CN115266947B - 一种聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置及检测方法 - Google Patents

一种聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置及检测方法，涉及无损检测技术领域，包括探头和楔块，楔块内部设有填充耦合剂的腔体，楔块滑动配合有封堵腔体开口的滑盖，探头安装于滑块且一端探入腔体内；滑盖能够带动探头相对于楔块滑动，以改变探头与楔块所吸附管道的夹角，探头能够相对于滑盖移动，以改变探头与楔块所吸附管道的间距；针对目前超声导波检测装置激发的导波模态固定导致检测效率低的问题，利用液体耦合的压电斜探头在聚乙烯管道中激励纵向导波，能够调节探头倾斜方向以改变探头斜入射角度，同时能够调节探头与管道间距，实现多种导波模式的调整以提高检测效率，保障管道安全运行。

Description

一种聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置及检测方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置及检测方法。
背景技术
为目前在天然气的输送中，聚乙烯燃气管道以质量轻、耐磨损、抗冲击等优异的性能已逐步取代传统钢管，但聚乙烯管道的无损检测仍存在较大挑战，超声导波是一种由纵波和横波等体波在波导结构中经谐振叠加而形成的弹性波，具有覆盖面广、衰减小、效率高等优点，在无损检测领域得到了广泛应用，可以对在役聚乙烯燃气管道进行快捷且经济的损伤检测。
管道中轴向传播的导波模态包括纵向导波、扭转导波和弯曲导波，且在任一频率下至少存在两种或两种以上的导波模态，这就是超声导波固有的多模态特性，为管道中导波检测信号的分析处理带来了较大困难。目前多通过选择性激励技术，通过激励单一模态以降低导波检测信号的复杂度，常用的特定导波模态激励方法有电磁换能器、梳状换能器和压电楔形换能器。
但上述激励方法均存在不足，电磁换能器通过控制洛伦兹力的方向和间距，可以选择性激励单一的导波模态，但并不适用于非导电材料(如上述的聚乙烯管道)；梳状换能器由多个压电阵元等间距排列组成的，中国发明专利(申请号202011382879.2)公开了“一种模块化压电陶瓷超声导波检测装置及检测方法”，但若在管道中选择性激励多种单一的导波模态，该技术需不断调整压电阵元的结构参数(如阵元数量、间距和尺寸)或采用复杂的信号时延技术，这极大降低了其在聚乙烯燃气管道导波检测中的灵活性和适用性；压电楔形换能器是基于斯涅尔定律，利用斜楔块使超声体波以一定角度入射到结构中，从而实现导波激发模态的控制，但是，现有技术中的换能器探头的斜入射角度无法任意调整，激发的导波模态固定且单一，检测往往需要制作多种角度来满足实际需要，会导致导波检测效率低，检测精度差等问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置及检测方法，利用液体耦合的压电斜探头在聚乙烯管道中激励纵向导波，能够调节探头倾斜方向以改变探头斜入射角度，同时能够调节探头与管道间距，实现多种纵向导波模式的调整以提高检测效率，保障管道安全运行。
本发明的第一目的是提供一种聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置，采用以下方案：
包括探头和楔块，楔块内部设有填充耦合剂的腔体，楔块滑动配合有封堵腔体开口的滑盖，探头安装于滑块且一端探入腔体内；滑盖能够带动探头相对于楔块滑动，以改变探头与楔块所吸附管道的夹角，探头能够相对于滑盖移动，以改变探头与楔块所吸附管道的间距。
进一步地，所述腔体内填充液体耦合剂，探头的输出端与所吸附管道表面之间充满液体耦合剂，且探头的输出端保持在液体耦合剂内。
进一步地，所述楔块对应腔体的底面设有吸附结构，吸附结构为弹性板，吸附结构与滑盖相对布置，探头激发的纵波穿过吸附结构作用于所吸附管道。
进一步地，所述腔体内贴附有吸声层，吸声层避让腔体底面布置。
进一步地，所述楔块转动连接有滑杆，滑杆连接滑盖，滑盖相对于楔块的滑动路径为圆弧线，且所述圆弧线以滑杆转动能连接楔块处为圆心。
进一步地，所述滑杆转动范围内设置有刻度，滑杆上设有预留缝以指示对应刻度，楔块上设有与滑杆匹配的限位滑槽，以约束滑杆和滑盖的移动范围。
进一步地，所述楔块与滑盖的配合位置呈曲面，腔体开口开设于所述曲面上，滑盖与曲面保持贴合。
进一步地，所述探头与滑盖螺纹配合，探头通过旋转调节与滑盖的相对位置，以改变探头与楔块所吸附管道的间距。
本发明的第二目的是提供一种如第一目的所述聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置的检测方法，包括：
沿管道周向等间距布置多个楔块，将探头安装在楔块上并注入耦合剂，使探头探入耦合剂内；
调节探头与楔块所吸附管道的夹角、探头与楔块所吸附管道的间距，将探头分别接入信号源；
探头工作产生斜入射纵波，对管道激励设定模态、设定频率的纵向导波；
获取携带检测信息的导波信号并进行分析处理，获取管道损伤信息。
进一步地，计算检测所需的纵向导波相速度频散曲线，依据纵向导波相速度频散曲线配置信号源，确定探头倾斜入射角及探头与管道间距。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
(1)针对目前超声导波检测装置激发的导波模态固定导致检测效率低的问题，利用液体耦合的压电斜探头在聚乙烯管道中激励纵向导波，能够调节探头倾斜方向以改变探头斜入射角度，同时能够调节探头与管道间距，实现多种纵向导波模式的调整以提高检测效率，保障管道安全运行。
(2)采用多种液体耦合剂代替传统的有机玻璃楔块进行超声体波斜入射，扩大了传统压电楔块在聚乙烯燃气管道中可激发的单一导波模态范围。此外，由于液体耦合剂的声阻抗与聚乙烯管材相近，可以减少体波的反射声能损失，提高了导波检测的灵敏度。
(3)可以调节超声纵波探头的入射角度，以激励不同的单一纵向导波模态，对导波激励模态的控制较为容易，提高了导波对缺陷的灵敏度；可以调节超声探头与聚乙烯管道表面的距离，减少耦合剂中体波能量的衰减，增加了导波检测的精度。
(4)导波激励装置内壁设有防水吸声材料，极大减少了入射体波在耦合剂中来回反射对信号的影响，提高了导波检测结果的可靠性。
(5)调整导波激励装置的数量和安装位置，而且适用于不同直径的聚乙烯燃气管道，整体结构简单，操作方便，提高了导波检测的速率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1或2中超声纵向导波激励装置的结构示意图。
图2为本发明实施例1或2中超声纵向导波激励装置楔块主体结构示意图。
图3为本发明实施例1或2中超声纵向导波激励装置角度旋转机构结构示意图。
图4为本发明实施例1或2中超声纵向导波激励装置液体耦合剂腔体结构示意图。
图5为本发明实施例1或2中超声纵向导波激励装置底部吸附结构示意图。
图6为本发明实施例1或2中超声纵向导波激励装置底部吸附结构示意图。
图7为本发明实施例1或2中聚乙烯燃气管道的超声纵向导波相速度频散曲线。
图8为本发明实施例1或2中汉宁窗调制的十周期正弦脉冲激励信号示意图。
图中，1-探头、2-楔块、21-楔块主体、211-角度盘、22-角度旋转结构、221-滑盖、222-滑杆、223-预留缝、224-螺纹孔、23-腔体、24-注液孔、25-注液孔塞、26-吸声层、27-吸附结构、3-管道、4-信号发生器、5-功率放大器、6-压电片、7-前置放大器、8-示波器、9-计算机。
具体实施方式
实施例1
本发明的一个典型实施例中，如图1-图8所示，给出一种聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置。
如图1-图8所示，聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置主要目的在于解决聚乙烯燃气管道3导波检测过程中操作复杂，检测效率低，检测可靠性差的难题，利用液体耦合的压电斜探头1在聚乙烯管道3中激励纵向导波，可以大大提高聚乙烯燃气管道3损伤检测的准确性和检测效率，保障聚乙烯燃气管道3的安全运行。
如图1、图2所示，主要包括探头1和楔块2，楔块2内部设有填充耦合剂的腔体23，楔块2滑动配合有封堵腔体23开口的滑盖221，探头1安装于滑块且一端探入腔体23内；滑盖221能够带动探头1相对于楔块2滑动，以改变探头1与楔块2所吸附管道3的夹角，探头1能够相对于滑盖221移动，以改变探头1与楔块2所吸附管道3的间距。
在本实施例中，聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置由主要由超声纵波探头1、可调角度的液浸楔块2和液体耦合剂组成，可以选用合适的液体耦合剂，并通过调整探头1的斜入射角度及旋入深度来激发不同模态的超声纵向导波，满足工程现场对聚乙烯燃气管道3导波检测的各种需求。
超声纵波探头1为液浸式超声探头1，采用球形曲晶片，与液体耦合剂直接接触，在固定频率范围可形成聚焦声场，向聚乙烯燃气管道3表面发射超声纵波。本实施例中液浸式超声纵波探头1的工作频率为0～500kHz。
如图2、图3所示，可调角度的液浸楔块2包括楔块主体21、角度旋转结构22、液体耦合剂腔体23、注液孔24、注液孔塞25、内侧吸声层26和底部吸附结构27；角度旋转结构22包括上方的旋转滑盖221和两侧的旋转滑杆222，旋转滑盖221上设有连接超声纵波探头1的螺纹孔224；液体耦合剂腔体23由楔块主体21、角度旋转结构22和超声纵波探头1形成；注液孔24与液体耦合剂腔体23相连通；内侧吸声层26紧密贴合在液体耦合剂腔体23的内侧；底部吸附结构27位于楔块主体21的下方。
如图2所示，楔块主体21通过有机玻璃微注塑一体成型，具有较好的密封性；透明的有机玻璃材质可以清晰判断内部液体耦合剂的液位，以保证超声探头1被液体耦合剂充分浸润，此外楔块主体21的两侧壁上还刻有角度盘211。
如图4所示，角度旋转机构由上方的旋转滑盖221和两侧的旋转滑杆222组成，其中两侧旋转滑杆222中间的预留缝223用于指示探头1入射角；旋转滑盖221中间处设有螺纹孔224，探头1与滑盖221螺纹配合，探头1通过旋转调节与滑盖221的相对位置，以改变探头1与楔块2所吸附管道3的间距，超声纵波探头1通过螺纹孔224与液体耦合剂直接接触，可以调整探头1的旋入深度，以保证能量转换的效率最大化；滑动旋转机构可以调整探头1的斜入射角度。本实施例中探头1入射角度的调整范围为0°～54°。
另外，楔块2与滑盖221的配合位置呈曲面，腔体23开口开设于曲面上，滑盖221与曲面保持贴合。
如图3所示，液体耦合剂腔体23由楔块主体21、角度旋转结构22和超声纵波探头1形成，腔体23内侧贴有一层吸声材料，可以减少入射纵波在液体耦合剂中来回反射对激发信号的影响，其中吸声材料由铁氧体粉和橡胶粉配合而成，厚度为5mm。
如图3所示，注液孔24为L形且横截面为圆形，设在楔块主体21的左下角，与液体耦合剂腔体23相连通，注入液体耦合剂后应旋紧注液孔塞25，以确保液浸楔块2整体的密封性。
液体耦合剂应选用纵波声速小于聚乙烯管材且声阻抗相差较小的无腐蚀性液体，例如甘油、去离子水、硅油、丙二醇等；本实施例中选用硅油作为超声耦合剂，硅油的纵波速度为1480m/s，声阻抗为1.43×106kg/(m2×s)。
如图5、图6所示，底部吸附结构27由硅胶制成，上端与楔块主体21的四周通过胶粘剂紧密连接，下端与管道3表面接触，通过简单按压即可排除结构内部的空气，形成负压环境从而可以吸附在聚乙烯燃气管道3的表面。
在具体使用时，如图所示，在一端沿着管壁周向均匀布置一组超声纵向导波激励装置，通过任意函数信号发生器4和功率放大器5将电信号施加到超声纵波探头1上，基于体波斜入射，激励特定模态的纵向导波沿管道3轴向传播，在另一端利用环绕贴合在管道3外壁的PVDF柔性压电片6接收导波信号，通过前置放大器7增益后，利用示波器8和计算机9对导波信号进行分析处理。
实施例2
本发明的另一典型实施方式中，如图1-图8所示，给出一种聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置的检测方法。
如图1-图6所示，利用如实施例1中的聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置进行检测，在一端沿着管壁周向均匀布置一组超声纵向导波激励装置，通过任意函数信号发生器4和功率放大器5将电信号施加到超声纵波探头1上，基于体波斜入射，激励特定模态的纵向导波沿管道3轴向传播，在另一端利用环绕贴合在管道3外壁的PVDF柔性压电片6接收导波信号，通过前置放大器7增益后，利用示波器8和计算机9对导波信号进行分析处理。
如图1-图8所示，上述检测方法具体包括以下步骤：
S1，根据聚乙烯管材的杨氏模量E＝2.4GPa、泊松比v＝0.40、密度ρ＝980kg/m3，计算外径为140mm，壁厚为8mm聚乙烯燃气管道3的超声纵向导波相速度频散曲线，具体如图7所示；
S2，对待测聚乙烯燃气管道3导波激励和接收处的管壁进行表面清理，确保无杂质干扰；
S3，选取6个超声纵向导波激励装置沿周向等间距吸附至管外壁上，通过螺纹孔224将超声纵波探头1旋入液体耦合剂腔体23内；
S4，选取硅油作为超声液体耦合剂，从注液孔24注入，调整超声纵波探头11的旋入深度，保证探头1与管道3表面间充满液体耦合剂，随后旋紧注液孔塞25；
S5，如图7所示，选取4个预激发的纵向导波模态点，分别标注为Mode 1、Mode 2、Mode 3和Mode 4，确定其相速度Cp和激发频率f，基于斯涅尔定律，计算超声纵波探头1的倾斜入射角θ，具体公式如下
Cp＝sin-1(C/Cp)
式中，C为硅油的纵波波速，C＝1480m/s；Cp为激发导波模态点的相速度；θ为超声纵波探头1的倾斜入射角。
表1纵向导波模态点的激发参数
选取的纵向导波模态点 相速度Cpm/s 激发频率fkHz 斜入射角θ°
Mode 1 2462.5 81.9 37.0
Mode 2 2059.2 146.3 46.0
Mode 3 3105.0 261.0 28.5
Mode 4 3954.1 430.1 22.0
计算结果如表1所示，滑动纵波探头1至相应的倾斜入射角，即可控制激发导波模态的相速度。
S6，采用氰基丙烯酸盐黏合剂，将聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)柔性压电片6沿聚乙烯燃气管道3周向紧密粘合，用同轴电缆双Q9头BNC-BNC线依次将任意函数信号发生器4、功率放大器5、超声纵波探头1，PVDF柔性压电片6、前置放大器7、示波器8和计算机9连接起来
S7，利用任意函数信号发生器4生成经汉宁窗调制的特定周期正弦脉冲信号，通过功率放大器5进行放大后驱动超声纵波探头1产生斜入射纵波，经液体耦合剂可以沿聚乙烯燃气管道3轴向激励特定模态特定频率的纵向导波；
进一步的，利用任意函数信号发生器4输出由汉宁窗调制的窄带脉冲信号作为激发信号，其中，脉冲信号的中心频率即为导波模态点的激发频率f。为了避免周期信号的频繁激励导致回波复杂且重叠难以处理的问题，选择分段函数完成激励一个完整的信号宽度，具体如下式：
式中，n为信号周期；f为中心频率；为信号宽度。图8给出了中心频率f＝261kHz，汉宁窗调制的n＝10周期正弦脉冲激励信号示意图。
任意函数信号发出的输出信号一般在10V以下，输出的电信号通过功率放大器5可放大后可提到导波检测的灵敏度。
S8，携带大量检测信息的导波信号被PVDF柔性压电片6接收后，经前置放大器7增强信号强度，提高导波检测信号的信噪比，最后由示波器8和计算机9进行信号分析和处理，完成对聚乙烯燃气管道3的导波无损检测。
在本实施例中，由于PVDF柔性压电片6的机电耦合系数较小，对接收的导波信号需进行前置信号放大处理，提高接收导波信号的幅值。利用示波器8和计算机9对导波检测信号进行时域及频率分析和处理，提取导波的信号特征，实现对聚乙烯燃气管道3的无损检测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置，其特征在于，包括探头和楔块，楔块内部设有填充耦合剂的腔体，楔块滑动配合有封堵腔体开口的滑盖，探头安装于滑块且一端探入腔体内；滑盖能够带动探头相对于楔块滑动，以改变探头与楔块所吸附管道的夹角，探头能够相对于滑盖移动，以改变探头与楔块所吸附管道的间距；
所述腔体内填充液体耦合剂，探头的输出端与所吸附管道表面之间充满液体耦合剂，且探头的输出端保持在液体耦合剂内；
所述楔块对应腔体的底面设有吸附结构，吸附结构为弹性板，吸附结构与滑盖相对布置，探头激发的纵波穿过吸附结构作用于所吸附管道；
所述腔体内贴附有吸声层，吸声层避让腔体底面布置；
所述楔块转动连接有滑杆，滑杆连接滑盖，滑盖相对于楔块的滑动路径为圆弧线，且所述圆弧线以滑杆转动能连接楔块处为圆心；
所述滑杆转动范围内设置有刻度，滑杆上设有预留缝以指示对应刻度，楔块上设有与滑杆匹配的限位滑槽，以约束滑杆和滑盖的移动范围；
所述楔块与滑盖的配合位置呈曲面，腔体开口开设于所述曲面上，滑盖与曲面保持贴合；
所述探头与滑盖螺纹配合，探头通过旋转调节与滑盖的相对位置，以改变探头与楔块所吸附管道的间距。
2.一种利用如权利要求1所述聚乙烯燃气管道超声纵向导波激励装置的检测方法，其特征在于，包括：
沿管道周向等间距布置多个楔块，将探头安装在楔块上并注入耦合剂，使探头探入耦合剂内；
调节探头与楔块所吸附管道的夹角、探头与楔块所吸附管道的间距，将探头分别接入信号源；
探头工作产生斜入射纵波，对管道激励设定模态、设定频率的纵向导波；
获取携带检测信息的导波信号并进行分析处理，获取管道损伤信息；
检测方法具体包括以下步骤：
S1，根据聚乙烯管材的杨氏模量、泊松比、密度，计算聚乙烯燃气管道的超声纵向导波相速度频散曲线；
S2，对待测聚乙烯燃气管道导波激励和接收处的管壁进行表面清理，确保无杂质干扰；
S3，选取多个超声纵向导波激励装置沿周向等间距吸附至管外壁上，通过螺纹孔将超声纵波探头旋入液体耦合剂腔体内；
S4，选取硅油作为超声液体耦合剂，从注液孔注入，调整超声纵波探头的旋入深度，保证探头与管道表面间充满液体耦合剂，随后旋紧注液孔塞；
S5，选取多个预激发的纵向导波模态点，对其进行分别标注，确定其相速度Cp和激发频率f，基于斯涅尔定律，计算超声纵波探头的倾斜入射角θ，具体公式如下
Cp＝sin-1(C/Cp)
式中，C为硅油的纵波波速，C＝1480m/s；Cp为激发导波模态点的相速度；
S6，采用氰基丙烯酸盐黏合剂，将聚偏氟乙烯压电片沿聚乙烯燃气管道周向紧密粘合，用同轴电缆线依次将任意函数信号发生器、功率放大器、超声纵波探头，压电片、前置放大器、示波器和计算机连接起来；
S7，利用任意函数信号发生器生成经汉宁窗调制的特定周期正弦脉冲信号，通过功率放大器进行放大后驱动超声纵波探头产生斜入射纵波，经液体耦合剂沿聚乙烯燃气管道轴向激励特定模态特定频率的纵向导波；
利用任意函数信号发生器输出由汉宁窗调制的窄带脉冲信号作为激发信号，其中，脉冲信号的中心频率即为导波模态点的激发频率f；选择分段函数完成激励一个完整的信号宽度，具体如下式：
式中，n为信号周期；f为中心频率；为信号宽度；任意函数信号发出的输出信号在10V以下，输出的电信号通过功率放大器放大后提高了导波检测的灵敏度；
S8，携带大量检测信息的导波信号被压电片接收后，经前置放大器增强信号强度，提高导波检测信号的信噪比，最后由示波器和计算机进行信号分析和处理，完成对聚乙烯燃气管道的导波无损检测。
3.如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，基于待检测管道的参数，计算检测所需的纵向导波相速度频散曲线，依据纵向导波相速度频散曲线配置信号源，确定探头倾斜入射角及探头与管道间距。
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