CN104880510A - 采用螺旋换能器的螺旋焊管扭弯导波检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用螺旋换能器的螺旋焊管扭弯导波检测方法及装置。通过半解析有限元法计算螺旋焊管的导波频散特性，进而计算得到平行螺旋焊缝的扭弯导波频率及其波速；将螺旋换能器沿螺旋方向布置一周，由导波检测仪控制激发扭弯导波，沿螺旋焊管轴向传播遇到缺陷反射后接收回波；根据缺陷波包确定缺陷位置，计算得到缺陷距离。本发明消除了传统环形一体式磁致伸缩换能器进行导波检测时螺旋焊缝信号持续出现在回波的现象，改善了回波的信噪比，使得缺陷信号能容易提取，提高了螺旋焊管导波检测的可靠性。

Description

采用螺旋换能器的螺旋焊管扭弯导波检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种螺旋焊管缺陷无损检测方法，特别涉及一种采用螺旋换能器的螺旋焊管扭弯导波检测方法及装置，属于无损检测技术领域。

背景技术

螺旋焊管是一种按照一定的螺旋线角度将钢带卷成管坯，并将管缝焊接制成的钢管，具有良好的可焊性和抗裂性，在长输管线中有着广泛的应用。螺旋焊管在服役过程中，会受到腐蚀、外力破坏等因素影响，从而在螺旋焊管中产生各种缺陷。螺旋焊管中的缺陷若不能及时发现，会导致长输管线泄漏，危及人身和财产安全。为了避免螺旋焊管因缺陷引起事故，必须寻求有效的在役螺旋焊管检测方法。

长输管线中螺旋焊管大多采用埋地或架空的方式架设，传统的螺旋焊管检测方法比如采用超声波探伤仪对螺旋焊管进行逐点检测，需要开挖管道、搭建脚手架等辅助工序，效率低下且费用高昂，难以满足目前长输管线螺旋焊管的无损检测需要。此外传统的螺旋焊管检测方法不具备实现在线实时检测的潜力，无法适应当前无损检测的发展趋势。

导波检测技术是一种长距离无损检测技术，具有检测距离远、检测精度高，可以实现全截面检测等优点，近年来在管道无损检测中得到了广泛的应用。管道导波检测最常用的是轴对称的T(0,1)、L(0,1)和L(0,2)模态，其波阵面与管道轴向方向垂直，沿管径轴向360度方向对称分布，导波沿管道长度方向传播。申请号为96193606.1的发明专利提供了一种采用磁致伸缩换能器激发和感应纵向模态导波检测钢管缺陷的方法，管道中纵向模态导波主要有L(0,1)和L(0,2)模态，存在明显的频散现象，并且在带液管道中衰减较为严重，因此在实际检测中的应用并不广泛。申请号为2011205231343的实用新型专利提供了一种采用磁致伸缩换能器激发和感应扭转模态导波检测钢管缺陷的方法，该方法采用了T(0,1)扭转模态导波，波速恒定，在带液管道中衰减较小，因此在业内得到了普遍的推广应用。如果将上述对称模态导波如L(0,1)、L(0,2)或T(0,1)模态应用到螺旋焊管的导波检测，那么导波换能器产生的导波波束在螺旋焊管中构成的波阵面成圆柱对称分布。由于螺旋焊缝余高投影在管道横截面上的位置始终在变化，在圆柱对称分布波阵面的导波通过一个螺距螺旋焊缝的任意时刻，导波波束都会在该螺距螺旋焊缝的某个位置发生反射，使得焊缝信号持续出现在回波中，导致回波的信噪比大幅下降。为了提高对螺旋焊管缺陷的检测能力，必须设法克服螺旋焊缝对导波传播的影响。

发明内容

本发明针对环形布置的换能器进行螺旋焊管导波检测时，波阵面圆柱对称分布的导波会受到螺旋焊缝持续影响的缺点，提出了一种采用螺旋换能器的螺旋焊管扭弯导波检测方法及装置，通过与螺旋焊缝平行布置的螺旋换能器来保证螺旋换能器任意一点与螺旋焊缝之间的距离都相等，克服了螺旋焊缝对导波检测的干扰，提高了螺旋焊管导波检测的有效性。

本发明是通过如下技术方案予以实现：

一、一种采用螺旋换能器的螺旋焊管扭弯导波检测方法：

1)根据螺旋焊管结构几何参数和材料力学特性参数，通过半解析有限元法计算得到T(0,1)模态导波频散特性；

2)根据T(0,1)模态导波波速和螺旋焊管螺旋角计算得到波阵面与螺旋焊缝平行时的扭弯导波频率，并再通过半解析有限元法计算得到扭弯导波在频率点f的波速；

3)将螺旋换能器沿螺旋焊管螺旋方向布置一周，使得螺旋换能器的任意一点与螺旋焊缝的距离都保持相同；

4)控制螺旋换能器激发出螺旋形波阵面的扭弯导波，将导波的弹性应变耦合到螺旋焊管；

5)扭弯导波沿螺旋焊管轴向传播遇到缺陷后发生反射，其回波由螺旋换能器接收；

6)根据回波中的缺陷波包确定螺旋焊管的缺陷位置，计算得到螺旋焊管缺陷所在的螺旋线与螺旋换能器之间的距离L。

所述波阵面与螺旋焊缝平行时的扭弯导波频率根据T(0,1)模态导波波速和螺旋焊管螺旋角采用以下公式计算：

$f=\frac{n{c}_p^T}{2\mathrm{\π}{r}_m\sin \mathrm{\θ}}$

其中，n为导波阶数，为T(0,1)模态导波相速度，r_m为螺旋焊管中径，θ为螺旋焊管螺旋角。

所述螺旋焊管缺陷所在的螺旋线与螺旋换能器之间的距离L根据缺陷波包确定螺旋焊管的缺陷位置计算，具体公式为：

$L=\frac{c_g\×t}{2}$

其中，t为缺陷波包位置，c_g为扭弯导波群速度。

二、一种采用螺旋换能器的螺旋焊管扭弯导波检测装置：

包括螺旋换能器和导波检测仪，螺旋焊管上沿螺旋方向布置有螺旋换能器，螺旋换能器的任意一点与螺旋焊缝的距离都保持相同；螺旋换能器通过电缆与导波检测仪连接，导波检测仪包括脉冲信号发生模块、功率放大模块、前置放大模块和信号采集模块，脉冲信号发生模块经功率放大模块与螺旋换能器连接，螺旋换能器经前置放大模块与信号采集模块连接；脉冲信号发生模块产生检测脉冲信号，经功率放大模块放大后加载到螺旋换能器形成扭弯导波并耦合到螺旋焊管；扭弯导波的回波由螺旋换能器感应接收，经前置放大模块调理放大后，再通过信号采集模块转换成数字信号进行分析处理。

所述的螺旋换能器的长度为一个螺距的螺旋焊缝长度。

所述的螺旋换能器包括磁致伸缩带材和覆盖在磁致伸缩带材上的回折线圈，回折线圈通过脉冲电流提供激励磁场，磁致伸缩带材的剩磁场提供偏置磁场，回折线圈的布置方向和偏置磁场方向一致且与螺旋线的夹角为螺旋角大小。

所述螺旋换能器激发的扭弯导波通过耦合剂或干耦合装置将导波的弹性应变耦合到螺旋焊管。

所述的耦合剂为环氧树脂胶，干耦合装置为气囊夹具。

本发明的主要有益效果有：

本发明方法由于螺旋换能器的任意一点与螺旋焊缝的距离都保持相同，保证了一个螺距的螺旋焊缝在回波中是单个波包，克服了传统环形布置的换能器检测螺旋焊管时螺旋焊缝信号持续出现在回波的缺点，大幅提高了螺旋焊管回波的信噪比，为提取有效的螺旋焊管缺陷信息奠定了基础。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图。

图2是扭弯导波传播示意图。

图3是螺旋换能器结构图。

图4是本发明环形布置的换能器获取的导波信号图。

图5是传统螺旋换能器获取的超声导波信号图。

图中：1、螺旋焊管，2、螺旋换能器，3、螺旋焊缝，4、导波检测仪，5、电缆，6、扭弯导波波阵面，7、缺陷，8、回折线圈，9、磁致伸缩带材。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的方法包括以下步骤：

1)根据螺旋焊管1外径、壁厚等结构几何参数和杨氏模量、泊松比、密度等材料力学特性参数，通过半解析有限元法计算得到螺旋焊管1的T(0,1)模态导波频散特性。

2)根据T(0,1)模态导波波速和螺旋焊管1螺旋角计算得到波阵面与螺旋焊缝2平行时的扭弯导波频率，具体公式为：

$f=\frac{n{c}_p^T}{2\mathrm{\π}{r}_m\sin \mathrm{\θ}}$

其中，n为导波阶数，为T(0,1)模态导波相速度，r_m为螺旋焊管1中径，θ为螺旋焊管1螺旋角。

在此基础上可以通过半解析有限元法计算得到扭弯导波在频率点f的波速。

3)将螺旋换能器2沿螺旋焊管1螺旋方向布置一周，使得螺旋换能器2的任意一点与螺旋焊缝3的距离都保持相同。

4)控制螺旋换能器2激发出螺旋形波阵面的扭弯导波，通过耦合剂或干耦合装置将导波的弹性应变耦合到螺旋焊管1，其中耦合剂为环氧树脂胶，干耦合装置为气囊夹具。

5)扭弯导波沿螺旋焊管1轴向传播遇到缺陷7后发生反射，其回波由螺旋换能器2接收；

6)根据回波接收信号中的缺陷波包确定螺旋焊管1的缺陷7位置，计算得到螺旋焊管1缺陷7所在的螺旋线与螺旋换能器2之间的距离L，具体采用以下公式计算：

$L=\frac{c_g\×t}{2}$

其中，t为缺陷波包位置，c_g为扭弯导波群速度。

本发明的装置包括螺旋换能器2和导波检测仪4。

如图1所示，螺旋换能器2沿着与螺旋焊缝3平行的方向在螺旋焊管1外表面通过环氧树脂胶粘附一周，其任意一点与螺旋焊缝3的距离都保持相同。螺旋换能器2通过电缆5与导波检测仪4连接，导波检测仪4包括脉冲信号发生模块、功率放大模块、前置放大模块和信号采集模块，脉冲信号发生模块经功率放大模块与螺旋换能器2连接，螺旋换能器2经前置放大模块与信号采集模块连接；脉冲信号发生模块产生检测脉冲信号，经功率放大模块放大后加载到螺旋换能器2形成扭弯导波并耦合到螺旋焊管1；扭弯导波的回波由螺旋换能器2感应接收，经前置放大模块调理放大后，再通过信号采集模块转换成数字信号进行分析处理。

如图2所示，螺旋换能器2生成的扭弯导波波阵面6呈与螺旋焊缝3平行分布。在扭弯导波通过螺旋焊缝3时，扭弯导波波阵面6的任意一点在同一时刻经过螺旋焊缝3，此时螺旋焊缝3在回波中是单个波包。当扭弯导波与螺旋焊管1中的缺陷7作用时，扭弯导波发生反射并沿着与扭弯导波传播的反方向到达螺旋换能器2，从而在回波中出现一个波包。根据波包的位置可以确定缺陷7位于平行于螺旋焊缝3，且与螺旋换能器2距离为L的螺旋线上。

如图3所示，螺旋换能器2包括磁致伸缩带材9和覆盖在磁致伸缩带材9上的回折线圈8，回折线圈8通过脉冲电流提供激励磁场，磁致伸缩带材9的剩磁场提供偏置磁场，激励磁场与偏置磁场正交，基于Wiedemann效应及其逆效应实现电-磁-机的双向换能过程，达到激励和接收扭弯导波的目的。为了保证与螺旋焊缝3平行，螺旋换能器2的倾角θ′设计成螺旋焊缝3的升角大小，即

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\πD}}_0}{h}\right)$

式中，D₀为螺旋焊管1的外径，h为螺旋焊缝3的螺距。

回折线圈8的布置方向和偏置磁场方向一致且与螺旋线的夹角为螺旋角大小。

螺旋换能器2的长度l_t为一个螺距的螺旋焊缝长度，可以表示成。

$l_t=\frac{\mathrm{\π}{D}_o}{\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}}$

布置螺旋换能器2时，要求螺旋换能器2所在螺距的螺旋焊管1外表面裸露并清理干净，螺旋焊管1的其它位置可以覆盖包覆层或埋地。

本发明的实施例如下：

1)选取外径为520mm，壁厚为7mm，螺旋角为20度的螺旋焊管1作为导波检测样管，其杨氏模量为210GPa，泊松比为0.28，密度为7800kg/m³。通过半解析有限元法可以计算得到螺旋焊管1的T(0,1)模态导波相速度为3243m/s。

2)根据螺旋焊管1的T(0,1)模态导波波速和螺旋角可以确定波阵面与螺旋焊缝2平行的F_T(11,1)模态扭弯导波频率为64kHz，由半解析有限元法可以计算得到F_T(11,1)模态扭弯导波在64kHz频率点的波速为3105m/s。

3)将螺旋换能器2的长度定为4774mm，并将其沿螺旋焊管1螺旋方向布置一周，使得螺旋换能器2的任意一点与螺旋焊缝3的距离都保持相同。

4)由导波检测仪4控制螺旋换能器2激发出螺旋形波阵面的扭弯导波，通过环氧树脂胶耦合剂将导波的弹性应变耦合到螺旋焊管1。

5)扭弯导波沿螺旋焊管1轴向传播遇到缺陷7后发生反射，其回波由螺旋换能器2接收，接收到的回波信号如图4所示。

6)根据图4信号缺陷波包确定螺旋焊管的缺陷位置，可以确定螺旋焊管缺陷7所在的螺旋线与螺旋换能器2之间的距离L约为1.2m。

为了体现本发明方法及装置对螺旋焊管1导波检测信号信噪比的改善效果，采用传统的环形一体式磁致伸缩换能器对前述外径为520mm，壁厚为7mm的螺旋焊管1进行导波检测，获得信号如图5所示。对比图4和图5，可以看到传统的环形一体式磁致伸缩换能器获得的信号中，螺旋焊缝2信号持续出现在回波，导致回波的信噪比很差，无法从中辨识出有效的缺陷信号，本发明的环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列6获得的信号中，一个螺距的螺旋焊缝2在回波中只有单个波包，回波的信噪比大大改善，从中可以很容易地提取出缺陷信号。

由此可见，本发明消除了传统环形一体式磁致伸缩换能器进行导波检测时螺旋焊缝信号持续出现在回波的现象，改善了回波的信噪比，使得缺陷信号能容易提取，能可靠地进行螺旋焊管导波检测，具有突出的技术效果。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测方法，包括：

1)根据螺旋焊管(1)结构几何参数和材料力学特性参数，通过半解析有限元法计算得到T(0,1)模态导波频散特性；

2)根据T(0,1)模态导波波速和螺旋焊管(1)的螺旋角计算得到波阵面与螺旋焊缝平行时的扭弯导波频率，并再通过半解析有限元法计算得到扭弯导波在频率点f的波速；

3)将多个磁致伸缩换能器(14)沿螺旋焊管(1)的圆周方向等间距布置一周，组成环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)；

4)环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)通过各通道延时激励出与螺旋焊缝(2)平行的螺旋形导波波阵面(4)；

5)螺旋形波阵面扭弯导波的回波由环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)延时接收，将接收到的各通道信号进行叠加作为螺旋焊管(1)的导波检测信号，根据导波检测信号中缺陷波包的位置计算得到缺陷(5)所在的螺旋线与环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)之间的距离；

6)以步骤2)计算获得的扭弯导波频率为中心，在相邻频率区间进行扫频，并在各个频率点重复步骤4)和步骤5)，由所有频率下具有最高信噪比的缺陷波包及其扭弯导波频率作为缺陷(5)所对应的缺陷波包以及最佳的扭弯导波频率，由此得到缺陷(5)的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测方法，其特征在于：所述步骤2)的扭弯导波是与T(0,1)扭转模态同族的高周向阶次导波，其频率计算采用如下公式：

$f=\frac{{\mathrm{nc}}_p^T}{2\mathrm{\π}{r}_m\sin \mathrm{\θ}}$

其中，n为导波阶数，为T(0,1)模态导波相速度，r_m为螺旋焊管(1)中径，θ为螺旋焊管(1)螺旋角。

3.根据权利要求1所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测方法，其特征在于：所述环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)中，第一个磁致伸缩换能器(14)布置在环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)与螺旋焊缝(2)的交点，然后按照磁致伸缩换能器(14)与螺旋焊缝(2)的距离由近到远依次标记序号为S₁、S₂、…、S_m、…、S_M，M为环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)中磁致伸缩换能器(14)的数量；第m个磁致伸缩换能器(14)激发的导波波束(3)的延时Δt_m采用以下公式计算：

$\mathrm{\Δ}{t}_m=\frac{(m-1)L}{M{C}_g}$

其中，L为螺旋焊缝(2)的螺距，C_g为扭弯导波的群速度。

4.根据权利要求1所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测方法，其特征在于：所述的步骤5)中缺陷(5)所在的螺旋线与环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)之间的距离L_d，具体采用以下公式计算：

$L_d=\frac{c_g\×t_d}{2}$

其中，t_d为缺陷波包位置，c_g为扭弯导波群速度。

5.用于实施权利要求1～4所述方法的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其特征在于：包括环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)、扭弯导波激励单元和扭弯导波接收单元；

扭弯导波激励单元包括功率放大模块(7)、信号发生器(8)和延时模块(9)；在螺旋焊管(1)圆周上包覆有一圈环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)，环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)为沿同一圆周间隔均布的多个磁致伸缩换能器(14)；每个磁致伸缩换能器(14)激发出超声导波将超声导波的弹性应变耦合到螺旋焊管，计算机(10)依次经延时模块(9)、信号发生器(8)、功率放大模块(7)后连接环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)；计算机(10)通过延时模块(9)控制各通道导波波束(3)之间的延时，在信号发生器(8)各个通道产生正弦脉冲信号，经功率放大模块(7)放大成功率信号后施加到环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)，由Wiedemann效应产生导波波束(3)激励扭弯导波，延时后的各通道导波波束(3)在螺旋焊管(1)中形成螺旋形导波波阵面(4)；

扭弯导波接收单元包括前置放大模块(11)、数据采集模块(12)和数据采集延时模块(13)，环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)依次经前置放大模块(11)、数据采集模块(12)、数据采集延时模块(13)后连接计算机(10)；计算机(10)通过数据采集延时模块(12)控制数据采集模块各通道之间的采集延时，螺旋形导波波阵面(4)的回波接收信号经过前置放大模块(11)放大的各通道回波延时叠加得到导波检测信号，实现对螺旋形波阵面扭弯导波的接收。

6.根据权利要求5所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其特征在于：所述的数据采集模块(12)采集信号的延时量与信号发生器(8)发出信号的延时量一致。

7.根据权利要求5所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯模态超声导波检测装置，其特征在于：所述的环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列(6)激发的超声导波通过耦合剂或通过干耦合装置将超声导波的弹性应变耦合到螺旋焊管。

8.根据权利要求7所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯模态超声导波检测装置，其特征在于：所述的耦合剂为环氧树脂胶，所述的干耦合装置为气囊夹具。