CN113567560A - 一种基于超声导波的含附属结构管道的损伤检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的含附属结构管道损伤检测方法，包括以下步骤，首先在管道端面通过阵列布置的纵向导波激励探头激发出纵向导波，然后通过多通道超声传感器记录管道周向各位置处的纵向回波信号。在管道圆周面上均匀相隔45°取8个采样点，分别以每个采样点为中心，通过高阶模态提取技术，将多通道纵向模态信号提取为各点处的对应弯曲模态信号。根据损伤与附属结构对于径向路径回波的影响的差异，通过对损伤与附属结构的弯曲模态信号的波包特征和差异进行分析，即可识别异常信号来源于损伤还是附属结构。

Description

一种基于超声导波的含附属结构管道的损伤检测方法

技术领域

本发明涉及超声导波检测领域，特别涉及一种基于回波信号特性的含附属构件管道的损伤识别方法。

背景技术

超声导波检测技术是从上个世纪90年代发展起来的一种新型的无损检测技术。与传统超声波检测技术相比，具有局部激励与接收，传播距离远，检测效率高等特点。

尽管研究人员对利用超声导波对管道检测已有了较为广泛的研究，但大多数集中在直管中，研究对象较为简单。在工程实际中，管道一般存在较多的附属结构部分，如支撑、阀门等，这类构件的存在会对检测信号造成干扰，这对于超声导波在实际管线中的应用增大了难度。

目前，我国的油气运输管道主要特征为管道内运行工况复杂、跨地域广、地形复杂、管道巡检难度大，传统模式下的基于对称模态导波的检测方法难以适用于复杂异构管道处的损伤检测。

超声导波检测技术是近年来发展起来的一种结构内部检测技术，采用机械应力波沿着结构传播，传播距离长而衰减小，在结构局部阻抗变化的位置会产生回波，通过回波时间等信息可以对损伤进行识别。由于其具有长距离，全截面和高速检测的优点，已经成为无损检测和健康监测领域的重点研究方向。超声导波检测的主要优势为，它可以从单个换能器位置对大面积，长距离的结构进行检测。并且相较于传统土木的动力学方法，导波对微小损伤具有很高的敏感性。因此，利用沿管道传播的超声导波来识别管道损伤是一种极具前景的检测技术。

但是：异构管道的损伤识别目前是个难题，管线中存在的附属结构会对检测结果造成干扰，造成异常混淆信号和损伤漏检的情况，进而影响超声导波技术在实际管线中的应用。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种基于高阶弯曲模态的超声导波检测方法，该方法充分利用了损伤与附属结构在径向方向处的反射性能差异，实现附属结构与损伤回波信号的分离，为含附属结构管道的损伤识别难题提供解决方法。

为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于超声导波的含附属结构管道损伤检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：搭建管道超声导波检测系统，在被测管道一端A处激发纵向模态超声导波，该模态导波能够在被测管道中沿管壁在管道中传播；

步骤2：在被测管道的位置B处通过多通道采集设备采集管道周向各位置处的纵向回波信号；

步骤3：将多通道采集设备采集的各通道回波信号进行相加，得到轴对称纵向导波的回波信号时程，确定异常位置距离超声激发换能器的位置；

步骤4：基于导波高阶模态提取方法，将各通道信号进行移项延时叠加，得到各接收点处的弯曲模态回波信号；

步骤5：采用实验和仿真的方法得到损伤和附属构件反射的回波信号，通过步骤4方法得到各点高阶弯曲模态导波信号，分析并区别损伤和附属结构的弯曲模态回波的差异，识别异常信号来源于损伤还是附属结构。

步骤1具体为：

在被测管道一端位置A处沿圆周方向均匀阵列布置纵向导波激励探头，通过信号发生器调制出由汉宁窗调制的5波峰窄带脉冲信号，通过调节信号的频率选择激发的纵向导波模态及波速；

脉冲信号经过电压放大器进行放大，传输至纵向导波激励探头，在管道中产生轴对称的纵向模态超声导波；

步骤2具体为：

在被测管道的位置B处沿管道圆周面均匀阵列布置一圈超声传感器，至少包含8个纵向导波信号接收点。

步骤3具体为：

根据管中所选择频率的导波波速，确定异常位置距离超声激发换能器的位置L，

其中，V_g为纵向模态超声导波的群速度，t为从激发到接受到异常信号的时间，L_AB为超声激发换能器与接收器之间的距离；

步骤4具体为：

截取各通道采集到的反射信号，根据高阶模态提取方法，分别以45°为间隔，提取出各接受点位置处纵向导波对应的高阶弯曲模态导波信号。

所述汉宁窗调制的超声脉冲信号表达式为：

其中，A为激励信号的幅值，H(t)为Heaviside阶跃函数，N为激励信号波峰数，f_c为激励信号的中心频率。

若纵向导波激励探头无法安装在管道一端，则布置两圈参数一致的纵向导波激励探头进行激励以形成单一方向的导波模式。

所述的超声导波激励探头和超声传感器均为磁致伸缩类传感器或压电陶瓷类传感器。

超声导波激励探头在管道上呈周向阵列分布，采用单通道激励方式，以激发轴对称纵向模态导波；

超声传感器为周向阵列分布，采用多通道接受方式，每个接收器占用一个信号通道。

步骤5中，若弯曲模态幅值变化不明显，则管道中仅存在附属结构；若弯曲模态幅值增大，则管道中存在损伤；若弯曲模态幅值下降，则管道中同时存在附属结构和损伤。

有益效果：

本发明方法通过分析附属构件和损伤对超声导波传播影响的区别来分离损伤信号和附属构件的反射信号，以此识别含附属构件管道的损伤情况。相比现有的超声波检测方法，避免了对管道逐点检测，可以从管道局部对长距离管道进行检测，具有检测效率高的优点。

附图说明

图1为具体实施方式含附属结构管道检测示意图；

图2为具体超声传感器圆周分布示意图；

图3为管道损伤及附属结构示意图；

图4为含损伤且含附属结构管道中纵向导波回波信号图；

图5为含损伤不含附属结构管道弯曲模态导波回波信号图；

图6为含附属结构不含损伤管道的弯曲模态导波回波信号图；

图7为含损伤且含附属结构管道弯曲模态导波回波信号图。

具体实施方式

超声导波由于具有局部激励与接收，检测效率高的优点，被广泛应用于管道、轨道等长距离结构中。超声导波在管道中沿着管壁进行长距离传播，在经过损伤或附属结构时，由于结构局部声阻抗的变化，会有一部分波发生反射。超声导波检测是通过分析采集到的回波时程信号对损伤进行定位和评估，然而在实际管道中存在着较多的附属结构，如阀门，支撑，异构等。在轴对称导波回波时程信号中，难以分辨回波信号来源于损伤还是附属结构。本实施方式首次通过分析损伤与附属结构在径向方向处的反射性能差异，利用弯曲模态导波的差异来区分损伤和附属结构的回波信号。

由于管道纵向导波具有波速快、激发条件相对简单的优点，被广泛应用于管道检测中。当纵向导波经过结构阻抗非对称变化段时，会发生模态转换，生成非对称的弯曲模态导波。本实施旨在通过损伤和附属结构对弯曲模态的不同影响来识别损伤和附属结构。

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

步骤一：在被测管道的位置A处沿周向均匀阵列布置纵向导波激励探头2，纵向导波激励探头2一般布置在管道一端，或者采用两圈式布置方法，以使激发导波向单一方法传播。采用的超声传感器一般为基于压电原理的伸缩型压电陶瓷传感器，或者为基于电磁感应原理的磁致伸缩换能器。

具体的，利用任意信号发生器6输出由汉宁窗调制的五波峰窄带脉冲信号，通过调节信号的频率可以选择激发的纵向导波模态及波速。

具体的，任意信号发生器6的输出信号一般为10V以下，输出的电信号传播至电压放大器7中，通过电压放大器7放大至50-100V范围内，可以驱动压电陶瓷片进行振动，从而激发出理想导波。

步骤二：在被测管道1的位置B处沿管道圆周面均匀阵列布置一圈超声传感器3，至少包含8个纵向导波信号接收点，每个接收点均匀间隔45°，如图2。采集点处的超声换能器传感器3同样采用伸缩型压电陶瓷传感器。

具体的，超声传感器3采用多通道接受方式，每个接收点占用一个信号通道，可以采用同时采集和多次采集两种方法。

步骤三：纵向超声导波沿管道进行传播，由于含附属构件和损伤会使管道局部的声阻抗发生变化，因此导波在经过含附属构件4和损伤5时，会发生反射回波。因此位置B处的超声传感器3如果接收到纵向导波信号，则管道1存在附属构件或损伤。

步骤四：将超声传感器3各通道的回波信号进行相加，得到轴对称纵向导波的回波信号时程，如图4。根据管中所选择频率的导波波速，可以确定异常位置距离超声激发换能器的位置L。

其中，V_g为纵向模态超声导波的群速度，t为从激发到接受到异常信号的时间，L_AB为激发器与接收器之间的距离。

步骤五：截取各通道采集到的反射信号，根据高阶模态提取方法，分别以45°为间隔，提取出各点位置处纵向导波对应的高阶弯曲模态导波。

具体的，在位置B处的超声传感器3对管道周向多个位置处的纵向导波信号进行采集，沿圆周包括8个信号采集点，记录各点处的纵向导波信号。

其中，u^R(θ_k,z_R,t)为管道表面θ＝θ_k，z＝z_R处的纵向位移时程信号，r₀为管道外径，A_n(ω)为缺陷反射导波的振幅，n为导波模态族数，k_n为波数，ω为角频率，t为时间，且

对于纵向模态而言，同一圆周上不同节点的位移不存在相位延迟，而对于弯曲模态，相位延迟由nθ/2π决定，其中，n为圆周阶数，θ为两节点圆周夹角。当以与缺陷中心在同一母线上的节点为起点，用cos(nθ/2π)对周向各节点的切向位移进行相位延迟补偿，将补偿后的信号叠加即可得到对应的n阶弯曲模态信号。通过对u^R(θ_k,z_R,t)乘以加权项exp(-in_Eθ_k)后即可实现导波多模态的分离。提取第n_E阶模态在θ＝θ_k，z＝z_R处对应的位移值为：

其中，

为管道表面θ＝θ_k，z＝z_R处的n_E阶弯曲模态时程信号，r₀为管道外径，A_n(ω)为缺陷反射导波的振幅，n为导波模态族数，k_n为波数，ω为角频率，t为时间，且

如图5即为采集点处的一阶弯曲模态的信号。

步骤六：采用实验和仿真的方法得到损伤和附属构件反射的回波信号，通过步骤5方法得到各点弯曲模态信号，分析并区别损伤和附属结构的弯曲模态回波的差异，如图5和6所示，可以看到附属结构和损伤产生的高阶回波信号存在较为明显的差异。附属结构对弯曲模态回波影响较小，而损伤会引起弯曲模态发生较大的变化，增大弯曲模态幅值。若附属结构和损伤同时存在，则会降低弯曲模态幅值，如图7所示。这些规律为判断异常信号来源于损伤或者附属结构提供了依据。

Claims (8)

1.一种基于超声导波的含附属结构管道损伤检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：搭建管道超声导波检测系统，在被测管道一端A处激发纵向模态超声导波，该模态导波能够在被测管道中沿管壁在管道中传播；

步骤2：在被测管道的位置B处通过多通道采集设备采集管道周向各位置处的纵向回波信号；

步骤3：将多通道采集设备采集的各通道回波信号进行相加，得到轴对称纵向导波的回波信号时程，确定异常位置距离超声激发换能器的位置；

步骤4：基于导波高阶模态提取方法，将各通道信号进行移项延时叠加，得到各接收点处的弯曲模态回波信号；

步骤5：采用实验和仿真的方法得到损伤和附属构件反射的回波信号，通过步骤4方法得到各点高阶弯曲模态导波信号，分析并区别损伤和附属结构的弯曲模态回波的差异，识别异常信号来源于损伤还是附属结构。

2.根据权利要求1所述的基于超声导波的含附属结构管道损伤检测方法，其特征在于，

步骤1具体为：

在被测管道一端位置A处沿圆周方向均匀阵列布置纵向导波激励探头，通过信号发生器调制出由汉宁窗调制的5波峰窄带脉冲信号，通过调节信号的频率选择激发的纵向导波模态及波速；

脉冲信号经过电压放大器进行放大，传输至纵向导波激励探头，在管道中产生轴对称的纵向模态超声导波；

步骤2具体为：

在被测管道的位置B处沿管道圆周面均匀阵列布置一圈超声传感器，至少包含8个纵向导波信号接收点。

3.步骤3具体为：

根据管中所选择频率的导波波速，确定异常位置距离超声激发换能器的位置

，

其中，

为纵向模态超声导波的群速度，

为从激发到接受到异常信号的时间，

为超声激发换能器与接收器之间的距离；

步骤4具体为：

截取各通道采集到的反射信号，根据高阶模态提取方法，分别以45°为间隔，提取出各接受点位置处纵向导波对应的高阶弯曲模态导波信号。

4.根据权利要求2所述的基于超声导波的含附属结构管道损伤检测方法，其特征在于，所述汉宁窗调制的超声脉冲信号表达式为：

其中，

为激励信号的幅值，

为Heaviside阶跃函数，

为激励信号波峰数，

为激励信号的中心频率。

5.根据权利要求2所述的一种基于超声导波的含附属结构管道损伤检测方法，其特征在于，若纵向导波激励探头无法安装在管道一端，则布置两圈参数一致的纵向导波激励探头进行激励以形成单一方向的导波模式。

6.根据权利要求2所述的一种基于超声导波的含附属结构管道损伤检测方法，其特征在于，所述的超声导波激励探头和超声传感器均为磁致伸缩类传感器或压电陶瓷类传感器。

7.根据权利要求2所述的一种基于超声导波的含附属结构管道损伤检测方法，其特征在于，超声导波激励探头在管道上呈周向阵列分布，采用单通道激励方式，以激发轴对称纵向模态导波；

超声传感器为周向阵列分布，采用多通道接受方式，每个接收器占用一个信号通道。

8.根据权利要求1所述的一种基于超声导波的含附属结构管道损伤检测方法，其特征在于，步骤5中，若弯曲模态幅值变化不明显，则管道中仅存在附属结构；若弯曲模态幅值增大，则管道中存在损伤；若弯曲模态幅值下降，则管道中同时存在附属结构和损伤。

Images