CN115901938A - 一种基于界面电磁波的埋地充液管道裂隙的检测方法 - Google Patents

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CN115901938A CN202111195472.3A CN202111195472A CN115901938A CN 115901938 A CN115901938 A CN 115901938A CN 202111195472 A CN202111195472 A CN 202111195472A CN 115901938 A CN115901938 A CN 115901938A
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苏娜娜
韩庆邦
钱佳文
钱昕彤
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Abstract

本发明公开了一种基于界面电磁波的埋地充液管道裂隙检测方法，所述管道包裹介质为无限孔隙介质，管道裂隙会使管道半径和管壁厚度发生改变；该方法用于研究埋地充液管道是否存在裂隙和确定裂隙位置的检测，包括：对预建立的无限孔隙介质包裹充液管道的模型进行理论分析得到界面电磁波波形曲线；获取被测充液管道界面上界面电磁波的实测数据，根据实测数据确定实际界面电磁波波形曲线；将实际界面电磁波波形曲线与理论界面电磁波波形曲线进行对比，由波形曲线中界面电磁波的到时来确定界面位置，根据界面位置来判断埋地充液管道是否存在裂隙和确定裂隙位置。

Description

一种基于界面电磁波的埋地充液管道裂隙的检测方法
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种基于界面电磁波的埋地 充液管道裂隙的检测方法。
背景技术
管道结构长期使用过程中由于外力或周边环境影响下材料属性会发生 变化，这些材料属性的损伤具有很大的隐蔽性和危害性。如不及时发现， 其会继续恶化进而完全损坏，轻则影响生活生产造成经济损失，重则引起 安全事故危及生命。因此，在不影响其正常运行的情况下对各种结构的管 道检测，实时监测其损伤状况，具有重要的意义。
为满足各种复杂情境下的监测，无损检测技术具有低成本、非接触、 抗干扰、深层次以及快速简便等特点。基于电磁波传播特性和动电效应的 基本原理，通过研究界面转换电磁波在被检测管道作用下的传播特性来获 取其状态信息。一方面电磁波能与被检测对象产生相互作用，另一方面将 埋地管外的土壤、混凝土等包裹结构由现研究中的弹性介质等效为流体饱 和孔隙介质。这样既考虑了固体基质，也加入了流体，比弹性介质层的单 一固体基质更切合实际；同时可以根据电磁信号的变化推断出被监测对象 的质量情况。
近年来对于动电效应的研究备受关注，对于埋地管道的无损检测方面 研究较少，且多集中在地震勘探、医学和测井领域。因此很有必要研究孔 隙介质包裹下的埋地充液管道模型中界面电磁波的特性，分析管道半径和 管壁厚度对其影响。在研究过程中用孔隙介质来模拟管道外部土壤、混凝 土等包裹介质特性，将问题转化为孔隙介质包裹充液管道结构中界面转换 电磁波的特性问题。另外当管道中出现裂隙情况时，管道的半径和管壁厚度就会发生改变。由此本文引入流体饱和孔隙介质中的动电效应模拟上述 情况，以更好地贴近实际的埋地充液管道结构，为后续的埋地管道检测提 供更加准确的理论参考，具有重要的实际意义。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，针对埋地充液管道的健康监 测以及裂隙，本发明提供一种基于界面电磁波的埋地充液管道裂隙的检测 方法，即用界面电磁波的特性判断埋地充液管道裂隙的方法，从而更好地 得到充液管道的传输情况，更有效地对充液管道进行质量监测和维护。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种埋地充液管道裂隙的检测方法，其特征在于，所述管道包裹介质 为孔隙介质，裂隙将使管道半径和管壁厚度发生改变；
对建立的孔隙介质包裹充液管道的模型进行理论分析得到理论界面电 磁波的时域波形；
获取被测充液管道上界面电磁波的实测数据，根据实测数据确定实际 界面电磁波波形曲线；
将实际界面电磁波波形曲线与理论界面电磁波波形曲线进行对比，由 波形曲线中的界面电磁波的到时来判断确定管道与包裹介质的界面位置；
根据波形曲线中界面电磁波的到时差判断是否存在裂隙以及确定其位 置。
具体包括以下步骤：
(1)根据实际情况建立孔隙介质包裹充液管道的理论模型；
(2)根据垂直割线积分理论，采取计算电场支点割线积分的方法来计 算界面电磁波的时域波形；
(3)对比分析管道半径和管壁厚度对界面电磁波的影响；
(4)获取被测充液管道界面上界面电磁波的实测数据，通过实际装置 测量得到界面电磁波的时域信号，加上波形曲线中界面电磁波的到时以及 管道半径和管壁厚度对纵、横波波速影响的曲线图分析得到管道与孔隙介 质的界面位置；
(5)根据被测充液管道与孔隙介质的界面位置判断充液管道是否出现 裂隙。
步骤(2)所述的孔隙介质包裹充液管道的理论模型中界面电磁波是由 与最外层无限孔隙介质相对应的电场支点±kem2割线积分计算得到。
Figure BSA0000254919640000031
其中，I为电场支点±kem2割线积分值，i为虚数单位且
Figure BSA0000254919640000032
ω为 角频率，μ为磁导率，k为波数，波数表示为在波的传播方向上单位长度内 的波周数目，z为轴向参数；A+(k，ω)和A-(k，ω)分别为割线右侧和左侧的电磁 响应数值；η+和η-分别为割线右侧和左侧的电磁径向波数值；积分区间为从 电磁波分支点到正无穷大的积分路径。通过求解以上，得到电磁波分支点 的割线积分值，进而得到界面电磁波响应。
使用的有限元仿真软件为MATLAB软件，仿真过程中设置的孔隙度为 0.2。
作为优选方案，所述的埋地充液管道裂隙的检测方法，所述被测充液 管道上设置有信号发生器和电磁波接收器，所述信号发生器在被测充液管 道的中心原点处激发超声导波，所述电磁波接收器从管轴上进行多组信号 采集进而获取实测数据。
进一步的，所述电磁波接收器从管轴上距离声源1.5m、2.0m、2.5m、 3.0m不同位置进行信号采集。
作为优选方案，所述的埋地充液管道裂隙的检测方法，其特征在于， 获取的实测数据为时域波形。
进一步的，所述时域波形通过示波器提取接收。
有益效果：本发明提供的基于界面电磁波的埋地充液管道裂隙的检测 方法，通过对所建立的无限孔隙介质包裹充液管道的模型进行理论分析得 到理论界面电磁波波形曲线，并通过向被测充液管道激发超声导波获得实 测数据来确定实际界面电磁波波形后，将实际界面电磁波波形与理论界面 电磁波波形曲线进行对比，由波形曲线中界面电磁波的到时来确定界面位 置，根据界面位置来判断埋地充液管道是否存在裂隙和确定裂隙位置，能 更好地得到充液管道是否发生泄漏的实际情况，有利于埋地充液管道进行 质量监测和维护。
附图说明
图1为本发明实施例的检测方法流程图；
图2为实施例中实例模型示意图；
图3为实施例中垂直割线积分支点分布示意图；
图4为实施例中接收器与声源不同距离下界面电磁波波形图；
图5为实施例中距声源1.5m处不同半径下的界面电磁波波形图；
图6为实施例中距声源1.5m处不同管壁厚度下的界面电磁波波形图；
图7为实施例中距声源1.5m处管道出现完全裂隙的界面电磁波波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本实施例一种埋地充液管道裂隙的检测方法的流程图。
实施例选取无限孔隙介质包裹充液管道结构，设置的数学模型如图2 所示。
对该结构进行界面电磁波频响应的推导，具体的推导过程如下：
在均匀孔隙地层当中，Pride声电耦合波控制方程组的表达形式为：
Figure BSA0000254919640000051
Figure BSA0000254919640000052
Figure BSA0000254919640000053
B＝μH     (4)
D＝εE     (5)
Figure BSA0000254919640000054
Figure BSA0000254919640000061
Figure BSA0000254919640000062
Figure BSA0000254919640000063
其中，E为电场强度，B为磁感应强度，H为磁场强度，D为电位移 矢量，J为电流密度矢量，τ为应力张量，W为渗流位移，u为固相位移， I为二阶单位张量，i为虚数且
Figure BSA0000254919640000064
ω为角频率，ρ为地层密度，ρf为 孔隙流体密度，μ为磁导率，ε为孔隙介质的介电常数，σ(ω)为动态电导率， L(ω)为动态电耦合系数，k(ω)为动态渗透率，P为孔隙流体压强，G为地层的剪切模量，η为孔隙流体的粘滞系数，H、C、M为孔隙介质的弹性模 量。
对电场矢量和位移矢量进行亥姆霍兹分解，把Pride方程组转化为关 于势函数的波动方程组，得到充液管管道内的声压和轴向电场的表达式为：
Figure BSA0000254919640000065
Figure BSA0000254919640000066
对于管外的无限地层(孔隙介质)中声压和和轴向电场表达式为：
Figure BSA0000254919640000067
Figure BSA0000254919640000068
其中，p为声压，Ez为轴向电场强度，Aj，Bj为与波数和频率相关的 透射系数，αj，βj，lj分别为渗流位移横波分量与固相位移横波分量的比值、 电场的横波分量与固相位移横波分量的比值、声场的横波分量与固相位移 横波分量的比值，ηj为径向波数(
Figure BSA0000254919640000071
j＝p1，sh1，em1，pf2，ps2，sh2，em2)， p1，sh1，em1分别对应管道内纵波、横波和电磁波参量；pf2，ps2，sh2， em2分别对应管外无限孔隙介质快纵波、慢纵波、横波和电磁波参量。i为 虚数且
Figure BSA0000254919640000072
ω为角频率，μ为磁导率，k为波数，r为径向参数，z为轴 向参数。I0为零阶第一类虚宗量Bessel函数，K0为零阶第二类虚宗量Bessel 函数。
在复平面中，与临界折射波(也称为界面波)相对应的是体波分支点的割 线积分。Pride等提出孔隙地层中一共有四种体波，快纵波、慢纵波、横波和 电磁波，与其对应的支点分别为±κpf2，±κps2，±κsh2，±κem2。管道介质有纵 波、横波、电磁波三种体波，与其对应的支点分别为±κp1，±κsh1，±κem1。 管内液体有声波和电磁波两种体波，与其对应的支点分别为±κm，±κe。
由于在柱状分层介质复平面上的唯一实质性支点是与最外层无限大介 质相对应的支点。所以与管内流体体波相对应的支点±κm，±κe和与管道介 质相对应的体波支点±κp1，±κsh1，±κem1对割线积分的贡献为0。在该算例 中，轴向电场的界面波是由与最外层无限地层相对应的电场支点±κem2的垂 直割线积分计算得到，如图3所示。
Figure BSA0000254919640000073
其中，I为电场支点±kem2割线积分值，i为虚数单位且
Figure BSA0000254919640000074
ω为 角频率，μ为磁导率，k为波数，波数表示为在波的传播方向上单位长度内 的波周数目，z为轴向参数；A+(k，ω)和A-(k，ω)分别为割线右侧和左侧的电磁 响应数值；η+和η-分别为割线右侧和左侧的电磁径向波数值；积分区间为从 电磁波分支点到正无穷大的积分路径。通过求解以上，得到电磁波分支点 的割线积分值，进而得到界面电磁波响应。到此步骤(1)，(2)完成。
按照上述方程，得到该模型下的界面电磁波响应表达式。通过仿真软 件MATLAB软件仿真得出理论上接收器与声源不同距离下界面电磁波归一 化波形图，a，b，c是管道与液体或孔隙介质界面处产生的界面电磁波，如图 4所示。随着与声源距离的增加，不同接收器的界面电磁波到时并没有随之 增加，而是几乎同时接收到电场响应。同时每个半径值对应的界面电磁波 到时也可以检测到，如图5所示为不同半径下与声源距离1.5m处的界面电磁波波形图；由图5可知随着半径的增加，界面电磁波中波包a到达的时 间也随之延迟。图6为不同管壁厚度下与声源距离1.5m处的界面电磁波 波形图，从图6可以看出，界面电磁波中波包b和c到达的时间随着管壁 厚度的增大而轻微向后移动。图7为与声源1.5m处管道出现完全裂隙时界 面电磁波波形图，只有界面2存在，界面电磁波中仅出现波包a。因此，在实际应用中，我们可以选取不同的检测点，通过测得的界面电磁波波形差 别来判断管道是否存在裂隙和裂隙位置。
上述为理论计算的步骤，当上述步骤完成通过仪器设备对被测充液管 道进行实际测量，向被测充液管道激发超声导波获得实测数据，从实测数 据中确定实际界面电磁波波形。所述仪器设备包括信号发生器和电磁波接 收器，所述信号发生器在被测充液管道的中心原点处激发超声导波，所述 信号电磁波接收器从管轴上进行多组信号采集进而获取实测数据；获取的 实测数据通过示波器提取接收出界面电磁波波形。
接着将实际界面电磁波波形与理论界面电磁波波形进行对比，判断与 实际界面电磁波相对应的界面。
本发明的创新点在于，将实际界面电磁波波形与理论界面电磁波波形 进行对比，由界面电磁波的到时加上管道半径、管道厚度关系来判断界面 位置，从而能更好地确定埋地充液管道是否存在裂隙的情况。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程 序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现 流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图 中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、 专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一 个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令 产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个 方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理 设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存 储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个 流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上， 使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现 的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流 程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能 的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种埋地充液管道裂隙的检测方法，其特征在于，所述管道包裹介质视为孔隙介质，裂隙将使管道与孔隙介质的界面位置发生改变；
对预建立的孔隙介质包裹充液管道的模型进行理论分析得到界面电磁波波形曲线；
获取被测充液管道界面上界面电磁波的实测数据，根据实测数据确定实际界面电磁波波形曲线；
将实际界面电磁波波形曲线与理论界面电磁波波形曲线进行对比，由波形曲线中界面电磁波的到时来判断确定管道与包裹介质的界面位置；
当管道与包裹介质的界面位置大于或者小于管道外径，说明管道出现了裂隙，根据波形曲线中界面电磁波的到时差来确定裂隙的位置。
2.根据权利要求1所述的埋地充液管道裂隙的检测方法，其特征在于，包括：
(1)根据实际情况建立孔隙介质包裹充液管道的理论模型；
(2)根据垂直割线积分理论，采取计算电场支点的割线积分方法来计算界面电磁波的时域波形；
(3)对比分析管道半径和管壁厚度对界面转换电磁波的影响；
(4)获取被测充液管道界面上界面电磁波的实测数据，通过实际装置测量得到界面电磁波的时域信号，加上波形曲线中界面电磁波的到时以及管道半径和管壁厚度对纵、横波波速影响的曲线图分析得到管道与孔隙介质的界面位置；
(5)根据被测充液管道与孔隙介质的界面位置判断充液管道是否出现裂隙。
3.根据权利要求2所述的埋地充液管道裂隙的检测方法，其特征在于，根据垂直割线积分理论，计算电场支点的垂直割线积分，得到界面电磁波的时域波形。
4.根据权利要求2所述的埋地充液管道裂隙的检测方法，其特征在于，所述被测充液管道上设置有信号发生器和电磁波接收器，所述信号发生器在被测充液管道的中心原点处激发超声导波，所述电磁波接收器从管轴上进行多组信号采集进而获取实测数据。
5.根据权利要求4所述的埋地充液管道裂隙的检测方法，其特征在于，所述电磁波接收器从管轴上距离声源1.5m、2m、2.5m、3m不同位置进行信号采集。
6.根据权利要求2所述的埋地充液管道裂隙的检测方法，其特征在于，获取的实测数据为时域波形。
7.根据权利要求6所述的埋地充液管道裂隙的检测方法，其特征在于，所述时域波形通过示波器提取接收。
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