超聲導波在管道缺陷成像中的發展與挑戰

衛小龍， 杜國鋒， 袁洪強， 張丹富， 馬 騏

(1.長江大學石油工程學院， 武漢 430100； 2.長江大學城市建設學院， 荊州 434020)

長輸管道具有高效、便捷、環保等特點，已成為與航空、水運、鐵路、公路并行的五大運輸手段之一，被廣泛應用于石油、天然氣、煤氣、水、核電站等運輸的各個方面，是國民經濟發展的大動脈，是改善人民生活、維護社會穩定、加強國防建設的基本條件。輸送管道大多埋置在地下或者水中，服役環境復雜，由于落實沖擊、地震、人工擾動(如建筑施工、基坑開挖)等極易引起管道破壞，造成泄露，從而給經濟、環境和人身安全帶來不可挽回的重大損失。保證管道的質量是確保其安全運營的前提，金屬管道缺陷檢測是保證管道質量的重要技術措施之一，它不僅可以保證管道的安全運營，而且還可以延長管道的使用壽命。無損檢測的方法種類繁多，然而導波作為一種無損檢測與評價技術，以其具有長距離、大范圍、效率高等優勢而備受關注。隨著研究人員對導波傳播機理和激勵接收方法的深入研究，導波檢測技術在管道結構健康監測與評價方面得到了廣泛應用。

管道導波理論是在19世紀末的柱面導波傳播理論基礎上展開的，Pochammer[1]和Chree[2]最早研究了自由棒中的導波傳播。隨后Davies[3]、Pao等[4]、Onoe等[5]、Meeker等[6]在此基礎上研究了縱向模態和扭轉模態的頻散曲線以及群速度的求解。1959年，Gazis[7-8]在前人研究基礎上，通過數值模擬給出了縱向模態和扭轉模態頻散方程的通解以及頻散曲線。1963年，Fitch[9]在實驗中激勵了最低階的四個對稱和不對稱模態的導波，測得群速度的實驗值，驗證了Gazis的結論。直至20世紀70年代，Mohr等[10]、Silk等[11]分別首次采用電磁式和壓電式傳感器對管道橫向和縱向缺陷成功進行了檢測。自此，開始了管道缺陷檢測的新篇章。

1 管道導波的傳播模態

常用于空心圓柱缺陷檢測的超聲導波有三種：沿圓柱軸向方向傳播的縱向導波、沿圓柱周向方向傳播的周向導波和沿圓柱表面傳播的表面波。

縱向導波按照聲源質點的振動形式不同，可以分成三種模態，即縱向模態(L模態)、扭轉模態(T模態)和彎曲模態(F模態)，如圖 1所示。其主要用于管道軸向的長距離檢測。文獻[12-14]、Filleter等[15]、何存富等[16]、Ma等[17]分別利用縱向模態L(0，2)、低階T(0,1)模態，對管中軸向切槽、裂紋缺陷的反射特征進行研究以及小徑厚壁管內外壁軸向缺陷的檢測和定位。

周向導波按傳感器偏振方向的不同可以分為兩類：周向類Lamb波和周向SH波，如圖2所示。周向導波由于其傳播路徑閉合，適用于檢測管道周向缺陷。Qu等[18]、何存富等[19]研究了圓管中周向導波的頻散特性和軸向缺陷的檢測。表面波可以在不規則構件表面傳播，不發生反射，傳播距離遠，衰減較小，表面波傳播和質點振動如圖3所示，因此適合大型復雜厚壁結構的超聲檢測。

圖1 不同縱向導波模態

圖2 不同周向導波模態

20世紀90年代，是導波技術快速發展的階段，Rose等[20]提出管道導波檢測的一般原則，Hayashi等[21]在2005年提出了合成聚焦技術的缺陷成像方法，隨后Mu等[22]在2008年發展了導波相控陣聚焦技術，并實現了對管道包覆層的檢測，Deng等[23]將時間反轉聚焦技術應用于管道檢測中。然而，針對損傷識別和結構健康監測來說，管道缺陷成像技術作為研究對象相對較少。在SCI(Science Citation Index)數據庫進行文獻搜索，以“pipeline”“guided wave”“weld defect”為關鍵詞，近些年的研究成果如圖4所示。可以看出，只有近三年管道缺陷成像技術的研究成果才呈遞增趨勢，但數量仍較少。經過調研大量文獻，梳理、分析、總結導波在管道缺陷成像中的發展以及面臨的挑戰，方便后續研究人員開展工作。

圖3 表面波示意圖

圖4 SCI數據庫中近年來管道缺陷成像技術研究成果

2 管道導波的損傷成像技術

管道損傷識別屬于典型的逆過程，逆過程推理的解是模糊的。就同一信號而言，解釋的結論可能并非唯一，原因在于管道缺陷可能是由多種因素共同作用的結果，這種不確定性使得逆向推導極具挑戰，因此能直觀反映管道損傷特征的成像技術成為了超聲導波結構健康監測領域的研究熱點。超聲導波成像技術是對管道中收集的信號進行處理，可以更加直觀地通過圖像表征損傷信息，將損傷可視化。基于管道中傳感器陣列的分布，分為稀疏陣列和密集陣列。近年來研究人員提出的相控陣成像方法屬于密集陣列導波成像；時間反轉成像方法、層析成像方法、偏移成像方法、延遲疊加成像方法屬于稀疏陣列導波成像。

2.1 相控陣成像方法

相控陣成像是通過激勵時間的延遲、相位的疊加來控制波束的偏移和聚焦。該方法通過損傷信號的相干疊加從而提高導波信號的信噪比，不改變陣列的位置即可掃描整個監測區域。1906年,Karl首先提出相控陣的概念[24]，Sergei在Lamb波信號檢測的的基礎上，于1935年提出“超聲波相機”，為相控陣成像埋下了伏筆[25]。20世紀90年代，是導波技術快速發展的第二階段，伴隨著信息技術的崛起，成像方法日益完善。研究人員引入延時和相控技術，實現導波聚焦、信噪比的提升。1995年，Demol等[26]對比同向激勵和相控激勵兩種方式，結果表明相控激勵可大大提高模態信號。美國南卡羅萊納大學的文獻[27-29]首次提出嵌入式超聲導波用于無損評估(NDE)和結構健康監測。從算法的一般概念入手，討論了用相控陣生成Lamb波的詳細信息、群速度散射曲線、最佳激勵頻率以及波前全向性。其次介紹了超聲導波在概念驗證中的實現，描述了相控陣的構造，說明了檢測相控陣寬邊和反邊裂紋的方法。最終實現視覺互動，且能夠達到很高的檢測精度。隨后其團隊基于壓電晶片主動傳感器(PWAS)相控陣列，利用信號處理的方法，采用離散小波變換去噪、空間域傅里葉變換進一步提高相控陣成像質量。Wilcox等[30]基于圓環全向相控陣，結合反卷積處理相位疊加算法，成功抑制相控陣旁瓣，實現0～360°各向損傷檢測。Ambrozin等[31]、Marchi等[32]和Kim等[33]針對導波在結構中波束成型的問題，進行了波束優化，提出了一種通用的波束成形算法。Malinowski等[34]在結構中布置多個線型相控陣列，每個相控陣都獨立作用，并根據波束形成過程生成掃描圖件。這些圖由時間信號(傳輸到空間域)組成，表示損壞信號與完整信號之間的差異。利用開發的算法來連接四個圖像，通過信號處理算法修改得出最終圖，以更精確地指示損壞區域，提高了損傷診斷結果的準確性。羅更生等[35]針對大曲率油氣管道缺陷是目前難以攻克的難題，利用有限元方法分析，通過L(0, 2)模態和T(0,1)模態導波的傳播，采用相控陣技術，提出了對于大曲率對焊彎管缺陷的相控陣超聲導波成像方法。

結合相控陣的超聲導波檢測技術主要通過導波相控激勵、分區接收、陣列排布以及后期不同的信號處理方法來豐富導波檢測手段，提高導波信號冗余度，增大缺陷檢出成像概率。相控陣成像方法運用手段多，傳感網絡密度高，精度高。然而算法較復雜，計算難度較大，而且根據相控陣列的排布對構件環境要求高，所以適用于相對較簡單構件。

2.2 時間反轉成像方法

時間反轉法是由光學相位共軛法演變而成的一種自適應聚焦方法。將空間不同位置傳感器接收的激勵信號，按照時間逆過程重新加載在換能器上，從而形成聚焦效應。利用此原理，控制聚焦條件和時間參數，使同損傷信號的相關模態響應疊加增強，從而提高損傷信號的信噪比。1989年法國Fink教授于首次提出，將光學中相位共軛原理應用到超聲領域。而直至1992年，超聲時間反轉法才被法國巴黎第七大學的Wu等[36]正式提出，并對時間反轉自適應聚焦、實現非均勻介質的時空匹配濾波做了大量工作。隨后，隨著研究的深入，Watkins等[37]、Liu等[38]、Sohn等[39]改進了時間反轉法，從傳感器的激勵接收模式、多通道時間反轉聚焦、非線性損傷的反轉信號重構等方面進行了重新設計。2003年，Lehman等[40]開發的新理論基于傳感器系統的廣義多靜態數據矩陣的奇異值分解,派生了一種通用的多信號分類算法，該算法允許對來自任意傳感器陣列幾何形狀的分辨良好和非分辨良好的點目標進行超分辨率成像。利用多靜態數據矩陣的奇異矢量定義的散射體和噪聲子空間的正交特性來形成散射體圖像。在兩個垂直偏移剖面上，計算機模擬對時間反轉算法進行了測試和驗證，結果與“經典”反向傳播和場聚焦相比，這種新算法組合具有高對比度，高分辨率成像功能。

然而在實際工況中，研究人員難以獲取健康狀態下的基準信號，因此，無基準信號的導波檢測方法成為近些年來研究的熱點。Xu等[41]基于瑞利的精確解，通過開發用于分析與PWAS相關的導波時間反轉的理論模型來解決此問題。該理論模型首先用于預測單模導波的存在，然后數值研究單模和雙模導波的時間反轉行為，強調了單模調諧在時間反轉損壞檢測應用中的優勢，通過實驗研究驗證了提出的理論模型的有效性。此外，提出了一種用于判斷Lamb波時間反轉不變性的相似性度量。研究表明在一定條件下，使用PWAS調諧的單模Lamb波可以大大提高時間反轉損傷檢測的有效性，在無基準信號的前提下檢測損傷類型。Hyun等[42]開發了一種基于小波的信號處理技術來增強時間可逆性，通過使用時間反轉方法成功地重構了壓電(PZT)貼片上的輸入信號。這項研究的最終目標是開發一種基于時間反轉過程的無參考損傷診斷技術，從而可以在不依賴任何過去基準數據的情況下識別缺陷。除此之外，科研人員還采用多種方法相結合，Lucena等[43]提出將時間反轉法和光譜元素法相結合的結構損傷檢測新方法，盡管該方法是通過數值模擬進行評估的，但是數值建模和時間反轉信號處理的結合可以作為一種實驗方法來應用，以便損傷檢測。

時間反轉法的主要目的是抑制導波頻散，使各個模態在時間、空間上聚焦，最終實現能量在聲源位置信號重構。其算法相對簡單，適用于大面積構件，而精度較相控陣稍低，多數情況需要基準信號進行對比。

2.3 層析成像法

超聲導波層析成像技術源于醫學CT，只是傳播介質由X射線變為導波。其原理是利用多源發射和多源接收的方式，當導波遇到損傷時傳播速度發生改變，通過求解傳播路程、慢度、到達時間等參數對損傷情況進行評價，來實現區域圖像的重構。20世紀80年代末期，利用計算機自動數據采集以及濾波反投影技術，開始了缺陷成像研究。而管道缺陷成像起步稍晚，1999年Hildebrand等[44]克服了管道絕緣層的影響，對管道結構中的損傷缺陷識別定位。Breon等[45]利用導波厚度測量層析成像方法在管道關鍵區域進行結構健康監測，創新性地提出概率重建算法。該算法能夠快速、有效地重構出結構中的損傷圖像。蔡海潮[46]在此基礎上分析了雙曲線反投影重建成像和概率重建成像的原理。提出利用全時域信息來刻畫信號特征，結合信號差系數的概念，不僅可定位管道損傷位置，而且可以快速獲得被測缺陷圖像，并在成像算法中引入可變參數β值來調節改善成像質量。袁琪楠[47]則通過對比參考信號和損傷信號的差異，提出了相關性RAPID(快速)層析成像技術的相控陣超聲導波管道監測算法，從信號差異提取和相互差異重建兩方面，利用數值模擬和實驗驗證并分析了算法在不同缺陷尺寸和缺陷位置時成像效果。Leonard等[48]使用多次頻率掃描，通過一種頻率步行排序的算法實現了正確的模態遴選。每種模態都有不同的貫穿厚度位移值，因此每種模態都對不同類型的缺陷敏感，從多模態分析中獲得的信息可以增進對被檢材料結構完整性的理解。Wright等[49]、Malyarenko等[50]、Hay等[51]利用扇束掃描方式和信號差分實現成像。然而在常規的標準平行投影、扇形波束投影和十字交叉投影等方法中，Leonard等[52]發現十字交叉投影適用范圍最廣，且不受構件幾何形狀的限制。隨后該團隊通過識別不同類型損傷，提出了多模態層析成像方法有效提高損傷成像的可靠性。王強等[53]采用信號差分，改進傳統的 RAPID 層析成像技術，提出了十字正交掃描方法來監測裂紋的方向，實現對缺陷層析成像圖的重構。

層析成像法主要通過布置在被檢區的傳感器識別損傷處的導波波速、能量、模態的特征變化，進行圖像重構。其成像精度高，但傳感密度要求也高，所以其精度嚴重依賴于傳感路徑的數量，不適用于大面積結構，在結構熱點區域應用較多，工程應用具有局限性。

2.4 偏移成像法

超聲導波偏移成像方法來源于地質勘探，使用了波前、繞射等波傳播的惠更斯原理實現地質結構成像，后擴展至結構健康監測。由美國北卡羅來納州立大學的Yuan等提出，該方法將損傷視為波源，通過計算信號的回傳時間，可反演重建損傷散射的聲場，進行損傷成像。其領導的團隊對該成像方法進行了大量研究[54-58]。早期提出的方法基于疊后逆時偏移技術，因其精度不夠，又提出了一種疊前逆時偏移方法，但主要用于檢測板中的損傷。此外，嚴剛等[59]針對多類型損傷以及實時監測，推導了彌散性彎曲波頻率-波數域的快速偏移方法。大大提高了計算速度，以滿足在線損傷識別和監測的要求。張曉丹等[60]采用基于提升構架的整數小波變換的多級樹集合分裂圖像編碼方法，降低逆時偏移計算時的內存占有量，解決了在不影響成像精度的情況下，縮短逆時偏移的計算時間。

偏移成像法在地球物理、地質勘探中應用廣泛，是一種成熟的方法，而目前在管道結構監測領域研究成果較少。然而其傳感網絡稀疏，算法簡單，可用于多損傷監測，同時還適用于簡單和復雜構件，這些優點是不容忽視的。因此該方法研究內容值得后續研究人員借鑒，用于管道導波的損傷成像。

2.5 延遲疊加成像方法

延遲疊加成像方法和橢圓定位法或雙曲線定位法類似，區別在于是否需要提取損傷散射信號的時間。該方法主要采用對成像區域逐點聚焦。根據波速計算損傷路徑時間，得到該點的能量值，再歸一化映射到圖像中得到相應的成像結果，成像中能量較大的亮點為缺陷位置。美國佐治亞理工學院的Michiaels等[61-65]領導的團隊提出了一種多頻率綜合的診斷成像方法，監視這些濾波信號隨時間的變化，以檢測并定位損傷。將時移平均算法應用于多頻率過濾的差分信號，從而得到相同結構狀態的多張圖像，并將這些圖像融合以改善損傷定位和背景噪聲。分析單個圖像和融合圖像以量化其定位缺陷的能力。結果顯示了成像方法的有效性以及圖像融合帶來的顯著改善。隨后，通過局部時間相干性的損失與最佳基線選擇過程的結合，證明損傷檢測是有效的。并且應用于殘余信號的延遲和成像方法既可以對損傷進行定位，又可以提供特征信息。此外該團隊還研究了溫度、應力等環境變化對延遲疊加診斷成像結果的影響，取得較好的效果。文獻[66-67]根據頻域中建立的導波傳感模型，按寬帶激和窄帶激勵兩種方式，在頻散補償方法的基礎上，結合延遲疊加算法，實現了高分辨率損傷成像方法。緊接著為了減小接收信號對不同位置監測靈敏度的差異，引入衰減補償因子，達到了有效識別多損傷的目的。

延遲疊加成像法是一種行之有效的檢測方法，傳感網絡稀疏，算法簡單，適用于大面積構件，且由于可抑制多波峰對檢測結果的影響，使之適用于復雜的多損傷識別。然而其假設每一點均為潛在的損傷點，計算損傷散射路徑時間，因此需提前已知傳播模態及其群速度。

3 缺陷檢測成像技術的機遇與挑戰

在上述5種方法中，每種方法各有其優缺點。在密集陣列導波成像方法中，導波相控陣成像方法傳感網絡密度要求高，檢測精度高，但其算法復雜，適用于簡單構件。而在稀疏陣列導波成像方法中時間反轉法和層析成像法精度也較高，不過其工程應用具有局限性，適用于結構熱點區域；偏移和延遲疊加成像方法算法應用簡單，傳感網絡密度稀疏，應用于大面積及復雜結構，前提是需要了解其傳播模態及群速度。

隨著信息技術的發展，導波缺陷檢測成像技術日益完善。然而超聲導波的多模態、頻散特征和焊接結構的復雜性，提高了缺陷檢測成像技術的難度。目前仍存在一些問題亟待解決。

(1)去除頻散效應，提高信噪比、追求高精度的缺陷成像，是導波成像方法追求的目標。同時，除了目前已實現的損傷定位，損傷的嚴重程度以及形狀定量化分析也有待研究人員進一步探索。

(2)導波成像算法有待完善。當考慮到管道包覆層、運輸介質、管道支架等影響因素時，就需要相應的信號處理算法來補償其帶來的變化，因此算法中考慮的影響因素應更加全面，這是導波成像技術能夠在現場實際應用的重要保障。

(3)導波成像方法需要克服復雜多變的監測環境。在實驗室條件下，目前可以實現準確成像，但考慮到管道服役環境的多樣性、時變性，需要統籌壓力、溫度、濕度、機械振動、輻射等因素對超聲信號的影響，研究人員可以從環境參數補償、概率統計等方面深入研究。

(4)當檢測多個分散的缺陷時，導波穿過局部區域的缺陷，圖像重構質量會下降。要達到一次檢測同時兼顧多種缺陷、完整成像，這對研究人員在傳感器配置、數據采集、分析處理等方面提出了更高的挑戰。

(5)導波成像方法多數采用線性導波特征參數，對結構的疲勞損傷不敏感。在構件的全壽命周期中，不得不考慮中后期構件疲勞過程中產生的裂紋以及微裂紋的擴展。因此從非線性超聲檢測技術出發，考慮導波成像也是一種新的途徑。