基于導(dǎo)波理論的市政管道缺陷檢測(cè)的反射試驗(yàn)研究

陳桂鳳，劉曉晴，張?chǎng)芜h(yuǎn)，趙乃志

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 概 述

管道是石油、天然氣、化學(xué)和水運(yùn)輸行業(yè)中主要的基礎(chǔ)設(shè)施。為了準(zhǔn)確有效地對(duì)管道進(jìn)行有計(jì)劃的維護(hù)和更換操作，在管道檢查過程中能夠準(zhǔn)確地判定管道的健康狀態(tài)就變得十分重要。當(dāng)前對(duì)管道缺陷進(jìn)行健康檢測(cè)的方法有很多種，但是都有各自的缺陷(比如損傷識(shí)分辨率低)。超聲導(dǎo)波在無損檢測(cè)領(lǐng)域是一種新興技術(shù)，由于其在理論和實(shí)踐上的不斷發(fā)展，在管道檢測(cè)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(hào)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(yán)重性或其他特征。更好地理解導(dǎo)波反射的細(xì)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(jìn)一步的試驗(yàn)來研究此問題，以發(fā)現(xiàn)新的基本規(guī)律，從而使準(zhǔn)確、定量地研究管道缺陷成為可能。

2 試驗(yàn)裝置

為了識(shí)別邊緣反射信號(hào)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(duì)外徑為34 mm，壁厚為4 mm，長(zhǎng)度為2 030 mm的三種鋼管進(jìn)行了試驗(yàn)。

在每根管道上制作一個(gè)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(yàn)過程中，使用銑削機(jī)將這三個(gè)參數(shù)的值逐漸增加到模擬不同大小或嚴(yán)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(zhǎng)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?yàn)樗子诩ぐl(fā)并且具有相對(duì)簡(jiǎn)單的聲場(chǎng)。選擇頻率范圍為100～240 kHz的頻率是因?yàn)橄鄳?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(hào)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(yàn)裝置和儀器。一個(gè)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(lì)和接收導(dǎo)波數(shù)據(jù)。PZT由長(zhǎng)度擴(kuò)展型壓電材料制成，并呈軸對(duì)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(hào)發(fā)生器激發(fā)一個(gè)L(0,2)模態(tài)的五峰導(dǎo)波到所檢測(cè)的管道中。

圖4 試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)帶有人工制造缺陷的管道進(jìn)行了測(cè)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(gè)缺陷之后進(jìn)行測(cè)試得到數(shù)據(jù)。制造缺陷時(shí)，接近傳感器的每個(gè)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(gè)缺陷反射的信號(hào)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(hào)，來自更復(fù)雜的波相互作用過程的信號(hào)，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(gè)部分稱為“前邊緣信號(hào)”和“后邊緣信號(hào)”。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(zhǎng)。后邊緣信號(hào)的模式和能量與更多的因素有關(guān)，包括缺陷的兩個(gè)邊緣及其缺陷區(qū)域的幾何輪廓。

兩個(gè)邊緣信號(hào)的不同特征會(huì)不可避免地導(dǎo)致反射的復(fù)雜性和直接評(píng)估缺陷的難度。應(yīng)該注意的是，在缺陷的軸向范圍相對(duì)于傳播波的波長(zhǎng)不敏感地較小的情況下，這兩個(gè)主反射之后的混響信號(hào)對(duì)最終信號(hào)的影響可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗鼈儙缀蹼S著高階因子衰減了。

由于前后信號(hào)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(gè)信號(hào)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(jìn)行單獨(dú)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(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的問題。邊緣信號(hào)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(gè)邊緣信號(hào)可以提供更多獨(dú)立且相關(guān)的缺陷信息。一旦識(shí)別出提取的信號(hào)，就可以根據(jù)波組速度和兩者的時(shí)移，輕松而準(zhǔn)確地得出與兩個(gè)邊緣反射之間的相對(duì)距離直接相關(guān)的缺陷信息。

通過擴(kuò)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(hào)中識(shí)別出前沿信號(hào)，從而可以隨著時(shí)間的推移清晰地觀察到來自兩個(gè)邊緣的分離信號(hào)。利用該信號(hào)作為參考，可以簡(jiǎn)單地通過從收集的每個(gè)反射信號(hào)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(hào)。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(hào)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(gè)邊緣之間的混響，在每個(gè)信號(hào)的后部會(huì)出現(xiàn)少量噪聲。

圖6 接收到的缺陷前后邊緣信號(hào)

后沿信號(hào)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(shì)。圖7示出了在這些不同程度的后邊緣信號(hào)的反射系數(shù)譜的能量。Y坐標(biāo)是反射后邊緣信號(hào)的均方根(RMS)值，以公共前沿信號(hào)的RMS值作為歸一化因子。

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

x坐標(biāo)是175 kHz(31.157 mm)處入射波的軸向范圍與波長(zhǎng)之比。從圖7(a)可以看出，由于缺陷的前邊緣對(duì)后邊緣信號(hào)的生成的影響，后邊緣信號(hào)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(hào)的反射系數(shù)呈現(xiàn)出如圖7(b)所示的相對(duì)穩(wěn)定的變化。這是因?yàn)樵谶@些情況下，前邊緣信號(hào)和后邊緣信號(hào)在時(shí)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(hào)的反射系數(shù)始終大于后端信號(hào)的反射系數(shù)。

將收集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考比較容易獲得這些結(jié)果，即當(dāng)缺陷的軸向范圍足夠長(zhǎng)時(shí)，可以比較容易識(shí)別出前沿信號(hào)。在實(shí)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(hào)來實(shí)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(duì)每個(gè)邊緣反射信號(hào)的相應(yīng)影響。結(jié)果表明，缺陷反射信號(hào)的復(fù)雜性是由具有不同特征的反射邊緣信號(hào)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(gè)明顯變化，因此，可以自然地將前端信號(hào)和后端信號(hào)識(shí)別為全反射的主要成分用來提取信號(hào)進(jìn)行缺陷表征。

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