超聲界面波在充液雙金屬復(fù)合管道中的傳播特性分析

孔令天， 李 兵， 張?jiān)骑w， 李明航， 王家琪

(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710049)

復(fù)合管道由兩種或兩種以上材料復(fù)合而成，利用各層材料的特性抵抗運(yùn)輸介質(zhì)的腐蝕和外界環(huán)境的侵蝕，大大提高了管道的使用壽命和環(huán)境適應(yīng)性。金屬復(fù)合管道利用耐蝕金屬襯里進(jìn)行管材的防腐改性，借助基管力學(xué)性能保證強(qiáng)度，極大降低了管道腐蝕泄露的概率、起到較好的防腐作用，是解決管線腐蝕問題的一種相對安全和經(jīng)濟(jì)的辦法[1]。

目前，復(fù)合管道的檢測常常采用超聲導(dǎo)波的方法。超聲導(dǎo)波法是根據(jù)超聲導(dǎo)波在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中能量衰減小、傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，用于管道系統(tǒng)的大規(guī)模無損檢測。在管道的一端激勵某種模態(tài)的超聲導(dǎo)波，在管道合適位置接收超聲導(dǎo)波的回波信號，通過分析回波信號，判斷管道內(nèi)部的狀況[2]。與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，超聲導(dǎo)波法檢測具有檢測方便、檢測速度快、檢測距離長、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[3]。

超聲界面波是沿介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ囊环N超聲導(dǎo)波，可以對介質(zhì)的界面位置進(jìn)行檢測。根據(jù)相鄰介質(zhì)的不同，超聲界面波可以劃分為Stoneley波[4]、Scholte波[5]、Rayleigh波[6]。Stoneley波是沿兩半無限大固體介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ慕缑娌?，最先被Stoneley發(fā)現(xiàn)，又稱固-固界面波；Scholte波是沿固體和液體界面?zhèn)鞑サ慕缑娌?，又稱固-液界面波；Rayleigh波稱為表面波，是沿固體和氣體界面?zhèn)鞑サ慕缑娌?，又稱固-氣界面波[7]。相比于單層管道，不同材料層的相鄰界面是復(fù)合管道特有的幾何位置。利用超聲界面波沿介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ奶攸c(diǎn)，可以對金屬復(fù)合管道的界面進(jìn)行檢測。

在超聲導(dǎo)波領(lǐng)域，學(xué)者們已經(jīng)開展了大量工作。劉增華等[8]理論分析和實(shí)驗(yàn)研究了在充非黏性液體管道中超聲導(dǎo)波的傳播特性；劉勝興等[9]研究了在無限液體介質(zhì)管道中超聲導(dǎo)波的傳播特性；蔣謇等[10]研究了孔隙介質(zhì)包裹的充液管道中縱向?qū)Рǖ膫鞑ヌ匦?，并分析了孔隙介質(zhì)參數(shù)對頻散曲線的影響；趙乃志等[11]理論研究了超聲導(dǎo)波在充液埋地管道結(jié)構(gòu)中的傳播特性；齊向上[12]對充黏性液體的單層管道進(jìn)行了損傷檢測的實(shí)驗(yàn)研究；宋振華等[13]研究了基于小波分析的超聲導(dǎo)波法充液管道的損傷檢測，并對導(dǎo)波的頻散現(xiàn)象進(jìn)行了理論和數(shù)值分析。然而，針對超聲界面波在充液金屬復(fù)合管道中的傳播問題尚鮮有報道。在油氣輸送領(lǐng)域，石油管道在工況下內(nèi)部充滿液體。故研究超聲界面波在充液金屬復(fù)合管道中的傳播特性、實(shí)現(xiàn)對充液管道界面位置的檢測，對節(jié)約工況管道的檢測時間、提高檢測效率、增加經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

隨著數(shù)值分析軟件的進(jìn)步，科研人員越來越多地采用有限元仿真分析軟件研究各類振動和聲學(xué)問題。謝大帥等[14]利用ANSYS軟件研究了氣液兩相流海洋立管的流固耦合振動，并將單、雙向流固耦合進(jìn)行了對比分析；曾昭陽等[15]利用ANSYS軟件研究了基于多層圓柱殼體結(jié)構(gòu)的潛艇減振降噪問題，并定量分析了影響減振效果的因素；McCarthy等[16]利用ABAQUS軟件分析了固-氣界面波的傳播情況；董福祥等[17]采用COMSOL軟件對多孔材料夾層板的隔聲性能進(jìn)行了仿真分析，并研究了影響隔聲性能的因素。有限元仿真分析軟件的應(yīng)用，為模擬并分析各種工程問題的工作過程和作用機(jī)理提供了便利。

基于此，采用電信號激勵超聲界面波的有限元分析方法，重點(diǎn)研究超聲界面波在充液雙金屬復(fù)合管道中的傳播問題。仿真分析超聲界面波在充液雙金屬復(fù)合管中的傳播特性，與超聲界面波在空的雙金屬復(fù)合管道中的傳播特性進(jìn)出對比，分析不同液體對超聲界面波傳播的影響，以期為復(fù)合管道損傷檢測提供理論參考。

1 充液雙金屬復(fù)合管道的有限元建模

在充液雙金屬復(fù)合管道這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，利用壓電材料激勵超聲界面波，沿著管道軸向方向傳播，該過程涉及電、力、聲等多個物理場?；诖?，采用COMSOL軟件進(jìn)行多物理場耦合的仿真分析。COMSOL是一款采用有限元方法求解多物理場耦合問題的大型仿真軟件，它將每一種物理場表達(dá)成一個偏微分方程，對多個物理場耦合的偏微分方程組進(jìn)行離散、通過差值的方法求得方程組的結(jié)果，從而解決多個物理場耦合的問題。

雙金屬復(fù)合管道具有軸對稱結(jié)構(gòu)，采用二維軸對稱空間建立充液雙金屬復(fù)合管道的幾何模型，分別建立液體、鋼管、鈦管以及激勵探頭的幾何模型。其中液體材料選擇水作為具體仿真對象；探頭幾何模型建立在裸露鋼管的外表面，由壓電材料和丙烯酸塑料兩種材料組成，給壓電材料施加漢寧窗調(diào)制的激勵電壓信號，利用逆壓電效應(yīng)激勵超聲界面波。有限元模型，如圖1所示。

圖1 仿真模型Fig.1 Simulation model

1.1 材料參數(shù)

根據(jù)超聲導(dǎo)波有限元仿真的需要，設(shè)置充液雙金屬管道中各種材料參數(shù)，如表1所示。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

1.2 仿真參數(shù)

1.2.1 激勵信號

采用頻率為1MHz經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的五周期正弦電壓信號，激勵信號時域波形如圖2所示。

圖2 激勵信號Fig.2 Excitation signal

1.2.2 邊界條件設(shè)置

固體邊界采用低反射邊界條件，消除雜波的干擾；液體邊界采用阻抗邊界條件，超聲導(dǎo)波部分能量被吸收，部分能量被反射。

1.2.3 有限元網(wǎng)格劃分

采用四邊形網(wǎng)格劃分幾何，提高有限元分析的精度；采用獨(dú)立網(wǎng)格劃分技術(shù)，針對不同幾何，根據(jù)相應(yīng)幾何所賦予的材料特性來確定有限元網(wǎng)格的大小，網(wǎng)格尺寸為對應(yīng)材料縱波波長的1/6，從而在保證計(jì)算精度的同時，提高計(jì)算效率。

1.2.4 多物理場選擇和耦合

選擇靜電場、固體力學(xué)場、壓力聲學(xué)場，耦合壓-電效應(yīng)和聲-結(jié)構(gòu)邊界，實(shí)現(xiàn)電-力-聲的多物理場耦合。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 超聲界面波的傳播特性分析

超聲界面波在充液金屬復(fù)合管道中的傳播云圖，如圖3所示。

圖3 典型時刻的仿真云圖Fig.3 Simulation cloud chart of typical time

在導(dǎo)波激勵的起始階段，一股導(dǎo)波能量沿鋼管外表面?zhèn)鞑?，形成?氣界面波；另一股能量射入液體中，形成液體中的超聲導(dǎo)波并向管壁對面擴(kuò)散傳播。如圖3(a)所示。

固-氣界面波在傳播過程中，能量逐漸向固液界面處遷移、形成固-液界面波并向前傳播。同時，液體中的超聲導(dǎo)波在管道壁面形成反射波。如圖3(b)所示。

隨著傳播的進(jìn)行，原始的固-液界面波能量大幅泄露到水中。此時，主要是液體中的超聲導(dǎo)波在傳播。超聲導(dǎo)波經(jīng)過管道壁面反射，形成一股沿著水-鋼界面?zhèn)鞑サ男鹿?液界面波。如圖3(c)所示。

液體中的超聲導(dǎo)波每經(jīng)過一次壁面反射，就會形成一股新的固-液界面波，從而形成間隔傳播的固-液界面波群組，如圖3(d)所示。對上壁面而言，依次形成1階、3階、5階、7階固-液界面波(階數(shù)代表超聲導(dǎo)波在管道上下壁面的總反射次數(shù))

在充液的金屬復(fù)合管道中，超聲界面波產(chǎn)生和傳播均受到液體的影響。一方面，主要的固-液界面波產(chǎn)生于液體中超聲導(dǎo)波的反射；另一方面，初始激勵的超聲界面波能量在傳播過程中逐漸泄露進(jìn)入液體中。

2.2 超聲界面波的時域信號

在靠近鋼鈦復(fù)合界面的鋼管外表面設(shè)置超聲界面波的信號接收點(diǎn)，采集超聲界面波的時域信號，如圖4所示。

圖4 充水管道中界面波的時域信號Fig.4 Time domain signal of interface wave in water filled pipeline

該時域圖中共有7個波包信號，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)：第一個波包是固-氣界面波直達(dá)信號；后面6個波包全部為由液體中的超聲導(dǎo)波反射形成的固-液界面波信號，依次為1階固-液界面波直達(dá)信號、1階固-液界面波反射信號、3階固-液界面波反射信號、5階固-液界面波反射信號、7階固-液界面波反射信號、9階固-液界面波反射信號。界面波的反射信號以均勻時間間隔分布，也從側(cè)面印證這些界面波源自于液體中超聲導(dǎo)波在管道壁面的反射。

在充液管道中，超聲界面波能量主要分布于固-液界面處，主要沿著固-液界面?zhèn)鞑?，最終以固-液界面波的形式存在。

2.3 仿真對比

在充液復(fù)合管道有限元仿真的基礎(chǔ)上，對超聲界面波在空復(fù)合管道中傳播特性進(jìn)行有限元仿真，與超聲界面波在充液管道中的傳播特性進(jìn)行對比。

(1)超聲界面波在空的復(fù)合管道中的傳播云圖，如圖5所示。在激勵的起始階段，超聲界面波沿著鋼管的外表面?zhèn)鞑?、形成?氣界面波，界面波的能量也集中于鋼的外表面，如圖5(a)所示；到達(dá)分界面時，超聲界面波的小部分能量反射回去、形成沿著鋼管外表面?zhèn)鞑サ姆瓷浣缑娌ǎ蟛糠帜芰可淙脘撯亸?fù)合管道內(nèi)部，形成固-固界面波、沿著鋼-鈦界面?zhèn)鞑?，如圖5(b)、圖5(c)所示。

圖5 空管道的仿真云圖Fig.5 Simulation cloud chart of empty pipeline

超聲界面波在沒有液體的金屬復(fù)合管道中，沒有發(fā)生能量的大規(guī)模泄露，能量保持在初始的界面位置，以初始的傳播路徑向前傳播，并且在分界面處發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換。

(2)在相同的位置采集空管道中超聲界面波的時域信號，如圖6所示。

圖6 超聲界面波在空管道中的時域信號Fig.6 Time domain signal of ultrasonic interface wave in empty pipeline

該時域圖中共有兩個波包信號，根據(jù)超聲導(dǎo)波的飛行時間法，計(jì)算各波包的傳播距離，可以確定第一個為固-氣界面波直達(dá)信號，第二個為固-固界面波經(jīng)過右端面反射回來的回波信號。即在空管道狀態(tài)下，超聲界面波能量集中于界面位置、沿著界面位置傳播，在單層管道處以固-氣界面波的形式傳播，在管道復(fù)合處(具體為鋼鈦復(fù)合界面)主要以固-固界面波的形式傳播。

超聲界面波在空管道和充液管道中有不同的傳播特性。相比于在空管道中的傳播情況，超聲界面波在管道充液狀態(tài)下的傳播特性發(fā)生了變化：超聲界面波在充液復(fù)合管道中有獨(dú)特的傳播特性。

2.4 液體類型對超聲界面波的影響

在研究超聲界面波在充液管道中傳播特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究液體類型對超聲界面波傳播的影響。選取汽油、甘油兩種液體進(jìn)行有限元仿真分析，與水的仿真結(jié)果進(jìn)行對比。汽油、甘油和水這三種液體的材料參數(shù)如表2所示。

表2 液體材料參數(shù)Table 2 Liquid material parameters

采集充甘油管道和充汽油管道中的超聲界面波信號，得到汽油、甘油的仿真結(jié)果如圖7(a)、圖7(b)所示。

圖7 汽油和甘油的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of gasoline and glycerinum

更換雙金屬復(fù)合管道中的液體，超聲界面波的時域信號中仍然存在等間隔排布的波包。與界面波在充水復(fù)合管道中的情況相比，界面波在充汽油復(fù)合管道中的能量相對集中，波包的間隔增大；界面波在充甘油復(fù)合管道中的能量相對分散、波包幅值總體上是減小的，同時波包的間隔縮小。

超聲界面波在充汽油和充甘油復(fù)合管道中保持原來的傳播規(guī)律，印證了界面波在充液雙金屬復(fù)合管道中傳播特性的普適性。液體密度影響界面波的能量分布：液體密度越大，界面波能量越分散；液體的縱波波速影響波包的形成速度：波速越快，形成速度越快。

3 結(jié)論

通過有限元仿真，研究了超聲界面波在充液雙金屬復(fù)合管道中的傳播特性；分析了液體類型對界面波的影響，得出如下結(jié)論。

(1)超聲界面波在充液雙金屬復(fù)合管道中的能量主要分為：①一股能量產(chǎn)生于原始的激勵、集中在復(fù)合管道的固-氣界面處，且隨著傳播的進(jìn)行，能量向管道內(nèi)部和液體中泄漏；②另一股能量產(chǎn)生于液體中超聲導(dǎo)波的反射，集中在管道的固液界面處傳播。

(2)超聲界面波在充液雙金屬復(fù)合管道中傳播過程分為三個階段：①在激勵的起始階段，一股能量形成沿管道表面?zhèn)鞑サ墓?氣界面波，另一股能量射入液體中，形成液體中的超聲導(dǎo)波；②在傳播的中間階段，固-氣界面波能量泄漏到管道內(nèi)部，并在固液界面處形成固-液界面波，進(jìn)而泄漏到液體中；③在傳播的最后階段，液體中的超聲導(dǎo)波在壁面間來回反射并向前傳播，每經(jīng)過一次壁面反射，就在固液界面處形成一股新的固-液界面波，從而形成等間隔分布的固-液界面波群組，并向前傳播。超聲界面波最終主要以固-液界面波的形式存在。

(3)液體類型對超聲界面波有一定影響。液體密度影響界面波的能量分布：液體的密度越大，界面波的能量越分散；液體縱波波速影響固-液界面波的形成速度：縱波波速越快，固-液界面波的形成速度越快。