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。     

超声导波对不同类型管道腐蚀检测的适用性研究

以超声导波检测技术理论为基础,结合压力管道实际腐蚀类型,对腐蚀检测进行了理论分析;介绍对一段压力管道进行超声导波检测试验情况,并对结果进行了分析。总结并用试验验证了超声导波检测技术适用的压力管道腐蚀类型。     

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。     

管道电磁超声导波技术及其应用研究进展

超声导波理论研究的不断深入、导波固有的可用于长距离大范围高效检测的性能优势,以及电磁超声技术实现上具有的非接触特点等,共同促进了电磁超声导波技术的研究、发展和应用。梳理管道电磁超声导波技术近些年来在周向导波、轴向导波和螺旋导波方面的理论研究进展及技术应用情况,具体对比了板状和管状结构导波,归纳了不同模态导波换能器的特点,分析了导波与管道缺陷的相互作用,介绍了上述导波在管道缺陷定位、尺寸量化和成像中的应用,即回顾了管道电磁超声导波技术的研究及应用现状,并展望了其今后的研究方向和发展趋势。     

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。     

基于相关的超声导波检测信号分析方法

在超声导波管道检测中,不同的管道结构特征在信号上有不同的表现。为了实现管道超声导波检测数据分析的智能特征识别,采用相关系数的方法比较待识别信号与标准样本信号相似程度,从而实现对管道特征信号的智能分类。试验结果表明,基于相关的超声导波检测信号识别方法具有较高的识别精度,能够提高检测的效率和准确度。     

高温气冷堆蒸汽发生器换热管电磁超声导波检测方法研究

高温气冷堆蒸汽发生器螺旋换热管是压力边界相对薄弱的部分,若出现降质破损,可能引起放射性介质泄漏并造成堆芯损伤。针对该类换热管由于管路复杂缺乏无损检测方法的现状,提出了适用于高温气冷堆蒸汽发生器复杂结构换热管的电磁超声导波检测方法,开发了专用电磁超声导波检测仪及检测探头,建立了1∶1的高温气冷堆蒸汽发生器换热管全尺寸模拟体试验平台,开展了灵敏度测试优化试验及换热管全长缺陷检测试验。试验结果表明,该电磁超声导波检测方法能够有效解决高温气冷堆蒸汽发生器换热管在役无损检测难题,所开发的电磁超声导波检测仪和检测探头能够在单点位置实现换热管长距离全覆盖检测,可有效识别模拟体上换热管异种钢焊缝薄弱处与远端约60.2 m处截面损伤率为16.8%的刻槽缺陷,验证了高温气冷堆蒸汽发生器换热管电磁超声导波在役检测的可行性。     

基于SOPC的管道超声导波检测系统设计

针对国内超声导波检测仪器相对落后的现状,提出了基于单片FPGA设计管道超声导波检测系统的方法。以MicroBlaze软核处理器为控制核心,编写了导波发射专用DDS IP核,设计了完整的硬件平台。对uC/OSⅡ嵌入式操作系统和uC/GUI图形用户界面进行移植,完成了应用程序的开发。系统集导波发射、回波采集、分析处理、实时显示和数据存储等功能于一身。实验表明:各功能运行正常,能方便地应用于管道超声导波检测。     

管道变形损伤超声导波检测试验研究

变形是管道的主要失效模式之一,变形检测是保障管道安全运营的重要措施。现有技术,如通径检测、超声检测等用于管道变形检测能够取得较好的效果,但也均有其局限性。为此,通过开展试验研究,探讨利用超声导波技术进行管道变形检测的可行性。导波模态选择轴对称的纵向模态导波L(0,2)。通过在空心铝管中模拟凹陷变形,得到铝管不同凹陷程度时的反射回波。在此基础上,进一步分析变形回波特征与变形区域的联系。结果表明,L(0,2)模态导波对管道凹陷变形敏感,试验系统能够清晰辨识由于管道变形而反射的回波信号;变形回波幅度有效反映了管道的变形程度,且其时间历程能够有效定位管道变形区域所在的轴向位置。超声导波为管道变形检测提供了一种具有潜在吸引力的新型检测技术。     

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。     

基于反褶积与编码激励的长输管道损伤检测

制约应力波导波技术应用于长输管道损伤检测的两个主要原因是信号处理技术和导波激励技术,针对应力波频散效应和外界噪声干扰使得管道损伤检测定位精度低的问题,采用了基于子波估计的反褶积技术处理管道导波测量数据。数值模拟和试验结果均表明,该方法可以有效地抑制导波频散,提高了管道损伤检测的定位精度。针对单一激励能量有限、检测信号的信噪比低等问题,采用了编码激励技术,设计了两种不同的编码激励信号,并将其应用到管道纵向导波传播模型中。数值模拟结果表明,编码激励技术能够有效地提高管道损伤检测的抗干扰能力和分辨率。     

基于流固耦合的换热管道污垢超声回波检测数值模拟与实验

对换热管道污垢的有限元建模、耦合边界处理进行了分析与讨论,以压力声学与固体力学为理论基础,基于COMSOL Multiphysics中的PDE模式构建平面辐射声源下的声波振动控制方程,采用超声回波法对换热管道污垢厚度进行无损检测,求解不同振动频率下的回波振型和响应时间历程,为检测多层管材时模态和频率选择提供理论依据。针对多组不同管材污垢厚度回波特性,将有限元仿真与测点检测结果进行对比,验证了模型的准确性。基于换热污垢动态模拟实验装置进行了污垢定量实验。结果表明：采用实验和有限元结合的方式实现换热管道污垢超声回波检测的方法是可行的,数值模拟与实验结果吻合,超声波对管道沉积污垢的检测误差在±4%左右,该结果对工程在役换热集输系统的运行和清管具有实际意义。     

非线性超声谐振方法及在结垢检测中的应用研究

针对压力容器和管道安全运行需要,发展了一种非线性超声谐振结垢检测方法。从理论上分析非线性细观弹性材料因迟滞效应引起的非线性弹性本构关系。研究发现,随着超声波激励幅值的增加,迟滞导致的非线性效应主要表现为超声波谐振频率向低频偏移和谐振频谱品质因数的变化。对涂有不同厚度模拟结垢的板试件进行非线性超声谐振检测试验,研究了激励电压水平对基波及二次谐波谐振频谱的影响规律,提出基于二次谐波弹性迟滞非线性系数和耗散迟滞非线性系数的结垢层厚度表征方法。在此基础上,将非线性超声谐振检测方法应用于实际工程中炉管结垢层检测,结果表明,利用二次谐波的弹性迟滞非线性系数和耗散迟滞非线性系数能较好反映炉管结垢状况。研究工作为实际工程中炉管结垢层检测提供了新的思路和方法。     

基于Lyapunov指数的超声导波检测技术

为了提高超声导波的检测灵敏度,提出了一种基于杜芬方程Lyapunov指数特性的超声导波识别方法,该方法利用了杜芬方程对系统参数的敏感性及其对噪声信号的免疫特性。首先,分析了杜芬方程检测导波信号的数学原理;其次,讨论了如何设定检测系统参数,给出了可用于检测导波信号的杜芬系统;最后,通过分析比较噪声和导波信号对Lyapunov指数的不同影响,证明了该方法识别强噪声下弱超声导波的有效性。数值算例表明,通过合理设置杜芬方程参数使系统处于混沌状态,当输入导波信号和混有噪声的导波信号时,系统由混沌状态转变为极限环运动,利用杜芬系统状态改变可实现对强噪声下弱超声导波的识别,该方法可有效延长超声导波的检测范围和提高检测小缺陷的灵敏度。     

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。     

Ultrasonic defect detection of a petroleum pipeline in a viscoelastic medium

During detection of the defects in the inner wall of a petroleum pipeline via an ultrasonic nondestructive evaluation method, the defect echo and the inner-wall echo often overlap. It is difficult to identify the arriving time of the defect echo. When an ultrasonic wave propagates in a viscoelastic medium, the stress relaxation and creep deformation result in a signal characterized by frequency. The wave speed and attenuation rate are dependent on the frequency; thus, the ultrasonic signal has different shapes along the wave propagation path. Sometimes the wave shape is wry. The empirical mode decomposition technology used for separating the overlapping echo signals has been presented in this paper. With such technology, the original ultrasonic signal can be decomposed and then some intrinsic mode functions (IMFs) and a residue can be obtained. Different IMFs contain different echo signals. Some useful IMFs are selected to reconstruct the ultrasonic signal. The peaks of the reconstructed ultrasonic signal envelope indicate the arriving time of the echo signals. The experimental results show that this method is effective for detection of the defects in the inner wall of a petroleum pipeline. The text was submitted by the authors in English.