超声导波信号与管道缺陷相互作用的实验研究

摘要

管道在化工、石油、能源、航空等工业领域有着广泛应用，但是在服役过程中，由于管道老化、腐蚀和外力损伤等造成的管道泄漏，除了影响正常生产外，还会造成资源浪费，甚至会对生态环境造成破坏。因此，为了保证管道的安全工作，对管道进行缺陷检测十分必要。传统的管道检测方法采用单点检测，必需剥离包覆层，其存在检测速度慢、检测费用高、检测距离短等不足。而超声导波检测技术作为一种新兴的无损检测方法，可以对管道进行长距离检测，具有快速、可靠、经济且无须剥离管道包覆层的优点。其检测原理是，在管道一端激励沿管道传播的超声导波，通过接收环接收回波信号，分析回波信号，确定管道缺陷的位置、大小、类型等信息。但是，由于缺陷的多样性和不确定性，往往使结果分析异常复杂。所以，研究超声导波信号与管道缺陷之间的相互作用关系可以简化上述问题分析的复杂性。
　　 本文对超声导波应用于管道缺陷检测中的问题作了理论分析和实验研究，主要工作与结论有以下几点:
　　 (1)介绍了超声导波的概念及管道超声导波检测原理，分析了管道中导波的传播特性，包括导波在遇到缺陷后的反射、透射及衰减特性。
　　 (2)通过空心圆管中导波的频散方程，对特定管道中各模态导波的群速度频散曲线进行了计算;分析了管道中传播的纵向、扭转、弯曲三种模态导波，对管道缺陷检测中常用的L(0，2)和T(0，1)两种模态导波的激励、接收方法及其最佳激励频率进行了说明。
　　 (3)在理论分析的基础上，以轴对称纵向模态L(0，2)和扭转模态T(0，1)导波对管道进行了缺陷检测实验，采用单一变量原则，在管道固定位置预制人工缺陷，通过改变缺陷的截面积大小、轴向宽度及回波信号的周向接收位置等因素，在时域上研究这些变量对缺陷反射回波、端面回波、转换模态等各回波反射系数的影响。对实验结果进行分析，表明:L(0，2)模态和T(0，1)模态导波对人工预制缺陷能够产生回波信号，可以较准确地对缺陷进行定位;导波对缺陷截面积比的变化较为敏感，而对缺陷轴向宽度的变化不敏感;通过采用不同方式接收回波信号，能够较准确地确定缺陷的最大深度位置，实现管道缺陷最大深度位置的周向定位;在激励频率相同的条件下，导波可以实现对相同截面积比的不同类型缺陷的初步定性;在缺陷类型、缺陷截面积比相同的条件下，扭转模态T(0，1)导波频散较小且能量更集中，缺陷回波现象明显，便于缺陷检测。L(0，2)模态和T(0，1)模态导波遇到缺陷后，均发生模态转换现象，产生的导波模态均是非轴对称弯曲模态，L(0，2）模态导波产生v(2，3)模态，T(0，1)模态导波产生F(1，2)模态。
　　 (4)通过小波包分析与特征参数的提取，在频域上分析了回波信号的能量分布情况，为管道缺陷类型的识别奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本文的研究背景及意义

1．2 国内外的研究历史和现状

1．2．1 国外的研究历史和现状

1．2．2 国内的研究历史和现状

1．3 本文的主要研究内容

第二章 管道超声导波模态和频散特性分析与确定

2．1 超声导波的概念

2．2 超声导波的主要特征

2．2．1 导波的相速度和群速度

2．2．2 导波的频散现象与多模态现象

2．2．3 导波的衰减、反射与透射

2．3 空心圆管中的超声导波

2．3．1 空心圆管中的柱面导波基本理论

2．3．2 频散曲线的计算

2．3．3 空心圆管中的导波模态分析

2．4 管道超声导波检测原理

2．4．1 管道缺陷的定位

2．4．2 回波信号反射、透射系数的计算

2．4．3 转换模态的产生

2．5 本章小结

第三章 超声导波管道检测实验系统

3．1 仪器设备的介绍

3．2 传感器的选择及其布置方式

3．3 激励信号的选择

3．4 导波最佳激励频率的选取

3．4．1 L(0，2)模态导波最佳激励频率的选取

3．4．2 T(0，1)模态导波最佳激励频率的选取

3．5 本章小结

第四章 超声导波管道缺陷检测实验研究

4．1 管道缺陷轴向定位的实验研究

4．2 管道裂纹缺陷最大深度位置的周向定位实验研究

4．2．1 L(0，2)模态导波实验研究

4．2．2 T(0，1)模态导波实验研究

4．2．3 管道裂纹缺陷最大深度位置的周向定位实验结果分析

4．3 管道裂纹不同缺陷截面积比的对比实验研究

4．3．1 L(0，2)模态导波实验研究

4．3．2 T(0，1)模态导波实验研究

4．3．3 管道裂纹不同缺陷截面积比的对比实验结果分析

4．4 管道腐蚀缺陷不同轴向宽度的对比实验研究

4．4．1 L(0，2)模态导波实验研究

4．4．2 T(0，1)模态导波实验研究

4．4．3 管道腐蚀缺陷不同轴向宽度的对比实验结果分析

4．5 管道相同缺陷截面积比的不同类型缺陷的对比实验研究

4．5．1 L(0，2)模态导波实验研究

4．5．2 T(0，1)模态导波实验研究

4．5．3 管道相同缺陷截面积比的不同类型缺陷的对比实验结果分析

4．6 导波模态转换情况的对比实验研究

4．7 本章小结

第五章 基于小波包的缺陷回波信号能量分布研究

5．1 小波包分析原理

5．2 特征参数的提取

5．3 管道缺陷回波信号特征提取

5．4 基于L(0，2)模态、T(0，1)模态导波的不同类型缺陷回波信号能量分析

5．4．1 基于L(0，2)模态导波的不同类型缺陷回波信号能量分析

5．4．2 基于T(0，1)模态导波的不同类型缺陷回波信号能量分析

5．5 特征参数提取的分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的科研成果及参加项目