基于導(dǎo)波理論的市政管道缺陷檢測的反射試驗研究

陳桂鳳，劉曉晴，張鑫遠，趙乃志

(揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

1 概 述

管道是石油、天然氣、化學(xué)和水運輸行業(yè)中主要的基礎(chǔ)設(shè)施。為了準確有效地對管道進行有計劃的維護和更換操作，在管道檢查過程中能夠準確地判定管道的健康狀態(tài)就變得十分重要。當前對管道缺陷進行健康檢測的方法有很多種，但是都有各自的缺陷(比如損傷識分辨率低)。超聲導(dǎo)波在無損檢測領(lǐng)域是一種新興技術(shù)，由于其在理論和實踐上的不斷發(fā)展，在管道檢測領(lǐng)域越來越體現(xiàn)出廣泛的適用性應(yīng)用前景。

導(dǎo)波傳播與管道中的缺陷的相互作用產(chǎn)生的反射信號包括大量與缺陷有關(guān)的信息。該信息可以指示缺陷的存在、位置、嚴重性或其他特征。更好地理解導(dǎo)波反射的細節(jié)能有助于表征缺陷的這些特征。因此，本文旨在在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，通過進一步的試驗來研究此問題，以發(fā)現(xiàn)新的基本規(guī)律，從而使準確、定量地研究管道缺陷成為可能。

2 試驗裝置

為了識別邊緣反射信號的特征并揭示邊緣反射與缺陷幾何參數(shù)之間的關(guān)系，對外徑為34 mm，壁厚為4 mm，長度為2 030 mm的三種鋼管進行了試驗。

在每根管道上制作一個人工缺口作為缺陷，它具有指定的軸向和周向范圍以及徑向深度，如圖1所示。在試驗過程中，使用銑削機將這三個參數(shù)的值逐漸增加到模擬不同大小或嚴重程度的缺陷。

圖1 管道缺陷的三維參數(shù)(軸向范圍，徑向長度和周向范圍)示意圖

激發(fā)頻率采用經(jīng)過漢寧窗函數(shù)調(diào)制的縱向L(0,2)模態(tài)的導(dǎo)波，因為它易于激發(fā)并且具有相對簡單的聲場。選擇頻率范圍為100～240 kHz的頻率是因為相應(yīng)激發(fā)的L(0,2)模式幾乎是非色散的，并且傳播速度最快。如圖2～3顯示了所檢查管道的相位和群速度色散曲線。在所選頻率范圍激發(fā)L(0,2)模式導(dǎo)波在一定程度上降低了前面討論的信號復(fù)雜度。

圖2 相速度頻散曲線

圖3 群速度頻散曲線

圖4是本次試驗裝置和儀器。一個由一定數(shù)量的壓電換能器(PZT)組成的環(huán)粘結(jié)在管道的一端，以激勵和接收導(dǎo)波數(shù)據(jù)。PZT由長度擴展型壓電材料制成，并呈軸對稱分布，因此，可確保僅激發(fā)預(yù)期的縱向模態(tài)，而抑制彎曲模態(tài)。通過任意信號發(fā)生器激發(fā)一個L(0,2)模態(tài)的五峰導(dǎo)波到所檢測的管道中。

圖4 試驗裝置

3 試驗結(jié)果分析

對帶有人工制造缺陷的管道進行了測試，其徑向深度和圓周范圍分別保持不變，軸向范圍尺寸從3 mm逐漸增加到170 mm。在制造每個缺陷之后進行測試得到數(shù)據(jù)。制造缺陷時，接近傳感器的每個前邊緣保持不變，而到后邊緣的軸向范圍增加，如圖5所示。

圖5 管道缺陷的前邊緣和后邊緣的圖示

從整個缺陷反射的信號主要包括兩部分：來自缺陷前邊緣入射波的反射過程的信號，來自更復(fù)雜的波相互作用過程的信號，其中包括穿過缺陷的前邊緣的波的傳輸，從缺陷的后邊緣的反射以及通過前邊緣的反射波的第二次透射。在這里，將這兩個部分稱為“前邊緣信號”和“后邊緣信號”。前者主要取決于缺陷前邊緣的幾何輪廓，包括其深度和周長。后邊緣信號的模式和能量與更多的因素有關(guān)，包括缺陷的兩個邊緣及其缺陷區(qū)域的幾何輪廓。

兩個邊緣信號的不同特征會不可避免地導(dǎo)致反射的復(fù)雜性和直接評估缺陷的難度。應(yīng)該注意的是，在缺陷的軸向范圍相對于傳播波的波長不敏感地較小的情況下，這兩個主反射之后的混響信號對最終信號的影響可以忽略不計，因為它們幾乎隨著高階因子衰減了。

由于前后信號都包含具有有關(guān)缺陷特征的不同特征的信息，因此，這兩個信號的重疊使反射明顯變得極為復(fù)雜。因此，提取兩者然后在缺陷特征分析中進行單獨或聯(lián)合分析就很有必要。這種提取可以使復(fù)雜的反射問題分解為與邊緣反射有關(guān)的幾個相對簡單的問題。邊緣信號涉及較少的缺陷參數(shù)，因而比直接反射問題更容易分析。而且兩個邊緣信號可以提供更多獨立且相關(guān)的缺陷信息。一旦識別出提取的信號，就可以根據(jù)波組速度和兩者的時移，輕松而準確地得出與兩個邊緣反射之間的相對距離直接相關(guān)的缺陷信息。

通過擴展缺陷的軸向尺寸(至86 mm或170 mm)，能夠在接收到的回波信號中識別出前沿信號，從而可以隨著時間的推移清晰地觀察到來自兩個邊緣的分離信號。利用該信號作為參考，可以簡單地通過從收集的每個反射信號中減去參考來提取嵌入在不同軸向范圍內(nèi)的全反射中的后沿信號。從該過程中獲得的結(jié)果顯示在圖6中，該圖顯示了所有后邊緣信號中的周期數(shù)幾乎保持恒定，并且振幅隨軸向范圍的變化而變化。由于缺陷兩個邊緣之間的混響，在每個信號的后部會出現(xiàn)少量噪聲。

圖6 接收到的缺陷前后邊緣信號

后沿信號的幅度更加復(fù)雜，在不同的軸向范圍內(nèi)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。圖7示出了在這些不同程度的后邊緣信號的反射系數(shù)譜的能量。Y坐標是反射后邊緣信號的均方根(RMS)值，以公共前沿信號的RMS值作為歸一化因子。

圖7 軸向延伸缺陷與兩個反射分量(前邊緣信號和后邊緣信號)之間的關(guān)系圖

x坐標是175 kHz(31.157 mm)處入射波的軸向范圍與波長之比。從圖7(a)可以看出，由于缺陷的前邊緣對后邊緣信號的生成的影響，后邊緣信號在x處從0到1.4的反射系數(shù)表現(xiàn)出大致的周期性變化。隨著軸向范圍的增加，后沿信號的反射系數(shù)呈現(xiàn)出如圖7(b)所示的相對穩(wěn)定的變化。這是因為在這些情況下，前邊緣信號和后邊緣信號在時間上是完全分離的，后者主要取決于缺陷后邊緣的幾何特征。此外，還應(yīng)注意，前端信號的反射系數(shù)始終大于后端信號的反射系數(shù)。

將收集到的試驗數(shù)據(jù)作為參考比較容易獲得這些結(jié)果，即當缺陷的軸向范圍足夠長時，可以比較容易識別出前沿信號。在實際應(yīng)用中，可以通過將基于數(shù)據(jù)分析的方法直接應(yīng)用于采集的信號來實現(xiàn)邊緣反射信息的提取。

4 結(jié) 論

本文研究了導(dǎo)波管道缺陷的前后邊緣導(dǎo)波反射情況，并且特別研究了管道缺陷的幾何參數(shù)對每個邊緣反射信號的相應(yīng)影響。結(jié)果表明，缺陷反射信號的復(fù)雜性是由具有不同特征的反射邊緣信號之間的重疊引起的。本文考慮的缺口型缺陷涉及缺陷區(qū)域和管壁邊界處的橫截面積的兩個明顯變化，因此，可以自然地將前端信號和后端信號識別為全反射的主要成分用來提取信號進行缺陷表征。

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