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。     

基于磁致伸缩效应导波的数值模拟和实验研究

利用数值模拟和实验研究两种手段，从频散的角度分析了基于磁致伸缩效应的导波无损检测技术在圆管检测中的应用。参照数值计算结果，实验中采用不同频率激励纵向模态导波。通过实验对比发现，频率为f=20kHz左右时导波频散最小，且L（0，1）模态的导波适合用于管道检测。实验检测到的钢管不同孔径缺陷信号与数值模拟结果相吻合。     

基于压电晶片阵列的管中导波时反检测方法研究

为提高超声导波技术对管中小缺陷的检测能力,提出一种采用窄带高压脉冲激发安装在管道外表面的压电晶片阵列实现管中导波时间反转检测的新方法。该方法采用窄带脉冲同时激励沿管道表面轴对称安装的压电晶片阵列,从各压电晶片接收到的反射回波中提取含L(n, 2)模态的缺陷信息进行时间反转,并用获得的时反波再次激励阵列中对应压电晶片,整个阵列将同时接收到较单一L(n, 2)模态信号。试验结果表明,该方法能较好地抑制导波的频散、多模态特性,提高缺陷回波信噪比,增加对小缺陷的检测能力。同时,时反前、后所检测到的管道端面和缺陷反射回波的导波模态几乎相同,可采用特定频率的L(0, 2)模态群速度作为时反后缺陷波包的传播速度;且时反后的幅值最大的缺陷波包能重构窄带初始激励信号幅值最大的波包,可有效增加缺陷波包的辨识能力。     

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。     

基于导波基函数投影变换的单模态超声导波提取方法

由于超声导波的多模态特性和频散特性,实际检测时在同一激发频率下存在多种模态的混合信号,影响导波检测的灵敏度。针对上述存在的问题,在建立导波频散信号的数学模型的基础上,提出一种基于导波基函数投影变换的单模态超声导波提取方法。首先根据频散传递函数建立各模态导波信号的数学模型,将各模态导波信号构建为一组导波模态基,之后,以模态基函数为投影变换核,对接收信号进行投影变换,从而实现多模态混叠信号中单模态导波信号的提取。通过对板中的Lamb波S₀、A₀和A₁混合模态仿真和实际信号处理试验表明,提出的方法无需频散补偿即可实现多模态混叠信号中单模态导波信号的有效提取。     

管道腐蚀缺陷超声导波检测数值模拟研究

简述管道导波检测理论基础.运用有限元分析法,对目前现场检测中应用的L(0,2)及T(0,1)模态导波在管中传播过程进行数值模拟研究.在模型的特定部位删除部分单元模拟腐蚀缺陷,分别对管一端加载轴向和切向瞬时位移载荷模拟L(0,2)模态和T(0,1)模态入射波,计算得到管道的瞬时动力学响应,对回波信号作频谱分析.计算结果表明,缺陷位置可以根据缺陷处回波信号到达时间和波速确定.给出缺陷回波反射系数与缺陷横截面积各影响因素之间的关系曲线,可以近似判定缺陷的几何尺寸.并提出以回波信号对缺陷横截面尺寸大小的综合灵敏度来检测、评价管道腐蚀缺陷的思路.     

基于超声导波的方钻杆检测方法研究

针对传统超声在检测长达十余米的方钻杆时效率极端低下的问题，提出基于超声导波的方钻杆检测方法。首先，利用半解析有限元方法，求解方钻杆结构的频散方程并绘制频散曲线，选择群速度值最大、曲线比较平坦、频率范围为70 kHz～130 kHz的L(0,2)作为方钻杆的检测模态；其次，优化选取中心频率为100 kHz的L(0,2)模态作为激励信号，以尺寸为25 mm×5 mm×0.5 mm的环形压电晶片阵列作为传感器，提高L(0,2)模态在100 kHz的信噪比；最后，基于仿真和实验方法，采用L(0,2)模态导波对方钻杆进行了检测。结果表明，L(0,2)超声导波能够有效检测整根方钻杆面上和棱上的圆孔及槽型缺陷，提高了检测效率，为方钻杆的检测提供了一种新的思路和方法。     

基于导波频散特征的超声导波模态识别方法

针对超声导波检测应用中模态识别难的问题,提出一种基于导波频散特征的模态识别方法。通过估计导波信号的频散量来识别导波模态,而导波的频散量与该模态导波波数在激励频率处的二次泰勒展开系数有关。根据导波信号的频散特点,构造带时间斜变的Chirplet匹配原子库,基于该Chirplet原子库,对导波信号进行匹配追踪分解,并算得该导波信号波数在激励频率处二次泰勒展开系数的最优估计值,再根据预先算得的各模态导波的波数-频率频散关系,区分导波信号的不同模态。数值模拟和试验验证都表明,该导波模态识别方法是准确且有效的。而该方法的不足之处是尚不能识别混叠严重的导波信号。研究结果有助于提高人们对复杂导波检测信号的解析能力,并推动导波检测技术的推广应用。     

频散补偿在导波缺陷形状辨识上的应用

针对超声导波具有的频散特性,导致导波缺陷检测信号波包在结构中传播时发生的展宽及衰减现象,研究了如何利用频散补偿技术对检测信号进行处理,将被频散特性淹没的缺陷信息再现,以实现缺陷形状的辨识问题.在进行实验验证的过程中,利用导波检测管道中的双槽形人工缺陷,通过改变端面加载的压电传感器位置,接收一组时域回波信号,根据波数-频率关系对导波传播过程中的频散进行补偿后,再现缺陷的形状特征.     

基于Ansys的超声导波污垢管道振动特性研究

由于污垢在换热设备内积聚对设备的安全、经济运行产生了极大的影响,对换热设备产生的污垢快速、准确的检测尤为重要。利用Ansys有限元仿真软件分别建立空管道及污垢管道模型,研究超声导波在管道中传播的振动特性及波源对污垢检测的影响。研究得到了管道污垢超声检测的最佳激发频率及周期。与污垢管道实验研究相比较,结果表明:中心频率为1 MHz,周期为10的激励信号激发的L(0,3)模态导波适于外直径25 mm,壁厚3 mm的304钢管污垢检测。检测结果与数值模拟结果基本吻合,仿真所得到的导波模态及最佳激发频率可直接应用于实际检测中,研究结果为实现管道污垢厚度检测奠定基础。     

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。     

换热管缺陷扭转模态导波检测的仿真研究

换热管作为换热器的关键部件之一,对其进行检测至关重要。扭转模态T（0,1）超声导波具有无频散特性,在换热管检测中有广阔的应用前景。采用ANSYS 有限元方法对T（0,1）模态导波检测进行仿真研究,为克服在ANSYS中Solid 164单元无旋转自由度而无法加载转角或扭矩的问题,提出了通过施加刚体转动间接激励T（0,1）模态导波的方法。研究了转角加载和扭矩加载两种不同激励方式,仿真结果表明两种激励方式都可以成功激励出T（0,1）模态导波,缺陷定位准确,且扭转模态导波在弯管中衰减更大。     

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.     

Time reversal method for guided wave inspection in pipes

The application of the time reversal method in pipe-like structures based on finite element method (FEM) is investigated. A steel pipe model measuring 70 mm × 3.5 mm is used to analyze the reflection coefficient of the L(0,2) mode with the time reversal process. Simulation results show that the time reversal array method is beneficial to the improvement of the signal-to-noise ratio of a guided wave inspection system. As the intercepting window is widened, more energy is included in re-emitted signals, which leads to a large reflection coefficient of the L(0,2) mode. In parallel, a circumferential locating method based on the time reversal method is described. The time reversal process used for guided wave inspection leads to the temporal and spatial focusing. When the time reversal signals are re-emitted, the angular profile obtained at the axial location of the defect can be used to determine the circumferential location of the defect. Except for a pipe with one defect, the circumferential locating method has been verified on another pipe model with two defects. Meanwhile, the elements number of the time reversal array has been discussed for enhancing the discrimination of the defect circumferential location.     

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。     

水载压力对管道超声导波信号的影响研究

为了研究水载压力对管道超声导波信号的影响,利用半解析有限元的方法分析了管道导波的频散曲线和波结构,选择 L(0,2)模态导波用于实验验证。 设计了一个可承受 30 MPa 压力的防水卡箍,对管道上的压电传感器进行封装。 将安装了防 水耐压卡箍的管道放入压力舱中进行打压循环测试,压力在 0~ 30 MPa 之间变化。 打压过程中采集无损伤及 5% 损伤的管道超 声导波信号,分析水载压力对导波信号的影响。 实验结果表明,该防水卡箍具有良好的防水和耐压性能,水载压力对 L(0,2)模 态导波信号幅值没有显著影响。     

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。     

Time reversal method for guided wave inspection in pipes

The application of the time reversal method in pipe-like structures based on finite element method (FEM) is investigated. A steel pipe model measuring 70 mm x 3.5 mm is used to analyze the reflection coefficient of the L(0,2) mode with the time reversal process. Simulation results show that the time reversal array method is beneficial to the improvement of the signalto-noise ratio of a guided wave inspection system. As the intercepting window is widened, more energy is included in re-emitted signals, which leads to a large reflection coefficient of the L(0,2) mode. In parallel, a circumferential locating method based on the time reversal method is described. The time reversal process used for guided wave inspection leads to the temporal and spatial focusing. When the time reversal signals are re-emitted, the angular profile obtained at the axial location of the defect can be used to determine the circumferential location of the defect. Except for a pipe with one defect, the circumferential locating method has been verified on another pipe model with two defects. Meanwhile, the elements number of the time reversal array has been discussed for enhancing the discrimination of the defect circumferential location.