基于波束延时控制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] 本发明涉及一种焊管缺陷的无损检测方法，特别涉及一种基于波束延时控制的螺 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] 螺旋焊管是一种按一定的螺旋线角度（成型角）将低碳碳素结构钢或低合金结构 钢钢带卷成管坯，然后将管缝焊接制成的钢管。螺旋焊管承压能力强，塑性好，便于焊接和 加工成型，主要应用于石化工业、化学工业、电力工业等领域。螺旋焊管在服役过程中，经常 会同油、气、浆液等腐蚀性介质长期接触，而且螺旋焊管通常在工作中会处于承压状态，经 过一定时间后会出现腐蚀、裂纹等缺陷。这些缺陷如不及时修复，会导致管道腐蚀穿孔、爆 管等严重的恶性事故，带来极大的人员和财产损失。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无损检测方法。
[0003] 目前螺旋焊管常用的无损检测方法有超声检测和射线检测等，这些检测方法属于 单点检测范畴，即只能完成检测设备布置点毗邻区域的检测。工业中螺旋焊管通常采用埋 地或架空方式架设，且包覆有保温层或防腐层等。采用超声检测、射线检测等传统无损检测 方法时，需要开挖管道、搭建脚手架、去除包覆层等辅助工序，检测成本高昂。此外上述传统 的螺旋焊管无损检测方法只能在螺旋焊管检修期间进行检测，无法实现对工作中的螺旋焊 管进行在线实时检测。
[0004] 导波检测技术是近年来在管道无损检测领域得到广泛应用的一种新型长距离 无损检测技术，具有检测距离远、检测效率高，能实现全截面检测等优点。管道导波检测 最常用的是T(0, 1)、L(0, 1)和L(0, 2)模态，都属于轴对称模态，即波阵面与管道轴向方 向垂直，沿管径轴向360度方向轴对称分布，生成的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 检测钢管缺陷的方式，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。
[0005] 如果将上述轴对称模态导波如L(0, 1)、L(0, 2)或T(0, 1)模态应用到螺旋焊管的 导波检测，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呈圆柱形轴对称分 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，在圆柱形轴对称分布波阵 面的超声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】
[0006] 针对环形一体式磁致伸缩换能器激发的轴对称模态导波在检测螺旋焊管时，圆柱 形轴对称波阵面的导波会受到螺旋焊缝持续影响的缺点，本发明提出了一种基于波束延时 控制的螺旋焊管扭弯导波检测方法及装置，通过对环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列各通 道产生的导波波束进行延时控制，使延时控制后各通道导波波束在螺旋焊管中构成的波阵 面呈螺旋形且与螺旋焊缝平行，保证了导波波束在同一时刻通过一个螺距螺旋焊缝，使一 个螺距螺旋焊缝在回波中只有一个波包，消除了螺旋焊缝对导波信号信噪比的影响，提高 了螺旋焊管小缺陷在回波中的可识别性。
[0007] 本发明是通过如下技术方案予以实现：
[0008] -、一种基于波束延时控制的螺旋焊管扭弯导波检测方法：
[0009] 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；
[0010] 2)根据T(0, 1)模态导波波速和螺旋焊管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；
[0011] 3)将多个磁致伸缩换能器沿螺旋焊管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；
[0012] 4)环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列通过各通道延时激励出与螺旋焊缝平行的 螺旋形导波波阵面，
[0013] 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延时接收， 将接收到的各通道信号进行叠加作为螺旋焊管的导波检测信号，根据导波检测信号中缺 陷波包的位置计算得到缺陷所在的螺旋线与环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列之间的距 离；
[0014] 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，由此得到缺陷的位置。
[0015] 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：
【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化）； 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化） 之间的距离； 6. W步骤2)计算获得的扭弯导波频率为中屯、，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W及最佳的扭弯导波频率，由此得到缺陷巧）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，n为导波阶数，<为1'(0，1)模态导波相速度，r。为螺旋焊管（1)中径，0为螺旋 焊管（1)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化）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Si、S2、…、Sm、…、Sm，M为环形 磁致伸缩扭弯导波换能器阵列化）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Atm采用W下公式计算：
其中，L为螺旋焊缝（2)的螺距，Cg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化） 之间的距离Ui，具体采用W下公式计算：
其中，td为缺陷波包位置，cg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化）、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)和延时模块巧）；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化），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禪合到螺旋焊管，计算机（10)依次经延时模 块巧）、信号发生器巧）、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化）； 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 弯导波换能器阵列化），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禪 合剂或通过干禪合装置将超声导波的弹性应变禪合到螺旋焊管。
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；所述的禪合剂为环氧树脂胶，所述的干禪合装置为气囊夹具。
【专利摘要】本发明公开了一种基于波束延时控制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；将多个磁致伸缩换能器沿圆周方向等间距布置组成环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列，各通道延时激励导波，沿轴向传播遇到缺陷反射后，由环形磁致伸缩扭弯导波换能器阵列各通道接收，合成后得到检测信号，进而根据缺陷波包确定缺陷位置；通过扫频根据信噪比可以确定最佳的扭弯导波检测频率以及对应的信号。本发明消除了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，提高了导波回波的信噪比，使小缺陷信号更加容易提取。
【IPC分类】G01N29-12, G01N29-32
【公开号】CN104849353
【申请号】CN201510193978
【发明人】唐志峰, 吕福在, 张小伟, 刘军, 骆苏军, 李明范
【申请人】杭州浙达精益机电技术股份有限公司
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月22日