4声导波技术在管道缺陷检测中的研究图文精.docx

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⑧天庠大謦

硕士学位论文

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学科专业：

整窒丝登盈垫缝

作者姓名：

宋志东

指导教师：

靳世久教授２００６年１月

摘要

管道运输业在经济建设和国防工业中发挥着越来越重要的作用。

维护管道安全运行，防止管道生产事故的发生是管道工业生产和安全管理部门一项很重要的工作。

管道泄漏事故一旦发生，不仅造成大量物质损失，更为严重的是有可能带来人身伤亡事故。

管道缺陷检测是油气管道安全检测的重要方面。

传统常规的检测方法往往费时费事，而超声导波技术由于其具有检测效率高、速度快和检测管壁整个厚度等的优势，使这项技术在长距离快速检测和管道完整性评价等方面受到无损检测领域的广泛关注。

本文对超声导波技术应用于工业管道缺陷无损检测进行了理论和实验研究。

首先，分析了国内外超声导波无损检测技术研究现状，介绍了超声导波的基本概念和原理；其次，详细推导了空心圆管中的导波理论，得出了空心圆管中柱面导波频散方程，对频散曲线进行了计算，分析了空心圆管中纵波、扭转波、弯曲波三种纵向模态导波；给出了在圆管中激励超声导波的方法，给出管道检测常用的导波模态Ｌ（０，２）和Ｔ（０，１）的激发方法；分析了管道中超声导波传播特性，包括导波的衰减特性和缺陷反射特性：

在理论分析基础上，应用超声导波检测仪对管道缺陷进行检测实验，以轴对称纵向Ｌ（０，２）模态和扭转Ｔ（０，１）模态导波进行检测，实验结果与理论分析基本吻合。

最后，对纵向Ｌ（０，２）模态和扭转Ｔ（０，１）模态导波检测结果进行分析，表明：

纵向模态和扭转模态导波检测到了全部的焊缝等特征，对预制缺陷有回波信号，并可以较为准确的对缺陷定位；导波对周向缺陷较为敏感，证明了应用超声导波技术对工业管道进行无损检测的可行性；对两种模态的检测结果进行对比分析，前者的波形明显比后者复杂得多，表明纵向导波对所激发信号的轴对称性要求更高。

关键词：

超声导波管道缺陷检测无损检测

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独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁洼盘茔或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：

ｌ泵毫、肖、签字日期：

矽一多年，月石日

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（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名：

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导师签名澎辔ｊ签字目期：

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第一章绪论

第一章绪论

１．１本课题的研究背景及意义

现代管道运输起始于１９世纪中叶。

随着油气资源的开发以及能源市场的急增，管道运输在世界范围内得到了飞速发展，已经成为国民经济的命脉，管道运输业作为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输业之一，在经济建设和国防工业中发挥着越来越重要的作用ｌｌ】。

比较几种运输方式，管道输送具有的特点是：

第一，大大减少转运换装环节，实现连续运输，运量大，效率高，可避免空车返回的运力浪费，并且易于实现自动化管理；第二，管道建设投资省、见效快、占地少，与建设同样长度的铁路相比，管道建设的周期和费用均不到铁路的１／２，占地只有铁路的１／９，并且管道建成投产后，９０ｅ的土地可恢复使用：

第三，运输过程可实现完全密闭化，效率高、损耗低，燃料消耗是铁路的１／２，是公路的１／９，运输消耗是铁路的１／３，是公路的ｌ／２；第四，可适应各种复杂地形、地貌和气候条件．由于管道输送在运送气体、液体、浆体等散装物品方面所具有的独特优势，管道工业在石油、化工、电力及天然气等行业具有不可替代的作用【２】。

同时，和我们日常生活密切相关的城市供水、煤气系统更是极为庞大的管道网络。

随着管线事故的增多、管龄的增长，由于施工缺陷和腐蚀等问题和人为破坏的存在，管道事故频频发生，给人们的生命、财产和生存环境造成了巨大的威胁。

因此，工业发达国家均高度重视管道检测技术的研究和开发，对在役长距离油气输送管道实行强制性的检测，特别是对新建和老龄管道更是十分关注。

目前我国多数油气管道已经进入中老年期。

为防止管道腐蚀穿孔、爆管等造成的恶性事故的发生，我国每年用于油气管道维修的费用逐步增加。

由于检测手段的制约，管道的损伤状况多数不明，往往造成盲目开挖、盲目报废，维修缺少科学性，从而造成人力、物力的巨大浪费。

所以，发展一种经济实用、快速高效的管道检测技术成为亟待解决的问题。

管道的缺陷可以分为三类：

一、腐蚀。

管道的内、外部点蚀造成的金属损失．对于有包覆层的管道，外部腐蚀是由于包覆层的缺失或损坏造成的。

内部腐蚀是由于管道存有腐蚀性的气体、固体、浆体或水造成的。

二、机械破坏，包括弯曲、变形、金属滑落等。

这是由于对管道不适当的处置，比如施工填埋时失误操作等都有可能造成机械破坏。

三、制造缺陷。

有几种不同的制造缺陷可以造成管线的工作失效。

最常见的一种是管道的纵向焊缝。

通常，它们就像轴向和径向自然生

第一章绪论

长的裂纹一样。

为了确保安全，必须对管道的安全性进行有效的评定。

且前，用于管道缺陷检测的无损检测技术大致有五种【３】：

漏磁法、超声法、涡流法、射线法和磁粉法。

在国外长输管道检测中，广泛采用的漏磁管道检测（漏磁通管爬机）和超声波管道检测法（超声管爬机）。

一般情况下，长输油气管道智能检测系统全长３－－５米，总重１－－２吨，在管道不停输的情况下借助管道内输送介质的压差推动行走，可以检测２００多公里。

它借助于高精度的漏磁或超声传感器阵列，先进的信号处理和数据存储系统，配以精密的机械结构使它可以检测出管道内２—３毫米的管道壁厚变化、腐蚀坑、裂纹及应力情况，并将缺陷定位在１米之内．利用地面解释分析设备对检测结果进行解读和分析，得出管道内各种缺陷和损失状态参量的数据。

这些常规技术的特点是逐点扫描、检测速度比较慢；同时，由于绝大部分管道运输的是有腐蚀性的物质，工作条件非常恶劣，而且大部分工业管道都带有包覆层使之与外界隔绝，常规无损检测需要剥离管道外包覆层，大大增加了检测成本。

并且一些技术都不能在线检测。

因此利用这些技术对几万甚至几十万公里长的管道进行有效的检测几乎是不可能的。

这样就迫切需要一种新技术能够弥补常规检测技术的不足来对管道进行经济、方便、有效的检测１４－９］。

近年来发展出一种能够进行快速、长距离、大范围、相对低成本的无损检测方法，即超声导波（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｅＧｕｉｄｅｄＷａｖｅｓ）技术。

在固体中传播的超声导波，由于本身的特性，沿传播路径衰减很小，所以可以克服逐点扫描法的缺点进行长距离、大范围的缺陷检测；并且超声导波也可以在充液、带包覆层的管道中传播，使得检测工业管道的费用大大降低。

目前，对于超声导波技术的应用主要集中于柱面超声导波的检测研究。

柱面超声导波对于沿管道横向分布的缺陷有较高的灵敏度，但对沿管道纵向分布的缺陷不敏感。

因此，采用周向导波技术检测沿管道纵向分布的缺陷是一个比较好的选择。

超声导波与传统超声波技术相比具有两个明显的优势【ｌｏｌ。

首先，在构件的一点处激励超声导波，由于导波本身的特性（沿传播路径衰减很小），它可以沿构件传播非常远的距离，最远可达几十米。

接收探头所接收到的信号包含了有关激励和接收两点间结构整体性的信息，因此超声导波技术实际上是检测了一条线，而不是一个点．另一方面，由于超声导波在管（或板）的内、外（上、下）表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个壁厚（板厚），因此整个壁厚（或板厚）都可以被检测到，这就意味着既可以检测构件的内部缺陷也可以检测构件的表面缺陷。

利用超声导波检测管道时具有快速、可靠、经济且无须剥离外包层的优点，是管道检测新兴的和前沿的一个发展方向。

同时，由于压力管道的广泛应用，管道的长距离超声导波快速检测研究近年来受到国内外无损检测学者的极大关注。

因此研究

第一章绪论

超声导波在结构中的激励、接收及应用与缺陷定位等问题，对于导波技术在工程中的应用具有重大的意义１１”。

１．２国内外对本课题的研究历史和现状

１．２．１国外研究历史和现状

国外对超声导波技术的研究始于二十世纪初，研究者们首先对在不同波导中弹性波的传播特性进行了理论研究。

从最开始无限介质中波的传播理论到板中导波的传播理论，又从板中导波理论的研究到与实际应用更为接近的柱面导波的研究。

最早的工作主要是进行理论求解，６０年代，人们开始进行实验研究，近年来，导波被应用到无损检测领域中，特别是对薄板和管道进行无损检测。

由于超声导波在管状结构、板材检测上的优越性，利用导波对多种类型、结构进行缺陷检测和性能评价已经成为近年来导波检测技术研究与应用的热门话题。

一、导波的理论发展。

１９世纪后期２０世纪早期，人们开始研究弹性波在不同形状的有界波导中的传播。

通过早期的理论积累，人们逐渐开始对波在空心圆柱壳中传播感兴趣，并通过板波理论对波在空心圆柱壳中传播进行了分析。

１９２３年Ｊ．Ｇｈｏｓｈ［１２１首先推导出波在空心圆柱壳中传播的线弹性解。

得到了两个同轴圆柱体相套结构的频散方程，得到纵向轴对称模态的数值解，但他没有对解的正确性进行讨论和数值分析。

Ｄ．Ｃ．Ｇａｚｉｓｌｌ３１分析了板壳理论和轴对称假设的局限性，提出了自己的线弹性理论。

他首先分析了平面应变假设条件下的空心圆柱壳，得到了频散方程。

他分析了轴对称和非轴对称模态导波。

并得出了壁厚和内径比越小，圆柱壳中的弹性解接近板中兰姆波的解的结论。

后来，Ｄ．Ｃ。

ＧａｚｉｓＩｉ４，１５］又完整地推导出在无限长、各向同性的空心圆柱壳中的弹性解，得到了描述纵向模态和扭转模态导波在空心圆柱壳中传播的理论表达式。

并进行了数值计算，画出了含有许多模态的频散曲线，得到了不同模态的截止频率。

同时，他还进一步分析得出当壁厚和内径比较大时，他的解更接３ｆｒＰｏｅｈａｍｍｅｒ的解，当该值比较小时，他的解更接近兰姆波的解。

后来，Ｎ．Ａ．Ａｒｍｅｎａｋ嬲【１６】等详细讨论了圆柱壳中的弹性波传播理论，指出波在管线结构中传播时存在许多种模态，并且在相速度频散曲线中给出了可能出现的模态。

Ｊ．Ｊ．Ｄｉｔｒｉ等【１７１（１９９２）黜，导波模态的特征，如灵敏性和穿透力，很大程度上依赖于模态出现的数量和频率。

目前，超声导波技术的理论研究主要集中在数值分析方法和信号处理技术上。

用数值分析方法对不同模式得到波进行计算机模拟，并对一些特性进行研究，这对于研究导波特性的实验具有指导意义。

利用数值模拟技术还可以研究导波与

第一章绪论

不同种类缺陷的相互作用，这主要涉及导波在缺陷处的反射和折射系数的研究，以及导波在缺陷处的位移和能量变化。

目前国际上通常采用两种数值分析方法：

有限元和边界元法。

英国帝国学院理学工程系的超声无损检测组主要研究有限元法：

Ｄ．Ｎ．Ａ１］ｅｙｎｅ和Ｐ．Ｃａｗｌｅｙ［堪ｌ在研究Ｌ锄ｂ波与各种深度、宽度以及不同方向刻痕的相互作用的时候，采用了纯时域的有限元法；美国宾西法尼亚大学工程科学和力学系的工作者对边界元法作了比较深入的研究工作：

Ｒｏｓｅ等Ｉｌ川研究导波在板材中的反射和透射时，利用边界元法对板表面缺陷的形状进行了分类。

单纯使用有限元法或边界元法并不是很完善，因此，一些新的混合研究方法出现了。

Ｃｈｏ并１］Ｒｏｓｅ［２０］用边界元和标准模式延伸的混合技术研究了平板边界处的Ｌａｍｂｔｔ模式转换以及Ｌａｍｂ与表面破裂的相互作用。

Ｘ．Ｚｈａｏ和Ｊ．Ｌ．Ｒｏｓｅ［２Ｈ使用边界元法和标准模式延伸技术研究波的散射，并由此来定征波导中二维缺陷的大小。

他们把这种技术应用于研究导波与平板中任意形状三维缺陷处的散射，也得到比较理想的结果嘲。

在信号处理技术方面，目前采用的主要的信号处理技术是二维快速傅立叶变换（２Ｄ．ＦＦＴ）、短时傅立叶变换（ＳⅡ叮）、小波变换。

上世纪９０年代，Ｐ．Ｃａｗｌｅｙ等【２３】人最早使用二维傅立叶变换的方法，成功地把多种模式重叠的信号分离开来，并且指出，使用普通的傅立叶变换无法对信号进行处理：

ＨｙｅｏｎＪａｅＳｈｉｎ等例研究了含有聚乙烯的钢管的检测，运用了短时间傅立叶变换对回波信号进行了时频特性分析。

Ｌｅｙｍ撕ｅ等【２５】对多种三维复合材料进行导波检测时，指出使用小波变换和正确的滤波技术可以将不同模式分离。

二、管中导波的实验研究状况。

由于工业生产中迫切需要先进的管道无损检测技术，因此出现了将导波技术应用于管道缺陷检测的研究。

Ｔｈｏｍｐｓｏｎ等［２６］将ＥＭＡＴ（电磁声传感器）应用于蒸汽发电机管道的裂缝检测。

Ｍ．ＧＳｉｌｌ（和ｋＦ．Ｂａｉｎｔｏｎ［２７］利用压电超声探头在蒸汽管道中激励Ｌ（０，１）ｆｔＣ／ＬＯ，２）模态超声导波，并进行了裂纹检测实验，证明了利用超声导波技术对管道检测的可能性。

Ｍ．ＶＢｒｏｏｋ等【２ｓ】由管道一端施加法向载荷激励轴向导波，对管道进行检测，证明了利用柱状导波对管道进行检测的可行性。

有趣的是Ｍ．ＧＳｉ墩和Ｋ．ＥＢａｉｎｔｏｎ利用Ｌ（ｏ，１）模式导波对管道进行检测，而Ｂｒｏｏｋ币ｊ用的却是Ｌ（Ｏ，２）模式导波。

这是由于不同的激励方法产生的不同的激励模式。

Ｍ．ＧＳｉｌｋ和Ｋ．ＥＢａｉｎｔｏｎ是从管道内部激励导波的，而Ｍ．ＶＢｒｏｏｋ：

黾从管道一端横截面处激励导波的。

这些实验证明了利用超声导波对管道检测的有效性。

英国帝国理工大学力学工程系的Ｐ．Ｃａｗｌｅｙ等［１即＂６】发展了超声导波检测技术，并对工厂中的管道进行了检测。

他们的检测方法是利用脉冲回波法在管道的单一位置进行检测，管壁中缺陷的位置和大小用反射波信号和到达时间来确定。

他们在进行各种实验的同时建立了有限元模型，对管道中应力波的反射、透射、－４・

第一章绪论

模式转换等进行了分析，并取得了一定的成果。

Ｐ．Ｃａｗｌｅｙ［３４］期ＪｍＡ０（非对称零阶模态）等特殊模式的应力波对管道缺陷进行了检测，结果表明：

Ａ０模式对管道中的缺陷非常敏感，Ｌａｍｂ波对大结构、长钢管的缺陷或腐蚀的检测很有效。

Ｄ．Ｎ．Ａｌｌｗｙｎｅ等［３＇】提出用Ｌ（Ｏ＇２）模式，因为该模式在一定的频带内，非频散，且传播速度最快，适于长距离检测。

他们还研究了同一模式导波在焊点、棱边及管中的反射，证明了Ｌ（０，２）模式在干、湿隔离的情况下都能传播，并报导了焊点、棱边对反射系数的影响。

Ｍ．Ｊ．Ｓ．Ｌｏｗｅ等【３ｓ】用大约７０ｋＨｚ的单频导波进行了管道缺陷检测，建立反射函数来表征缺陷敏感性，并进行了数值模拟。

另外，韩国原子能研究所ＭｏｏｍＨｏＰａｒｋ等ｉ３ｓ悃Ａ０模式Ｌａｍｂ波对长钢管中的缺陷进行了检测，并进行了有限元分析，结果表明：

ＡＯ模式Ｌａｍｂ波对管中表面缺陷最为敏感，能量损失最小，数值模拟与实验结果吻合较好。

目前，美国的Ｊ．Ｌ．Ｒｏｓｅ和ＸｉａｏｌｉａｎｇＺｈａｏ［３９１已经在进行管道弯头处缺陷检测的研究；英国的Ｃ．Ａｒｉｓｔｅｇｕｉ、Ｍ．Ｊ．Ｓ．Ｌｏｗｅ和Ｐ．Ｃａｗｌｅｙ［４０１在进行导波检测充液的管道研究。

此外，利用非周轴对称模态（在圆柱空腔内又称弯曲模态）进行管道检测的实验也在进行。

Ｓｈｉｎ和Ｒｏｓｅ［４１，４２】采用非轴对称局部加载技术，通过控制表面加载的条件，在管道中激励轴对称或非轴对称模态导波进行检测。

在导波的激励方式上，目前的研究工作主要集中于利用压电传感器和电磁声传感器以及激光来激发和接收应力波。

国外已经发展了在管道上周向对称激励产生导波、利用梳状传感器在板上激励导波、利用相阵传感器阵列在管道上激励单向导波等技术，英国Ｐ－Ｃａｗｌｅｙ和美国的Ｊ．Ｌ．Ｒｏｓｅ分别作出了各自的用于检测的传感器阵列。

１．２．２国内研究历史和现状

与国外相比，国内对超声导波检测技术方面的研究起步较晚，但在相关各领域也展开广泛研究。

利用超声导波进行管道检测的理论和实验文章己见多篇报道。

刘镇清【４３垛述近年来国内外在超声导波技术、声发射技术、新型超声非接触换能方法、超声信号处理与模式识别等方面的若干研究成果，并分别在不锈钢直管、铜弯管、工程塑料管进行了实验，得到了初步的结果。

同济大学声学研究所的他得安等【“】对导波在管中的传播特性以及管材内径与壁厚之比变化时，对导波频散特性的影响进行了分析。

何存富、吴斌等ｆ１０】综述了无损探测中的超声柱面导波技术及其应用研究进展，着重评述了超声导波的模态和频率选择、导波的激励和接收方法、导波与缺陷的相互作用、信号处理与特征提取及导波技术在无损检

第一章绪论

测中的应用前景。

焦敬品等ｍ蟓述了管道超声导波检测技术及其应用研究进展，着重对超声导波技术和模态声发射技术在管道检测中的最新应用进行了评述，内容涉及超声导波的传播特性、试验检测方法及其数值模拟等。

程载斌等１４””综述了应力波检测技术及其应用研究进展，对应力波技术在管道损伤检测中的应用进行了重点评述，主要内容涉及应力波的传播特点、实验检测方法及数据处理方法等，并用有限元程序ＡＮＳＹＳ对管道纵波裂纹检测进行了数值模拟，通过对管道一端端部周向各节点施加轴向瞬时位移载荷模拟入射导波，同端接收反射导波，根据裂纹纵波回波信号到达时间和反射系数能较为精确地判断裂纹位置及周向长度，但反射系数对管道轴向裂纹宽度不敏感。

何存富、李隆涛等郴ｊ研究了薄壁管道内周向超声导波的传播及其频散特性，并且通过对比薄壁板与薄壁管道内的导波，找出来一个比较简便研究周向导波的方法，并通过实验验证了周向导波的频散现象以及激励模态与斜探头楔型角的关系，并且认为在管道中可以激励出单一的周向导波。

刘增华等【４９】介绍了五种不同类型传感器在管道导波检测中的工作原理、特性及应用。

于海群等【５０ｌ研制了一种超声导波专用探头，用于在板中和管中激励和接收超声导波，结果表明这种探头可以激励和接收超声导波．１．３本课题的主要研究内容

管道作为在国民经济中担任重要作用的运输工具，维护管道的安全运行，防止管道生产事故的发生是管道工业生产和安全管理部门一项很重要的工作。

管道泄漏事故一旦发生，不仅造成大量物质损失，泄漏的有毒化学物质还带来环境污染，更为严重的是有可能带来人身伤亡事故。

管道缺陷检测是油气管道安全检测的重要方面。

传统常规的检测方法往往费时费事，而超声导波技术由于其具有检测效率高、速度快和检测整个厚度等的优势，使这项技术在长距离快速检测和管道完整性评价等方面受到无损检测领域的广泛关注。

超声导波检测技术作为一项新兴的无损检测技术，涉及到力学、声学、传感技术、信号检测技术、信号处理等多个领域。

本文在查阅大量国内外管道安全检测技术，获取先进的管道缺陷无损检测研究成果的基础上，对新兴的管道缺陷无损检测超声导波技术进行了理论和实验研究，取得了一定的进展。

本文的主要研究内容：

ｌ、对国内外超声导波技术应用于管道缺陷无损检测领域的研究现状进行了分析。

２、介绍了超声导波的基本理论，主要包括：

导波相关的基本概念、导波的频散特性以及多模态性。

以指导下一步的实验工作．

第一章绪论

３、根据弹性力学理论推