一种基于界面波的双层金属复合管的裂纹检测方法与流程

本发明机械结构无损检测领域，特别是一种基于界面波的双层金属复合管的裂纹检测方法。

背景技术：

双层金属复合管是由两种不同的金属管材通过物理或化学等加工方法制备而成，管道界面间紧密结合。双层金属复合管的一般设计原则是一种金属管材作为基管，具有较高的强度和刚性，以满足管道的设计应力；另一种金属管材作为衬管，具有抗环境介质腐蚀或耐磨损等性能。与单层金属管相比，双层金属复合管充分结合了基管和衬管材料的最佳性能，克服了单一金属材料存在的局限性，满足了现代工业对运输管道耐高温、耐高压、耐腐蚀等性能的要求，被广泛应用于石油、电力、化工、天然气、军工、核工业等领域，在国民经济中发挥着不可替代的作用。

然而，双层金属复合管在加工制作或安装过程中，由于工艺水平相对落后，很容易在复合管道两种金属材料的结合面间形成微小的裂纹缺陷，肉眼无法看见，一般的检测设备也很难有效识别出。萌生的裂纹在管道内部流体长期高温、高压的工况服役中发生扩展，并进而导致复合管道开裂、打压刺漏，造成其服役性能下降、失效，甚至会给民众生命和财产安全带来灾难性的后果。因此，研究双层金属复合管结合面间裂纹的定位检测问题，对管道早期裂纹损伤的识别和及时更换具有重要的意义。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明提供了一种基于界面波的钢钛复合管界面周向裂纹的定位检测方法及其检测设备。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一个方面，一种基于界面波的钢钛复合管界面周向裂纹的定位检测方法，所述方法包括如下步骤：

s1、在内层金属管一端的外表面施加表面波；

s2、在内层金属管和外层金属管的结合面附近的内层金属管外表面上，接收表面波作用于双层金属复合管的所产生的信号；

s3、基于所接收的信号，通过脉冲回波法确定双层金属复合管结合面上的周向裂纹是否存在；并在所述裂纹存在时，进一步确定裂纹的轴向位置；

其中，所述双层金属复合管中的一层材质为钢，另一层材质为钛。

在所述的方法中，所述方法还包括下述步骤：

s4、沿管道周向依次改变角度，在内层金属管一端的外表面施加表面波；所述表面波传播至内层金属管和外层金属管的结合面转化为界面波；

s5、在每个角度下，依次获取直达的表面波信号能量以及界面波遇到所述裂纹产生的反射能量；

s6、基于接收的直达的表面波信号能量和界面波遇到裂纹产生的反射能量，获取不同角度下的裂纹反射系数，所述裂纹反射系数为同一角度下的界面波遇到所述裂纹产生的反射信号与表面波信号幅值比；

s7、绘制裂纹反射系数与周向角度关系的裂纹反射系数分布图，在所述裂纹反射系数分布图上裂纹反射系数最大点所对应的角度位置为所述裂纹的周向位置。

在所述的方法中，所述表面波通过表面波传感器激励阵列激励产生。

所述表面波传感器激励阵列部署在内层金属管的一端的外表面上。

在所述的方法中，所述表面波传感器激励阵列呈环形阵列部署，均匀分布在所述外表面上。

在所述的方法中，步骤s2中所述表面波作用于双层金属复合管的所产生的信号，通过使用反射能量接收阵列接收；

所述反射能量接收阵列布置在内层金属管和外层金属管的结合面附近的内层金属管外表面上或外层金属管内表面上。

在所述的方法中，所述表面波作用于双层金属复合管的所产生的信号包括直达的表面波信号、所述表面波经内层金属管和外层金属管的结合面所产生的端面回波信号以及界面波遇到裂纹所产生的反射信号。

在所述的方法中，步骤s5中通过反射能量接收端获取表面波信号能量以及界面波遇到裂纹产生的反射能量。

所述反射能量接收端部署在施加表面波一端。

在所述的方法中，所述裂纹的轴向位置通过下式计算：

式中：t1为端面回波信号的峰值时间；t2为裂纹回波信号的峰值时间；

v为双层金属复合管界面的界面波波速；

l为裂纹的轴向位置。

在所述的方法中，所述角度的数目有8个。

在所述的方法中，所述端面回波信号的峰值时间与所述裂纹回波信号的峰值时间通过包络曲线上提取获得。

所述包络曲线通过对获取的表面波作用于双层金属复合管的所产生的信号进行希尔伯特变换获得。

本发明相比于传统的无损检测方法，具有以下显著优势：

(1)界面波在金属复合管结合面间传播时不发生频散，能量集中于界面，对界面处裂纹等损伤十分敏感，提高了检测的有效性。

(2)界面波在金属复合管中的模式数量很少，有利于信号处理中裂纹反射信号的识别。

(3)本发明实现了金属复合管中界面周向裂纹的轴向定位和周向定位，大大提高了裂纹定位的精度和准确性。

(4)本发明激励界面波的方式是先在内层金属管一端的外表面上激励出表面波，表面波传播至界面时发生波型转换再形成界面波，能量转换效率高。

(5)本发明检测操作方便，在管道一端激励和接收信号，即可实现对整根复合管道界面损伤的识别，提高了裂纹检测的效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的基于界面波的双层金属复合管的裂纹检测方法的步骤示意图；

图2是根据本发明一个实施例的基于界面波的双层金属复合管的裂纹检测方法的步骤示意图；

图3是根据本发明一个实施例的裂纹轴向检测时传感器阵列布置前视图；

图4是根据本发明一个实施例的裂纹轴向检测时传感器阵列布置左视图；

图5是根据本发明一个实施例的裂纹周向检测时传感器布置前视图；

图6是根据本发明一个实施例的检测设备的结构示意图；

图7是根据本发明一个实施例的激励频率为1mhz时的波形图；

图8是根据本发明一个实施例的激励频率为1mhz时的裂纹反射系数分布图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1-8更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1为基于界面波的双层金属复合管的裂纹检测方法的步骤示意图，如图1所示，一种基于界面波的双层金属复合管的裂纹检测方法，所述方法包括如下步骤：

s1、在内层金属管一端的外表面施加表面波；

s2、在内层金属管和外层金属管的结合面附近的内层金属管外表面上，接收表面波作用于双层金属复合管的所产生的信号；

s3、基于所接收的信号，通过脉冲回波法确定双层金属复合管结合面上的周向裂纹是否存在；并在所述裂纹存在时，进一步确定裂纹的轴向位置；

其中，所述双层金属复合管中的一层材质为钢，另一层材质为钛。这表明所述双层金属复合管可以是内层金属管为钢而外层金属管为钛，也可以是内层金属管为钛而外层金属管为钢。

图2是根据本发明一个实施例的基于界面波的双层金属复合管的裂纹检测方法的步骤示意图。所述方法还包括下述步骤：

s4、沿管道周向依次改变角度，在内层金属管一端的外表面施加表面波；所述表面波传播至内层金属管和外层金属管的结合面转化为界面波；

s5、在每个角度下，依次获取直达的表面波信号能量以及界面波遇到所述裂纹产生的反射能量；

s6、基于接收的直达的表面波信号能量和界面波遇到裂纹产生的反射能量，获取不同角度下的裂纹反射系数；

所述裂纹反射系数为同一角度下的界面波遇到所述裂纹产生的反射信号与表面波信号幅值比；

s7、绘制裂纹反射系数与周向角度关系的裂纹反射系数分布图；

在所述裂纹反射系数分布图上裂纹反射系数最大点所对应的角度位置为所述裂纹的周向位置。

优选的，管道周向划分的角度数目为8个。

在上述步骤中，在内层金属管一端的外表面上激励出表面波，表面波传播至界面时发生波型转换再形成界面波，能量转换效率高。由于界面波在金属复合管结合面间传播时不发生频散，能量集中于界面，对界面处裂纹等损伤十分敏感，提高了检测的有效性。而且界面波在金属复合管中的模式数量很少，有利于信号处理中裂纹反射信号的识别。因此，上述方法可以实现钢钛复合管中界面周向裂纹的轴向定位和周向定位，大大提高了裂纹定位的精度和准确性。

前述或以下实施方案/特征/方面中的检测方法，其中所述表面波可以通过表面波传感器激励阵列激励产生；所述表面波传感器激励阵列部署在内层金属管的一端的外表面上。优选的，所述表面波传感器激励阵列呈环形阵列部署，经由耦合剂均匀分布在所述外表面上。更优地，采用8个表面波传感器组成的环形阵列。

前述或以下实施方案/特征/方面中的检测方法，其中所述步骤s2中所述表面波作用于双层金属复合管的所产生的信号，通过使用反射能量接收阵列接收；所述反射能量接收阵列布置在内层金属管和外层金属管的结合面附近的内层金属管外表面上或外层金属管内表面上。其中，所述表面波作用于双层金属复合管的所产生的信号包括直达的表面波信号、所述表面波经内层金属管和外层金属管的结合面所产生的端面回波信号以及界面波遇到裂纹所产生的反射信号。

前述或以下实施方案/特征/方面中的检测方法，其中步骤s3中，对采集的接收信号进行希尔伯特变换取包络曲线，设包络曲线上提取的左端面回波信号和裂纹回波信号的峰值时间分别为t1和t2，双层金属复合管界面的界面波波速为v，则裂纹距外层金属管左端面的轴向距离，即裂纹的轴向位置l为：

图3和图4给出了在钢钛复合管的一端(比如左端)布置反射能量接收阵列的前视图和左视图。其中，1为内层金属管，2为外层金属管。在内层金属管1的左端的外表面上布置有表面波传感器激励阵列3，在内层金属管和外层金属管的结合面4附近的内层金属管外表面上布置有反射能量接收阵列5。激励表面波传感器激励阵列3，使其发出表面波。反射能量接收阵列5先后接收到直达的表面波以及由直达的表面波经内层金属管和外层金属管的结合面4反射产生的左端面回波信号。

前述或以下实施方案/特征/方面中的检测方法，其中所述步骤s5中通过反射能量接收端获取表面波信号能量以及界面波遇到裂纹产生的反射能量；所述反射能量接收端部署在施加表面波一端。

图5示意了反射能量接收端6的部署前视图。即：将反射能量接收阵列5替换成一个沿管道周向依次改变角度的反射能量接收端6。激励表面波传感器激励阵列3，使其发出表面波，该表面波传播至内层金属管和外层金属管的结合面4并转化为界面波。界面波遇到周向裂纹产生能量反射，该反射的能量反射能量接收端6接收。

在不同角度下重复上述操作，可以获得多组裂纹反射信号和直达波信号幅值比的裂纹反射系数，每个角度对应一组裂纹反射系数。具体地，将管道截面等分为n个角度区域，依次改变反射能量接收端的周向角度位置，分别对每个周向角度位置进行信号接收，共计n组数据。对反射能量接收端6接收的每组信号进行希尔伯特变换，获取包络曲线，设包络曲线上提取的直达波信号和裂纹回波信号的幅值分别为和每组信号对应的裂纹反射系数ki为：

在极坐标中绘制出描述上述n组裂纹反射系数与周向角度的关系图，得到裂纹反射系数分布图。在该裂纹反射系数分布图中，裂纹反射系数最大点所对应的角度位置为裂纹的周向位置。优选地，反射能量接收端6所对应的管道截面等分为8个角度区域。为了更精确，等分的角度数目可以增加。

前述或以下实施方案/特征/方面中的检测方法，其中反射能量接收阵列5和/或反射能量接收端6接收的信号通过滤波和放大处理。

在一个实施例中，给出了本发明检测裂纹时所采用的设备结构示意图，如图6所示。所述检测设备包括布置在所述内层金属管1的一端的外表面上的表面波传感器激励阵列3、接收装置7和处理装置8。所述接收装置7包括反射能量接收阵列5和反射能量接收端6。其中，反射能量接收阵列5布置在内层金属管和外层金属管的结合面4附近的内层金属管外表面上，且可拆卸；而反射能量接收端6与反射能量接收阵列5布置在相同位置，且可周向移动。所述处理装置8包括信号处理模块9和处理模块10，所述信号处理模块9包括用于希尔伯特变换的转换器11，所述处理模块10包括用于计算轴向位置的第一计算单元12和用于计算周向位置的第二计算单元13。

在一个实施例中，第一计算单元12提取左端面回波信号和裂纹回波信号的峰值时间分别为t1和t2、钢钛复合管界面的界面波波速为v，第一计算单元12通过公式计算获得轴向距离。第二计算单元13提取直达波信号和裂纹回波信号的幅值分别为和通过公式计算每组信号对应的裂纹反射系数ki，在同一个极坐标中绘制出描述n组裂纹反射系数与周向角度关系的裂纹反射系数分布图，分布图上裂纹反射系数k最大点所对应的角度位置即为裂纹的周向位置。

在本发明的所述的辨识设备优选实施例中，所述处理装置8为通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路asic或现场可编程门阵列fpga，所述处理装置包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器rom、随机存取存储器ram、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器eeprom。

在本发明的所述的辨识设备优选实施例中，所述接收装置7包括周向驱动反射能量接收端移动的移动机构，所述信号处理模块9包括滤波器和放大器。

在一个实施例中，钛钢复合管中内层基管材料为钢，内径96mm，壁厚6mm，长度1002mm，外层衬管材料为钛，壁厚3mm，长度800mm，周向裂纹位于钢管外表面，距钛管左端面的真实距离为400mm，真实周向角度位置为0°。采用本发明所述方法，在不同激励频率下对界面周向裂纹的轴向位置定位结果如表1所示，其中激励频率为1mhz时的波形如图7所示。从实验波形和定位结果可以看出，界面波在钢钛复合管界面间传播的过程中能量集中、频散小，对界面间的周向裂纹很敏感且定位精度较高。采用本发明所述方法得到的界面周向裂纹的裂纹反射系数分布图如图8所示，从图8可以看出0°位置对应的裂纹反射系数值最大，说明裂纹的周向角度位置为0°，实验检测结果与裂纹实际角度位置相吻合。

表1：

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。