带粘弹性包覆层管道中的纵向模态

对带粘弹性包覆层管道中纵向模态的传播特性进行了理论分析,对纵向模态尤其是L(0,2)模态的频散和衰减特性进行研究.在带环氧树脂包覆层钢管中进行激励和接收L(0,2)模态的试验研究.在低频范围下,L(0,2)模态随着频率增加,受环氧树脂层的影响也相应增加,衰减也相应增大.结果表明,对于带有粘弹性包覆层的管道,其衰减频散曲线可用作模态选取的理论指导,用于对管道的缺陷检测.     

带粘弹性包覆层充液管道中的超声导波缺陷检测研究

理论分析得到了带粘弹性包覆层充液管道中纵向模态的频散曲线。为了验证理论分析结果,利用纵向模态对7.12 m长的带环氧树脂包覆层充水钢管中的人工周向缺陷进行了检测。结果表明,频散和衰减小的未受干扰的L(0,2)模态分支部分适合带粘弹性包覆层充液管道中的缺陷检测。但是,在频段0~0.5 MHz,随着频率的增加,这些分支部分衰减值逐渐增加,缺陷检测能力也逐渐下降。并且频散和衰减较大,能量主要在水和(或)粘弹性包覆层中传播,不属于未受干扰的L(0,2)模态分支部分的纵向模态不适合检测带粘弹性包覆层充液管道中的缺陷。因此,在对带粘弹性包覆层充液管道进行缺陷检测时,根据频散、衰减和波结构等传播特性选取合适的纵向模态十分重要。     

充水管道中纵向超声导波传播特性的理论分析与试验研究

从理论上得到了充非粘性液体管道中纵向超声导波的频散方程。分析了纵向模态在充水钢管和带刚性边界的水圆柱体中传播特性。除α模态,充水钢管中的其他模态均是钢管和带刚性边界的水圆柱体中各模态相互耦合的结果。对于充水钢管中同一模态,在不同频率范围,传播特性差别也较大。在充水和未充水的钢管中进行了激励和接收纵向模态的试验研究。结果表明,在充水钢管中具有模态分支、群速度降低等传播特性。当充水钢管中纵向模态的频带处于钢管中未受干扰的L(0,2)模态分支部分时,能长距离传播,由于频散较小,在传播距离较长时,波形和幅度不会发生明显变化,适合于长距离充水管道的缺陷检测。     

基于L(0,2)模态导波的缺陷反射信号的实验研究

通过管道超声导波缺陷反射理论和检测理论,分析了超声导波与缺陷作用后的传播特性。为了对管道中缺陷信号进行辨识,利用周向压电晶片阵列在带有不同缺陷的管道中激励不同频率的L(0,2)模态导波对管道进行缺陷检测实验,研究了导波激励频率、模态转换后各模态幅值与缺陷尺寸的关系。结果表明,在缺陷截面比与信号激励频率相同的情况下,裂纹缺陷的反射系数比腐蚀缺陷的反射系数大;L(0,2)模态导波与裂纹缺陷相互作用后会产生F(2,3)模态;与缺陷同一周向位置的压电片接收的反射回波幅值最大。     

聚脲防腐管道中超声导波的缺陷检测研究

聚脲涂料作为近些年发展起来的新型防腐材料,现已广泛应用于管道内外壁的防腐保护。为了克服传统超声波检测效率低的短板,提出了超声导波检测技术对聚脲防腐管道中裂纹损伤的检测应用设想,利用数值仿真的方式对此展开研究。通过分析聚脲防腐管道的解析模型,借助有限元分析软件Abaqus,建立黏弹性-弹性复合材料的三维圆柱模型,并模拟不同激励频率下L(0,2)模态导波在其中的传播状态。结合频散和衰减特性两方面的研究,获取优化的激励频率,并对聚脲防腐管道进行不同类型缺陷检测的仿真分析和实验验证。研究结果表明,数值仿真结果与实验验证基本吻合,说明了超声导波对聚脲防腐管道的缺陷检测方法有效,同时也可实现对缺陷定位分析。     

空心圆管中导波频散特性与检测频率选择

频散是长距离管道导波检测中影响检测频率选择的重要因素。通过分析空心圆管中纵向模态导波的频散特性,探讨导波检测常用模态L(0, 2)和L(0, 1)的频率选择问题。根据导波频散现象,建立缺陷回波分辨距离与激励信号参数间的量化关系,分析检测频率优化选择问题。以导波频散引起的信号分辨距离为依据,计算不同几何尺寸管道中L(0, 2)和L(0, 1)导波非频散段的限制频率。结果表明,限定或最小化缺陷回波分辨距离,可获得最佳的导波激励信号周期及检测频率或频段。随着管道几何尺寸变化,得到L(0, 2)和L(0, 1)导波频散特性变化的几个重要结论。当管道内径壁厚比不小于4时,L(0, 2)导波低限频率与管道直径的乘积约为4.0 MHz•mm,高限频率与壁厚的乘积约为1.06 MHz•mm。对于小口径管中的L(0, 1)导波,其高限频率与直径的乘积约为0.81 MHz•mm。这些简单的函数关系为管道检测时快速确定非频散段频率范围提供参考。     

波源对纵向模态导波在管道中传播的影响研究

针对波源对纵向模态导波在管道中传播的影响问题,建立改进的管道纵向模态导波半解析有限元(Semi-analytical finite element,SAFE)模型,相对先前的SAFE模型,实现纵向模态导波的单独计算求解,提高了计算效率。在此基础上,利用正交模态展开法建立波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型,分析数学模型可以看到纵向模态导波的幅值取决于导波的波结构和波源特性。为论证波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型,通过数值计算和试验方法,从相同波源激励的不同纵向模态导波之间的幅值关系和不同波源激励的同一模态导波之间的幅值关系两个方面开展研究工作。对比数值计算结果和试验结果,说明建立的波源对纵向模态导波在管道中传播影响的数学模型是可信的。研究结论为设计合适的导波传感器实现在管道中激励特定的纵向模态导波奠定了基础。     

土壤声学特性的超声导波测量

土壤的声学特性对地埋管道中超声导波传播有重要的影响。在空气和地埋情况下,通过典型波导(细钢杆)的超声导波检测试验的方法来测量土壤声学特性。基于超声波的衰减特性,通过将试验获得的杆中L(0,1)模态导波的衰减曲线,与理论衰减曲线进行比对的方法,得到土壤的声学特性参数—纵波和横波波速。在该土壤声学特性条件下,研究土壤对管道中超声导波传播影响。研究发现,此种土壤介质对管道中超声导波传播有很大影响,在低频处产生了新的轴对称模态：a1和a2。     

基于导波的弯管裂纹缺陷的检测

为了探究超声导波在90°弯头所引起的模态转换对检测造成的影响,采用试验和模拟的方法来研究导波在90°弯头中的传播特性,利用周向均布的长度伸缩型压电片激发导波L(0,2)模态,对弯头及弯头两端直管道上的周向裂纹缺陷进行位置识别;并对比直管道检测结果,研究弯头对导波模态转换的影响。采用小波分析对试验信号进行降噪处理,试验结果表明,L(0,2)模态导波穿过弯头后发生模态转换,产生弯曲模态F(1,2)。弯头处裂纹缺陷的检测敏感性与其所在位置有关,弯头外侧的检测敏感性最高;且检测敏感性与激发频率有一定关系,在较高的激发频率(120~130 k Hz)下,弯头两端直管道上裂纹缺陷检测的敏感性最高;当激发频率处于较低频率(80 k Hz)时,导波对弯头内侧缺陷检测的敏感度最高。因此提出采用不同激发频率的导波对带有弯头的管道系统进行综合检测的方法。利用数值模拟的方法对导波在弯头处的传播特性进行研究,模拟结果与试验结论相吻合。     

高频纵向超声导波在埋于无限大介质中钢杆的传播特性

从理论上分析高频纵向超声导波在埋于无限大介质中钢杆传播的特性.根据在杆状波导中传播的超声波具有频散现象及多模态特征,选择特定频率下的单音频信号激励超声导波,使其衰减最小,能传播较长距离;能量速度最大,最先到达,从而可与其他速度较慢的模态相区别.说明此频率下的纵向模态可用来对埋于介质中的钢杆进行检测.同时建立试验系统,对直径22 mm、长度1 m的埋于水泥中的钢杆进行检测,并对结果进行时频分析,试验结果与理论分析相吻合.     

管道内压力对纵模导波传播特性的影响

工程应用中的管道内部往往存在一定的介质,这些介质会对管内壁产生一定的压力,研究超声导波技术对管道进行检测时,介质产生的压力对超声导波传播特性的影响非常重要。采用数值模拟方法研究了管道内液体介质压力对超声导波传播的影响,分析了不同激励频率和不同介质压力时的导波衰减特性,并搭建了压力管道实验系统。实验结果表明,超声导波在管道内传播时传播速度不随管内压力的变化而变化。     

基于SH导波的防腐层能量密度检测机理研究

涂敷防腐层是确保油气管道完整性非常重要的手段,但因环境或外力等因素使防腐层产生剥离、孔洞等缺陷。本文针对埋地管道外涂防腐层轴向剥离、孔洞缺陷,利用粘弹性动力学理论建立能量平衡单元体F的双层结构波动模型,对单元体F的频散特性、能量密度和导波衰减进行理论分析和数值计算,并设计SH-EMAT换能器进行了防腐层剥离缺陷实验研究。研究表明:防腐层剥离程度可引起单元体F中各模态频散特性变化,防腐层剥离厚度越大,SH导波模态对应相速度、群速度越大,且差异显著。在一定频率范围内,其相速度与防腐层剥离缺陷尺寸成正比。导波能量衰减依赖于能量密度因子QE且独立于导波模态,能量密度趋向于防腐层等效粘弹性介质的剪切速度倒数;单元体F中能量密度因子QE的特征参数可为管道防腐层剥离、孔洞缺陷内检测的量化研究提供理论依据。     

基于电磁超声换能器阵列的管道螺旋导波传播规律研究

螺旋导波因在管道超声导波层析成像中的巨大应用价值,近年来受到研究者们的重视。阐述管道螺旋导波的激发/接收条件、传播路径和波前形状等规律。建立FE模型,研究由圆环波前S₀模态兰姆波在管道上形成螺旋导波的过程。组建了双环24阵元的电磁超声换能器阵列及试验系统,170 kHz下激发圆环波前S₀模态兰姆波在管道中产生螺旋导波,试验研究了激励源所在圆周及管段上的波动场信号特征。仿真和试验结果表明,管道螺旋导波实质上是兰姆波在曲面上的传播形态,可由管道某处点源激发兰姆波产生,主要存在于波动场的近场。由于管道结构的封闭性,兰姆波的波前在管道上反复交叉前行,形成了螺旋传播路径。从波源到管道上任意一点的螺旋导波传播路径有无数条,各阶螺旋角不连续。利用螺旋导波进行管段检测提供了缺陷的多角度入射信息,对缺陷高分辨率检测具有重要意义。     

换流阀冷却系统均压电极结垢超声导波检测方法研究

换流阀冷却系统中均压电极结垢检测是直流输电系统安全运行的必要保障。当前人工筛查的检测方法,有较大的盲目性且易造成系统漏水等故障。因此提出基于超声导波回波特性的在线结垢检测方法。选取频散小、传输距离长的L(0,2)模态导波作为激励信号,将电极结垢视为多孔介质并计算其特征参数,构建了流-固-声多物理场作用下的均压电极结垢检测模型,确定了最佳超声激励频率并仿真研究了0.2～1.0 mm厚度水垢对声波信号的反射与吸收特征,分析了L(0,2)模态导波与水垢交互过程中的模态转换过程,进而搭建实验系统,开展了水垢厚度为0.1～0.8 mm的实验验证工作。实验结果表明,基于L(0,2)超声导波回波特性的在线结垢检测精度达0.1 mm,为换流阀均压电极结垢检测提供了一种有效的方法。     

基于时间反转法的管道焊缝区缺陷检测研究

焊缝在整个管网系统中是比较薄弱的部分,在温度、压力、介质腐蚀和振动的影响下容易出现裂纹缺陷,对管道的安全运行产生危害,并且有的裂纹很小,通过超声导波不容易直接识别出来。对超声导波检测管道进行了研究,在分析了超声导波对焊缝小缺陷的检测后,提出了一种运用时间反转法基于L(0,2)模态超声导波进行数值模拟的方法,选择4%作为最小焊缝裂纹缺陷,对直管道单焊缝和直管道双焊缝进行数值模拟,并通过实验验证。数值模拟和实验结果表明该方法可以实现管道中焊缝缺陷的识别和定位。     

超声导波激励频率选取对其模式控制的影响

超声导波在管道中传播模式有纵波、扭转波和弯曲波三种模式,由于扭转波在管道中传播具有非频散特性,在超声导波管道无损检测中得到广泛应用,但在管道中激发出扭转波的同时常常伴随着纵波的出现,导致超声导波检测信号难以识别和分析处理。针对这一问题,计算管道中超声导波传播频散曲线,通过控制扭转波激励频率在纵波的截止频率区范围内选取的方法,抑制纵波的产生。为了验证该方法的有效性和正确性,利用磁致伸缩导波无损检测装置对管道进行一系列不同激励频率的试验。研究结果表明：试验结果与理论结论相吻合,该方法为导波无损检测信号识别和工程应用提供了十分重要的理论依据和指导作用。