基于超声导波的管道焊缝区缺陷检测研究

摘要

为保障管道运行安全，需要对其进行定期检测，超声导波相对传统无损检测技术具有传播距离远、检测效率高等优点，近年来有很多研究将超声导波应用到管道缺陷检测中，但是因超声导波和焊接结构的复杂性，较少有针对管道焊缝区（焊缝及其邻近区域的总称）缺陷的详细研究。而焊缝区缺陷，是影响管道安全的重要因素，所以对管道焊缝区缺陷超声导波检测方法的研究有很大现实意义。
　　本文通过数值模拟和试验方法，针对焊缝裂纹、孔洞缺陷，近焊缝裂纹、孔洞缺陷，多焊缝管道焊缝裂纹缺陷及充水与埋地管道焊缝裂纹缺陷，进行了检测分析，研究了不同缺陷对焊缝回波的影响，为管道焊缝区缺陷的检测提供了依据。本文主要工作和成果如下：
　　1)在导波的形成机理和频散现象等导波理论的基础上，分析了真空、充水与埋地管道中超声导波的频散曲线，确定了导波检测激励信号与激励频率的选择方法，研究了管道焊缝区的结构和缺陷，提出了用于判断管道焊缝区缺陷的对称与非对称模态分离算法。
　　2)结合焊缝区结构和超声导波的复杂性，基于ANSYS有限元分析软件建立了管道焊缝区缺陷分析模型，通过分析轴向及周向位移云图，研究了焊缝处模态转换情况，并应用对称与非对称模态分离算法，分析了不同缺陷焊缝回波中的非对称模态，及其随缺陷截面缺损率变化的情况。
　　3)建立了导波激励接收试验系统，设计了试验方案，分别对焊缝区裂纹、孔洞缺陷，多焊缝管道焊缝裂纹缺陷进行了试验研究，应用对称与非对称模态分离算法研究了焊缝回波中的非对称模态。研究发现，含缺陷的焊缝回波与不含缺陷的焊缝回波相比，非对称模态明显增多，当非对称模态与对称模态幅值比大于0.2时，基本可以判断焊缝区含有缺陷，且非对称模态与对称模态幅值比随缺陷截面缺损率的增大而增大；考虑到实际应用情况，还进行了充水与埋地管道焊缝裂纹缺陷的导波检测试验。
　　本文使用超声导波检测管道焊缝区缺陷，通过数值模拟与试验研究，证明了应用超声导波检测管道焊缝区缺陷的可行性，研究工作为判断管道焊缝区缺陷提供了理论与工程应用依据。

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第一章 绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2 国内外对本课题的研究历史与现状

1.3 导波检测管道焊缝区缺陷存在的问题

1.4 本文主要研究内容

第二章 导波检测管道焊缝区缺陷的基本理论

2.1 导波的基本概念与主要特征

2.2 激励信号与激励频率的选取

2.3 管道焊缝区结构及缺陷

2.4 对称与非对称模态分离算法

2.5 本章小结

第三章 导波检测管道焊缝区缺陷的数值模拟

3.1有限元模型的建立

3.2 仿真结果分析

3.3 本章小结

第四章 导波检测管道焊缝区缺陷的试验研究

4.1 试验系统与试验方案

4.2 试验结果分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果