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.     

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。     

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.     

低阶扭转模态电磁声阵列传感器研制及其在厚壁小径管中的试验研究

管道检测是发电厂热力设备安全的重要问题,由于高温以及检测区域的限制,常规无损检测方法很难满足电站管道检测要求。低阶扭转T(0,1)模态导波,由于其非频散特性,对管道缺陷大范围检测十分有效。为在管道中实现非接触激励T(0,1)模态,设计并研制了一种电磁声阵列传感器。利用所研制的电磁声阵列传感器,实现了厚壁小径管中T(0,1)模态激励和接收。通过优化电磁声阵列传感器各元件间不同连接方式可知,当各元件并联连接时,不仅提高了所激励信号的能量,还抑制了其它模态产生。同时测试了电磁声阵列传感器的频率特性,并对有周向人工缺陷的样管进行检测。试验结果表明,该电磁声阵列传感器可以实现对样管中周向缺陷的检测与准确定位,为在管道中激励接收T(0,1)模态并实现非接触检测缺陷奠定了基础。     

基于扭转模态的管道裂纹聚焦成像

利用超声导波技术,对管道的裂纹检测进行了研究,理论分析了扭转模态的传播特点。基于有限元模拟,分析了不同尺寸裂纹对T(0,1)模态传播的影响。为检测管道中裂纹的位置和尺寸,引入了综合聚焦成像算法。利用该算法,将接收到的反射波在管道不同位置(θ, z)处聚焦成像,并建立管道的成像分布I(θ,z)。成像结果直观地反映了裂纹的位置和尺寸。      

一种管道中T(0,1)模态单向电磁超声换能器

为了准确判定管道中缺陷位置且减少回波信号复杂程度,提出一种管道中单向传播的电磁超声换能器结构.根据电磁超声换能器理论,建立磁场、位移、超声波叠加数学模型,并对单向电磁超声换能器波动位移进行有限元仿真分析;实验采用双线圈激励方法对T(0,1)模态导波的传播强度进行控制.结果表明:换能器相邻导线间距为λ/4,且延迟时间为T...     

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。     

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。     

钢管中基于磁致伸缩效应扭转导波激励的实验研究

对磁致伸缩扭转导波传感器进行了实验研究。在钢管外表面粘贴与钢管轴向方向成45°角的铁钴条带,通过条带的磁致伸缩效应,在钢管中成功地激发出T(0,1)模态扭转导波,得到了信噪比良好的信号。使用多种激励频率对完整管道进行测试,对信号进行对比研究,得出了最佳的激励频率。     

基于神经网络和支持向量机的导波弯管腐蚀损伤程度辨识研究

利用导波的远场检测优势和机器学习模型,开展管道弯曲处腐蚀损伤程度智能辨识方法研究.在普通碳质钢管弯头处加工不同程度的腐蚀缺陷,按腐蚀程度分为10个等级.采用自激自收和一激一收两种信号激励接收方式,在管道中激励具有非频散的T(0,1)型超声导波,采集得到不同腐蚀程度缺陷对应的导波检测信号.在时域和频域对检测信号进行分析,提取多个导波信号特征值用于表征损伤程度,并通过BP神经网络和支持向量机两种分类模型对数据进行训练分析得到缺陷损伤辨识模型,实现弯曲处腐蚀程度的准确辨识.研究中分析两种模型的超参数对缺陷辨识模型精度的影响,对比研究两种模型对弯管腐蚀损伤辨识的性能.试验结果表明,两种损伤辨识模型对不同激励接收模式下的导波检测信号均能取得较优的分类效果.相较于BP神经网络,支持向量机在小样本条件下对弯管腐蚀损伤具有更好的辨识效果.     

基于超声导波的高压电缆铝护套检测技术可行性研究

针对高压电缆铝护套在运行过程中易出现机械损伤及腐蚀失效的问题,通过建立高压电缆铝护套的简化模型并求解其频散方程获得了相应的频散曲线,从而对高压电缆铝护套中超声导波多模态、频散和衰减等传播特性进行了研究,提出了利用超声导波无损检测技术实现对高压电缆铝护套快速无损检测的方法,在理论分析和有限元仿真的基础上,使用超声导波检测仪对高压电缆铝护套进行了缺陷检测试验研究。研究结果表明:采用32 kHz的T(0,1)模态能够检测铝护套中截面损失在4.25%以上的裂纹缺陷,缺陷回波幅值随着缺陷增大而增大;理论分析、有限元仿真和检测试验验证了超声导波检测高压电缆铝护套缺陷的可行性。     

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.     

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。     

基于反转威德曼效应的管道扭转导波监测换能器设计北大核心CSCD

针对预磁化式磁致伸缩扭转导波换能器换能效率低、磁致伸缩材料消磁导致无法长期监测的不足,文中基于反转威德曼效应设计了一种永磁式磁致伸缩扭转导波换能器,适用于长距离管道健康监测。首先,阐述磁致伸缩扭转导波换能器换能机理,提出管道周向永磁阵列和柔性曲折线圈换能器结构。然后,使用COMSOL Multiphysics软件对换能器偏置磁场进行仿真,研究永磁铁对偏置磁场的影响,并确定永磁铁阵列参数。最后,在管道中激励扭转导波,实验研究磁致伸缩贴片宽度对换能器频率响应特性的影响。实验结果表明:设计的换能器能够在管道中激励纯净的T(0,1)模态导波,通过调整磁致伸缩贴片宽度,能够改变换能器中心频率。     

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。     

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。     

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。     

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。