一種對帶粘彈性包覆層充液管道無損檢測的方法

2024-01-28 08:44:15 1

專利名稱：一種對帶粘彈性包覆層充液管道無損檢測的方法
技術領域：
本發明涉及一種帶粘彈性包覆層充液管道無損檢測的方法，利用衰減低於6dB/m，群速度隨頻率的變化率低於-0.0004m的單一軸對稱超聲導波T(0，1)模態進行管道無損檢測的方法，屬於無損檢測技術領域。
背景技術：
目前，利用超聲導波進行管道缺陷檢測的研究已經取得較大進展。但目前主要用於單層管道、充液管道和帶包覆層管道的缺陷檢測，在選擇超聲導波檢測管道時，通常只考慮模態頻散大小，或只考慮波的衰減。然而，由於在工程實際中，在化工、熱電、供水及供熱等廠礦中常用來輸送化工產品、水等液體介質。管內介質的腐蝕衝刷使管壁減薄，而管壁長期裸露易受到潮溼空氣、土壤的腐蝕或外界損傷，引起管路洩漏和爆管事故，從而造成重大經濟損失和資源浪費。為了保護管道不受腐蝕或外力損傷，以保障管路運行安全和延長管道使用壽命，在管道內外壁常附著一層粘彈性包覆層。但由於粘彈性包覆層、管內液體的存在，使得常規無損檢測方法如超聲、渦流、磁粉和射線等無法快速有效地對這些在役的長距離帶粘彈性包覆層充液管道進行缺陷檢測。
與單層管道等結構較簡單的管道相比，帶粘彈性包覆層充液管道中超聲導波的傳播特性更加複雜，選取合適超聲導波模態用於該類管道的缺陷檢測顯得十分重要。劉增華等在2005年13卷3期《應用基礎與工程科學學報》中發表了一篇關於超聲導波扭轉模態在粘彈性包覆層管道中傳播特性研究的文章。主要研究了帶粘彈性包覆層管道中扭轉模態的傳播特性，對T(0，1)模態的檢測能力進行了分析，並利用厚度切變型壓電陶瓷片激勵和接收換能器。但沒有給出適合管道缺陷的T(0，1)模態的具體參數，並且當管道出現液體時，適合檢測的T(0，1)模態的頻帶和衰減也相應發生了變化，適合檢測帶粘彈性包覆層管道中缺陷的T(0，1)模態並不一定適合帶粘彈性包覆層充液管道中的缺陷檢測。而利用扭轉模態對充液管道的缺陷檢測迄今尚無報導。目前，由於理論和實驗分析困難，國內外尚無人對超聲導波模態之一扭轉模態在帶粘彈性包覆層充液管道缺陷檢測進行過相關研究。當粘彈性包覆層管道充液後，除了考慮扭轉模態在傳播過程中部分能量被包覆層吸收後所引起的衰減，還需要考慮管中液體對扭轉模態的部分能量吸收所產生的影響，並且由於帶粘彈性包覆層充液管道結構複雜，接收到的扭轉模態信號也較複雜，難以直接得到結果，除此之外，在對管道進行導波檢測時，由於軸對稱模態從缺陷處反射回來會產生模態轉換，一些從缺陷處反射回來的轉換模態易被誤判為缺陷回波，給缺陷的數量和位置的識別帶來困難。因此，在對該類管道進行檢測時，需要選擇衰減和頻散小，傳播距離遠，對管道中的缺陷檢測能力強的模態，否則接收的波形複雜，難以分析，不能進行長距離檢測，對缺陷不敏感，並且由於管道結構複雜，需要利用合適的信號處理方法對得到的結果進行分析以得到有關管道中的缺陷信息以及消除模態轉換現象的影響。

發明內容
本發明的目的是為了解決帶粘彈性包覆層充液管道無法長距離、快速、全面、在役無損檢測的現狀，為對帶粘彈性包覆層充液管道的健康狀況和使用壽命進行評估，提出了一種帶粘彈性包覆層充液管道無損檢測的方法，基於對扭轉模態的理論分析，選擇衰減低於6dB/m，群速度隨頻率的變化率低於-0.0004m的單一的軸對稱超聲導波T(0，1)模態對帶粘彈性包覆層充液管道內外部裂紋和腐蝕等缺陷檢測。
本發明所採用的裝置參見圖1，包括厚度切變型壓電陶瓷環1、函數發生器2、功率放大器3、轉換開關4、數字示波器6和計算機7等，由一組厚度切變型壓電陶瓷片並聯而成的壓電陶瓷環1安裝在帶粘彈性包覆層充液管道5上，和轉換開關4相連接，轉換開關4與數字示波器6和功率放大器3相連接，函數發生器2的輸出端和功率放大器3的輸入端連接，計算機7和數字示波器6連接。
本發明的對帶粘彈性包覆層充液管道無損檢測的方法是通過以下步驟實現的(1)如果粘彈性包覆層在管道外壁，則沿管道周向局部剝開一圈粘彈性包覆層，在剝開處周向均布多個厚度切變型壓電陶瓷片；如果粘彈性包覆層在管道內壁，則將壓電陶瓷片直接均布在管道外壁。但粘彈性包覆層無論在內層或外層，檢測方法一樣。壓電陶瓷片的長度方向與管道軸線平行，極化方向沿管道周向，並且方向一致，即同為順時針方向或逆時針方向。各壓電片並聯成一壓電陶瓷環1。該壓電陶瓷環1既作激勵換能器，又作接收換能器；(2)由函數發生器2產生一個中心頻率可調的窄帶脈衝，激勵頻率控制在T(0，1)模態的衰減低於6dB/m，群速度隨頻率的變化率低於-0.0004m的範圍內；(3)激勵信號經功率放大器3進行功率放大；通過轉換開關4激勵壓電陶瓷環1，在帶粘彈性包覆層充液管道5中激勵T(0，1)模態；(4)激勵的T(0，1)模態信號在帶粘彈性包覆層充液管道5中傳播，經缺陷和管道端部反射後，通過轉換開關4，壓電陶瓷環1又接收信號，在數字示波器6顯示，並通過乙太網埠存儲到計算機7；(5)在其他不變的條件下，改變窄帶脈衝的中心頻率，該頻率仍控制在T(0，1)模態的衰減低於6dB/m，群速度隨頻率的變化率低於-0.0004m的範圍內。得到又一個時域波形；(6)利用一維小波包分析方法對接收到的這兩個時域信號進行消噪處理，將這兩個頻率不同的時域信號中端面回波前的所有回波的時間位置進行對比，如果一信號中回波的時間位置在另一信號中同樣的時間位置出現一回波，即可確定該回波為缺陷回波，如果一信號中回波的時間位置在另一信號中同樣的時間位置沒有出現，則可確定該回波為轉換模態，不予考慮。對於確定的缺陷回波，通過缺陷回波的傳播時間乘以T(0，1)模態的群速度值，並除以2，即為帶粘彈性包覆層充液管道中缺陷距壓電陶瓷環1的軸向位置，從而確定缺陷的個數和軸向位置。
本發明的無損檢測方法的設計原理為選取適合帶粘彈性包覆層充液管道缺陷檢測的T(0，1)模態，需要從理論上分析扭轉模態的頻散和衰減特性，以確定該模態的頻率範圍。該頻率範圍的T(0，1)模態衰減低於6dB/m，群速度隨頻率的變化率低於-0.0004m。
利用全局矩陣法，對帶粘彈性包覆層充液管道中扭轉模態傳播特性分析，在此首先考慮粘彈性包覆層在管道外壁的情況。利用Navier方程得到扭轉模態在粘彈性包覆層、空心管道和液體中傳播時應力和位移表達式，然後根據應力和位移邊界條件得到一組特徵方程。
(1)粘彈性包覆層中應力和位移表達式u1=[A11H11(1r)+A21H12(1r)]ei(kz-t)r1=-1[A112H21(1r)+A212H22(1r)]ei(kz-t)---(1)]]>(2)空心管道中應力和位移表達式u2=[B12H11(2r)+B22H12(2r)]ei(kz-t)r2=-2[B122H21(2r)+B222H22(2r)]ei(kz-t)---(2)]]>(3)液體中應力和位移表達式u3=13CJ1(3r)ei(kz-t)r3=3C[J0(3r)-2J1(3r)3r]ei(kz-t)---(3)]]>式中，A1，A2，B1，B2和C為待定係數；12=2cT12-k2;]]>22=2cT22-k2;]]>32=2cT32-k2;]]>cT1、cT2和cT3分別為粘彈性包覆層、空心管道和液體的橫波波速；μ1、μ2和μ3分別為粘彈性包覆層、空心管道和液體的Lame常數；k為波數；H為Hankel函數；J為Bessel函數；r為半徑，z為軸向位置；ω為波的圓頻率。
帶粘彈性包覆層充液管道中的應力和位移邊界條件有(1)粘彈性包覆層外表面(r＝r1)(r1)r=r1=0---(4)]]>(2)管道和粘彈性包覆層的交界面(r＝r2)(u1)r=r2=(u2)r=r2(r1)r=r2=(r2)r=r2---(5)]]>(3)管道和液體的交界面(r＝r3)(u3)r=r3=(u2)r=r3(r2)r=r3=(r3)r=r3---(6)]]>利用以上位移與應力連續條件建立一組特徵方程，方程的矩陣形式為H21(1r3)H22(1r3)000112H21(1r2)112H22(1r2)-222H21(2r2)-222H21(2r2)01H11(1r2)1H12(1r2)-2H11(2r2)-2H12(2r2)000222H21(2r1)222H21(2r1)-3[J0(3r1)-2J1(3r1)3r1]002H11(2r1)2H12(2r1)13J1(3r1)A1A2B1B2C=0---(7)]]>為使式(7)有非零解，其係數行列式必須為零。即H21(1r3)H22(1r3)000112H21(1r2)112H22(1r2)-222H21(2r2)-222H21(2r2)01H11(1r2)1H12(1r2)-2H11(2r2)-2H12(2r2)000222H21(2r1)222H21(2r1)-3[J0(3r1)-2J1(3r1)3r1]002H11(2r1)2H12(2r1)13J1(3r1)=0---(8)]]>上式為帶粘彈性包覆層充液體管道中扭轉模態的頻散方程。當液體為非粘性流動介質時，頻散方程縮減為
H21(1r3)H22(1r3)00112H21(1r2)112H22(1r2)-222H21(2r2)-222H21(2r2)1H11(1r2)1H12(1r2)-2H11(2r2)-2H12(2r2)00H21(2r1)H21(2r1)=0---(9)]]>當將式(8)和式(9)中的粘彈性層和單層管道所有參數對調一下，即可得到粘彈性包覆層在單層管道內壁時帶粘彈性包覆層充液管道中扭轉模態的頻散方程。
式(8)和式(9)適用於粘彈性包覆層在單層管道內壁或外壁時的情況。帶粘彈性包覆層充液管道如圖2所示。圖2(a)為粘彈性包覆層8在外，單層管道9在內，液體10在單層管道9中的帶粘彈性包覆層充液管道。圖2(b)為粘彈性包覆層8在內，單層管道9在外，液體10在粘彈性包覆層8中的帶粘彈性包覆層充液管道。
本發明採用了以上的技術方案，達到了以下效果(1)可以對帶粘彈性包覆層充液管道進行長距離檢測，並能在役檢測；(2)可以對管壁上穿透和非穿透缺陷進行檢測；(3)只需在一處安裝換能器即可對一段較長距離的帶粘彈性包覆層充液管道整個截面進行全面檢測，檢測效率高，勞動強度低。


圖1檢測裝置原理圖；圖2帶粘彈性包覆層充液管道示意圖；圖3帶環氧樹脂包覆層充水鋼管中扭轉模態的頻散曲線；圖4帶環氧樹脂包覆層充水鋼管中的缺陷軸向位置示意圖；圖5缺陷截面示意圖；
圖6激勵信號圖；圖7頻率50kHz時，在環氧樹脂包覆層充水鋼管中接收到的波形圖；圖8頻率75kHz時，在環氧樹脂包覆層充水鋼管中接收到的波形圖；圖中，1、壓電陶瓷環，2、函數發生器，3、功率放大器，4、轉換開關，5、帶粘彈性包覆層充液管道，6、數字示波器，7、計算機，8、粘彈性包覆層，9、單層管道，10、液體，11、周向缺陷，12、軸向缺陷，13、帶環氧樹脂包覆層充水鋼管，14、環氧樹脂層，15、鋼管，16、水，17、第一回波，18、第二回波，19、第三回波，20、第四回波，21、第五回波，22、第六回波。
具體實施例方式
結合本發明方法的內容提供一下實施例(1)將16片長寬厚分別為13mm、7mm和4.5mm的厚度切變型壓電陶瓷片並聯組成一壓電陶瓷環1，周向均布在帶粘彈性包覆層充液管道5一端，長度方向與管道軸線平行，極化方向沿管道周向，並且方向一致，即同為順時針方向或逆時針方向。本實施例中的帶粘彈性包覆層充液管道5為帶環氧樹脂包覆層充水鋼管13，管道全長4m，鋼管外直徑60mm，壁厚3.5mm，環氧樹脂包覆層平均厚0.24mm。鋼的縱波波速為5960m/s，橫波波速為3260m/s，縱波衰減和橫波衰減均為0，密度為7932kg/m3；環氧樹脂縱波波速為2532m/s，橫波波速為1114m/s，密度為1170kg/m3，縱波衰減為0.068np/wl，橫波衰減為0.17np/wl；水的縱波波速為1500m/s，橫波波速、縱波衰減和橫波衰減均為0，水的密度為1000kg/m3。
根據對式(9)的數值求解，圖3給出了上述參數的帶環氧樹脂包覆層充水鋼管中扭轉模態的頻散曲線。圖3(a)和圖3(b)分別為群速度和衰減頻散曲線。屬於T(0，1)模態衰減低於6dB/m，群速度隨頻率的變化率低於-0.0004m範圍內，即適合管道檢測的頻率範圍為0～0.806MHz。
在上述幾何及材料參數的帶環氧樹脂包覆層充水鋼管13中加工了一人工周向缺陷11和一人工軸向缺陷12，兩缺陷軸向位置如圖4。兩缺陷中心線處於同一軸線上，距帶環氧樹脂包覆層充水鋼管13一端(即壓電陶瓷環1安裝處)分別為1.8m和2.5m。圖5給出了周向缺陷和軸向缺陷截面示意圖。圖5(a)為周向缺陷11橫截面示意圖，其中，從外到內分別為環氧樹脂層14，鋼管15和水16。周向缺陷11弦長26mm，軸向寬1.2mm，其橫截面為整個管道橫截面的8.37％，為非穿透缺陷。圖5(b)為軸向缺陷12剖面示意圖。軸向缺陷12軸向長35mm，周向寬1mm，其橫截面為整個管道橫截面的0.53％，為穿透缺陷。
(2)由函數發生器2產生一個中心頻率可調的窄帶脈衝，窄帶脈衝的類型、頻率、強度和脈衝間隔等都會對超聲導波產生影響。在本實施中，由函數發生器2產生峰峰值150mV的經漢寧窗調製的10個震蕩周期的正弦信號，選擇的頻率有兩種50kHz和75kHz。這些窄帶脈衝激勵間隔均大於20ms。這兩個激勵信號的頻率在T(0，1)模態的衰減低於6dB/m，群速度隨頻率的變化率低於-0.0004m的範圍內。頻率為50kHz單音頻信號如圖6所示，其中，時域波形為6(a)，頻域圖為6(b)；(3)激勵信號經功率放大器3進行功率放大，峰峰值達到150V；通過轉換開關4激勵壓電陶瓷環1，在帶環氧樹脂包覆層充水鋼管5中激勵T(0，1)模態；(4)激勵的T(0，1)模態信號在帶環氧樹脂包覆層充水鋼管13中傳播，經缺陷和管道端部反射後，通過轉換開關4，壓電陶瓷環1又接收信號，在數字示波器6顯示，並通過乙太網埠存儲到計算機7；(5)頻率50kHz時，在環氧樹脂包覆層充水鋼管13中接收到的波形如圖7(a)。利用一維小波包分析方法對接收到的信號進行消噪處理，得到消噪後的波形如圖7(b)。選擇的小波函數為db3(Daubechies)小波，對該信號進行5層分解，對各層的高頻係數，選擇相同的閾值0.004進行軟閾值量化處理。頻率75kHz時，在環氧樹脂包覆層充水鋼管13中接收到的波形如圖8(a)。利用一維小波包分析方法對接收到的信號進行消噪處理，得到消噪後的波形如圖8(b)。選擇的相同的db3(Daubechies)小波對該信號進行4層分解，對各層的高頻係數，選擇相同的閾值0.007進行軟閾值量化處理；(6)通過分析消噪後的信號中的反射回波到達接收點的時間，確定管道中周向缺陷11和軸向缺陷12的軸向位置。由圖7(b)和圖8(b)可知，第一回波17和第四回波20的時間位置相同，為1.142ms。第二回波18和第五回波21的時間位置相同，為1.570ms。中心頻率為50kHz和75kHz時，T(0，1)模態的群速度均約為3.245m/ms，根據波速乘以時間可以確定傳播的距離，可知時間1.142ms時得到缺陷的位置為1.853m，與周向缺陷11的實際位置相對誤差僅為2.94％；時間1.570ms時得到缺陷的位置為2.547m，與軸向缺陷12的實際位置相對誤差僅為1.9％。由於第三回波19在圖8(b)中沒有出現，第六回波22在圖7(b)中沒有出現，可以確定為轉換模態，不予考慮。從而確定缺陷的數量和軸向位置。
權利要求
1.一種對帶粘彈性包覆層充液管道無損檢測的方法，其特徵在於檢測方法的步驟如下1)如果粘彈性包覆層在管道外壁，則沿管道周向局部剝開一圈粘彈性包覆層，在剝開處周向均布多個厚度切變型壓電陶瓷片；如果粘彈性包覆層在管道內壁，則將壓電陶瓷片直接均布在管道外壁；壓電陶瓷片的長度方向與管道軸線平行，極化方向沿管道周向，並且方向一致，各壓電陶瓷片並聯成一壓電陶瓷環(1)；2)由函數發生器(2)產生一個中心頻率可調的窄帶脈衝，激勵頻率控制在T(0，1)模態的衰減低於6dB/m，群速度隨頻率的變化率低於-0.0004m的範圍內；3)激勵信號經功率放大器(3)進行功率放大；通過轉換開關(4)激勵壓電陶瓷環(1)，在帶粘彈性包覆層充液管道(5)中激勵T(0，1)模態；4)激勵的T(0，1)模態信號在帶粘彈性包覆層充液管道(5)中傳播，經缺陷和管道端部反射後，通過轉換開關(4)，壓電陶瓷環(1)又接收信號，在數字示波器(6)顯示，並通過乙太網埠存儲到計算機(7)；5)在其他不變的條件下，改變窄帶脈衝的中心頻率，該頻率仍控制在T(0，1)模態的衰減低於6dB/m，群速度隨頻率的變化率低於-0.0004m的範圍內，得到又一個時域波形；6)利用一維小波包分析方法對接收到的兩個時域信號進行消噪處理，將這兩個頻率不同的信號中端面回波前的所有回波的時間位置進行對比，如果一信號中回波的時間位置在另一信號中同樣的時間位置出現一回波，即可確定該回波為缺陷回波，如果一信號中回波的時間位置在另一信號中同樣的時間位置沒有出現，則可確定該回波為轉換模態，不予考慮；對於確定的缺陷回波，通過缺陷回波的傳播時間乘以T(0，1)模態的群速度值，並除以2，即為帶粘彈性包覆層充液管道中缺陷距壓電陶瓷環(1)的軸向位置，從而確定缺陷的個數和軸向位置。
全文摘要
本發明涉及一種對帶粘彈性包覆層充液管道無損檢測的方法，屬於無損檢測技術領域。利用壓電換能器激勵比較單一的軸對稱超聲導波T(0，1)模態用於帶粘彈性包覆層充液管道無損檢測的方法在管道外壁周向軸對稱放置一組厚度切變型壓電陶瓷片，激勵和接收衰減低於6dB/m，群速度隨頻率的變化率低於－0.0004m的扭轉模態T(0，1)對帶粘彈性包覆層充液管道進行無損檢測。本發明解決了帶粘彈性包覆層充液管道無法長距離、快速、全面、在役無損檢測的現狀。
文檔編號G01N29/04GK1828287SQ200610072880
公開日2006年9月6日 申請日期2006年4月14日 優先權日2006年4月14日
發明者劉增華, 何存富, 吳斌, 王秀彥, 楊士明 申請人:北京工業大學