CN106442719A - 一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法及系统。通过半解析有限元法计算管道的频散特性，得到管道中弯曲导波的螺旋角频散曲线；根据螺旋角频散曲线选择弯曲导波模态，并确定螺旋梳式换能器的频率和螺旋角；螺旋梳式换能器沿螺旋方向安装，由导波检测系统控制激励产生单一模态的弯曲导波，沿着与管道轴向成一定螺旋角的方向传播，遇到管道中的横向、纵向和斜向缺陷反射后被换能器接收；根据缺陷回波的声程计算缺陷距离，确定缺陷位置。本发明提出了一种管道中激励单一弯曲导波的方法和系统，克服了传统轴对称导波检测管道纵伤、斜伤灵敏度低的局限，提高了管道导波检测的有效性和可靠性。

Description

一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法及系统
技术领域
本发明涉及一种管道缺陷无损检测方法，特别涉及一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法及系统，属于无损检测技术领域。
背景技术
管道运输作为与公路、铁路、航空、水运并驾齐驱的五大运输业之一，在经济建设和国防工业中发挥着越来越重要的作用。压力管道的应用极为广泛，在石油、化工、电力、能源、航空以及公用工程等领域均有大量应用。压力管道中的运输介质一般为具有一定压力、有腐蚀性的、温度较高的流体，管道工作环境恶劣，在服役过程中容易出现不同类型的破坏，包括腐蚀破坏、韧性破坏、脆性破坏、蠕变破坏等。管道中的缺陷若不能及时发现并处理，容易引发泄漏、爆炸等恶性事件，对人民的生命、财产安全造成极大威胁。因此，为避免恶劣事故的发生，亟需一种有效可靠的无损检测方法，对在役管道的健康状况进行全面的检测和评估。
传统的无损检测方法，如超声波检测、漏磁检测、涡流检测、射线检测及磁粉检测，理论上都能对管道的缺陷进行检测，但这些方法具有一个共同的特点，即逐点扫描检测，换能器仅能检测被测点附近较小的区域，必须通过逐点扫描相对运动才能够完整检测被测构件，造成传统无损检测方法的检测效率低、检测成本高等问题，难以满足当前长输管线、工艺管线等的无损检测需求。
超声导波检测技术是一种长距离无损检测技术，具有单点激励、覆盖范围大，检测效率高、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。目前，管道导波检测最常用的是轴对称T(0,1)和L(0,2)模态，其对管道中的横伤和腐蚀类缺陷具有良好的检测效果。
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。
申请号为201410213487.1的发明专利提出了一种适用于管道布置和阵列的扭转模态磁致伸缩阵列传感器，激励轴对称扭转模态T(0,1)对管道进行扫查，可实现管道缺陷的二维成像。此外，目前国际、国内市场上的商用导波检测仪器设备均采用轴对称模态对管道进行检测扫查。
管道中的轴对称模态导波沿着管道轴向传播，对管道横截面的变化敏感，因此对横伤、腐蚀类缺陷的检测效果较为理想，但对管道中的纵伤和斜伤检测灵敏度较低。纵伤仅能使轴对称导波周向能量分布发生变化，无法形成强烈的反射回波，斜伤则由于几何取向的不同使反射回波沿着不同方向传播，换能器难以接收到有效的缺陷回波，因此。为解决轴对称导波难以检测管道纵伤和斜伤的难题，实现全面检测管道中各类缺陷，提高管道检测有效性和可靠性，必须寻求一种新的检测方法和检测系统。
发明内容
本发明提供一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法和系统，通过布置螺旋梳式换能器，在被测管道中激励纯净的弯曲模态导波，对管道中的横伤、纵伤以及斜伤进行全面扫查检测，克服了当前轴对称导波难以检测管道中纵伤和斜伤的局限，提高管道导波检测有效性和可靠性。
本发明按以下技术方案实现：
一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，根据被测管道中导波的相速度频散曲线，选择用于检测的弯曲导波，得到弯曲导波的相速度Cp、频率f；
步骤二，根据被测管道中弯曲导波的螺旋角频散曲线确定弯曲导波的螺旋角α；
步骤三，确定螺旋梳式换能器的参数，将螺旋梳式换能器安装导波被测管道外壁；
步骤四，螺旋梳式换能器在被测管道中激励产生弯曲导波；
步骤五，(a)弯曲导波在被测管道中传播，遇到管道缺陷发生相互作用形成弯曲导波反射回波；
(b)弯曲导波反射回波沿着被测管道传播并被螺旋梳式换能器接收；
(c)根据接收到的检测信号确定管道缺陷距离螺旋梳式换能器的距离，对管道缺陷进行定位。
优选的是，所述弯曲导波沿着与管道成一定螺旋角α的方向传播，对于检测管道中的斜向和纵向缺陷具有比传统轴对称导波更高的检测灵敏度。
优选的是，所述弯曲导波包括扭转弯曲模态导波T(N,m)和纵向弯曲模态导波L(N,m)。
优选的是，所述弯曲导波5的螺旋角根据以下公式进行计算：
优选的是，所述螺旋梳式换能器的主要参数除频率f，螺旋角α之外，还包括换能器长度L和梳式间距D，其计算公式为：
优选的是，所述螺旋梳式换能器具有控制弯曲导波在管道中传播方向的功能。
优选的是，所述的螺旋梳式换能器为磁致伸缩式换能器、压电式换能器、电磁超声EMAT式换能器或者具有激励超声导波功能的换能器。
一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测系统，该系统包括信号处理单元，导波激励单元，导波接收单元；所述信号处理单元发出控制指令，控制与之相连的导波激励单元，所述导波激励单元发出激励信号到与之相连的螺旋梳式换能器中；所述螺旋梳式换能器在被测管道中激励产生弯曲导波，弯曲导波在被测管道中传播，遇到管道缺陷发生相互作用形成弯曲导波反射回波，弯曲导波反射回波沿着被测管道传播并被螺旋梳式换能器接收；所述螺旋梳式换能器将接收到的检测信号传送到与之相连的导波接收单元中，所述导波接收单元将处理后的检测信号传输至与之相连的信号处理单元中进行数据显示、存储和分析。
优选的是，所述导波激励单元包括激励信号源和功率放大器，信号处理单元发出控制指令，控制激励信号源发出激励信号经功率放大器放大后施加至螺旋梳式换能器。
优选的是，所述导波接收单元包括前置放大器、滤波器和AD采集卡，螺旋梳式换能器将接收到的检测信号经前置放大器放大、滤波器滤波、AD采集卡转换后传输至信号处理单元。
优选的是，信号处理单元为上位机。
本发明有益效果：
本发明通过求解管道中弯曲模态的相速度频散曲线和螺旋角频散曲线获取螺旋梳式换能器的设计参数，换能器按照螺旋方式布置到管道外壁，激励产生纯净的弯曲模态导波，在管道中传播并与管道中的各类缺陷相互作用形成反射回波，实现对管道的有效检测。本发明通过螺旋梳式换能器对管道实现导波检测，克服了传统轴对称导波难以检测纵伤和斜伤的局限，提高了管道检测的灵敏度，保证了管道导波检测的可靠性。
附图说明
图1是本发明系统的工作原理示意图；
图2是弯曲导波和轴对称导波与斜伤相互作用对比图；
图3是典型管道弯曲导波相速度曲线和螺旋角曲线；
图4是螺旋梳式换能器激励弯曲导波的信号图像和模态分析；
图5是螺旋梳式换能器激励弯曲导波检测管道缺陷的信号。
图中：1、上位机，2、激励信号源，3、功率放大器，4、螺旋梳式换能器，5、弯曲导波，6、被测管道，7、管道缺陷，8、弯曲导波反射回波，9、弯曲导波透射波，10、前置放大器，11、滤波器，12、AD采集卡，13、轴对称导波入射波，14轴对称导波反射回波，15、轴对称导波透射波，16、相速度频散曲线，17、换能器激励线，18、螺旋角频散曲线。
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。
如图1所示，上位机1发出控制指令，控制激励信号源2产生激励信号，激励信号经过功率放大器3放大后施加到螺旋梳式换能器4的激励线圈，螺旋梳式换能器4在被测管道6中激励产生弯曲导波5，弯曲导波入射波5在被测管道6中沿着螺旋方向传播，遇到管道缺陷7发生相互作用，一部分导波能量形成弯曲导波透射波9继续在被测管道6中传播，一部分导波能量形成弯曲导波反射回波8，沿着管道传播并被螺旋梳式换能器4接收，接收到的信号经过前置放大器10、滤波器11和AD采集卡12后传输至上位机1进行显示、存储和分析。根据接收到的回波信号可计算得到缺陷距离换能器的距离，计算的公式为：
其中，Cg表示弯曲导波群速度，t表示接收到缺陷反射回波的时间。
弯曲导波5沿着与管道轴向成一定角度的方向传播，这个角度记为螺旋角α，这与传统的管道轴对称导波沿着管道轴向传播不同。管道中弯曲导波模态的螺旋角α可由以下公式计算：
其中，N表示弯曲导波5的周向阶次，Cp表示弯曲导波5的相速度，f表示频率，Ra表示被测管道6的平均半径。
弯曲导波5沿着与被测管道6轴向成一定螺旋角α的方向传播，这与管道中的轴对称导波沿着管道轴向传播不同。
如图2所示，轴对称导波入射波13沿着管道轴向入射到斜向管道缺陷7时，一部分导波能量形成轴对称导波透射波15，一部分导波能量形成轴对称导波反射回波14，轴对称导波反射回波14的强度由于斜入射而一般较小，其传播方向与斜向管道缺陷7的几何取向有关，导波换能器不能接收到信噪比较高的回波信号。
如图3所示，选择具有特定螺旋角α的弯曲导波模态对被测管道6进行检测扫查，弯曲导波5垂直或者接近垂直于斜向管道缺陷7，由于为垂直入射，会形成较高强度的弯曲导波反射回波，沿着被测管道6传播并被螺旋梳式换能器4接收。因此，弯曲导波5比传统的轴对称导波对于检测斜伤具有更高的检测灵敏度，由于类似的原理，弯曲导波5在检测纵伤时也具有明显的优势。
螺旋梳式换能器4根据相速度频散曲线16和螺旋角频散曲线18确定参数。具体的实施方式为：如图3所示，首先根据相速度频散曲线16选择用于检测的弯曲导波模态，这包括所选模态的所属族群m、周向阶次N和频率f；由相速度频散曲线16得到所选弯曲模态的相速度Cp，进而可计算得到所选弯曲导波模态的波长λ以及螺旋梳式换能器的梳式间距D，计算的公式为
根据螺旋角频散曲线18可得到所选导波模态的螺旋角α，即为螺旋梳式换能器的螺旋角；根据螺旋角可计算得到螺旋梳式换能器的长度L为：
其中，RO表示被测管道6的外半径；进而可以得到确定参数的螺旋梳式换能器激励线17。
所述的相速度频散曲线16和螺旋角频散曲线18可通过半解析有限元法SAFE或者全局矩阵法GMM进行求解计算。
所述的螺旋梳式换能器可以为磁致伸缩式换能器、压电式换能器、电磁超声EMAT式换能器以及其他具有激励超声导波功能的换能器。
本发明的实施例如下：
选用外径为219mm、壁厚为5mm的钢管作为被测管道6，其材料属性包括杨氏模量210GP、密度7800Kg/m3和泊松比0.28。
选择弯曲导波模态为扭转弯曲模态T(3,1)，频率为64kHz，通过相速度频散曲线16和螺旋角频散曲线18得到其相速度为3330m/s，螺旋角为13°。
在被测管道6外壁安装螺旋角为13°的螺旋梳式换能器4，换能器的梳式间距为26mm，换能器长度为706mm。
使用导波检测系统激励螺旋梳式换能器4在被测管道6中产生弯曲导波模态T(3,1)，在距离螺旋梳式换能器4约1.5m处安装圆周阵列换能器以接收管道中的波场。如图4(a)所示为螺旋梳式换能器4激励产生的导波波场展开图像，可以清晰的看到导波波阵面与管道轴向呈一定角度，分析波场的特性，可以得到所激励产生的导波周向阶次为3，如图4(b)所示，这证明了所述螺旋梳式换能器4激励单一模态弯曲导波的有效性。
在被测管道6中引入人工模拟缺陷，一处斜向缺陷位于换能器负向约2.2m处的管道区域，另一处斜向缺陷位于换能器正向约3m处的管道区域。分别选用64kHz和86kHz的T(3,1)弯曲导波模态对两处缺陷进行检测。
如图5所示为利用64kHz和86kHz的T(3,1)弯曲导波模态对管道两处缺陷检测得到的信号。信号中清晰可见换能器两侧端面和两侧缺陷的反射回波信号，缺陷的位置与实际位置吻合良好，这证明了所述螺旋梳式换能器4检测管道斜向缺陷的有效性。
综上所述，本发明提供的基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法和系统能够在管道中有效激励单一模态弯曲导波，对管道中的各类缺陷进行检测，客服了传统轴对称导波检测纵伤、斜伤灵敏度低的局限，提高了管道导波检测的有效性和可靠性。
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 (10)

1.一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，根据被测管道(6)中导波的相速度频散曲线(16)，选择用于检测的弯曲导波(5)，得到弯曲导波(5)的相速度Cp、频率f；
步骤二，根据被测管道(6)中弯曲导波的螺旋角频散曲线确定弯曲导波(5)的螺旋角α；
步骤三，确定螺旋梳式换能器(4)的参数，将螺旋梳式换能器(4)安装导波被测管道(6)外壁；
步骤四，螺旋梳式换能器(4)在被测管道(6)中激励产生弯曲导波(5)；
步骤五，(a)弯曲导波(5)在被测管道(6)中传播，遇到管道缺陷(7)发生相互作用形成弯曲导波反射回波(8)；
(b)弯曲导波反射回波(8)沿着被测管道(6)传播并被螺旋梳式换能器(4)接收；
(c)根据接收到的检测信号确定管道缺陷(7)距离螺旋梳式换能器(4)的距离，对管道缺陷(7)进行定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法，其特征在于：所述弯曲导波(5)沿着与管道成一定螺旋角α的方向传播，对于检测管道中的斜向和纵向缺陷具有比传统轴对称导波更高的检测灵敏度。
3.根据权利要求1所述的一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法，其特征在于：所述弯曲导波(5)包括扭转弯曲模态导波T和纵向弯曲模态导波L。
4.根据权利要求1所述的一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法，其特征在于：所述弯曲导波(5)的螺旋角根据以下公式进行计算：
α = arctan ( N · C p 2 πfR a ) .
5.根据权利要求1所述的一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法，其特征在于：所述螺旋梳式换能器(4)的参数还包括换能器长度L和梳式间距D，其计算公式为：
L = 2 πR O cos ( α ) , D = C p 2 f .
6.根据权利要求1所述的一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法，其特征在于：所述螺旋梳式换能器(4)具有控制弯曲导波(5)在管道中传播方向的功能。
7.根据权利要求1所述的一种基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法，其特征在于：所述的螺旋梳式换能器(4)为磁致伸缩式换能器、压电式换能器、电磁超声EMAT式换能器或者具有激励超声导波功能的换能器。
8.一种用于实现权利要求1所述的基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测方法的系统，其特征在于：该系统包括信号处理单元，导波激励单元，导波接收单元；
所述信号处理单元发出控制指令，控制与之相连的导波激励单元，所述导波激励单元发出激励信号到与之相连的螺旋梳式换能器(4)中；
所述螺旋梳式换能器(4)在被测管道(6)中激励产生弯曲导波(5)，弯曲导波(5)在被测管道(6)中传播，遇到管道缺陷(7)发生相互作用形成弯曲导波反射回波(8)，弯曲导波反射回波(8)沿着被测管道(6)传播并被螺旋梳式换能器(4)接收；
所述螺旋梳式换能器(4)将接收到的检测信号传送到与之相连的导波接收单元中，所述导波接收单元将处理后的检测信号传输至与之相连的信号处理单元中进行数据显示、存储和分析。
9.根据权利要求8所述的基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测系统，其特征在于：所述导波激励单元包括激励信号源(2)和功率放大器(3)，信号处理单元发出控制指令，控制激励信号源(2)发出激励信号经功率放大器(3)放大后施加至螺旋梳式换能器(4)。
10.根据权利要求8或9所述的基于螺旋梳式换能器的管道弯曲导波检测系统，其特征在于：所述导波接收单元包括前置放大器(10)、滤波器(11)和AD采集卡(12)，螺旋梳式换能器(4)将接收到的检测信号经前置放大器(10)放大、滤波器(11)滤波、AD采集卡(12)转换后传输至信号处理单元。
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