基于超聲導波的管道裂紋檢測模擬研究

張蒲根 張燁 丁菊 劉書宏

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院)

基于超聲導波的管道裂紋檢測模擬研究

張蒲根*張燁 丁菊 劉書宏

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院)

采用有限元方法模擬導波L（0，2）模態，對管道上的裂紋缺陷進行了研究，通過改變裂紋的寬度和長度定量分析裂紋缺陷的回波特征，并根據特征形態進行深入分析。結果表明：裂紋寬度對反射波在周向上的分布具有一定影響；裂紋反射面積小于管道橫截面積的3%時，導波的反射系數低于5%，從而難以被檢測到。

導波 管道 裂紋缺陷 模擬 有限元方法 反射系數

超聲導波作為一種新型的無損檢測手段，具有快速、精確的檢測能力，已廣泛應用于石油、天然氣和電力等領域。目前導波在管道檢測方面已取得非常大的進展[1-3]。國外，P．Cawley等[4]利用有限元方法，分別研究了導波在不同直徑管道上的軸向、周向裂紋的反射系數。D.N.Alleyne等[5]通過模擬的方法研究了導波反射系數和缺陷之間的關系。M.J.S.Lowe等[6]研究了導波在裂紋處的反射模擬狀態。國內，孫廣開等[7]應用ANSYS有限元軟件建立了管道模型，通過對接收信號的分析，較為準確地定位了缺陷位置。為了探究裂紋對超聲導波檢測的影響規律，本研究以有限元模擬方法采用導波L（0，2）模態對管道上的裂紋缺陷進行檢測研究，通過改變裂紋的寬度和長度定量分析裂紋缺陷的回波特征，并根據特征形態進行深入分析。

1 有限元模擬方法

采用大型有限元軟件ANSYS進行模擬，并采用英國帝國理工大學開發的DISPERSE頻散軟件對外徑為70 mm、壁厚為3.5 mm的薄壁管道進行頻散曲線繪制。圖1（a）所示為0～250 kHz的直管道群速度頻散曲線，由圖可知導波L（0,2）模態在80～140 kHz范圍內頻散程度相對較小，傳播速度比其他模態大，據此可區分導波L（0,2）模態和其他模態。本次模擬的激發頻率選用140 kHz。激發信號采用10個周期經漢寧窗函數調制的正弦單音頻信號，如圖1（b）所示。激發10個周期的波形，這樣既可以保證明顯的波形，又可避免由于波形周期較多而引起波形疊加現象。

圖1 模型及激發波形

激勵信號的表達式如式（1）所示：

式中，x（t）為信號幅值（m），t為激勵時間（s），fc為激勵頻率（Hz），n為信號周期。

利用ANSYS進行模擬仿真的步驟大致為：前處理、加載并求解、結果后處理。建立合適的模型是有限元分析的基礎。由于管道的結構相對比較簡單，所以采用直接建模的方法，自底向上建立模型，即從點到線，再從面到體。ANSYS軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。其類型包括普通的線單元、面單元、體單元，還有特殊單元，如接觸單元、間隙單元和表面效應單元等。本模擬采用的是三維實體單元Solid164。網格劃分及裂紋缺陷如圖1(c)、(d)所示。

載荷條件是對物體實際工況的模擬，載荷施加的方法將直接影響分析過程以及分析結果的正確性、精確性。本文將導波信號施加在管道的一端，采用路徑的方式選擇管端的一組節點，如圖1(c)所示，激發信號施加在這些節點上。根據預估的導波傳播時間，設置求解時間。由于所需要激發的模態為L（0,2）模態，所以選擇軸向振動方向。

在ANSYS中結果后處理有兩種模式，一種是通用結果后處理器POST1，另一種是時域后處理器POST26。其中時域后處理器POST26用于跟蹤指定結果與施加載荷歷程之間的關系。本研究采用動力學分析，使用時域處理器可查看模型指定位置的分析結果隨時間、頻率的變化情況，即得到時域波形圖，進而對缺陷的位置進行判斷。

試驗對象為外徑70 mm、壁厚3.5 mm、長度2000 mm的碳鋼管道。管道材料參數如表1所示。

表1 管道材料參數

1.1 裂紋寬度對導波檢測的影響

模擬采用長2 m的管道，裂紋設置在距離激發端1 m處，裂紋為擴展角度45°的通透裂紋。裂紋寬度依次為：0.5，1，1.5，2，2.5，3 mm。數據接收及處理方法如下：（1）利用各接收節點的數據繪出反射系數圓柱圖（反射系數=反射回波幅值/激發波幅值）；（2）根據圖2（a）所對應的特征，分別在33.75°和191.25°位置處劃分分界線，并將圓柱坐標圖分成A、B兩部分；（3）分別在A、B兩部分找到最大反射系數值，并進行線性分析，如圖 2（b）所示。

圖2 接收節點圓柱坐標圖和極值點坐標圖

由圖2（a）、（b）可以看出:（1）缺陷所在的A部分，隨著裂紋寬度的增大，反射系數隨之減小；而B部分，反射系數逐漸增大。這表明裂紋寬度能夠對反射波在周向上的分布產生一定的線性相關影響。（2）在不同的裂紋寬度下，A部分和B部分的反射系數之和維持在0.280～0.285之間，可以理解為兩部分的能量之和維持不變；即不管裂紋寬度為多少，導波反射的總能量不變。

1.2 裂紋長度對導波檢測的影響

模擬管道長度為2 m，裂紋距離激發端1 m，裂紋的寬度設置為2 mm，裂紋長度以裂紋擴展角表示，依次為 11.25°，22.5°，33.75°，45°，56.25°，67.5°，78.7°，90°，裂紋處于管道周向節點12附近（32個節點一圈）。根據圖3（a）所對應的特征，分別在節點6和節點17位置處劃分分界線，并將圓柱坐標圖分成A、B兩部分；分別在A、B兩部分找到最大反射系數值，并進行線性分析，如圖3（b）所示。

圖3 接收節點坐標圖和極值點坐標圖

由圖 3（a）、（b）可以看出:（1）各缺陷程度下反射系數曲線在周向缺陷處（節點12附近）出現局部峰值；在其對角（節點28）處也出現了極大值。（2）裂紋擴展角越大，反射系數也越大；當裂紋擴展角為11.25°（即3%的管道橫截面積）時，反射系數特征不明顯，并且反射系數低于5%。（3）A、B部分的最大反射系數都隨著擴展角減小而減小。

2 結論

（1）導波反射系數與裂紋缺陷的反射面大小呈線性關系，與裂紋寬度無關，反射面越大，反射系數也越大；當反射面小于3%時，反射系數低于5%，從而難以判斷缺陷。

（2）裂紋寬度能對反射波在周向上的分布產生一定的線性相關影響，裂紋寬度越大，裂紋在周向位置處的反射系數就越小，其對角位置反而越大。

（3）當采用壓電式傳感器進行導波短距離檢測時，建議分別進行信號接收，并根據傳播距離和回波幅度判斷裂紋缺陷在周向上的位置。

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Simulation Research of Piping Crack Detection Based on Ultrasonic Guided Wave

Zhang Pugen Zhang Ye Ding Ju Liu Shuhong

The finite element simulation of guided wave L(0,2)modes is used to study the crack defects in the piping.By changing the width and length of crack defects,the echo characteristics of crack defects are quantitatively analyzed.And the analysis is carried out based on the characteristic morphology.The results show that the width of the crack has some influence on the circumferential distribution of the reflected wave.When the crack reflection surface is less than 3%of the cross sectional area of the pipe,the reflectivity of guided wave is less than 5%,which is difficult to be detected.

Guided wave;Pipe;Crack defect;Simulation;Finite element method;Reflection coefficient

TQ 050.7

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.013

2016-12-12)

*張蒲根，男，1988年生，碩士。上海市，200062。