采用螺旋换能器的螺旋焊管扭弯导波检测方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种螺旋焊管缺陷无损检测方法，特别设及一种采用螺旋换能器的螺 旋焊管扭弯导波检测方法及装置，属于无损检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 螺旋焊管是一种按照一定的螺旋线角度将钢带卷成管巧，并将管缝焊接制成的钢 管，具有良好的可焊性和抗裂性，在长输管线中有着广泛的应用。螺旋焊管在服役过程中， 会受到腐蚀、外力破坏等因素影响，从而在螺旋焊管中产生各种缺陷。螺旋焊管中的缺陷若 不能及时发现，会导致长输管线泄漏，危及人身和财产安全。为了避免螺旋焊管因缺陷引起 事故，必须寻求有效的在役螺旋焊管检测方法。
[0003] 长输管线中螺旋焊管大多采用埋地或架空的方式架设，传统的螺旋焊管检测方法 比如采用超声波探伤仪对螺旋焊管进行逐点检测，需要开挖管道、搭建脚手架等辅助工序， 效率低下且费用高昂，难W满足目前长输管线螺旋焊管的无损检测需要。此外传统的螺旋 焊管检测方法不具备实现在线实时检测的潜力，无法适应当前无损检测的发展趋势。
[0004] 导波检测技术是一种长距离无损检测技术，具有检测距离远、检测精度高，可W实 现全截面检测等优点，近年来在管道无损检测中得到了广泛的应用。管道导波检测最常用 的是轴对称的T(0, 1)、L(0, 1)和L(0, 2)模态，其波阵面与管道轴向方向垂直，沿管径轴向 360度方向对称分布，导波沿管道长度方向传播。申请号为96193606. 1的发明专利提供 了一种采用磁致伸缩换能器激发和感应纵向模态导波检测钢管缺陷的方法，管道中纵向模 态导波主要有L(0，1)和L(0, 2)模态，存在明显的频散现象，并且在带液管道中衰减较为 严重，因此在实际检测中的应用并不广泛。申请号为2011205231343的实用新型专利提供 了一种采用磁致伸缩换能器激发和感应扭转模态导波检测钢管缺陷的方法，该方法采用了 T(0, 1)扭转模态导波，波速恒定，在带液管道中衰减较小，因此在业内得到了普遍的推广应 用。如果将上述对称模态导波如1(0, 1)、L(0, 2)或T(0, 1)模态应用到螺旋焊管的导波检 巧。，那么导波换能器产生的导波波束在螺旋焊管中构成的波阵面成圆柱对称分布。由于螺 旋焊缝余高投影在管道横截面上的位置始终在变化，在圆柱对称分布波阵面的导波通过一 个螺距螺旋焊缝的任意时刻，导波波束都会在该螺距螺旋焊缝的某个位置发生反射，使得 焊缝信号持续出现在回波中，导致回波的信噪比大幅下降。为了提高对螺旋焊管缺陷的检 测能力，必须设法克服螺旋焊缝对导波传播的影响。
【发明内容】
[0005] 本发明针对环形布置的换能器进行螺旋焊管导波检测时，波阵面圆柱对称分布的 导波会受到螺旋焊缝持续影响的缺点，提出了一种采用螺旋换能器的螺旋焊管扭弯导波检 测方法及装置，通过与螺旋焊缝平行布置的螺旋换能器来保证螺旋换能器任意一点与螺旋 焊缝之间的距离都相等，克服了螺旋焊缝对导波检测的干扰，提高了螺旋焊管导波检测的 有效性。
[0006] 本发明是通过如下技术方案予W实现：
[0007] 一、一种采用螺旋换能器的螺旋焊管扭弯导波检测方法：
[000引1)根据螺旋焊管结构几何参数和材料力学特性参数，通过半解析有限元法计算得 到T(0，1)模态导波频散特性；
[0009] 2)根据T(0, 1)模态导波波速和螺旋焊管螺旋角计算得到波阵面与螺旋焊缝平行 时的扭弯导波频率，并再通过半解析有限元法计算得到扭弯导波在频率点f的波速；
[0010] 3)将螺旋换能器沿螺旋焊管螺旋方向布置一周，使得螺旋换能器的任意一点与螺 旋焊缝的距离都保持相同；
[0011] 4)控制螺旋换能器激发出螺旋形波阵面的扭弯导波，将导波的弹性应变禪合到螺 旋焊管；
[0012] 5)扭弯导波沿螺旋焊管轴向传播遇到缺陷后发生反射，其回波由螺旋换能器接 收；
[0013] 6)根据回波中的缺陷波包确定螺旋焊管的缺陷位置，计算得到螺旋焊管缺陷所在 的螺旋线与螺旋换能器之间的距离L。
[0014] 所述波阵面与螺旋焊缝平行时的扭弯导波频率根据T(0, 1)模态导波波速和螺旋 焊管螺旋角采用W下公式计算：
[0015]
【主权项】
1. 一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测方法，包括： 1) 根据螺旋焊管（1)结构几何参数和材料力学特性参数，通过半解析有限元法计算得 到T (0，1)模态导波频散特性； 2) 根据T (0, 1)模态导波波速和螺旋焊管（1)的螺旋角计算得到波阵面与螺旋焊缝平 行时的扭弯导波频率，并再通过半解析有限元法计算得到扭弯导波在频率点f的波速； 3) 将多个磁致伸缩换能器（14)沿螺旋焊管（1)的圆周方向等间距布置一周，组成环形 磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6); 4) 环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)通过各通道延时激励出与螺旋焊缝（2)平行 的螺旋形导波波阵面（4); 5) 螺旋形波阵面扭弯导波的回波由环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)延时接收， 将接收到的各通道信号进行叠加作为螺旋焊管（1)的导波检测信号，根据导波检测信号中 缺陷波包的位置计算得到缺陷（5)所在的螺旋线与环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6) 之间的距离； 6) 以步骤2)计算获得的扭弯导波频率为中心，在相邻频率区间进行扫频，并在各个频 率点重复步骤4)和步骤5)，由所有频率下具有最高信噪比的缺陷波包及其扭弯导波频率 作为缺陷（5)所对应的缺陷波包以及最佳的扭弯导波频率，由此得到缺陷（5)的位置。
2. 根据权利要求1所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测方法，其特 征在于：所述步骤2)的扭弯导波是与T (0, 1)扭转模态同族的高周向阶次导波，其频率计算 采用如下公式：
其中，η为导波阶数，4为T(0，1)模态导波相速度，rm为螺旋焊管（1)中径，Θ为螺旋 焊管⑴螺旋角。
3. 根据权利要求1所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测方法，其特 征在于：所述环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)中，第一个磁致伸缩换能器（14)布置 在环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)与螺旋焊缝（2)的交点，然后按照磁致伸缩换能 器（14)与螺旋焊缝（2)的距离由近到远依次标记序号为S n S2、…、Sm、…、SM，M为环形 磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)中磁致伸缩换能器（14)的数量；第m个磁致伸缩换能器 (14)激发的导波波束（3)的延时At m采用以下公式计算：
其中，L为螺旋焊缝（2)的螺距，&为扭弯导波的群速度。
4. 根据权利要求1所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测方法，其特 征在于：所述的步骤5)中缺陷（5)所在的螺旋线与环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6) 之间的距离L d，具体采用以下公式计算：
其中，td为缺陷波包位置，C g为扭弯导波群速度。
5. 用于实施权利要求1~4所述方法的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检 测装置，其特征在于：包括环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)、扭弯导波激励单元和扭 弯导波接收单元； 扭弯导波激励单元包括功率放大模块（7)、信号发生器（8)和延时模块（9);在螺旋焊 管（1)圆周上包覆有一圈环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)，环形磁致伸缩扭弯导波 换能器阵列（6)为沿同一圆周间隔均布的多个磁致伸缩换能器（14);每个磁致伸缩换能器 (14)激发出超声导波将超声导波的弹性应变耦合到螺旋焊管，计算机（10)依次经延时模 块（9)、信号发生器（8)、功率放大模块（7)后连接环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6); 计算机（10)通过延时模块（9)控制各通道导波波束（3)之间的延时，在信号发生器（8)各 个通道产生正弦脉冲信号，经功率放大模块（7)放大成功率信号后施加到环形磁致伸缩扭 弯导波换能器阵列（6)，由Wiedemann效应产生导波波束（3)激励扭弯导波，延时后的各通 道导波波束（3)在螺旋焊管（1)中形成螺旋形导波波阵面（4); 扭弯导波接收单元包括前置放大模块（11)、数据采集模块（12)和数据采集延时模 块（13)，环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)依次经前置放大模块（11)、数据采集模 块（12)、数据采集延时模块（13)后连接计算机（10);计算机（10)通过数据采集延时模块 (12)控制数据采集模块各通道之间的采集延时，螺旋形导波波阵面（4)的回波接收信号经 过前置放大模块（11)放大的各通道回波延时叠加得到导波检测信号，实现对螺旋形波阵 面扭弯导波的接收。
6. 根据权利要求5所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测装置，其特 征在于：所述的数据采集模块（12)采集信号的延时量与信号发生器（8)发出信号的延时量 一致。
7. 根据权利要求5所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯模态超声导波检测 装置，其特征在于：所述的环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列（6)激发的超声导波通过耦 合剂或通过干耦合装置将超声导波的弹性应变耦合到螺旋焊管。
8. 根据权利要求7所述的一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯模态超声导波检测 装置，其特征在于：所述的耦合剂为环氧树脂胶，所述的干耦合装置为气囊夹具。
【专利摘要】本发明公开了一种采用螺旋换能器的螺旋焊管扭弯导波检测方法及装置。通过半解析有限元法计算螺旋焊管的导波频散特性，进而计算得到平行螺旋焊缝的扭弯导波频率及其波速；将螺旋换能器沿螺旋方向布置一周，由导波检测仪控制激发扭弯导波，沿螺旋焊管轴向传播遇到缺陷反射后接收回波；根据缺陷波包确定缺陷位置，计算得到缺陷距离。本发明消除了传统环形一体式磁致伸缩换能器进行导波检测时螺旋焊缝信号持续出现在回波的现象，改善了回波的信噪比，使得缺陷信号能容易提取，提高了螺旋焊管导波检测的可靠性。
【IPC分类】G01N29-04
【公开号】CN104880510
【申请号】CN201510195778
【发明人】唐志峰, 张小伟, 刘军, 骆苏军
【申请人】杭州浙达精益机电技术股份有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月22日