CN110836928A - 一种基于界面波的多层金属管道层间裂纹成像方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种基于界面波的多层金属管道层间裂纹成像方法，方法包括，在最内层管道一端的外表面沿周向均匀布置N个激励点，激励产生的第一表面波进入检测区域转化为界面波，在紧靠最内两层管道的的结合面的内层管道外表面上均匀布置N个接收点以分别接收第一表面波作用于该界面所产生的第二表面波，对N个接收点进行编号，将所接收的第二表面波转换为N组电信号并按编号分别记录保存，对N组电信号进行滤波和包络处理，对于滤波和包络处理后的每组电信号提取每组电信号的回波时间和峰值，基于概率重构绘制检测区域内的裂纹图像；依次将多层金属复合管的其他相邻两金属层的中间重合部分作为成像检测区域，直至绘制所有检测区域内的裂纹成像。

Description

一种基于界面波的多层金属管道层间裂纹成像方法
技术领域
本发明机械结构无损检测领域，特别是一种基于界面波的多层金属管道层间裂纹成像方法。
背景技术
金属复合管由两种或多种不同的金属管材组成，各层管道间利用变形和连接工艺紧密结合。与单层金属管道相比，金属复合管充分结合了两种金属材料的性能优势，克服了单一金属材料的性能局限性，在工业中的应用越来越广泛。
然而，金属复合管在实际生产过程中，由于材料本身存在空隙、夹杂等缺陷等导致复合管在生产中容易产生层间裂纹等损伤，此外在服役过程中，因高温、高压工况而产生的局部隆起屈曲，也会导致金属复合管在层间发生开裂现象，造成性能下降，甚至失效。由于这些缺陷存在于界面处，一般无法直接观察到，传统损伤检测手段很难有效识别。因此，针对多层金属复合管层间损伤检测成像方法的研究，对保障管道设备的正常运行具有重要意义。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了基于界面波的多层金属管道层间裂纹成像方法，通过界面波对金属复合管的层间裂纹进行检测，能够提高不同界面处裂纹的检测效率，能够在较短时间内完成对多层金属管周向裂纹的检测成像工作。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
一种基于界面波的多层金属管道层间裂纹成像方法包括如下步骤：
S100、在最内层管道一端的外表面沿周向均匀布置N个激励点，激励产生的第一表面波进入检测区域转化为界面波，所述检测区域包括多层金属管道的最内两层管道的中间重合部分；
S200、在紧靠最内两层管道的的结合面的内层管道外表面上均匀布置N个接收点以分别接收第一表面波作用于该界面所产生的第二表面波，所述N个接收点分别与N个所述激励点在同一周向位置上；
S300、对所述N个接收点进行编号，将所接收的第二表面波转换为N组电信号并按编号分别记录保存；
S400、对N组所述电信号进行滤波和包络处理，然后，对于滤波和包络处理后的每组电信号提取每组电信号的回波时间和峰值，基于概率重构绘制所述检测区域内的裂纹图像；
S500、依次将多层金属复合管的其他相邻两金属层的中间重合部分作为成像检测区域，重复执行步骤S100至步骤S400，直至绘制所有检测区域内的裂纹成像。
所述的方法中，步骤S400包括如下步骤，
S401、将检测区域划分为若干检测单元，每个检测单元对应裂纹图像中的一个像素点；
S402、根据每组电信号的编号顺序确定其所对应的接收测点的位置；
S403、对所述每组电信号进行滤波和包络处理，根据每组电信号的回波时间和峰值，计算位于检测区域内的所有像素点的像素值，并根据像素值确定所有像素点对应的RGB颜色；
S404、根据所述像素点对应的RGB颜色基于概率重构绘制裂纹图像。
所述的方法中，步骤S403中，所述检测区域内的所有像素点的像素值通过以下公式计算：
Figure BDA0002273263880000031
其中，P(x，y)为像素点的像素值；x、y分别为像素点的横坐标和纵坐标；ai为第i个检测信号上的损伤因子，表征路径上损伤的严重程度；w(r)为加权分布函数，表示对第i个检测信号进行概率重构时坐标为x、y的像素点的加权权重；ri为坐标为x、y的像素点与第i个检测信号的传播路径的相对距离；u(x)为轴向加权函数，表示进行概率重构时，与裂纹轴向位置有关的横坐标为x的像素点的加权权重。
所述的方法中，第i个检测信号上的损伤因子ai为所述第二表面波与第一表面波信号能量的比值。
所述的方法中，所述加权分布函数w(r)为：
Figure BDA0002273263880000041
其中，坐标为x、y的像素点与第i个检测信号的传播路径的相对距离r由下式计算：
其中，(xa，ya)与(xr，yr)分别为激励点和接收点的坐标值。
所述的方法中，轴向加权函数u(x)由下式计算：
xc为裂纹轴向位置，由脉冲回波法即下式计算得到：t2为第二表面波的峰值时间；t1为第一表面波的峰值时间；v为所检测结合面的界面波波速。
所述的方法中，激励点包括呈环形阵列部署的表面波探头激励阵列，其经由耦合剂均匀分布在所述外表面上。
所述的方法中，激励点包括8个表面波探头组成环形阵列。
所述的方法中，S403中，像素点幅值进行归一化处理使得所有像素点的像素值处于[0，1]的区间。
所述的方法中，所述的多层金属管道每一层都是金属。
所述的方法中，多层金属管道包括铝钢钛三层无缝复合管。
本发明相比于传统的无损检测方法，具有以下显著优势：
1、基于界面波传播过程中不发生频散的特性能够提高金属复合板分层损伤检测的有效性；
2、直接根据界面波的裂纹回波检测损伤位置；
3、直接对复合管道层间裂纹进行成像，易于操作，所需数据量少，节约人工成本，实现对整根多层管道界面损伤的识别，提高了裂纹检测的效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是本公开一个实施例提供的一种基于界面波的三层金属复合管的分层损伤成像方法流程图；
图2是本公开一个实施例提供的探头布置阵列前视图；
图3是本公开一个实施例提供的探头布置阵列左视图；
图4是本公开一个实施例提供的利用概率重构法检测某一界面内的裂纹的示意图；
图5是本公开一个实施例提供的检测信号的时域幅值信息示意图；
图6是本公开一个实施例提供的检测设备的结构示意图；
图7(a)至图7(b)是本公开一个实施例提供的成像结果图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图7(b)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，图1为一种基于界面波的三层金属复合管的分层损伤成像方法流程图，如图1所示，基于界面波的多层金属管道层间裂纹成像方法包括如下步骤：
S100、在最内层管道一端的外表面沿周向均匀布置N个激励点，激励产生的第一表面波进入检测区域转化为界面波，所述检测区域包括多层金属管道的最内两层管道的中间重合部分；
S200、在紧靠最内两层管道的的结合面的内层管道外表面上均匀布置N个接收点以分别接收第一表面波作用于该界面所产生的第二表面波，所述N个接收点分别与N个所述激励点在同一周向位置上；
S300、对所述N个接收点进行编号，将所接收的第二表面波转换为N组电信号并按编号分别记录保存；
S400、对N组所述电信号进行滤波和包络处理，然后，对于滤波和包络处理后的每组电信号提取每组电信号的回波时间和峰值，基于概率重构绘制所述检测区域内的裂纹图像；
S500、依次将多层金属复合管的其他相邻两金属层的中间重合部分作为成像检测区域，重复执行步骤S100至步骤S400，直至绘制所有检测区域内的裂纹成像。
上述实施例中，激励点激励产生的表面波传播至复合管结合面时转换形成界面波，界面波在界面传播时不发生频散，且能量集中于界面，因此，对界面处的各类损伤具有极高的敏感性；另一方面，相比于其他类型的导波，界面波在金属复合板中的模式数量较少，信号处理方便，其裂纹回波信号可以直接作为判断裂纹是否存在及估计裂纹尺寸的依据，无需工程技术人员对时域或频域检测信号进行分析，极大节约了人工成本。
所述的方法的优选实施方式中，步骤S400包括，
所述的方法的优选实施方式中，步骤S400包括如下步骤，
S401、将检测区域划分为若干检测单元，每个检测单元对应裂纹图像中的一个像素点；
S402、根据每组电信号的编号顺序确定其所对应的接收测点的位置；
S403、对所述每组电信号进行滤波和包络处理，根据每组电信号的回波时间和峰值，计算位于检测区域内的所有像素点的像素值，并根据像素值确定所有像素点对应的RGB颜色；
S404、根据所述像素点对应的RGB颜色基于概率重构绘制裂纹图像。所述的方法的优选实施方式中，步骤S403中，所述检测区域内的所有像素点的像素值通过以下公式计算：
Figure BDA0002273263880000091
其中，P(x，y)为像素点的像素值；x、y分别为像素点的横坐标和纵坐标；ai为第i个检测信号上的损伤因子，表征路径上损伤的严重程度；w(r)为加权分布函数，表示对第i个检测信号进行概率重构时坐标为x、y的像素点的加权权重；ri为坐标为、y的像素点与第i个检测信号的传播路径的相对距离；u(x)为轴向加权函数，表示进行概率重构时，与裂纹轴向位置有关的横坐标为x的像素点的加权权重。
所述的方法的优选实施方式中，第i个检测信号上的损伤因子ai为所述第二表面波与第一表面波信号能量的比值。
所述的方法的优选实施方式中，所述加权分布函数w(r)为：
Figure BDA0002273263880000101
其中，坐标为x、y的像素点与第i个检测信号的传播路径的相对距离r由下式计算：
Figure BDA0002273263880000102
其中，(xa，ya)与(xr，yr)分别为激励点和接收点的坐标值。
所述的方法的优选实施方式中，
轴向加权函数u(x)由下式计算：
Figure BDA0002273263880000103
xc为裂纹轴向位置，由脉冲回波法即下式计算得到：
Figure BDA0002273263880000104
t2为第二表面波的峰值时间；t1为第一表面波的峰值时间；v为所检测结合面的界面波波速。
所述的方法的优选实施方式中，激励点包括呈环形阵列部署的表面波探头激励阵列，其经由耦合剂均匀分布在所述外表面上。
所述的方法的优选实施方式中，激励点包括8个表面波探头组成环形阵列。
所述的方法的优选实施方式中，
S403中，像素点幅值进行归一化处理使得所有像素点的像素值处于[0，1]的区间。
所述的方法的优选实施方式中，多层金属管道包括铝钢钛三层无缝复合管。
下面结合图2至图3对图1所示的损伤成像方法进行示例性说明。具体的，如图2至图3所示：被测管道为铝钢钛三层无缝复合管，采用机械旋压的方式加工而成，内层铝管1长度为1000mm，中间层钢管3长度为850mm，外层钛管5长度为700mm。管道半径从内到外依次为45mm、50mm、54mm、57mm。在铝管和钢管外壁上，距离右端面400mm处采用线切割的方式内置裂纹损伤，铝层的裂纹深度为3mm，钢层的裂纹的深度为2mm，周向位置相差120°。
首先在一个界面处的内层管道一端的外表面沿周向均匀布置激励阵列6，激励产生第一表面波进入检测区域并转化为界面波；结合面2附近的内层管道外表面上，在激励点同一周向位置上均匀布置接收阵列7，按顺序依次编号，依次接收表面波作用于此层结合面的所产生的第二表面波。利用概率重构法和脉冲回波法绘制检测区域内的损伤图像。同样的，在管道另一层界面处，重复执行上述步骤S100、步骤S200、步骤S300和步骤S400，完成所有界面的裂纹成像。
前述或以下实施方案中的检测方法，其中步骤S100所述第一表面波可以通过表面波探头激励阵列产生；所述激励阵列呈环形阵列部署，经由耦合剂均匀分布在所述外表面上。优选的，采用8个表面波探头组成环形阵列。
前述或以下实施方案中的检测方法，其中步骤S200所述第二表面波可以通过表面波探头激励阵列接收；所述接收阵列呈环形阵列部署在所述金属结合面附近的外表面上。其中，所述的第二表面波包括直达的表面波信号、所述第一表面波经内层金属管和外层金属管的结合面所产生的端面回波信号以及界面波遇到裂纹所产生的裂纹回波信号。
前述或以下实施方案中的检测方法，步骤S400包括：
S401：将成像检测区域划分为若干检测单元，每个检测单元对应损伤图像中的一个像素点；
S402：根据每组检测信号的编号顺序确定每组检测信号所对应的接收测点的位置；
S403：对所述检测信号进行滤波和包络处理，根据每组检测信号的时间和峰值信息计算位于所述传播范围内的所有像素点的像素值，并根据像素值确定所有像素点对应的RGB颜色；
S404：根据所述像素点对应的RGB颜色绘制损伤成像图。
优选的，其中步骤S403所述的滤波与包络方法分别为小波滤波和希尔伯特包络。所述检测区域内的所有像素点的像素值通过以下公式计算：
Figure BDA0002273263880000121
其中，P(x，y)为像素点的像素值；x、y分别为像素点的横坐标和纵坐标；ai为第i个检测信号上的损伤因子，表征路径上损伤的严重程度；w(r)为加权分布函数，表示对第i个检测信号进行概率重构时坐标为x、y的像素点的加权权重；ri(x，y)为坐标为x、y的像素点与第i个检测信号的传播路径的相对距离；u(x)为轴向加权函数，表示进行概率重构时，与裂纹轴向位置有关的横坐标为x的像素点的加权权重。
优选的，第i个检测信号上的损伤因子ai为所述第二表面波与第一表面波信号峰值的比值的平方；
优选的，所述加权分布函数w(r)为：
Figure BDA0002273263880000131
其中，坐标为x、y的像素点与第i个检测信号的传播路径的相对距离r由下式计算：
Figure BDA0002273263880000132
优选的，轴向加权函数u(x)由下式计算：
Figure BDA0002273263880000141
式中，xc为裂纹轴向位置，由脉冲回波法即下式计算得到：
Figure BDA0002273263880000142
式中，t2为第二表面波的峰值时间；t1为第一表面波的峰值时间；v为所检测结合面的界面波波速。
前述或以下实施方案中的检测方法，步骤S400中，对像素点幅值进行归一化处理和插值处理后，可得到像素值与RGB颜色的对应关系，下面通过表1对上述对应关系进行示例性说明：
表1
像素值 R G B
0 0 0 0.5
0.125 0 0 1
0.25 0 0.5 1
0.375 0 1 1
0.5 0.5 1 0.5
0.625 1 1 0
0.75 1 0.5 0
0.875 1 0 0
1 0.5 0 0
表1中，首先对像素点幅值进行归一化处理，即用所有像素点的像素值除以所有像素点的像素值中的最大值，使得所有像素点的像素值处于[0，1]的区间，若某像素点的像素值处于某两个像素点的像素值之间，则当做插值处理。
进一步的，下面结合图4对通过采用概率重构法和脉冲回波法结合绘制成像检测区域内分层损伤图像进行示例性说明，具体的，如图4所示：激励阵列6产生的第一表面波进入两层金属界面转化为界面波，一部分界面波遇到裂纹8发生反射离开界面并转化为第二表面波，随后，被接收阵列7中若干个探头捕捉到。
该实施例中，当界面波遇到损伤或材料边界时，会发生反射、散射，这一变化在接收阵列接收到的检测信号的时域幅值信息上表现为一个波峰，如图5所示，波峰即为界面波在分层损伤处发生反射和散射所致。同时，由于界面波的传播速度几乎不变，因此，裂纹的轴向位置信息可以由脉冲回波法得到，裂纹的周向信息可以利用概率重构法从接收阵列接收到的信号波峰信息中获取到。
在一个实施例中，给出了本发明实现裂纹成像时所采用的设备结构图，如图6所示。所示检测设备包括布置在所述管道1的一端的外表面上的表面波探头激励阵列6、接收阵列7、信号发生器9、信号放大器10以及信号处理装置11。
前述实施方案中的检测设备，其中信号处理装置11可以为计算机。
在一个实施例中，给出了本发明的界面波裂纹成像结果图，如图7(a)至图7(b所示。其中，图7(a)为内层铝管1与中间层钢管3的界面上的裂纹成像图，图7(b)为中间层钢管3与外层钛管5的界面上的裂纹成像图。其中，中间层钢管3与外层钛管5的界面上的裂纹成像结果与实际裂纹的对比如表2所示，可以看出，利用本公开所述技术方案进行检测的结果与实际裂纹形貌及损伤位置基本吻合。
表2
Figure BDA0002273263880000161
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于界面波的多层金属管道层间裂纹成像方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S100、在最内层管道一端的外表面沿周向均匀布置N个激励点，激励产生的第一表面波进入检测区域转化为界面波，所述检测区域包括多层金属管道的最内两层管道的中间重合部分；
S200、在紧靠最内两层管道的的结合面的内层管道外表面上均匀布置N个接收点以分别接收第一表面波作用于该界面所产生的第二表面波，所述N个接收点分别与N个所述激励点在同一周向位置上；
S300、对所述N个接收点进行编号，将所接收的第二表面波转换为N组电信号并按编号分别记录保存；
S400、对N组所述电信号进行滤波和包络处理，然后，对于滤波和包络处理后的每组电信号提取每组电信号的回波时间和峰值，基于概率重构绘制所述检测区域内的裂纹图像；
S500、依次将多层金属复合管的其他相邻两金属层的中间重合部分作为成像检测区域，重复执行步骤S100至步骤S400，直至绘制所有检测区域内的裂纹成像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，步骤S400包括如下步骤，
S401、将检测区域划分为若干检测单元，每个检测单元对应裂纹图像中的一个像素点；
S402、根据每组电信号的编号顺序确定其所对应的接收测点的位置；
S403、对所述每组电信号进行滤波和包络处理，根据每组电信号的回波时间和峰值，计算位于检测区域内的所有像素点的像素值，并根据像素值确定所有像素点对应的RGB颜色；
S404、根据所述像素点对应的RGB颜色基于概率重构绘制裂纹图像。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
步骤S403中，所述检测区域内的所有像素点的像素值通过以下公式计算：其中，P(x，y)为像素点的像素值；x、y分别为像素点的横坐标和纵坐标；ai为第i个检测信号上的损伤因子，表征路径上损伤的严重程度；w(r)为加权分布函数，表示对第i个检测信号进行概率重构时坐标为x、y的像素点的加权权重；ri为坐标为x、y的像素点与第i个检测信号的传播路径的相对距离；u(x)为轴向加权函数，表示进行概率重构时，与裂纹轴向位置有关的横坐标为x的像素点的加权权重。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：第i个检测信号上的损伤因子ai为所述第二表面波与第一表面波信号能量的比值。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
所述加权分布函数w(r)为：
Figure FDA0002273263870000031
其中，坐标为x、y的像素点与第i个检测信号的传播路径的相对距离r由下式计算：
Figure FDA0002273263870000032
其中，(xa，ya)与(xr，yr)分别为激励点和接收点的坐标值。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
轴向加权函数u(x)由下式计算：
Figure FDA0002273263870000033
xc为裂纹轴向位置，由脉冲回波法即下式计算得到：
Figure FDA0002273263870000034
t2为第二表面波的峰值时间；t1为第一表面波的峰值时间；v为所检测结合面的界面波波速。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
激励点包括呈环形阵列部署的表面波探头激励阵列，其经由耦合剂均匀分布在所述外表面上。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，激励点包括8个表面波探头组成环形阵列。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
步骤S403中，像素点幅值进行归一化处理使得所有像素点的像素值处于[0，1]的区间。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：多层金属管道包括铝钢钛三层无缝复合管。
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