管道超声导波检测技术研究进展_探伤

管道超声导波检测技术研究进展

焦敬品, 何存富, 吴　斌, 费仁元, 王秀艳

(北京工业大学机电学院, 北京100022)

摘要: 综述管道超声导波检测技术及其应用研究进展. 着重对超声导波技术和模

态声发射技术在管道检测中的最新应用进行了评述, 内容涉及超声导波的传播特性、

实验检测方法及其数值模拟等.

关键词: 管道; 超声导波; 模态声发射; 数值模拟

中图分类号: O 348　文献标识码: A

1　引言

管道作为五大运输工具之一, 在运输液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势. 世界上管道主要干线已达230 多万km , 1994 年末我国油气管道干线已达17387km , 城市供水系统更是极为庞大的管道网络[ 1 ]. 然而管道在长期使用中受冲刷和腐蚀导致管壁减薄, 常常发生泄漏事故, 不仅造成经济上的巨大损失, 且会污染环境影响生态平衡. 据统计世界各大中城市自来水的泄漏损失率在20% 左右[ 2 ]. 近年来有许多管道发生事故, 更引起世人的极大关注. 例如,1993 年委内瑞拉一条气体管道发生泄漏, 气体爆炸, 致使51 人死亡; 1994 年美国新泽西州的一条管道泄漏, 造成火灾, 致使1 人死亡50 多人受伤. 近年来还有其他一些国家如俄罗斯、加拿大和英国等国家的管道发生各种事故的报道. 据不完全统计, 截止1990 年, 我国仅输油管道在20 年时间里, 共发生大小事故628 次. 天然气管道也曾多次发生事故, 后果特别严重, 给人民生命财产造成了严重的损失[ 3 ]. 更为严重的是管道泄漏造成了严重的环境污染, 加剧了原本已经恶化的人类赖以生存的地球空间.尽管使用常规无损检测方法(如超声检测爬机、漏磁检测爬机等) 对管道检测有着众多的

优势所在[ 4- 9 ] , 如技术成熟, 只需对工人稍加培训, 就可以利用现有的专门设备进行检测. 但常规无损检测技术都存在一个严重的不足: 检测过程为逐点扫描式, 因此常规无损检测方法不可

X 收稿日期: 2001205223; 修订日期: 2002202220

基金项目: 国家自然科学基金(19972003)、北京自然科学基金(3992006) , 北京市教委科技发展项目, 教育部高等学校

骨干教师资助计划项目

作者简介: 焦敬品(1973- ) , 女, 北京工业大学机电学院讲师, 在读博士研究生. 主要研究领域: 结构安全监控研究.

能有效的用于当前工业中广泛使用的成千上万公里的管道检测. 而超声导波检测技术和模态声发射技术是解决这一问题的潜在可行的方法.本文旨在概述超声导波技术和模态声发射技术在管道检测中的最新研究进展及发展趋势.

2　超声导波技术

多年以来, 超声导波在空心圆柱体中传播课题的研究备受国外学者关注. Gazis[ 10, 11 ]利用弹性理论求得简谐波在无限长的空心圆柱体中传播的通解. Green spon[ 12, 13 ]也对弹性理论进行了研究, 并且发表了有关圆柱壳弥散曲线和位移场的论文. 沧州欧谱由于工业生产中迫切需要先进的管道无损检测技术, 因此出现了将导波技术应用于管道缺陷检测的研究. 1979 年, Thomp son等[ 14 ]将EMA T (电磁声传感器) 应用于蒸汽发电机管道的裂缝检测. Silk 和Bain ton[ 15 ]利用压电超声探头在热交换管道中激励超声导波, 他们也对裂纹检测进行了实验, 证明了利用超声导波技术对管道检测的可能性. B rook et al[ 16 ]证明了利用柱状导波对管道进行检测的可行性, 柱状导波由管道一端施加法向载荷激励. 有趣的是Silk 和Bain ton 利用L (0, 1) 模式导波对管道进行检测, 而B rook 等利用的却是L (0, 2) 模式导波. 这是由于不同的激励方法产生的不同的激励模式. Silk 和Bain ton 是从管道内部激励导波的, 而B rook 等是从管道一端横截面处激励导波的. 这些实验证明了利用超声导波对管道检测的有效性, 但是现场应用尚处于空白. 根据选用导波模式数量的不同, 可将管道超声导波检测技术分为单一模式导波检测技术和多模式导波检测技术两种方法.

2. 1　单一模式导波检测

导波模式的选择是管道检测系统的一个关键问题. 若不能很好解决, 导波技术就毫无优势可言. 通常, 激励源将产生出在其频率带宽内的所有模式, 导致接收信号非常复杂而无法分析.但是可通过某些特殊的激励方式激励单一模式的导波.目前, 在国外超声导波管道检测中常用的单一模式导波为L (0, 2) 模式导波. 这是因为此模式在以下几方面具有显著优势:

1) 在某一特定频率附近的很宽频率范围内, 此模式几乎是非频散的, 即群速度、相速度不随频率明显变化, 因此使得信号形状在传播过程中基本保持不变;

2) 它是传播最快的模式, 因此任何不希望出现的模式信号都在其后到达;

3) 它对任意圆周向内表面与外表面缺陷具有相同的灵敏度, 即此模式导波既可检测内外表面, 也可检测沿厚度方向的缺陷. 选择的激励信号一般为一个窄带信号, 如Hann ing 窗调制的5 到10 周期的音频脉冲信号, 这样的信号既能保证具有一定的强度, 并且避免了在较长传播距离时的弥散. 一般采用沿管道表面圆周向均匀布置的若干个压电传感器来激励信号. 压电传感器的数量必须大于信号频率范围内的出现的导波模式的最高阶次(即大于在激励信号的截止频率范围内出现的导波模式的最高阶次, 也就是F (n, 1) 模式中的n). 例如, 图1 所示激励信号(Hann ing 窗调制的10 个周期的70kHz 单音频脉冲) 的- 40dB 截止频率为84kHz, 而在76mm 的40# 钢管(管壁厚5. 5mm ) 中下限截止频率小于84kHz 的最高阶次弯曲导波模式为F (11, 1) (如图2 所示) ,152mm 的40# 钢管(管壁厚7mm ) 为F (20, 1). 因此将16 个和32 个压电传感器分别用于76mm 管和152mm 的40# 钢管的激励就可以满足以上要求. 只有将足够数量、等间距、等特性的传感器对称、均匀地沿管道圆周向布置, 才能只激励轴对称模式导波. 但此时仍有超声导波在管道中传播时, 遇到缺陷、端面、焊缝及弯曲处都将发生反射. 同样, 管道中激

励的轴对称L (0, 2) 模式导波(或其它单一的轴对称模式导波) , 传播过程中遇到非轴对称的缺

陷时, 缺陷回波不仅含有L (0, 2) 模式, 还会发生模式转换而产生其它模式导波. 尤其是当管道

中近似轴对称的焊缝中出现非轴对称的周向小裂纹时, L (0, 2) 模式回波能明显反映焊缝回

波. 当缺陷与焊缝不重合时,L (0, 2) 模式也能鉴别缺陷; 当缺陷与焊缝重合时, L (0, 2) 模式的

回波并不能显示出与前一种情况(只有焊缝, 没有缺陷) 的明显差异. 而反射回波中的F (1, 3)

模式导波, 对轴对称焊缝不敏感, 却对缺陷及焊缝中的缺陷都极敏感[ 18 ]. 因此, 对更高阶次模

式的导波的研究, 将更有利于对缺陷的全面检测.

2. 2　多模式导波检测:

一种模式的导波可能只对某一种缺陷敏感, 而对其它类型缺陷不敏感. 在实际检测中, 缺

陷的类型和位置都是未知, 因此有必要对多模式导波检测技术进行研究.

可以通过多种方式激励所需要的多模式导波, 如梳状传感器、兰姆波传感器和可变入射角

度传感器方法等.