扭转模态在充水管道缺陷检测的实验研究

研究了充水管道中扭转模态的传播特性.通过理论分析可知最低阶扭转模态T(0,1)适合用于充水管道中的缺陷检测.在实验中利用研制的传感器在充水管道中激励出T(0,1)模态,并利用频率50kHz的该模态对4m长充水管道中两种不同类型的缺陷进行了检测.结果表明,利用T(0,1)模态的超声导波可以用于充水管道的缺陷检测.     

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。     

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。     

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.     

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。     

管道缺陷的超声导波检测研究

针对管道缺陷与超声导波交互的特点,为解决在管道超声导波检测中的缺陷定位困难、轴向尺寸无法量化等繁琐和耗时严重等问题,设计了自发自收和一发一收两种管道缺陷的超声导波检测平台,对特定环形缺陷进行管道超声导波检测进行了研究,探究了环形缺陷的轴向长度和径向深度对超声导波检测的影响。结果表明:采用自设计的超声导波检测平台可实现管道缺陷的定位检测及轴向尺寸定量检测,缺陷的轴向长度主要影响缺陷回波的形态,缺陷的径向深度主要影响回波的能量。     

基于模态分析的厚壁管道周向导波检测的研究

厚壁管道中结构的不连续会改变周向导波的传播特性,从而影响对检测信号的判断,因而研究厚壁管道中周向导波传播特性以及缺陷对周向导波传播的影响是实现厚壁管道系统检测的基础。从厚壁管道的频散曲线出发,分析了厚壁管道周向导波频散曲线的不同特征,同时研究了入射角对厚壁管道检测性能的影响。在优化选取最优入射角度的情况下,利用小波分析结合数据拟合的方法研究了该角度下导波在厚壁管道中的模态转换特征,计算出周向导波在厚壁管道不同距离处的实际传播速度,区分出了导波的模态,并以此为基础在厚壁管中引入切槽缺陷,采用实验方法研究了缺陷大小对导波幅值、模态转换的影响规律。该研究为厚壁管道周向导波检测提供了参考。     

超声导波在管中传播的理论分析与试验研究

采用分布式PZT传感器在管中激励和接收超声导波。根据在管状波导中传播的超声波具有频散现象及多模态特征,选择具有单一频率的特定信号激励超声波,使其频散最小;同时采用分布式传感器抑制不同模态的波型。其试验结果与理论预测相吻合。     

基于超声导波技术对弯管中缺陷检测的实验研究

利用超声导波技术在弯管中进行了缺陷检测的实验研究.利用周向均布的长度伸缩型压电陶瓷片激励特定频率的纵向模态L(0,2),对90°弯管中的人工周向缺陷和结构缺陷等进行了检测,分析了周向缺陷尺寸的变化对缺陷回波和端面回波幅值大小的影响.对弯管中同时存在多个缺陷的情况进行了研究.实验结果表明,超声导波检测技术可以用于弯管中不同部位和不同类型的缺陷检测,这为利用超声导波对更加复杂的管道系统中缺陷检测作了有益探索.     

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。     

基于模态声发射和小波变换的薄板中导波传播特性的实验研究

基于小波变换和模态声发射理论。通过声发射实验的方法确定了薄板中导波传播的弥散特性。通过分析声发射信号的Gabor小波变换幅度在时频空间分布特点，确定某一频率下某一模态导波到达传感器的时间，从而确定该频率下该模态导波的群速度，进而确定其弥散曲线。实验确定薄板弥散曲线与理论计算曲线较好吻合，证明小波变换是分析弥散波时频特性的有效工具。     

钻杆管内壁鼓包缺陷形成机理

钻杆是石油钻柱的重要组成部分,其钻杆管内壁鼓包壁缺陷会引发失效事故.利用超声检测技术即超声探伤仪和超声测厚仪对φ 127×9.19 mm的平端钻杆管体钻杆内壁鼓包进行检测,并采用金相与能谱分析法研究内壁鼓包非金属夹杂物及夹杂物所含物质的成分.研究结果表明,该方法检测钻杆内壁内壁鼓包缺陷分析是行之有效的.     

基于宽频激励的管型结构导波检测

在对管型结构的导波检测过程中,需要预先选定导波模态,并确定激励频率,这个选择的过程存在一定的盲目性,而在多次反复试验中确定最佳激励模态和频率也会带来精力、时间、硬件资源的耗费问题。介绍一种信号处理方法,在宽频信号作为激励产生响应的基础上,采用该算法可获得其频带范围内任意单频激励信号对应的响应,有效解决了预先选定模态及频率的问题。同时,引入时频分析技术,根据缺陷反射回波能量的分布情况快速确定具有低模态转换响应的导波频率区间。通过对比各频率计算结果的模态和缺陷反射信号幅值,发现缺陷管中理想的激励导波频率在140~180 kHz,且缺陷反射回波幅值随激励信号周期增加而增加,但这种特点在低频表现得不明显。这为根据管中缺陷大小及类型,选择不同激励频率和周期提供了理论依据。     

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。     

外载作用下悬跨管道纵向振动响应研究

管道是油气资源运输的载体,其性能对作业安全影响巨大。在合理假设的基础上,通过建立悬跨管道的振动力学模型,建立并求解其运动微分方程,得到悬跨管道的纵向振动响应。管道在受冲击载荷作用时由于阻尼的存在其纵向振动响应幅值随时间逐渐减小;管道受一般外载作用下的响应可通过将外载视为作用时间段内冲击载荷的积分来处理;管道受简谐力作用时其振动幅度与阻尼比和频率比相关,当外激频率接近固有频率时振幅放大系数最大,当外激频率大于固有频率时,频率比越大管道的振幅放大系数越小。