专利名称：一种对带粘弹性包覆层充液管道无损检测的方法
技术领域：
本发明涉及一种带粘弹性包覆层充液管道无损检测的方法，利用衰减低于6dB/m，群速度随频率的变化率低于-0.0004m的单一轴对称超声导波T(0，1)模态进行管道无损检测的方法，属于无损检测技术领域。
背景技术：
目前，利用超声导波进行管道缺陷检测的研究已经取得较大进展。但目前主要用于单层管道、充液管道和带包覆层管道的缺陷检测，在选择超声导波检测管道时，通常只考虑模态频散大小，或只考虑波的衰减。然而，由于在工程实际中，在化工、热电、供水及供热等厂矿中常用来输送化工产品、水等液体介质。管内介质的腐蚀冲刷使管壁减薄，而管壁长期裸露易受到潮湿空气、土壤的腐蚀或外界损伤，引起管路泄漏和爆管事故，从而造成重大经济损失和资源浪费。为了保护管道不受腐蚀或外力损伤，以保障管路运行安全和延长管道使用寿命，在管道内外壁常附着一层粘弹性包覆层。但由于粘弹性包覆层、管内液体的存在，使得常规无损检测方法如超声、涡流、磁粉和射线等无法快速有效地对这些在役的长距离带粘弹性包覆层充液管道进行缺陷检测。
与单层管道等结构较简单的管道相比，带粘弹性包覆层充液管道中超声导波的传播特性更加复杂，选取合适超声导波模态用于该类管道的缺陷检测显得十分重要。刘增华等在2005年13卷3期《应用基础与工程科学学报》中发表了一篇关于超声导波扭转模态在粘弹性包覆层管道中传播特性研究的文章。主要研究了带粘弹性包覆层管道中扭转模态的传播特性，对T(0，1)模态的检测能力进行了分析，并利用厚度切变型压电陶瓷片激励和接收换能器。但没有给出适合管道缺陷的T(0，1)模态的具体参数，并且当管道出现液体时，适合检测的T(0，1)模态的频带和衰减也相应发生了变化，适合检测带粘弹性包覆层管道中缺陷的T(0，1)模态并不一定适合带粘弹性包覆层充液管道中的缺陷检测。而利用扭转模态对充液管道的缺陷检测迄今尚无报道。目前，由于理论和实验分析困难，国内外尚无人对超声导波模态之一扭转模态在带粘弹性包覆层充液管道缺陷检测进行过相关研究。当粘弹性包覆层管道充液后，除了考虑扭转模态在传播过程中部分能量被包覆层吸收后所引起的衰减，还需要考虑管中液体对扭转模态的部分能量吸收所产生的影响，并且由于带粘弹性包覆层充液管道结构复杂，接收到的扭转模态信号也较复杂，难以直接得到结果，除此之外，在对管道进行导波检测时，由于轴对称模态从缺陷处反射回来会产生模态转换，一些从缺陷处反射回来的转换模态易被误判为缺陷回波，给缺陷的数量和位置的识别带来困难。因此，在对该类管道进行检测时，需要选择衰减和频散小，传播距离远，对管道中的缺陷检测能力强的模态，否则接收的波形复杂，难以分析，不能进行长距离检测，对缺陷不敏感，并且由于管道结构复杂，需要利用合适的信号处理方法对得到的结果进行分析以得到有关管道中的缺陷信息以及消除模态转换现象的影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决带粘弹性包覆层充液管道无法长距离、快速、全面、在役无损检测的现状，为对带粘弹性包覆层充液管道的健康状况和使用寿命进行评估，提出了一种带粘弹性包覆层充液管道无损检测的方法，基于对扭转模态的理论分析，选择衰减低于6dB/m，群速度随频率的变化率低于-0.0004m的单一的轴对称超声导波T(0，1)模态对带粘弹性包覆层充液管道内外部裂纹和腐蚀等缺陷检测。
本发明所采用的装置参见图1，包括厚度切变型压电陶瓷环1、函数发生器2、功率放大器3、转换开关4、数字示波器6和计算机7等，由一组厚度切变型压电陶瓷片并联而成的压电陶瓷环1安装在带粘弹性包覆层充液管道5上，和转换开关4相连接，转换开关4与数字示波器6和功率放大器3相连接，函数发生器2的输出端和功率放大器3的输入端连接，计算机7和数字示波器6连接。
本发明的对带粘弹性包覆层充液管道无损检测的方法是通过以下步骤实现的(1)如果粘弹性包覆层在管道外壁，则沿管道周向局部剥开一圈粘弹性包覆层，在剥开处周向均布多个厚度切变型压电陶瓷片；如果粘弹性包覆层在管道内壁，则将压电陶瓷片直接均布在管道外壁。但粘弹性包覆层无论在内层或外层，检测方法一样。压电陶瓷片的长度方向与管道轴线平行，极化方向沿管道周向，并且方向一致，即同为顺时针方向或逆时针方向。各压电片并联成一压电陶瓷环1。该压电陶瓷环1既作激励换能器，又作接收换能器；(2)由函数发生器2产生一个中心频率可调的窄带脉冲，激励频率控制在T(0，1)模态的衰减低于6dB/m，群速度随频率的变化率低于-0.0004m的范围内；(3)激励信号经功率放大器3进行功率放大；通过转换开关4激励压电陶瓷环1，在带粘弹性包覆层充液管道5中激励T(0，1)模态；(4)激励的T(0，1)模态信号在带粘弹性包覆层充液管道5中传播，经缺陷和管道端部反射后，通过转换开关4，压电陶瓷环1又接收信号，在数字示波器6显示，并通过以太网端口存储到计算机7；(5)在其他不变的条件下，改变窄带脉冲的中心频率，该频率仍控制在T(0，1)模态的衰减低于6dB/m，群速度随频率的变化率低于-0.0004m的范围内。得到又一个时域波形；(6)利用一维小波包分析方法对接收到的这两个时域信号进行消噪处理，将这两个频率不同的时域信号中端面回波前的所有回波的时间位置进行对比，如果一信号中回波的时间位置在另一信号中同样的时间位置出现一回波，即可确定该回波为缺陷回波，如果一信号中回波的时间位置在另一信号中同样的时间位置没有出现，则可确定该回波为转换模态，不予考虑。对于确定的缺陷回波，通过缺陷回波的传播时间乘以T(0，1)模态的群速度值，并除以2，即为带粘弹性包覆层充液管道中缺陷距压电陶瓷环1的轴向位置，从而确定缺陷的个数和轴向位置。
本发明的无损检测方法的设计原理为选取适合带粘弹性包覆层充液管道缺陷检测的T(0，1)模态，需要从理论上分析扭转模态的频散和衰减特性，以确定该模态的频率范围。该频率范围的T(0，1)模态衰减低于6dB/m，群速度随频率的变化率低于-0.0004m。
利用全局矩阵法，对带粘弹性包覆层充液管道中扭转模态传播特性分析，在此首先考虑粘弹性包覆层在管道外壁的情况。利用Navier方程得到扭转模态在粘弹性包覆层、空心管道和液体中传播时应力和位移表达式，然后根据应力和位移边界条件得到一组特征方程。
(1)粘弹性包覆层中应力和位移表达式uθ1=[A1β1H11(β1r)+A2β1H12(β1r)]ei(kz-ωt)σrθ1=-μ1[A1β12H21(β1r)+A2β12H22(β1r)]ei(kz-ωt)---(1)]]>(2)空心管道中应力和位移表达式uθ2=[B1β2H11(β2r)+B2β2H12(β2r)]ei(kz-ωt)σrθ2=-μ2[B1β22H21(β2r)+B2β22H22(β2r)]ei(kz-ωt)---(2)]]>(3)液体中应力和位移表达式uθ3=1β3CJ1(β3r)ei(kz-ωt)σrθ3=μ3C[J0(β3r)-2J1(β3r)β3r]ei(kz-ωt)---(3)]]>式中，A1，A2，B1，B2和C为待定系数；β12=ω2cT12-k2;]]>β22=ω2cT22-k2;]]>β32=ω2cT32-k2;]]>cT1、cT2和cT3分别为粘弹性包覆层、空心管道和液体的横波波速；μ1、μ2和μ3分别为粘弹性包覆层、空心管道和液体的Lame常数；k为波数；H为Hankel函数；J为Bessel函数；r为半径，z为轴向位置；ω为波的圆频率。
带粘弹性包覆层充液管道中的应力和位移边界条件有(1)粘弹性包覆层外表面(r＝r1)(σrθ1)r=r1=0---(4)]]>(2)管道和粘弹性包覆层的交界面(r＝r2)(uθ1)r=r2=(uθ2)r=r2(σrθ1)r=r2=(σrθ2)r=r2---(5)]]>(3)管道和液体的交界面(r＝r3)(uθ3)r=r3=(uθ2)r=r3(σrθ2)r=r3=(σrθ3)r=r3---(6)]]>利用以上位移与应力连续条件建立一组特征方程，方程的矩阵形式为H21(β1r3)H22(β1r3)000μ1β12H21(β1r2)μ1β12H22(β1r2)-μ2β22H21(β2r2)-μ2β22H21(β2r2)0β1H11(β1r2)β1H12(β1r2)-β2H11(β2r2)-β2H12(β2r2)000μ2β22H21(β2r1)μ2β22H21(β2r1)-μ3[J0(β3r1)-2J1(β3r1)β3r1]00β2H11(β2r1)β2H12(β2r1)1β3J1(β3r1)A1A2B1B2C=0---(7)]]>为使式(7)有非零解，其系数行列式必须为零。即H21(β1r3)H22(β1r3)000μ1β12H21(β1r2)μ1β12H22(β1r2)-μ2β22H21(β2r2)-μ2β22H21(β2r2)0β1H11(β1r2)β1H12(β1r2)-β2H11(β2r2)-β2H12(β2r2)000μ2β22H21(β2r1)μ2β22H21(β2r1)-μ3[J0(β3r1)-2J1(β3r1)β3r1]00β2H11(β2r1)β2H12(β2r1)1β3J1(β3r1)=0---(8)]]>上式为带粘弹性包覆层充液体管道中扭转模态的频散方程。当液体为非粘性流动介质时，频散方程缩减为
H21(β1r3)H22(β1r3)00μ1β12H21(β1r2)μ1β12H22(β1r2)-μ2β22H21(β2r2)-μ2β22H21(β2r2)β1H11(β1r2)β1H12(β1r2)-β2H11(β2r2)-β2H12(β2r2)00H21(β2r1)H21(β2r1)=0---(9)]]>当将式(8)和式(9)中的粘弹性层和单层管道所有参数对调一下，即可得到粘弹性包覆层在单层管道内壁时带粘弹性包覆层充液管道中扭转模态的频散方程。
式(8)和式(9)适用于粘弹性包覆层在单层管道内壁或外壁时的情况。带粘弹性包覆层充液管道如图2所示。图2(a)为粘弹性包覆层8在外，单层管道9在内，液体10在单层管道9中的带粘弹性包覆层充液管道。图2(b)为粘弹性包覆层8在内，单层管道9在外，液体10在粘弹性包覆层8中的带粘弹性包覆层充液管道。
本发明采用了以上的技术方案，达到了以下效果(1)可以对带粘弹性包覆层充液管道进行长距离检测，并能在役检测；(2)可以对管壁上穿透和非穿透缺陷进行检测；(3)只需在一处安装换能器即可对一段较长距离的带粘弹性包覆层充液管道整个截面进行全面检测，检测效率高，劳动强度低。
图1检测装置原理图；图2带粘弹性包覆层充液管道示意图；图3带环氧树脂包覆层充水钢管中扭转模态的频散曲线；图4带环氧树脂包覆层充水钢管中的缺陷轴向位置示意图；图5缺陷截面示意图；
图6激励信号图；图7频率50kHz时，在环氧树脂包覆层充水钢管中接收到的波形图；图8频率75kHz时，在环氧树脂包覆层充水钢管中接收到的波形图；图中，1、压电陶瓷环，2、函数发生器，3、功率放大器，4、转换开关，5、带粘弹性包覆层充液管道，6、数字示波器，7、计算机，8、粘弹性包覆层，9、单层管道，10、液体，11、周向缺陷，12、轴向缺陷，13、带环氧树脂包覆层充水钢管，14、环氧树脂层，15、钢管，16、水，17、第一回波，18、第二回波，19、第三回波，20、第四回波，21、第五回波，22、第六回波。
具体实施例方式
结合本发明方法的内容提供一下实施例(1)将16片长宽厚分别为13mm、7mm和4.5mm的厚度切变型压电陶瓷片并联组成一压电陶瓷环1，周向均布在带粘弹性包覆层充液管道5一端，长度方向与管道轴线平行，极化方向沿管道周向，并且方向一致，即同为顺时针方向或逆时针方向。本实施例中的带粘弹性包覆层充液管道5为带环氧树脂包覆层充水钢管13，管道全长4m，钢管外直径60mm，壁厚3.5mm，环氧树脂包覆层平均厚0.24mm。钢的纵波波速为5960m/s，横波波速为3260m/s，纵波衰减和横波衰减均为0，密度为7932kg/m3；环氧树脂纵波波速为2532m/s，横波波速为1114m/s，密度为1170kg/m3，纵波衰减为0.068np/wl，横波衰减为0.17np/wl；水的纵波波速为1500m/s，横波波速、纵波衰减和横波衰减均为0，水的密度为1000kg/m3。
根据对式(9)的数值求解，图3给出了上述参数的带环氧树脂包覆层充水钢管中扭转模态的频散曲线。图3(a)和图3(b)分别为群速度和衰减频散曲线。属于T(0，1)模态衰减低于6dB/m，群速度随频率的变化率低于-0.0004m范围内，即适合管道检测的频率范围为0～0.806MHz。
在上述几何及材料参数的带环氧树脂包覆层充水钢管13中加工了一人工周向缺陷11和一人工轴向缺陷12，两缺陷轴向位置如图4。两缺陷中心线处于同一轴线上，距带环氧树脂包覆层充水钢管13一端(即压电陶瓷环1安装处)分别为1.8m和2.5m。图5给出了周向缺陷和轴向缺陷截面示意图。图5(a)为周向缺陷11横截面示意图，其中，从外到内分别为环氧树脂层14，钢管15和水16。周向缺陷11弦长26mm，轴向宽1.2mm，其横截面为整个管道横截面的8.37％，为非穿透缺陷。图5(b)为轴向缺陷12剖面示意图。轴向缺陷12轴向长35mm，周向宽1mm，其横截面为整个管道横截面的0.53％，为穿透缺陷。
(2)由函数发生器2产生一个中心频率可调的窄带脉冲，窄带脉冲的类型、频率、强度和脉冲间隔等都会对超声导波产生影响。在本实施中，由函数发生器2产生峰峰值150mV的经汉宁窗调制的10个震荡周期的正弦信号，选择的频率有两种50kHz和75kHz。这些窄带脉冲激励间隔均大于20ms。这两个激励信号的频率在T(0，1)模态的衰减低于6dB/m，群速度随频率的变化率低于-0.0004m的范围内。频率为50kHz单音频信号如图6所示，其中，时域波形为6(a)，频域图为6(b)；(3)激励信号经功率放大器3进行功率放大，峰峰值达到150V；通过转换开关4激励压电陶瓷环1，在带环氧树脂包覆层充水钢管5中激励T(0，1)模态；(4)激励的T(0，1)模态信号在带环氧树脂包覆层充水钢管13中传播，经缺陷和管道端部反射后，通过转换开关4，压电陶瓷环1又接收信号，在数字示波器6显示，并通过以太网端口存储到计算机7；(5)频率50kHz时，在环氧树脂包覆层充水钢管13中接收到的波形如图7(a)。利用一维小波包分析方法对接收到的信号进行消噪处理，得到消噪后的波形如图7(b)。选择的小波函数为db3(Daubechies)小波，对该信号进行5层分解，对各层的高频系数，选择相同的阈值0.004进行软阈值量化处理。频率75kHz时，在环氧树脂包覆层充水钢管13中接收到的波形如图8(a)。利用一维小波包分析方法对接收到的信号进行消噪处理，得到消噪后的波形如图8(b)。选择的相同的db3(Daubechies)小波对该信号进行4层分解，对各层的高频系数，选择相同的阈值0.007进行软阈值量化处理；(6)通过分析消噪后的信号中的反射回波到达接收点的时间，确定管道中周向缺陷11和轴向缺陷12的轴向位置。由图7(b)和图8(b)可知，第一回波17和第四回波20的时间位置相同，为1.142ms。第二回波18和第五回波21的时间位置相同，为1.570ms。中心频率为50kHz和75kHz时，T(0，1)模态的群速度均约为3.245m/ms，根据波速乘以时间可以确定传播的距离，可知时间1.142ms时得到缺陷的位置为1.853m，与周向缺陷11的实际位置相对误差仅为2.94％；时间1.570ms时得到缺陷的位置为2.547m，与轴向缺陷12的实际位置相对误差仅为1.9％。由于第三回波19在图8(b)中没有出现，第六回波22在图7(b)中没有出现，可以确定为转换模态，不予考虑。从而确定缺陷的数量和轴向位置。
权利要求
1.一种对带粘弹性包覆层充液管道无损检测的方法，其特征在于检测方法的步骤如下1)如果粘弹性包覆层在管道外壁，则沿管道周向局部剥开一圈粘弹性包覆层，在剥开处周向均布多个厚度切变型压电陶瓷片；如果粘弹性包覆层在管道内壁，则将压电陶瓷片直接均布在管道外壁；压电陶瓷片的长度方向与管道轴线平行，极化方向沿管道周向，并且方向一致，各压电陶瓷片并联成一压电陶瓷环(1)；2)由函数发生器(2)产生一个中心频率可调的窄带脉冲，激励频率控制在T(0，1)模态的衰减低于6dB/m，群速度随频率的变化率低于-0.0004m的范围内；3)激励信号经功率放大器(3)进行功率放大；通过转换开关(4)激励压电陶瓷环(1)，在带粘弹性包覆层充液管道(5)中激励T(0，1)模态；4)激励的T(0，1)模态信号在带粘弹性包覆层充液管道(5)中传播，经缺陷和管道端部反射后，通过转换开关(4)，压电陶瓷环(1)又接收信号，在数字示波器(6)显示，并通过以太网端口存储到计算机(7)；5)在其他不变的条件下，改变窄带脉冲的中心频率，该频率仍控制在T(0，1)模态的衰减低于6dB/m，群速度随频率的变化率低于-0.0004m的范围内，得到又一个时域波形；6)利用一维小波包分析方法对接收到的两个时域信号进行消噪处理，将这两个频率不同的信号中端面回波前的所有回波的时间位置进行对比，如果一信号中回波的时间位置在另一信号中同样的时间位置出现一回波，即可确定该回波为缺陷回波，如果一信号中回波的时间位置在另一信号中同样的时间位置没有出现，则可确定该回波为转换模态，不予考虑；对于确定的缺陷回波，通过缺陷回波的传播时间乘以T(0，1)模态的群速度值，并除以2，即为带粘弹性包覆层充液管道中缺陷距压电陶瓷环(1)的轴向位置，从而确定缺陷的个数和轴向位置。
全文摘要
本发明涉及一种对带粘弹性包覆层充液管道无损检测的方法，属于无损检测技术领域。利用压电换能器激励比较单一的轴对称超声导波T(0，1)模态用于带粘弹性包覆层充液管道无损检测的方法在管道外壁周向轴对称放置一组厚度切变型压电陶瓷片，激励和接收衰减低于6dB/m，群速度随频率的变化率低于－0.0004m的扭转模态T(0，1)对带粘弹性包覆层充液管道进行无损检测。本发明解决了带粘弹性包覆层充液管道无法长距离、快速、全面、在役无损检测的现状。
文档编号G01N29/04GK1828287SQ200610072880
公开日2006年9月6日 申请日期2006年4月14日 优先权日2006年4月14日
发明者刘增华, 何存富, 吴斌, 王秀彦, 杨士明 申请人:北京工业大学