CN109239189A

CN109239189A - 基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统及方法

Info

Publication number: CN109239189A
Application number: CN201811099691.XA
Authority: CN
Inventors: 禹建功; 李默; 张小明; 李海林; 张博
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2019-01-18

Abstract

本发明公开了基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统及方法，涉及超声导波的监测技术领域，具体涉及一种耐高温超声导波换能器。通过在待检测高温管道外部设置压电探头群，控制超声脉冲发射装置向探头发射激励信号，从而在管道上激励出超声导波，待导波接触到缺陷或损伤处时，产生回波，再用压电探头群接收回波信号，通过超声信号处理装置，用计算机将收到的信号进行处理分析，最后计算出高温管道缺陷或者损伤的位置及大小。本发明极大程度地改善了高温管道环境下，由于超声换能器内各单元热膨胀系数不匹配，而造成的换能器部件断裂与脱粘的问题。还能满足结构元件不同部位对材料使用性能的不同要求，达到优化结构整体使用性能的目的。

Description

基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统及方法

技术领域

本发明属于超声波检测技术领域，具体涉及基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统及方法。

背景技术

管道在高温情况下，经受其中高速流动介质的冲击、腐蚀与磨损；在反复应力的作用下，长期高温下工作的管道不可避免会发生蠕变、疲劳、老化、变质，最后形成缺陷和裂纹。如果不能及时发现这些缺陷，将可能导致巨大灾害，并造成极大的环境破坏和人员经济损失。对此，国家制定了严格的定期健康检测规章。包括视觉检查、涡流检测和超声检测在内的常规检测都在停机时间、常温下进行。但在两次停机检测之间，高温管道在恶劣的环境下也可能出现问题，尤其是一些老龄化的电厂。目前，这些老龄化的电厂越来越多，而且很多都被授权进行超设计年限生产。此外，管道并不总是工作在恒定的温度环境下，大范围的温度变化也将给监测系统的稳定性、可靠性带来极大的挑战。因此，开发一套高温及冷热循环环境下的在线健康监测系统及方法用以保证结构的稳定性并能延长其使用寿命是非常必要的，也能减少停机检测工时，从而提高生产效率。

高温无损检测领域采用最多的方法是超声检测技术。但已有的高温超声检测大多是基于体波（纵波或横波）的检测技术，其检测效率远低于导波技术，通常用于高温测厚，很难实现在长距离高温管道的健康监测。

导波是体纵波、体横波在有限介质中传播时，边界对其产生反复不断的反射所形成的一种超声波。对于管道、板材等大型结构，常规超声无损检测特别耗时，因为探头需对所检结构逐点扫描。超声导波则具有衰减小、模态多、传播距离远、信号涵盖信息完整的特性，因而具有很高的检测效率，并已在输油管道的无损检测中大量应用。可以说，超声导波技术是实现高温输送管道在线健康监测的理想无损检测技术。因而科技人员开始把超声导波技术从常温环境引入高温环境，尽管在高温下需要面临许多新的问题。

随着超声波探测、检测技术的发展，对超声导波监测系统在不同工作环境下的检测结果的准确性和仪器的敏感度要求不断提高。尤其在一些高温环境下和大范围温度变化环境下，对超声导波监测系统的检测性能的稳定性和可靠性带来极大挑战。因此，开发能在高温环境下工作，且与被检测物耦合良好的超声导波检测系统与方法，保障超声技术能够在线健康监测的稳定性是非常必要的。

发明内容

本发明提供基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统及方法，以超声导波具有衰减小、模态多、传播距离远、信号涵盖信息完整的特性来监测高温管道的缺陷或裂纹。以FGPM渐变的材料特性解决多次冷热循环或高温环境下压电单元与保护层、被测物之间的各种不匹配导致的断裂与脱粘。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统，包括计算机、超声脉冲发射装置、压电探头群、锁紧机构、信号处理装置和示波器，锁紧机构将压电探头群压接到高温管道的外圆周上，超声脉冲发射装置、信号处理装置和示波器通过控制电缆分别与计算机连接，压电探头群通过信号线分别与超声脉冲发射装置和信号处理装置连接。

锁紧机构包括均呈半圆形的上卡环和下卡环，上卡环和下卡环套在高温管道外部，上卡环的两端和下卡环的两端分别折弯成上连接板和下连接板；

压电探头群包括若干个压电换能器，若干个压电换能器均匀设置在上卡环和下卡环的内侧壁上，上连接板和下连接板之间通过连接螺栓将压电换能器压接到高温管道的外圆周上。

每个压电换能器均包括呈圆筒形的外壳，外壳的中心线沿高温管道的径向方向设置，外壳内端敞口，外壳内部设置有背衬，外壳的外端部设置有接线片，外壳的内端部设置有压电单元与匹配层高温烧结为一个功能梯度压电材料一体式结构，功能梯度压电材料一体式结构与待检测的高温管道接触，外壳的外端部通过环氧树脂胶粘接在上卡环或下卡环的内壁上，上卡环、下卡环和背衬对应开设有接线孔，信号线穿过接线孔与接线片及功能梯度压电材料一体式结构连接。

匹配层和压电单元是通过粉末叠层烧结与无压浸渗工艺的方法，设计为一个功能梯度压电材料一体式结构。

烧制功能梯度压电材料所需要的材料选用居里温度较高的铌酸锂和不锈钢粉末材料，通过将它们混合，进行高温高压烧结，制成功能梯度压电材料。

基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统的监测方法，包括以下步骤，

（1）、根据待检测高温管道的材料参数和超声导波的模态、频率、周期数确定出超声导波的激励信号；

（2）、将在待检测高温管道外部设置压电探头群，并拧紧上连接板和下连接板之间的连接螺栓将压电换能器压接到高温管道的外圆周上；

（3）、计算机控制超声脉冲发射装置向压电换能器发射激励信号，从而在高温管道上激励出超声导波，待超声导波接触到缺陷或损伤处时，产生回波；

（4）、产生的回波再压电换能器接收后传输到信号处理装置，信号处理装置对超声信号进行处理，处理后的信号传输到计算机；

（5）、计算机将收到的信号进行处理分析，通过示波器显示其波形特征；

（6）、最后计算机计算出高温管道缺陷或者损伤的位置及大小。

压电换能器为超声导波自发自收装置，收到超声脉冲发射装置激励的信号后，在高温管道上将超声导波传递出去；在导波接触到管道上的缺陷后，产生回波，回波返回致压电换能器，压电换能器又将回波的信号反馈给信号处理装置。

所述计算机通过软件程序编程出所需要的激励信号，并控制超声脉冲装置发射激励信号，也起到接收信号处理装置处理过的信号，并用示波器显示出波形特征的作用。

步骤（1）是使用软件编程，根据待检测管道的材料参数和几何尺寸，主要是待检测管道的内直径，来确定出超声导波在管道内传播的群频散曲线。再根据群频散曲线确定超声导波的模态，中心频率和周期数，最后确定出需要给予的超声导波的激励信号。

采用上述技术方案，本发明与现有的超声导波检测系统相比，具有以下优点：

（1）本发明结构简单，采用的锁紧机构以实现对压电探头群的固定安装，可将压电探头群固定安装到任一段高温管道上进行检测，具有可随时组装拆卸的优点。

（2）采用压电探头群可全方位向待检测的高温管道发射超声导波，可以更准确的检测出管道缺陷或裂纹的位置。

（3）匹配层和压电单元是通过高温烧结的方法，设计为一个功能梯度压电材料（FGPM）一体式结构，极大程度地改善了高温环境下，由于压电换能器内各单元热膨胀系数不匹配，而造成的压电换能器部件断裂与脱粘的问题。还能满足结构元件不同部位对材料使用性能的不同要求，达到优化结构整体使用性能的目的。其组分体积含量呈光滑变化的特点带来了减小残余应力、缓和应力集中和增强黏结强度等各种优势。

附图说明

图1为本发明的整体控制原理示意图；

图2为本发明中锁紧机构将压电探头群安装到高温管道上的立体结构示意图；

图3为本发明中压电换能器的结构示意图。

图中：1-压电探头群；2-信号处理装置；3-超声脉冲发射装置；4-示波器；5-计算机；11-压电换能器；12-上卡环；13-下卡环；14-上连接板；15-下连接板；16-高温管道；17-功能梯度压电材料一体式结构；18-背衬；19-接线片；20-信号线；21-外壳；22-接线孔；23-连接螺栓。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明提供一种基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统，包括计算机5、超声脉冲发射装置3、压电探头群1、锁紧机构、信号处理装置2和示波器4，锁紧机构将压电探头群1压接到高温管道的外圆周上，超声脉冲发射装置3、信号处理装置2和示波器4通过控制电缆分别与计算机5连接，压电探头群1通过信号线20分别与超声脉冲发射装置3和信号处理装置2连接。

锁紧机构包括均呈半圆形的上卡环12和下卡环13，上卡环12和下卡环13套在高温管道16外部，上卡环12的两端和下卡环13的两端分别折弯成上连接板14和下连接板15；

压电探头群1包括若干个压电换能器11，若干个压电换能器11均匀设置在上卡环12和下卡环13的内侧壁上，上连接板14和下连接板15之间通过连接螺栓23将压电换能器11压接到高温管道16的外圆周上。

每个压电换能器11均包括呈圆筒形的外壳21，外壳21的中心线沿高温管道16的径向方向设置，外壳21内端敞口，外壳21内部设置有背衬18，外壳21的外端部设置有接线片19，外壳21的内端部设置有压电单元与匹配层高温烧结为一个功能梯度压电材料一体式结构17，功能梯度压电材料一体式结构17与待检测的高温管道16接触，外壳21的外端部通过环氧树脂胶粘接在上卡环12或下卡环13的内壁上，上卡环12、下卡环13和背衬18对应开设有接线孔，信号线20穿过接线孔与接线片19及功能梯度压电材料一体式结构17连接。

匹配层和压电单元是通过粉末叠层烧结与无压浸渗工艺的方法，设计为一个功能梯度压电材料一体式结构17。

基于功能梯度材料的高温管道16超声导波监测系统的监测方法，包括以下步骤，

（1）、根据待检测高温管道16的材料参数和超声导波的模态、频率、周期数确定出超声导波的激励信号；

（2）、将在待检测高温管道16外部设置压电探头群1，并拧紧上连接板14和下连接板15之间的连接螺栓23将压电换能器11压接到高温管道16的外圆周上；

（3）、计算机5控制超声脉冲发射装置3向压电换能器11发射激励信号，从而在高温管道16上激励出超声导波，待超声导波接触到缺陷或损伤处时，产生回波；

（4）、产生的回波再压电换能器11接收后传输到信号处理装置2，信号处理装置2对超声信号进行处理，处理后的信号传输到计算机5；

（5）、计算机5将收到的信号进行处理分析，通过示波器4显示其波形特征；

（6）、最后计算机5计算出高温管道16缺陷或者损伤的位置及大小。

压电换能器11为超声导波自发自收装置，收到超声脉冲发射装置3激励的信号后，在高温管道16上将超声导波传递出去；在导波接触到管道上的缺陷后，产生回波，回波返回致压电换能器11，压电换能器11又将回波的信号反馈给信号处理装置2。

所述计算机5通过软件程序编程出所需要的激励信号，并控制超声脉冲装置发射激励信号，也起到接收信号处理装置2处理过的信号，并用示波器4显示出波形特征的作用。

步骤（1）是使用软件编程，根据待检测管道的材料参数和几何尺寸，主要是待测管道的内直径，来确定出超声导波在管道内传播的群频散曲线。再根据群频散曲线确定超声导波的模态，中心频率和周期数，最后确定出需要给予的超声导波的激励信号。

本发明所使用的压电换能器11，是将压电单元与匹配层设计为一个功能梯度压电材料（FGPM）一体式结构，方法为通过粉末叠层烧结与无压浸渗工艺，将压电单元与匹配层需要使用的铌酸锂（LiNbO₃）和不锈钢粉末材料通过热压烧结的方法变为一个一体式结构，取代了常用的超声换能器，极大程度地改善了高温环境下，由于超声换能器内各单元热膨胀系数不匹配，而造成的换能器部件断裂与脱粘的问题。还能满足结构元件不同部位对材料使用性能的不同要求，达到优化结构整体使用性能的目的。其组分体积含量呈光滑变化的特点带来了减小残余应力、缓和应力集中和增强黏结强度等各种优势。

本发明的信号处理装置2将压电探头群1反馈的信号进行处理，主要进行的是提高信噪比和实时处理问题。使用该装置，具有精度高、灵活性大、可靠性高等优点。

计算机5接收到信号，再用示波器4将波形特征显示出来。只要确定超声导波在高温管道16的折射角以及曲面的有关参数，就能计算出管道的缺陷或裂纹位置。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统，其特征在于：包括计算机、超声脉冲发射装置、压电探头群、锁紧机构、信号处理装置和示波器，锁紧机构将压电探头群压接到高温管道的外圆周上，超声脉冲发射装置、信号处理装置和示波器通过控制电缆分别与计算机连接，压电探头群通过信号线分别与超声脉冲发射装置和信号处理装置连接。

2.根据权利要求1所述的基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统，其特征在于：锁紧机构包括均呈半圆形的上卡环和下卡环，上卡环和下卡环套在高温管道外部，上卡环的两端和下卡环的两端分别折弯成上连接板和下连接板；

3.根据权利要求2所述的基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统，其特征在于：每个压电换能器均包括呈圆筒形的外壳，外壳的中心线沿高温管道的径向方向设置，外壳内端敞口，外壳内部设置有背衬，外壳的外端部设置有接线片，外壳的内端部设置有压电单元与匹配层高温烧结为一个功能梯度压电材料一体式结构，功能梯度压电材料一体式结构与待检测的高温管道接触，外壳的外端部通过环氧树脂胶粘接在上卡环或下卡环的内壁上，上卡环、下卡环和背衬对应开设有接线孔，信号线穿过接线孔与接线片及功能梯度压电材料一体式结构连接。

4.根据权利要求3所述的基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统，其特征在于：匹配层和压电单元是通过粉末叠层烧结与无压浸渗工艺的方法，设计为一个功能梯度压电材料一体式结构。

5.根据权利要求4所述的基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统，其特征在于：烧制功能梯度压电材料所需要的材料选用居里温度较高的铌酸锂和不锈钢粉末材料，通过将它们混合，进行高温高压烧结，制成功能梯度压电材料。

6.采用如权利要求2所述的基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤，

（1）、根据待检测高温管道的材料参数及几何尺寸和超声导波的模态、频率、周期数确定出超声导波的激励信号；

（4）、产生的回波再压电换能器接收后传输到信号处理装置，信号处理装置对超声信号进行处理，处理后的信号传输到计算机，

7.根据权利要求6所述的基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统的监测方法，其特征在于：压电换能器为超声导波自发自收装置，收到超声脉冲发射装置激励的信号后，在高温管道上将超声导波传递出去；在导波接触到管道上的缺陷后，产生回波，回波返回致压电换能器，压电换能器又将回波的信号反馈给信号处理装置。

8.根据权利要求6所述的基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统的监测方法，其特征在于：所述计算机通过软件程序编程出所需要的激励信号，并控制超声脉冲装置发射激励信号，也起到接收信号处理装置处理过的信号，并用示波器显示出波形特征的作用。

9.根据权利要求6所述的基于功能梯度材料的高温管道超声导波监测系统的监测方法，其特征在于：步骤（1）是使用软件编程，根据待检测管道的材料参数和几何尺寸，主要是待检测管道的内直径，来确定出超声导波在管道内传播的群频散曲线；再根据群频散曲线确定超声导波的模态，中心频率和周期数，最后确定出需要给予的超声导波的激励信号。