超声导波管道检测中导波模态及频率的选择

第 卷 增 刊 以拓 年 月 天 津 大 学 学 报 川 恤川加 目 川 叩目 以巧 超声导波管道 中导波模态及频率的选择 李一博 , 靳世久 , 孙立瑛 , 宋志东 , 张元凯 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 , 天津 犯 摘 要 长距 离管道超声导波检浏技术是一种新的管道无报检浏技术 , 可以对常规方法无法接近的管道进行快速 检浏 , 工程应甩前景非常广阔 本丈对管道超声导波检测过程中传感器的数 和布 间距对恰 出导波信号的影响 进行了讨论 , 并以纵向抽对称导波 , 为例 , 就导波模态及频率的选择对检浏效果及一次性检浏长度的影响进 行了研究 徐合多方因素选择的录优试脸频率即可作为现场管道试脸的检浏绷率 关抽词 超声导波 压电传感器 导波模态 最优频率 中圈分类号 文献标志码 文章编号 一 拓 增刊一 一 招 一 , 一 , 一 , 一 飞 , 一 浏 叮 , , 力 , 瓦 加。, 坛 加 呵 一 ” , 叩 叩 初 罗 朋伴 , , , 山扣 解 田阴 拌 , 浏比 助 , 乎 别泊 加 仆 肠叫 吨 故砌 】 , 记 , 训 ” 。 , 。 伴 , ‘ 囚 肠呵 叮 肤对 叮 , 如 山犯 记 】, 七朋司 叩 管道在石油 、化工 、天然气及城市建设等行业中 , 起粉非常重要的作用 , 管道泄漏事故不仅会造成资源 浪费 , 而且会导致严重的环境污染 管道缺陷的无损检 测方法一直是人们研究的热点 用射线 、超声波 、磁粉 以及渗透等常规无损检测方法检测在役管道时只能用 抽查的方法 , 极易造成缺陷漏检 管道漏磁通检测器是 一种利用漏磁通测量技术对管道泄漏进行检测的管道 机器人 , 它可以对管道腐蚀情况进行在线 检测 , 是目前应用较广泛的长距离管道内检测技术 但 许多管道由于铺设较早 , 管径和阀门的尺寸与现有的 管道漏磁通检测器不匹配 , 因此不适宜采用该技术 管道导波检测技术是一种新的无损检测技术 在 特定的频率下 , 超声导波可以传播很长的距离 , 且能够 对管道的整个壁厚进行完全检测 超声导波技术与传 统的管道无损检测技术相比具有突出的优点川 ①检 测距离长 在理想状况下单方向检测可达 , 检 验成本可大大降低 ②仅需要对安装传感器处的管道 进行表面处理 ③能检测难以接近的管道系统 , 如带 收稿 日期二 场 一 一 修回日期 洲巧 一 · 若 项目 国家自然科学基金资助重点项 目 印 争帕 作密简介 李一博 一 , 男 , 博士 , 户咖 , 面 天 津 大 学 学 报 第 卷 增 刊 夹具 、有套管或埋地的管道 ④可检测整个管壁的情 况 包括内壁和外壁 , 可实现 检测 管道超声导 波检侧原理如图 所示 管道中传播的波 法兰 , 管端 圈 试脸原理 管道超声导波检测中的传感器及导波模态 的选择 管道中传播的超声导波又称为柱面导波 , 可分为 纵向模态 , 、 、 扭转模态 , 和弯曲模态 , , 其中周向阶数 表示导波模态绕管壁螺旋 式传播的形态 二 , , , , ⋯ , 二 时对应轴对称模 态 , 二 , , 二对应非轴对称模态 模数 反映的是 导波在管道厚度方向上的振动形态 二 , , 二 〕 管道导波检侧中常用的传感器 传感器是管道导波检测系统中的重要组成部分 , 用于激励导波和接收超声导波 导波在管道中的传播 特性与所采用的传感器 、导波模态 、激励频率 、管道几 何尺寸 、管道内物送的介质和管道外包裹物等有密切 关系 目前 , 管道导波检测中所使用的传感器主要有压 电传感器 只 , 、磁致伸缩式传感器 、 电磁声传 感器 、脉冲激光式传感器和 式传感器 等 而压电式传感器由于使用方便 、价格低廉 、灵敏度 高等特点而获得了最广泛应用 压电陶瓷传感器根据 其结构可分为斜探头 、直探头和梳状探头 不同的探头 由于结构不同 , 激励导波的形式和模态也不相同 传感价的数 为了产生沿管道传播的轴对称导波 , 需要将足够 数量 、特性均匀的传感器等间距地沿管道圆周方向布 传感器个数应大于在该频率处可激励的最高模态 数 ’ , 这样 , 由于各弯曲模态间的相互干涉 , 会抑制弯 曲模态波 , 从而增强轴对称模态波 在管道超声导波检测技术中 , 弯曲波 波 是非 轴对称的 , 在管道中传播时呈现一种散射挠曲形态 , 是 包含缺陷特征的反射信号 为了更好区分反射回波中 最常见的弯曲模态 , , 安放传感器的区域一般被 划分为 个象限 将上下两个象限接收到的信号相叠 加 , 就可以得到具有垂直极性的弯曲波信号 同样 , 将 左右两个象限接收到的信号相叠加 , 就可以检测到具 有水平极性的弯曲波信号 因此 , 为了使导波能量在 个象限内均匀分布 , 传感器个数应该是 的倍数 当压电陶瓷传感器的数量不同时 , 端面反射回波 的幅值变化趋势大致相同一般说来 , 压电陶瓷片个数 的变化不会改变端面反射回波的幅值变化趋势 , 回波 幅值的变化只与压电陶瓷片的固有特性和所选择的导 波模态有关 但随着压电陶瓷片的增加 , 不仅可以增加 激励信号的能量 , 也可以有效地抑制弯曲模态 ’ 因 此 , 选择传感器数量时应综合考虑管道外径尺寸 、传感 器的外形尺寸 、安装及成本等多方面因素 导波模态的选择 在管道中传播的柱面导波的模态随频率的增大而 增加 以下 , 大约存在 种模态 轴对称纵向 导波 , 模态由于传播速度快 , 故能比其它模态的 导波更快地到达导波接收装置 , 因此更易于在时域内 区分 而且 , 波内外表面的径向位移均相对较 小 , 传播过程中能量泄漏现象也相对较小 , 传播距离相 对较长 , 故可以检测更长距离 同样是轴对称的扭转导 波 , 由于具有非频散的特性 , 也是一种较常使用 的激励导波 采用伸缩方向不同 长度 厚度 的压电 陶瓷 , 就可以分别激励出纵向和扭转导波 由于篇幅关 系 , 本文仅以 , 波为例 , 对影响导波激励频率的 因素进行研究 , 传感登组间距离对输出信号的影晌 三组传感器的 由于试验中采用的是直探头 , 故在激励 , 波 的同时还会激励出 , 波 , 因此必须采取相应办法 进行抑制 研究表明〔’〕 在围绕管道布置成环状的第 一个传感器组附近放置第二个传感器组 , 并选择适当 的间距 , 可以有效地削弱 , 波 由于 , 波的 传播速度几乎是 , 波的两倍 , 因此用 于抑制 , 波而 选 择 的传感器 组 间距离 同样对增 强 拭 , 波有作用 不 过 , 对 , 波 的抑 制 和对 , 波的增强并不呈线性关系 , 而与频率有关 · 在工程实践中 , 为了能够在一个传感器安装点检 测更长距离 , 通常在主传感器环两侧分别放置两个副 传感器环 , 如图 所示 , 这样 , 安放一次传感器就可以 同时对管道的前向和后向进行检测 此外 , 由于所激励的导波在管道中传播时 , 导波不 仅向前向传播 , 同时也会向后向传播 , 因此需要通过软 件设置 , 对前向和后向的回波进行区分 例如 , 在对管 道前向进行检测时 , 仅接收顺序通过传感器环 , , 的信号 而当检测管道后 向时 , 仅接收按逆序通过 传感器环 , , 的信号 拓 年 月 李一博等 超声导波管道检测中导波模态及频率的选择 上 , 由于导波检测系统的工作频率一般都在 以 上 , 所以该图只对直径小于 的管道才有意义 图 给出了管道壁厚与 , 波的上限截止频率 之间的对应关系 试验中所选择的激励频率应介于下 限截止频率和上限截止频率之间 泛泛泛 咤曰气一弓一弓︸‘﹄飞︸︸,‘,‘ 二召、哥场洲租 管道外径 管道外径与下限截止颇率之间关系 丹门‘一“︸﹄吕矛弓乙‘且‘盖‘盈口己 玉、哥场旧桩 圈 采用三传感器环抑制 , 波及区分回波信号 传感器组间距离对拾出信号的影响 传感器环放置的间隔不同时 , 对信号输出的幅度 会产生一定影响 图 给出了不同的传感器组间距离 下 , 波的峰值输出频率 从图 中可以看出 , 信 号的输出幅度在 一 时达到最大 需要注 意的是 , 当传感器环间距为 时 , 在 附近 出现了 , 波幅值的最低点 因此 , 在选择试验频 率时 , 一定要注意避免 , 波信号输出最低的情 况一般说来 , 当传感器环间距较宽时 , 获得最高信号 输出的频率就较低 这一点需要特别考虑 , 因为抑制 , 波 , 同时需要较宽的间距和较高的频率 管道壁厚 管道壁厚与上限截止娜率之间关系 圈 《 , 波的上限 、下限截止颇率刁 圈 不同传感 布 间距对信号相度的影晌 导波频率的选择 管道里厚对频率选择的影晌 管道导波检测中 , 对于抑制 , 波增强 , 在管道直径最佳频率选择上几乎没有任何影响 , 其 决定因素在于管壁的厚度 图 给出了当传感器间距 为 、 、 和 时对于不同壁厚的 管道的最优频率一般说来 , 管壁越厚 , 就应该选择越 高的频率来抑制 , 波 , 增强 , 波 ‘卜卜卜︼伟‘弓︸的,且且,且,伟‘一一一一 田、侧理 选择激励频率时 , 首先要保证在该频率下所激励 的导波是非频散的 此外 , 在保证有足够灵敏度的前提 下 , 应尽可能选择较低的激励频率 低频厚积 , 这样 可以使接收信号中可能出现的模态数量减少 , 又可 以 使被激励的信号在传播过程中频散尽可能低 , 上 、下限截止颇率 管道外径与 , 波的下限截止频率之间的对 应关系如图 所示 该截止频率随着管道直径的变 细而增大 , 而且这种影响与管道 的壁厚无关 实际 、、、 ’、· 一 , 二 飞 , 丫 ’, , 》 , · · 口 一一产 卜限截止颇率率月月 ’ 一 , , 二 , 甲甲 ⋯ ⋯ 口口 圈 《 , , 道盈厚对试脸绷率的影晌 天 津 大 学 学 报 第 卷 增 刊 ⋯’⋯甲 特定管道的频散曲线 由于受到波导几何尺寸的影响 , 导波在传播一定 距离后 , 会发生几何弥散 , 导波的相速度会随频率的不 同而改变 , 即导波的频散现象 通过对超声导波的频散 方程【 〕进行求解 , 就可以得到在不同材质 、直径 、壁厚 的管道中传播的导波的频散曲线 根据特定管道的频 散曲线 , 并考虑上 、 下频率限制及管道壁厚的特殊影 响 , 即可最终确定试验频率 检验实例 现场试验在一处供暖管道上进行 该管道为普通 低碳钢管 , 外壁喷涂防锈漆 , 管道外直径为 , 管 壁厚度为 , 外表面裹以石棉保暖 , 用马口铁包裹 固定 用于试验的管道段长为 从安放传感器 的位置到第一个法兰的距离 试验时管道内供暖热 水的温度为 ℃ , 环境温度为 ℃ 为了安装传感器 , 大约 长的管道保温层被剥 离 , 由于是在役管道 , 而且试验时正处于供暖期 , 故剥 离保温层后的管道未做表面打磨处理 , 也无预制缺陷 由于试验段管道均覆盖保温层 , 故管道的大部分特征 , 如焊缝等均为未知 考虑到管道外径及传感器的尺寸 , 沿管道周向均匀布置了 个压电陶瓷传感器模块 , 每 片传感器间距为 如图 为 巧 外径 、 厚钢管中传播的几种主要的纵向和弯曲模态导波的 频散曲线 根据图 、 图 和图 , 选择参考频率为 , 一弋了 , ”, 粉 , 一尹 尹 , 口 口 一 一 , , 颇率 衍对叶价叶价价价价价升肘对吃弓︸呢﹄斑,﹄,凡‘,山 ︵一﹄ ·日色一︶、侧侧件 圈‘ 外宜径 。、盆厚 , 铆 , 的翔傲曲级 激励信号为 个周期 、 的纵向导波的距 离一幅值曲线图 图 如图 所示 , 有关 图及 信号幅值设定参见文献【 信号 距离传感器 和信号 距离传感器 的幅值接近焊 缝水平线 一 , 且轴向对称分量较高 , 故判定其 为环形焊缝反射信号 反射回波 、 和 的幅值均超 过了 一 报警线 , 而却未达到焊缝水平线 一 线 , 故定义为异常信号 、 和 与传感器之间的距 离分别为 、 · 和 · 在 · 附近 出现的反射信号虽然未达到报警线 , 但该信号的水平 分量较高 , 因此也将其定义为异常信号 , 以便做进一 步判断 在 附近检测到了法兰信号 共认一 ‘ 笠 戈屯 一 ’ 一 ” 一 ,一 、、、岁漪砚 》侧孺隔藕扁象 叹 异常点 异常点 一加 , 么 兑距离 曰门门门曰日引川目门川引门川川川引川川川引曰州川引川们川,︸弓︸︸弓﹃︸弓尸,︸弓曰甘弓﹃口,工咤曰产口,︸,︸月,‘碑砚碑‘,傀,山 、侧毕 圈 纵向导波实脸的 圈 移去保温层后 , 经 目视检查发现了一些较为明显 的管道特征 和 处分别有两条焊缝 , 对应 图中焊缝 和 对应 的位置 、 和 分别焊有 个管道支撑 , 与图 中 以拓 年 月 李一博等 超声导波管道检测中导波模态及频率的选择 的异常回波信号 、 和 相对应 处有一段 直径为 的支管 放水阀 , 在 图中被定义为 异常信号 在距离传感器 处有一处长约 的焊疤 , 在 图中没有标示 该处由于距离测 试点较近 , 振荡回波较大 , 故其反射信号已经淹没在回 波之中 目视检查后 , 用超声波测厚仪对管道的全部检 测范围进行了测厚检查 , 管壁厚度均匀 , 未发现超过 的壁厚减薄点 , 说明该管道状况良好 如图 一 图 。 为剥离保温层后找到的一些管道特征 管道超声导波检测技术虽然在无损检测领域有其 显著的优势 , 但它也还存在局限性 ①导波检测是一种快速大范围的初步检测方法 , 通过检测可以对管道系统的安全性做出 , 但它对 缺陷定量是近似的 , 检测距离较长时对缺陷定位也较 为粗略 ②对于周向金属缺损面积小的缺陷 , 如单个点状 缺陷和轴向条状缺陷 , 以及轴向裂纹不敏感 娜缝 向支撑 支管 娜疤 圈 剥离保通层后发现的管道特征 结 语 本文对管道超声导波检测过程中传感器的数量 、 传感器组间距离对输出信号的影响进行了讨论 , 并以 纵向轴对称导波 , 为例 , 对导波模态 、频率对检 测性能的影响进行了研究 最优频率的选择可直接作 为现场管道检测试验的频率 · 采用超声导波技术可以对管道缺陷进行快速检 测 , 且仅盆要对安装传感器的位置进行表面处理 , 检测 距离长 , 成本低 在常规管道无损检测方法无法接近的 管道 , 如高架管道 、穿越公路的管道或海底管道等的检 测上 , 具有很强的优势 , 因此工程应用前景非常广阔 参考文献 川 如 几耘如 吨 脚罗 己 昭 川甲 伴而加即 面 , 【 , 琉 , , 目 卜 四血 己 脚 而 司 【 山胭 名 认 刀叼凌‘盆“ 沁 及司 , 抖 , 一 二 一 【 〕 慨 汇瓜心。威 律山尼 认 叙记 面【 〕 助山 口 二 。 , 【 〕何存富 , 刘增华 管道导波检测中传感器数量和颇率特 性研究【 北京工业大学学报 只 , 一 而 , 浏 加 即 。习 朋伴 朋 加 一【 盯翻以 及访咭 以‘优 ”勿 卜盯 , 润 , 一 叮 , 助 , ‘ 仆 硕‘ 卜 伍 耐 州 公兄 朋 俪 兄 , 面 , 比 介比 己 阮甲 【 期心 吮板明众以 肠倾能 “昭 及幼袱 , , 一 〕 , , 肠 , 日 , 叱 扭 罗 卿眨 伴 浅 叱 【 山心能 认 刀次记匕。 姆‘妩 及耐 白 , 抖 , 一材 责任编辉 陈家修