β}}_2^2)H_0^1\left({\mathrm{\α}}_2{r}_2\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_2}{r_2}{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_2{r}_2\right)]$

$D_{56}={\mathrm{\α}}_2{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_2{r}_2\right)$                        $D_{57}=-k{H}_1^1\left({\mathrm{\β}}_2{r}_2\right)$

$D_{36}=-{\mathrm{\μ}}_2[(k^2-{\mathrm{\β}}_2^2)H_0^2\left({\mathrm{\α}}_2{r}_2\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_2}{r_2}{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_2{r}_2\right)]$     $D_{58}=-k{H}_1^2\left({\mathrm{\β}}_2{r}_2\right)$

                                 $D_{61}=-k{H}_0^1\left({\mathrm{\α}}_2{r}_2\right)$

$D_{62}=-k{H}_0^2\left({\mathrm{\α}}_1{r}_2\right)$                $D_{76}={\mathrm{\μ}}_2[(k^2-{\mathrm{\β}}_2^2)H_0^2\left({\mathrm{\α}}_2{r}_1\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_2}{r_1}{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_2{r}_1\right)]$

$D_{63}=-{\mathrm{\β}}_1{H}_0^1\left({\mathrm{\β}}_1{r}_2\right)$               $D_{77}={\mathrm{\μ}}_2[2k{\mathrm{\β}}_2{H}_0^1\left({\mathrm{\β}}_2{r}_1\right)-2\frac{k}{r_1}{H}_1^1\left({\mathrm{\β}}_2{r}_1\right)]$

$D_{64}=-{\mathrm{\β}}_1{H}_0^2\left({\mathrm{\β}}_1{r}_2\right)$               $D_{78}={\mathrm{\μ}}_2[2k{\mathrm{\β}}_2{H}_0^2\left({\mathrm{\β}}_2{r}_1\right)-2\frac{k}{r_1}{H}_1^2\left({\mathrm{\β}}_2{r}_1\right)]$

$D_{65}=k{H}_0^1\left({\mathrm{\α}}_2{r}_2\right)$                 $D_{79}=-2{\mathrm{\μ}}_3[\frac{1}{2}(k^2-{\mathrm{\β}}_3^2)J_0\left({\mathrm{\α}}_3{r}_1\right)+\frac{{\mathrm{\α}}_3}{r}{J}_1\left({\mathrm{\α}}_3{r}_1\right)]$

$D_{66}=k{H}_0^2\left({\mathrm{\α}}_2{r}_2\right)$

$D_{67}={\mathrm{\β}}_2{H}_0^1\left({\mathrm{\β}}_2{r}_2\right)$

$D_{68}={\mathrm{\β}}_2{H}_0^2\left({\mathrm{\β}}_2{r}_2\right)$

$D_{75}={\mathrm{\μ}}_2[(k^2-{\mathrm{\β}}_2^2)H_0^1\left({\mathrm{\α}}_2{r}_1\right)+2\frac{{\mathrm{\α}}_2}{r_1}{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_2{r}_1\right)]$

$D_{7\left(10\right)}=-2{\mathrm{\μ}}_3[-\mathrm{ik}{\mathrm{\β}}_3^2{J}_0\left({\mathrm{\β}}_3{r}_1\right)+\frac{\mathrm{ik}{\mathrm{\β}}_3}{r_1}{J}_1\left({\mathrm{\β}}_3{r}_1\right)]$

$D_{85}=-2k{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\μ}}_2{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_2{r}_1\right)$           D₉₉＝α₃J₁(α₃r₁)

$D_{86}=-2k{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\μ}}_2{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_2{r}_1\right)$           D₉₍₁₀₎＝ikβ₃J₁(β₃r₁)

$D_{87}={\mathrm{\μ}}_2(k^2-{\mathrm{\β}}_2^2)H_1^1\left({\mathrm{\β}}_2{r}_1\right)$          $D_{\left(10\right)5}=-k{H}_0^1\left({\mathrm{\α}}_2{r}_1\right)$

$D_{88}={\mathrm{\μ}}_2(k^2-{\mathrm{\β}}_2^2)H_1^2\left({\mathrm{\β}}_2{r}_1\right)$          $D_{\left(10\right)6}=-k{H}_0^2\left({\mathrm{\α}}_2{r}_1\right)$

D₈₉＝2ikμ₃α₃J₁(α₃r₁)       $D_{\left(10\right)7}=-{\mathrm{\β}}_2{H}_0^1\left({\mathrm{\β}}_2{r}_1\right)$

$D_{8\left(10\right)}=({\mathrm{\β}}_3^2-k^2){\mathrm{\μ}}_3{J}_1\left({\mathrm{\β}}_3{r}_1\right)$          $D_{\left(10\right)8}=-{\mathrm{\β}}_2{H}_0^2\left({\mathrm{\β}}_2{r}_1\right)$

$D_{95}=-{\mathrm{\α}}_2{H}_1^1\left({\mathrm{\α}}_2{r}_1\right)$               D₍₁₀₎₉＝-ikJ₀(α₃r₁)

$D_{96}=-{\mathrm{\α}}_2{H}_1^2\left({\mathrm{\α}}_2{r}_1\right)$                $D_{\left(10\right)\left(10\right)}=-{\mathrm{\β}}_3^2{J}_0\left({\mathrm{\β}}_3{r}_1\right)$

$D_{97}=k{H}_1^1\left({\mathrm{\β}}_2{r}_1\right)$

$D_{98}=k{H}_1^2\left({\mathrm{\β}}_2{r}_1\right)$

Claims (1)

1、一种对带粘弹性包覆层充液管道导波检测的方法，其特征在于：检测方法的步骤如下：

1)如果粘弹性包覆层在管道外壁，则沿管道周向局部剥开一圈粘弹性包覆层，在剥开处周向均布多个长度伸缩型压电陶瓷片；如果粘弹性包覆层在管道内壁，则将压电陶瓷片直接均布在管道外壁；压电陶瓷片的长度方向与管道轴线平行，极化方向沿压电陶瓷片厚度方向，压电陶瓷片的上下表面为电极；各压电陶瓷片并联成一压电陶瓷环(1)，该压电陶瓷环(1)既作激励换能器，又作接收换能器；

2)由函数发生器(2)产生一个中心频率可调的窄带脉冲，激励频率控制在纵向模态的衰减低于6dB/m，群速度随频率变化率的绝对值低于0.0003m，采样率为50MHz的激励信号的6dB带宽控制小于单个未受干扰的纵向模态L(0，2)分支之一的带宽；

3)激励信号经功率放大器(3)进行功率放大；通过转换开关(4)激励压电陶瓷环(1)，在带粘弹性包覆层充液管道(5)中激励未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分；

4)激励的未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分的信号在带粘弹性包覆层充液管道(5)中传播，经缺陷和管道端部反射后，通过转换开关(4)，压电陶瓷环(1)又接收信号，在数字示波器(6)显示，并通过以太网端口存储到计算机(7)；

5)在其他不变的条件下，改变窄带脉冲的中心频率，激励同一未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分；该频率控制在纵向模态的衰减低于6dB/m，群速度随频率变化率的绝对值低于0.0003m，采样率为50MHz的激励信号的6dB带宽控制小于单一未受干扰的纵向模态L(0，2)分支的带宽，得到又一个时域波形；

6)对接收到的两个频率不同的信号中端面回波前的所有回波的时间位置进行对比，如果这两个信号在端面回波前的同一时间位置上均出现一回波，则可确定该回波为缺陷回波，如果一信号中回波的时间位置在另一信号中同样的时间位置没有出现，则可确定该回波为转换模态，不予考虑；对于确定的缺陷回波，通过缺陷回波的传播时间乘以未受干扰的纵向模态L(0，2)分支部分的群速度值，并除以2，即为带粘弹性包覆层充液管道中缺陷距压电陶瓷环(1)的轴向位置，从而确定缺陷的个数和轴向位置。

Images