包覆层性能对输气管道纵向模态导波传播特性的影响

对带黏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了研究。建立了沥青包覆层管道的三维有限元模型,研究了激励频率、包覆层密度以及包覆层纵波衰减系数对导波传播的影响,并在带沥青包覆层钢管中进行激励和接收 L（0,2)模态的实验。结果表明,在低频范围下,随着激励频率和包覆层密度的增大,L（0,2)模态受沥青包覆层的影响也增加,其能量衰减也逐渐增大;对于带沥青包覆层的管道,其衰减频散曲线可用作模态选取的理论指导,采用低频纵向模态超声导波对带低密度包覆层管道检测时效果较好。     

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。     

利用纵向导波检测充水管道周向缺陷的实验研究

对未充水和充水管道中纵向模态的传播特性进行了研究。在未充水和充水管道中分别激励160kHz和195kHz两个频率的L模态对管道进行了缺陷检测实验。结果表明,在未充水或充水管道中,L模态的频散特性和波结构不同,对缺陷检测的能力也不同,可通过对频散特性和波结构分析选取合适的模态检测管道中的缺陷。     

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。     

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。     

基于导波理论的管道泄漏声发射定位新技术研究

由于泄漏声发射信号的多模态特性和在管道内传播过程中的频散特性,使得通过相关分析进行管道泄漏定位的效果很差。根据模态声发射理论,将圆管中导波传播理论应用于管道泄漏的声发射检测,建立了管道中泄漏声发射信号的多模态传播模型。利用管道中导波传播的频散特性,在提取单一模态导波基础上,提出了一种实用的声发射泄漏定位方法。 泄漏定位试验证明了该方法的有效性。     

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。     

基于纵向模态超声导波陷频特性的钢绞线拉力测量新方法

试验发现了钢绞线结构中L(0,1)模态导波存在陷频这一固有声学特性,由此提出一种钢绞线拉力检测新方法。为测试钢绞线中导波陷频特性与拉力的关系,研制了一款柔性低频磁致伸缩传感器,可在30~160 k Hz范围内激励/接收L(0,1)模态导波。在直径17.8 mm和15.2 mm的两种7芯钢绞线上进行导波陷频检测试验,结果表明陷频特征频率与拉力的自然对数值呈良好线性关系,陷频旁侧峰值比随拉力增大而线性增加。试验中1 k N的拉力增量(应力增量约3 MPa)引起的声学参数(陷频特征频率和陷频旁侧峰值比)变化可被检测到并较好的符合标定关系方程。在额定工作载荷内,拉力估算相对误差小于1.5%,这表明新方法具有较高的拉力检测精度。同时,依据试验所得结论,给出了钢绞线结构中L(0,1)模态导波陷频中心频率与拉力关系的修正公式。新方法实施过程简洁,具有很好的工程应用前景。     

DETECTION OF LONGITUDINAL DEFECT IN PIPES USING TORSIONAL MODES

The multi-modes and disperse characteristics of torsional modes in pipes are investigated theoretically and experimentally. At all frequencies, both phase velocity and group velocity of the lowest torsional mode T(0,1) are constant and equal to shear wave velocity. T(0.1) mode at all frequencies is the fastest torsional mode. In the experiments, T(0,1) mode is excited and received in pipes using 9 thickness shear vibration mode piezoelectric ceramic elements. Furthermore, an artificial longitudinal defect of a 4 m long pipe is detected using T(0,1) mode at 50 kHz. Experimental results show that it is feasible for longitudinal defect detection in pipes using T(0,1) mode of ultrasonic guided waves.     

管道导波无损检测频率选择与管材特征关系

选取合适的导波激励频率在导波无损检测工程应用中具有重要实用意义。分别讨论L(0,1)和L(0, 2)模态导波在管道中存在截止频率现象,给出相应截止频率计算公式,并研究L(0,1)和L(0, 2)导波截止频率分别随管道直径和壁厚变化关系。通过选择不同的激励频率,对一给定的钢管进行试验检测。结果表明：随着管道直径的增大,L(0,1)导波低通截止频率和L(0, 2)导波高通截止频率都随之减小;随着管道壁厚的增大,L(0,1)导波低通截止频率和L(0, 2)导波高通截止频率开始时都随之增大,但增大的幅度慢慢变小,当管径达到一定值时,两者的截止频率与管道的壁厚变化无关;管道导波检测激励频率选择的理论计算和试验结果相互一致。     

螺旋波纹管导波检测技术的数值仿真和试验研究

为对螺旋波纹管进行缺陷检测,研究纵向模态超声导波在螺旋波纹管中的传播特性。在Abaqus仿真软件平台中构建螺旋波纹管的计算模型,得到含有环向裂纹缺陷时的仿真结果。在此基础上,采用自主研制的电磁声换能器进行试验研究。试验所用的激励信号为经Hanning窗调制的20个振荡周期的正弦脉冲,中心频率为240 kHz,采用单一传感器在螺旋波纹管中激励和接收L(0, 2)模态导波,实现对螺旋波纹管中人工裂纹缺陷的识别,分析并计算缺陷位置测量不确定度。有限元仿真和试验结果表明,超声导波技术可以实现对螺旋波纹管裂纹缺陷的检测。     

基于磁致伸缩效应在钢绞线中激励接收纵向导波模态的试验研究

对利用磁致伸缩效应在钢绞线中激励接收纵向导波模态的方法进行理论分析和试验研究。分析在公称直径为17.80mm的7芯钢绞线中纵向模态的传播特性。选取钢绞线外围钢丝中频率160kHz的L(0,1)模态用于钢绞线的健康检测。基于该模态的传播特性和钢绞线缠绕式外表面的特点,研制一种专用磁致伸缩传感器,用于7芯钢绞线的超声导波检测。该传感器的主要结构包括轴对称三磁路励磁结构和正反正绕向的三段式螺线管。三磁路励磁结构用来产生强度适合且均匀的偏置磁场,并设计专用夹片以降低钢绞线不规则外形所造成的空气磁阻。螺线管每段绕线的有效轴向宽度为频率160kHz的L(0,1)模态波长的一半。利用研制的磁致伸缩传感器,在长1180mm的自由钢绞线中进行超声导波的激励接收试验。试验结果表明,该传感器可以激励和接收选定的纵向模态L(0,1),为基于磁致伸缩效应的钢绞线超声导波检测奠定了一定基础。     

磁致伸缩效应在圆管中激励纵向导波的理论和试验研究

分析了导波在圆管中传播的模态,探讨了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩作用力模型。纵向导波由平行于圆管轴向的磁致伸缩力的作用而产生,磁致伸缩力除与被检测材料的特性有关外,主要取决于设置的静态偏置磁场和交变磁场的耦合作用。根据该模型设计了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩传感器,试验中获得了纵向导波,并通过磁致伸缩传感器对圆管分别作用不同的静态偏置磁场和交变磁场,试验研究两者对激励的纵向导波的影响。结果表明：作用于圆管上的静态偏置磁场与激励的纵向导波幅值呈抛物线关系,在低偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加而增大,在高偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加反而减小。导波在圆管中传播时,存在多模式和频散特性,交变磁场大小与激励的纵向导波幅值之间呈非线性关系。