CN116183717A - 大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法及装置，该检测方法包括：基于超声非线性理论，选取合适的超声导波基频模态对，使得其和频谐波模态为零群速度模态；采用空气耦合超声换能器在被检测压力容器表面激励与接收特定频率下的超声导波；通过对所选检测路径进行逐点扫查，分析各扫查点接收信号频域中和频谐波的幅值，并计算非线性系数；基于扫查位置信息和对应的非线性系数构建非线性系数参数集；基于该非线性系数参数集，判断被检测压力容器内部的早期局部腐蚀情况。本发明克服了常规无损检测方法无法高效精准的检测出压力容器内部早期局部腐蚀损伤等问题，实现了高鲁棒性和灵敏度的原位非接触式无损检测，提高了检测结果的信噪比。

Description

大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法及装置

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及利用超声波对被检测试样进行非破坏性缺陷检测的技术，具体是一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法及装置。

背景技术

随着工业的快速发展，压力容器大量使用于各个工业领域中。近年来，压力容器数量年增长率均大于6％。压力容器数量基数不断增大，意味着其带来的风险也在不断提高。压力容器工作压力大，运行环境复杂，被腐蚀风险高，易产生事故。压力容器事故破坏力与杀伤力极大，还伴随着内部化学物质的泄露，因此保障压力容器的安全运行是十分重要且关键的。局部腐蚀是造成压力容器破坏的重要形式之一，工程中许多突发的腐蚀事故都是由局部腐蚀造成的。压力容器金属材料与内部溶液存在较大电化学不均一性，在压力容器内表面局部区域可以形成比较固定的腐蚀区域。局部腐蚀区域的电化学反应具有自催化性，因此在该区域会进一步创造腐蚀反应发生的条件，使得局部减薄得以持续地加速发展。当压力容器内部出现局部减薄时，更容易在该处出现应力集中现象，腐蚀程度严重时会导致腐蚀穿孔最终引起压力容器泄露或者爆炸等严重后果。局部腐蚀其特点为集中在个别位置急剧发生，腐蚀破坏快速，隐蔽性强。一般的无损检测较难发现，所以局部腐蚀造成的压力容器破坏往往没有明显的预兆。因此，对大型压力容器的早期局部腐蚀损伤进行高精度高效率的无损检测是十分必要的。

目前常用的压力容器局部腐蚀检测方法有以下几种：超声脉冲反射法：该方法主要利用超声波在不同介质之间传播时，各介质之间的声阻抗不同。在一种介质到另一种介质的表面会发生反射现象的原理进行测量被检测试样的厚度。超声脉冲反射法主要采用超声体波以自激励自接收的方式进行检测，因此易实现，成本低，适用范围广。然而其检测效率低，均为单点检测。超声脉冲反射法测厚关键为两次超声回波时差的测量。超声在金属中传播速度较快(横波约为3000m/s，纵波约为6000m/s)，这意味着超声飞行时间的时差较小。早期局部腐蚀下压力容器壁厚变化不明显，因此该方法对早期局部腐蚀缺陷并不敏感。超声相控阵法：超声相控阵法原理与超声脉冲反射法相似，同样利用缺陷对超声波的反射、衍射等作用来判断材料内部或表面是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小及分布等信息。但是超声相控阵是由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波将形成一个整体波阵面，因此能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。相比于超声脉冲反射法，超声相控阵法具有检测范围大，信噪比高，声束窄等优势。然而超声相控阵法每次扫查范围仍旧有限，无法检测一些不可达的区域，并且同样对早期局部腐蚀缺陷并不敏感；涡流测厚法：涡流测厚法原理为当导电体靠近变化磁场时，内部会感生出涡流。与涡流伴生的感应磁场将影响检测线圈的阻抗。被检测试样厚度发生变化时会影响涡流伴生感应磁场的强度，从而影响检测线圈的阻抗。涡流测厚法具有成本低，易实现等优点。但是涡流具有趋肤效应，随着深度增加，感生涡流的密度呈指数分布递减。被检测试样厚度越薄，测量精度越高。因此，涡流层厚法主要针对涂层层厚的测量。压力容器壁厚较厚，涡流测厚法无法实现对其高精度的检测。因此，现有的无损检测方法无法满足对大型压力容器早期局部腐蚀损伤进行高精度和高效率检测的需求。

一篇授权号为CN102636569B的发明专利公开了一种压力容器筒体的整体超声导波检测方法，其根据待检压力容器的规格、材质计算出纵向或周向导波的群速度及相速度频散图；根据相速度群速度频散曲线图确定用于检测待检压力容器的检测用导波模态，并确定检测用导波激励频率的范围；采用有限元技术进行仿真计算，对频率和导波入射角度进行试验，不断改变探头角度及频率，确定最佳的检测用导波频率和导波入射角度；根据上述参数：导波频率和导波入射角度确定出导波探头，采用普通超声波探伤仪，将超声波探伤仪声速选项设置为和最佳的检测用导波频率对应的群速度值，将检测范围选项设置到略大于被检工件长度的范围；将探头和仪器正确连接，将探头放置到容器筒体上进行轴向或周向扫查，采用容器筒体焊缝的反射回波调节灵敏度或根据需要检测的缺陷加工人工反射体确定检测灵敏度，直到检测完毕。该发明虽然可以检测到压力容器筒体缺陷，但是其需要通过模拟分析来获取超声参数，而导波通常在一个有限体中可以存在多种不同的导波模态，并且导波具有频散现象，因此其检测方法具有效率低，精度差的问题。

发明内容

在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

针对现有技术的不足，本发明提供了一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法与装置，可以实现对大型压力容器早期局部腐蚀损伤的无损原位检测，解决了现有大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法无法满足对被检测试样进行高精度和高效率检测需求的问题。

根据本申请的一个方面，提供一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法，包括以下步骤：

1)根据被检测压力容器的几何形状与检测位置，规划局部腐蚀损伤检测装置合适的布置位置以及合适的检测路径；

2)采用半解析有限元方法，基于被检测压力容器的几何形状和所用材料性能，计算检测路径区域的频散曲线；

3)在所述的检测路径上布置3套超声扫查装置(Z1，Z2，Z3)，记为第一超声扫查装置、第二超声扫查装置和第三超声扫查装置，每一套超声扫查装置(Z1，Z2，Z3)上都放置有一空气耦合超声换能器(H1，H2，H3)；其中2套(第一超声扫查装置Z1和第二超声扫查装置Z2)分别放置于检测路径的起始位置与结束位置，用于对向发出激励信号；1套位置与扫查位置相关，第三超声扫查装置设于路径区域上的扫查位置，用于接收混频信号；

4)通过所述的频散曲线与非线性超声原理，选取满足相速度匹配条件与非零能量流通条件的超声模态对，该超声模态对的基频1为f₁，基频2为f₂，和频谐波频率为f₁₊₂；基于所述的超声激励频率f₁和f₂计算得到各空气耦合超声换能器(H1，H2)的入射角度；基于所述的超声和频谐波频率f₁₊₂计算得到空气耦合超声换能器(H3)的接收角度；基频信号f₁与f₂的总时长保持一样，激励延迟时间(t1，t2)由扫查点位置决定；

5)第一超声扫查装置和第二超声扫查装置分别激励基频超声信号f₁和f₂，第三超声扫查装置在所述的检测路径上逐点扫查，接收信号并取多次信号的平均值，得到各扫查点的时域信号S_i(i＝1，2，...，n)；对所得到时域信号进行进一步截取，从而得到时域信号S_j(j＝1，2，...，n)；

6)通过对所述的时域信号S_j(j＝1，2，...，n)进行FFT处理，得到时域信号S_j频域中基频1，基频2和和频谐波f₁₊₂的幅值，重复上述操作，得到每一个扫查位置下超声时域信号S_j频域中基频f₁，基频f₂和和频谐波f₁₊₂的幅值；

7)通过所述的每一个扫查位置下超声时域信号S_i频域中基频1，基频2和和频谐波f₁₊₂的幅值，计算每一个扫查位置下混频和频谐波的非线性系数β；

8)通过所述的非线性系数β和扫查位置信息构建非线性系数参数集；基于所述的非线性系数参数集，判断被检测压力容器早期局部腐蚀情况。

其中，所述的和频谐波为零群速度模态，即该和频谐波的群速度为0。

进一步的，空气耦合超声换能器通过一可变角度夹具上安装在超声扫查装置上。所述的可变角度夹具的接收角度由和频谐波超声的频率决定。所述的可变角度夹具的角度调节范围为0°-90°。具体的，基于所述的超声基频频率f₁，计算得到空气耦合超声换能器1所配套使用的可变角度夹具的入射角度；基于所述的超声基频频率f₂，计算得到空气耦合超声换能器2所配套使用的可变角度夹具的入射角度；基于所述的超声基频频率f₁₊₂，计算得到空气耦合超声换能器3所配套使用的可变角度夹具的接收角度。

上述装置中，这3套超声扫查装置除了安装空气耦合超声换能器之外，还有调节换能器角度的功能，通过超声扫查装置中可变角度夹具实现；此外，还可以通过分段式柔性滑轨实现移动扫查功能。

通过局部减薄检测装置对检测区域中所述的扫查路径进行逐点扫查，得到相应各扫查点的时域信号S_i(i＝1，2，...，n)；对所得到时域信号进行进一步截取，截取的时间窗为

t0为两列基频波包完全混叠的时间，t_j为基频激励信号总时长，从而得到时域信号S_j(j＝1，2，...，n)。通过对所述的时域信号S_j进行FFT处理，得到时域信号S_j频域中基频1，基频2和和频谐波f₁₊₂的幅值，重复上述操作，得到每一个扫查位置下超声时域信号S_j频域中基频f₁，基频f₂和和频谐波f₁₊₂的幅值。

通过所述的每一个扫查位置下超声时域信号S_j(j＝1，2，...，n)频域中基频1，基频2和和频谐波f₁₊₂的幅值，计算每一个扫查位置下和频谐波的非线性系数；通过所述的非线性系数一扫查位置信息构建非线性系数参数集；基于所述的非线性系数参数集，即可判断被检测压力容器早期局部腐蚀情况。

根据本申请的另一方面，本发明还公开了一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测装置，发生器/接收器、第一信号放大器、第一带通滤波器、第二信号放大器、第二带通滤波器、第三信号放大器、第三带通滤波器、第一空气耦合超声换能器、第二空气耦合超声换能器、第三空气耦合超声换能器、超声扫查装置、被检测试样、示波器和计算机；

第三空气耦合超声换能器设于超声扫查装置上，超声扫查装置设于被检测试样上，发生器/接收器、示波器和计算机电性连接；

信号发生器/接收器的第一路输出信号依次经过第一信号放大器和第一带通滤波器放置发送至第一空气耦合超声换能器；信号发生器/接收器的第二路输出信号依次经过第二信号放大器和第二带通滤波器放置发送至第二空气耦合超声换能器；第三空气耦合超声换能器的输出信号依次通过第三信号放大器和第三带通滤波器反馈给发生器/接收器；

信号发生器/接收器分别对第一空气耦合超声换能器和第二空气耦合超声换能器激励基频超声信号f₁和f₂；第三空气耦合超声换能器接收信号并通过第三信号放大器放大信号与第三带通滤波器滤波后进入信号发生器/接收器中，同时信号发生器/接收器将接收到的信号送入示波器和计算机中进行信号分析。

进一步，所述超声扫查装置包括安装第三空气耦合超声换能器的可变角度夹具，固定夹具，第一滚珠丝杠滑台1，第二滚珠丝杠滑台2，滚珠丝杠滑台固定底座，移动小车和分段式柔性滑轨。

超声扫查装置的各部件的连接关系如下：移动小车滑动设置在分段式柔性滑轨上，柔性滑轨的结构为弧形结构，以贴合被测试样的检测结构。柔性滑轨作为移动小车的轨道，移动小车通过齿轮与分段式柔性滑轨相配合，以实现移动的功能。滚珠丝杠滑台固定底座固定在移动小车上，作为超声扫查装置的底部，提供足够的结构刚度。第一滚珠丝杠滑台1垂直固定在滚珠丝杠滑台固定底座上(滚珠丝杠垂直于被检测容器表面)，以驱动空气耦合超声换能器竖直方向上的移动。第二滚珠丝杠滑台2水平固定在第一滚珠丝杠滑台1上，两者相互垂直。第二滚珠丝杠滑台2以驱动空气耦合超声换能器水平方向上的移动。第一滚珠丝杠滑台和第二滚珠丝杠滑台的作用是为空气耦合超声换能器提供水平与竖直方向的移动，以满足各个空气耦合超声换能器与被检测容器表面距离相等的检测需求。固定夹具固定在第二滚珠丝杠滑台2上，为空气耦合超声换能器安装提供足够空间。可变角度夹具安装在固定夹具上，其作用为可以使空气耦合超声换能器任意角度旋转，以满足空气耦合超声换能器接收与激励任意相速度下超声导波模态的检测需求。

所述的大型压力容器早期局部腐蚀无损检测装置包含3个空气耦合超声换能器(H1,H2,H3)，3套超声扫查装置(Z1,Z2,Z3)，其中2套超声扫查装置固定(Z1,Z2)，1套超声扫查装置为可移动状态(Z3)。

所述的空气耦合超声换能器固定在可变角度夹具上，所述的可变角度夹具的入射角度由基频超声的频率决定，所述的可变角度夹具的接收角度由和频谐波超声的频率决定。所述的可变角度夹具的角度调节范围为0°-90°。

所述的空气耦合超声换能器(H1,H2)固定在固定端的超声扫查装置(Z1,Z2)上，作为超声激励换能器，两个超声激励换能器对向激励；所述的空气耦合超声换能器(H3)固定在移动端的超声扫查装置(Z3)上，作为超声接收换能器。

所述的信号发生器/接收器激励合适频率下的超声导波信号，经过所述信号放大器放大信号与所述带通滤波器滤波后，连接所述空气耦合超声换能器，超声波信号被导入所述被检测试样中。

所述的空气耦合超声激励换能器(Z1,Z2)激励超声信号的延迟时间(t1,t2)由扫查位置决定，激励信号f₁和f₂的总时长一定。

所述的超声接收换能器，接收传播的超声信号，经过所述信号放大器放大信号与所述带通滤波器滤波后，送入信号发生器/接收器中，同时接收到的信号送入示波器中。由信号发生器/接收器收到的信号进一步输入到计算机中进行信号分析。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法与装置。根据被检测压力容器的几何形状与检测区域，规划局部腐蚀检测装置合适的布置；采用半解析有限元方法计算检测路径区域的频散曲线；基于频散曲线和非线性理论，挑选合适的超声模态对。采用超声扫查装置在检测路径上逐点扫查。对接收到的时域信号进行截取与傅里叶变化处理。提取相关非线性声学参数，并计算非线性系数。基于扫描路径上各点的非线性系数，可以判断被检测压力容器的早期局部腐蚀情况。

本发明所采用的超声导波模态对为特定的超声导波模态对，其中一独特点在于两个基频的和频为零群速度模态。零群速度模态的特征在于群速度为零，在相速度频散曲线表现为曲线的拐点，即斜率为零的点。由于是曲线中的拐点，当厚度变化时，频厚积发生变化，所激励的模态的群速度便不再为零，零群速度模态的强度也会显著下降，因此零群速度模态对厚度变化十分敏感。若直接采用零群速度模态作为基频，则无法实现扫描功能，无法准确定位局部减薄的区域。此外，接收信号也会与体波信号混叠在一起难以具体分析，无法体现出零群速度模态对厚度变化敏感的优势。所以本专利通过和频的方式产生非线性零群速度模态，既便于信号处理，得到厚度变化信息，也可以实现逐点扫查，减少检测成本。如上文上述，零群速度模态对频厚积变化十分敏感，也因此零群速度模态对其频率精度要求较高。普通的超声导波和频无法产生明显的零群速度模态，需要基于被检测结构材料与几何形状进行精确的计算，从而得到合适的超声导波激励模态对。

此外，本发明中的扫查装置是基于上述检测原理而特别定制的。首先，采用分段式柔性滑轨是为了适用于不同几何形状的被检测压力容器，增强几何普适性，降低检测成本。移动小车通过齿轮与分段式柔性滑轨相配合，实现移动小车的移动，即逐点扫查功能。超声扫查装置上包含多个滚珠丝杠滑台和一个可变角度夹具。通过上述装置，超声激励与接收探头任意角度的旋转和移动，即通过满足斯涅尔定律可以激励与接收任意相速度下的超声导波信号。并且由于采用的超声换能器为空气耦合超声换能器，换能器与被检测压力容器表面的距离需要保持一致，本专利中的扫查装置也可以满足各个空气耦合换能器与压力容器表面距一致的需求。

本发明基于超声非线性理论与零群速度超声导波模态，克服了传统大型压力容器早期腐蚀缺陷检测方法效率低，精度差的问题；采用非线性超声参数作为评价指标克服了早期局部腐蚀缺陷导致厚度变化小，无法被常规无损检测方法检出的难题；采用零群速度模态超声导波类似原地振动，不传播的特性，可以有效的提高检测结果的信噪比；基于超声导波对向混频的方式可以实现检测路径上任意点的扫查检测，提高了早期腐蚀损伤检测的范围，并且不受被检测压力容器几何形状的影响。此外，本发明还可以实现压力容器的原位检测，增大了早期局部腐蚀损伤检测的灵活性。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1为本发明实施例无损检测装置的结构示意图；

其中，1—信号发生器/接收器、21、22、23—信号放大器、31、32、33—带通滤波器、41、42、43—空气耦合超声换能器、5—超声扫查装置、6—被检测试样、7—示波器、8—计算机；

图2为本发明实施例无损检测装置其中超声扫查装置的结构示意图；

其中，501—可变角度夹具、502—固定夹具、503—第一滚珠丝杠滑台、504—第二滚珠丝杠滑台、505—滚珠丝杠滑台固定底座、506—移动小车、507—分段式柔性滑轨；

图3为本发明实施例无损检测方法的流程示意图；

图4为本发明实施例无损检测方法中不同减薄厚度下超声非线性系数变化趋势仿真结果。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有技术中，压力容器内部早期局部腐蚀损伤隐蔽性强，腐蚀造成的局部减薄程度小，常规的无损检测方式无法精准高效的检测出该类损伤。为此，本发明提供一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法及装置，克服了常规无损检测方法无法高效精准的检测出压力容器内部早期局部腐蚀损伤等问题，实现了高鲁棒性和灵敏度的原位非接触式无损检测，提高了检测结果的信噪比。

实施例1

本发明实施例提供一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测装置，如图1所示。该装置包括信号发生器/接收器1，3个信号放大器(信号放大器21、信号放大器22、信号放大器23)，3个带通滤波器(带通滤波器31、带通滤波器32、带通滤波器33)，3个空气耦合超声换能器(空气耦合超声换能器41、空气耦合超声换能器42、空气耦合超声换能器43)，超声扫查装置5，被检测试样6，示波器7和计算机8。

3个空气耦合超声换能器分别设于三个超声扫查装置5上，三个超声扫查装置设于被检测试样上，发生器/接收器、示波器和计算机电性连接；

信号发生器/接收器1的第一路输出信号依次经过信号放大器21和带通滤波器放置31发送至空气耦合超声换能器41；信号发生器/接收器的第二路输出信号依次经过信号放大器22和带通滤波器放置32发送至空气耦合超声换能器42；空气耦合超声换能器43接收信号，并将其信号依次通过信号放大器23和带通滤波器43反馈给发生器/接收器1。

其中超声扫查装置包括可变角度夹具501、固定夹具502、第一滚珠丝杠滑台503、第二滚珠丝杠滑台504、滚珠丝杠滑台固定底座505、移动小车506、分段式柔性滑轨507。在被检测压力容器表面选取检测路径，在检测路径上放置三套超声扫查装置5(Z1,Z2,Z3)，其中2套(Z1,Z2)分别放置于检测路径的起始位置与结束位置，1套位置与扫查位置相关。每一套超声扫查装置上都放置一空气耦合超声换能器(41、42、43)。空气耦合超声换能器(41、42)作为超声激励换能器，空气耦合超声换能器(43)作为超声接收换能器。空气耦合超声换能器固定安装在可变角度夹具501上。可变角度夹具501的超声入射角度和超声接收角度分别通过所激励和所接收的超声信号频率决定。信号发生器/接收器1分别对空气耦合超声换能器(41、42)激励基频超声信号f₁和f₂。一路信号通过信号放大器21放大信号与带通滤波器31滤波后，传输到空气耦合超声换能器41；另一路信号通过信号放大器22放大信号与带通滤波器32滤波后，传输到空气耦合超声换能器42。检测路径上扫查点处放置安装了空气耦合超声换能器43的超声扫查装置5，空气耦合超声换能器43作为超声接收换能器，超声传播信号通过信号放大器23放大信号与带通滤波器33滤波后进入信号发生器/接收器1中，同时接收到的信号送入示波器7中。由信号发生器/接收器1收到的信号进一步输入到计算机8中进行信号分析。

三套超声扫查装置5(Z1,Z2,Z3)具有调节换能器角度的功能，通过超声扫查装置中可变角度夹具501实现。扫查装置还可以通过分段式柔性滑轨507实现移动扫查功能。

为实现大型压力容器早期局部腐蚀无损检测装置的扫查功能需要以下装置，如图2所示。在检测路径上均布置分段式柔性滑轨507。移动小车506放置于分段式柔性滑轨507上，移动小车可以沿分段式柔性滑轨507移动或保持固定。第一滚珠丝杠滑台1(503)和第二滚珠丝杠滑台2(504)通过滚珠丝杠平台固定底座505固定在移动小车506上。可变角度夹具501通过固定夹具502固定在第一滚珠丝杠滑台1(503)上。

本发明中的扫查装置是基于上述检测原理而特别定制的。首先，采用分段式柔性滑轨(507)是为了适用于不同几何形状的被检测压力容器，增强几何普适性，降低检测成本。移动小车(506)通过齿轮与分段式柔性滑轨相配合，实现移动小车的移动，即逐点扫查功能。超声扫查装置上包含多个滚珠丝杠滑台(503，504)和一个可变角度夹具(501)。通过上述装置，超声激励与接收探头任意角度的旋转和移动，即通过满足斯涅尔定律可以激励与接收任意相速度下的超声导波信号。并且由于采用的超声换能器为空气耦合超声换能器，换能器与被检测压力容器表面的距离需要保持一致，本专利中的扫查装置也可以满足各个空气耦合换能器与压力容器表面距一致的需求。

实施例2

本发明实施例提供一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法。根据被检测压力容器的几何形状与检测区域，规划局部腐蚀检测装置合适的布置；采用半解析有限元方法计算检测路径区域的频散曲线；基于频散曲线和非线性理论，挑选合适的超声模态对，使得两列基频模态混叠区域产生的混频和频谐波为零群速度超声导波模态。采用超声扫查装置在检测路径上逐点扫查。对接收到的时域信号进行截取与傅里叶变化处理。提取相关非线性声学参数，并计算非线性系数。基于扫描路径上各点的非线性系数，可以判断被检测压力容器的早期局部腐蚀情况。实现该方法是基于：(1)零群速度模态的群速度为零，零群速度表示该类超声导波能量不传播，将集中在激发的位置，这使得零群速度模态的信噪比要远大于其他超声导波模态。由于零群速度模态是相速度频散曲线中曲线的拐点，因此该超声导波模态对频厚积较为敏感，在频率不变的情况下，被检测试样厚度的变化会显著影响零群速度模态的强度。因此，零群速度模态对厚度变化与早期局部腐蚀损伤十分敏感；(2)通过超声导波共线混叠方法来激励零群速度超声导波模态。频率分别为f_a和f_b的两个基频波在被检测试样中相互作用可以产生混频和频谐波f_a+b。通过计算被检测路径区域的频散曲线，基于相速度匹配条件和非零能量流通条件，选取合适基频模态对，使得混频和频信号为零群速度超声导波模态。通过控制两列基频波的激励时间，从而控制混频和频谐波在不同区域产生，即实现扫查检测的功能。

具体的，本发明实施例的一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法，其流程如图3所示，包括以下步骤：

1)根据被检测压力容器6的几何形状与检测位置，规划局部腐蚀损伤检测装置合适的布置位置以及合适的扫查路径；

2)采用半解析有限元方法，基于被检测压力容器的几何形状和所用材料性能，计算检测路径区域的频散曲线

3)在所述的检测路径上布置3套超声扫查装置5(Z1,Z2,Z3)，其中2套(Z1，Z2)分别放置于检测路径的起始位置与结束位置，1套位置与扫查位置相关。每一套超声扫查装置(Z1，Z2，Z3)上都放置一空气耦合超声换能器4(H1，H2，H3)。

4)通过所述的频散曲线与非线性超声原理，选取满足相速度匹配条件与非零能量流通条件的超声模态对(基频1为f₁，基频2为f₂，和频谐波频率为f₁₊₂)，满足以下条件：

k_a+b＝k_a+k_b

式中，k_a为基频1的波数，k_b为基频2的波数，k_a+b为混频和频谐波的波数。基于所述的超声激励频率f₁和f₂计算得到各空气耦合超声换能器4(H1，H2)所配套使用可变角度夹具501的入射角度；基于所述的超声和频谐波频率f₁₊₂计算得到空气耦合超声换能器(H3)所配套使用可变角度夹具的接收角度；基频信号f1与f2的总时长保持一样，激励延迟时间(t1，t2)由扫查点位置决定。

5)采用超声扫查装置5在所述的检测路径上逐点扫查，接收换能器接收信号时取多次信号的平均值，得到各扫查点的时域信号S_i(i＝1，2，...，n)；对所得到时域信号进行进一步截取，截取的时间窗为

t0为两列基频波包完全混叠的时间，t_j为基频激励信号总时长。

6)通过对所述的时域信号S_j(j＝1，2，...，n)进行FFT处理，得到时域信号Sj频域中基频1，基频2和和频谐波f₁₊x的幅值，重复上述操作，得到每一个扫查位置下超声时域信号S_j频域中基频f₁，基频f₂和和频谐波f₁₊₂的幅值；

7)通过所述的每一个扫查位置下超声时域信号S_j频域中基频1，基频2和和频谐波f₁₊₂的幅值，计算每一个扫查位置下和频谐波的非线性系数β，计算公式如下：

式中A₁为时域信号中基频f₁频域中的幅值，A₂为时域信号中基频f₂频域中的幅值，A₁₊₂为时域信号中混频和频信号f₁₊₂频域中的幅值；

8)通过所述的非线性系数β—扫查位置信息构建非线性系数参数集；基于所述的非线性系数参数集，判断被检测压力容器早期局部腐蚀情况。

本发明的检验原理为：在超声导波中，存在一种特殊的导波模态一零群速度超声导波，该类超声导波的特点为群速度为零。零群速度表示该类超声导波能量不传播，将集中在激发的位置，这使得零群速度模态的信噪比要远大于其他超声导波模态。由于零群速度模态是相速度频散曲线中曲线的拐点，因此该超声导波模态对频厚积较为敏感，在频率不变的情况下，被检测试样厚度的变化会显著影响零群速度模态的强度。然而零群速度模态由于不传播无法进行大范围的超声检测，为了克服这一短板，本发明采用超声导波非线性共线混叠方法来进行早期局部腐蚀损伤的无损检测。频率分别为f_a和f_b的两个基频波在被检测试样中相互作用可以产生混频和频谐波f_a+b。通过计算被检测路径区域的频散曲线，基于相速度匹配条件和非零能量流通条件，选取合适基频模态对，使得混频和频信号为零群速度超声导波模态。通过控制两列基频波的激励时间，从而控制混叠和频谐波在不同区域产生。通过构建非线性参数β来表征扫查位置压力容器早期局部腐蚀的情况。当压力容器内部不存在局部腐蚀或局部减薄的情况时，两列基频波完全满足相匹配条件，在两列基频的混叠处将产生零群速度模态。由于此时两列基频波是完全满足相匹配条件，因此零群速度模态强度很高，相应的非线性系数也较大。当压力容器内部出现局部减薄时，该区域厚度变小，频厚积发生变化，导致整体频散曲线向左压缩。此时，两列基频波将不再完全满足相匹配条件，随着厚度减薄量的增加，转为近似满足相匹配条件，或不满足相匹配条件。在该情况下，两列基频波产生的零群速度模态的强度将大幅下降，因此该处的非线性参数β也将大幅下降。如果检测路径上某个扫查处的非线性参数幅值发生变化，那么说明该区域存在局部腐蚀缺陷或局部减薄情况，这就实现了早期局部腐蚀损伤的扫查检测与定位。

图4为压力容器内壁不同减薄厚度下超声非线性系数变化趋势仿真结果。从图中可以看出当压力容器内部不存在局部减薄时，非线性系数较大，随着局部减薄深度的增加，非线性系数呈指数分布下降。当减薄厚度为0.3mm时，其非线性系数相比于无损伤时已经小了两个量级。这说明零群速度超声导波对早期局部腐蚀损伤十分敏感，可以有效的检测出压力容器内部局部减薄损伤。

本发明基于非线性超声理论和零群速度超声导波模态，开发了一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法及装置。这项技术对压力容器内部早期腐蚀缺陷十分敏感，可以实现高精度，高效率和结果高鲁棒性的早期腐蚀缺陷原位无损检测。采用空气耦合超声换能器，可以实现非接触式检测，避免扫查时探头耦合条件影响检测结果。基于检测路径上各点扫查结果，可以实现对早期腐蚀缺陷进行精准定位。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

此外，本发明的方法不限于按照说明书中描述的时间顺序来执行，也可以按照其他的时间顺序地、并行地或独立地执行。因此，本说明书中描述的方法的执行顺序不对本发明的技术范围构成限制。

尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据被检测压力容器的几何形状与检测位置，规划局部腐蚀损伤检测装置合适的布置位置以及合适的扫查路径；

2)采用半解析有限元方法，基于被检测压力容器的几何形状和所用材料性能，计算检测路径区域的频散曲线；

3)在所述的检测路径上布置3套超声扫查装置，记为第一超声扫查装置、第二超声扫查装置和第三超声扫查装置，每一套超声扫查装置上都放置有一空气耦合超声换能器；其中第一超声扫查装置和第二超声扫查装置分别放置于检测路径的起始位置与结束位置，用于发出激励信号；第三超声扫查装置设于路径区域上的扫查位置，用于接收信号；

4)通过所述的频散曲线与非线性超声原理，选取满足相速度匹配条件与非零能量流通条件的超声模态对，该超声模态对的基频1为f₁，基频2为f₂，和频谐波频率为f₁₊₂；

5)第一超声扫查装置和第二超声扫查装置分别激励基频超声信号f₁和f₂，第三超声扫查装置在所述的检测路径上逐点扫查，接收信号并取多次信号的平均值，得到各扫查点的时域信号S_i(i＝1，2，…，n)；对所得到时域信号进行进一步截取，从而得到时域信号S_j(j＝1，2，…，n)；

6)通过对所述的时域信号S_j(j＝1，2，…，n)进行FFT处理，得到时域信号Sj频域中基频1，基频2和和频谐波f₁₊₂的幅值，重复上述操作，得到每一个扫查位置下超声时域信号S_j频域中基频f₁，基频f₂和和频谐波f₁₊₂的幅值；

7)通过所述的每一个扫查位置下超声时域信号S_j频域中基频1，基频2和和频谐波f₁₊₂的幅值，计算每一个扫查位置下混频和频谐波的非线性系数β；

8)通过所述的非线性系数β和扫查位置信息构建非线性系数参数集；基于所述的非线性系数参数集，判断被检测压力容器早期局部腐蚀情况。

2.根据权利要求1所述的大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法，其特征在于：通过所述的频散曲线与非线性超声原理，选取满足相速度匹配条件与非零能量流通条件的超声模态对，其中，基频1为f₁，基频2为f₂，和频谐波频率为f₁₊₂，满足以下条件：

k_a+b＝k_a+k_b

式中，k_a为基频1的波数，k_b为基频2的波数,k_a+b为混频和频谐波的波数。

3.根据权利要求1所述的大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法，其特征在于：空气耦合超声换能器安装在可变角度夹具上，并固定至超声扫查装置；所述的可变角度夹具的接收角度由和频谐波超声的频率决定；所述的可变角度夹具的角度调节范围为0°-90°。

4.根据权利要求1所述的大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法，其特征在于：对超声接收换能器所得到时域信号进行进一步截取，截取的时间窗为

t0为两列基频波包完全混叠的时间，t_j为基频激励信号总时长，从而得到时域信号S_j(j＝1，2，…，n)。

5.根据权利要求1所述的大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法，其特征在于：超声激励信号分别为基频信号f₁与f₂，基频信号f₁与f₂的激励总时长保持一样，激励延迟时间t1与t2由扫查点位置决定。

6.根据权利要求1所述的大型压力容器早期局部腐蚀无损检测方法，其特征在于：通过所述的每一个扫查位置下超声时域信号S_j频域中基频1，基频2和和频谐波f₁₊₂的幅值，计算每一个扫查位置下混频和频谐波的非线性系数β，计算公式如下：

式中A₁为时域信号中基频f₁频域中的幅值，A₂为时域信号中基频f₂频域中的幅值,A₁₊₂为时域信号中混频和频信号f₁₊₂频域中的幅值。

7.一种大型压力容器早期局部腐蚀无损检测装置，其特征在于，包括以下部件：发生器/接收器、第一信号放大器、第一带通滤波器、第二信号放大器、第二带通滤波器、第三信号放大器、第三带通滤波器、第一空气耦合超声换能器、第二空气耦合超声换能器、第三空气耦合超声换能器、超声扫查装置、被检测试样、示波器和计算机；

第三空气耦合超声换能器设于超声扫查装置上，超声扫查装置设于被检测试样上，发生器/接收器、示波器和计算机电性连接；

信号发生器/接收器的第一路输出信号依次经过第一信号放大器和第一带通滤波器放置发送至第一空气耦合超声换能器；信号发生器/接收器的第二路输出信号依次经过第二信号放大器和第二带通滤波器放置发送至第二空气耦合超声换能器；第三空气耦合超声换能器的输出信号依次通过第三信号放大器和第三带通滤波器反馈给发生器/接收器；

信号发生器/接收器分别对第一空气耦合超声换能器和第二空气耦合超声换能器激励基频超声信号f₁和f₂；第三空气耦合超声换能器接收信号并通过第三信号放大器放大信号与第三带通滤波器滤波后进入信号发生器/接收器中，同时信号发生器/接收器将接收到的信号送入示波器和计算机中进行信号分析。

8.根据权利要求7所述的大型压力容器早期局部腐蚀无损检测装置，其特征在于：所述超声扫查装置包括安装第三空气耦合超声换能器的可变角度夹具、固定夹具、第一滚珠丝杠滑台、第二滚珠丝杠滑台、滚珠丝杠滑台固定底座、移动小车、分段式柔性滑轨；在检测路径上均布置分段式柔性滑轨；移动小车放置于分段式柔性滑轨上，移动小车可以沿分段式柔性滑轨移动或保持固定；第一滚珠丝杠滑台和第二滚珠丝杠滑台通过滚珠丝杠平台固定底座固定在移动小车上；可变角度夹具通过固定夹具固定在第一滚珠丝杠滑台上。

9.根据权利要求7所述的大型压力容器早期局部腐蚀无损检测装置，其特征在于：扫查过程中，所用三套空气耦合超声探头距离被检测压力容器上方的距离均保持相同且固定，所用空气耦合超声换能器为双晶超声换能器，双晶超声换能器既可以作为超声激励换能器，也可以作为超声接收换能器。

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