超声导波在裂纹检测中的应用

1、基于超声导波的管道无损检测实验研究1小组成员 一. 实验背景二. 实验理论三. 仪器选择四. 实验结果目录2一一. .实验背景实验背景3基于超声导波的管道无损检测实验研究 管道设备在流体输送中具有管道设备在流体输送中具有成本低、管理方便成本低、管理方便的优点，被广泛应的优点，被广泛应 用于石油、化工、天然气等多个领域。用于石油、化工、天然气等多个领域。 随着长时间的运行和老化，管道因随着长时间的运行和老化，管道因腐蚀、裂纹、穿孔腐蚀、裂纹、穿孔等缺陷等缺陷引起引起 的的泄露泄露和和爆炸爆炸事故经常发生，造成巨大的人员伤亡和财产损失。事故经常发生，造成巨大的人员伤亡和财产损失。 2013年年11

2、月月22日，日，山东青岛山东青岛中石化输油管道因腐蚀减薄，中石化输油管道因腐蚀减薄，导致管道破裂、原油泄漏，导致管道破裂、原油泄漏，并形成大范围连续爆炸。事并形成大范围连续爆炸。事故造成故造成62人死亡人死亡，126人受人受伤，直接经济伤，直接经济损失损失7.5亿亿 元。元。一一. .实验背景实验背景4基于超声导波的管道无损检测实验研究 无损检测方法比较 传统传统检测方法检测方法 超声波法，磁粉法等超声波法，磁粉法等检测装置传感器缺陷管道 超声导波超声导波检测方法检测方法 Lamb波，界面波等波，界面波等检测距离几米长达几十米检测方式点对点扫描同一位置激励和接收检测速度慢快检测范围无覆盖层的管

3、道外表面管道内外表面二二. .实验理论实验理论5基于超声导波的管道无损检测实验研究 导波的概念: :一簇一簇频率、波长相近频率、波长相近的波的叠加的波的叠加, ,以波包形式传播。以波包形式传播。 导波的特点 频散频散：材料参数恒定时，导波波速随频率变化：材料参数恒定时，导波波速随频率变化 而变化。而变化。 多模态多模态：纵向模态：纵向模态L(0,m) 扭转模态扭转模态T(0,m) 弯曲模态弯曲模态F(n,m)抑制抑制频散现象频散现象减少减少模态数量模态数量 相速度相速度Cp：波包上某一特定相位上点的速度。：波包上某一特定相位上点的速度。 群速度群速度Cg：波包上幅值最大点的速度，即波群能量传播

4、的速度。：波包上幅值最大点的速度，即波群能量传播的速度。二二. .实验理论实验理论6基于超声导波的管道无损检测实验研究 频散曲线(群速度)直径直径（mm） 壁厚壁厚（mm）长度长度（mm）材料：材料：304不锈钢不锈钢杨氏模量杨氏模量( GPa ）泊松比泊松比密度密度（kg /m3）159212002060.297850纵向模态纵向模态L(0,2)在频率为在频率为50-100kHz时时频散小，群速频散小，群速度最快度最快，有利于信号的识别，有利于信号的识别扭转模态扭转模态T (0,1)在整个频率在整个频率范围内范围内无频散无频散，也是理想的，也是理想的导波选择模态。导波选择模态。实验模态选择：

5、实验模态选择：L(0,2)和和T(0,1)0501001500123456频率f （kHz）群速度Cg （km/s） L(0,1)F(2,3)F(1,1)F(2,2)F(1,2)F(1,3)F(2,1)L(0,2)T(0,1)L模态T模态F模态0501001500123456频率f （kHz）群速度Cg （km/s） L(0,1)F(1,1)F(2,2)F(1,2)F(1,3)F(2,1)T(0,1)F(2,3)L(0,2)0501001500123456频率f （kHz）群速度Cg （km/s） L(0,1)F(2,3)F(1,1)F(2,2)F(1,2)F(1,3)F(2,1)L(0,2)

6、T(0,1)二二. .实验理论实验理论7基于超声导波的管道无损检测实验研究 损伤轴向定位方法研究轴向轴向定位方法定位方法:脉冲回波法脉冲回波法激励激励 接收接收损伤损伤损伤反损伤反射射端面反端面反射射Lv 损伤轴向位置损伤轴向位置:三三. .实验理论实验理论8基于超声导波的管道无损检测实验研究信号的降噪与包络降噪方法：降噪方法：小波阈值小波阈值降噪降噪包络方法：包络方法：Hilbert包络包络0.50.60.70.80.911.11.21.31.41.5-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.03幅值A (mV)时间t (ms)0.50.60.70.8

7、0.911.11.21.31.41.5-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.03幅值A (mV)时间t (ms)0.50.60.70.80.911.11.21.31.41.5-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.05时间t (ms)幅值A（mV）0.50.60.70.80.911.11.21.31.41.5-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.05时间t (ms)幅值A（mV） 小波分解小波分解 高频系数阈值量化高频系数阈值量化 小波重构小波重构 优点

8、：实现简单、去噪效果好优点：实现简单、去噪效果好降噪前降噪前降噪后降噪后包络前包络前包络后包络后 作用：选取波包能量最大处作作用：选取波包能量最大处作 为定位基础，以便更好地提取为定位基础，以便更好地提取 时间信息。时间信息。三三. .仪器选择仪器选择9基于超声导波的管道无损检测实验研究 传感器的选择(纵向模态)类型：长度伸缩型类型：长度伸缩型压电压电陶瓷片陶瓷片PZT-5 优点：性能稳定、灵敏度高、能量转换效率高优点：性能稳定、灵敏度高、能量转换效率高尺寸参数：尺寸参数：长长18mm、宽宽4mm、厚厚1mmPZT-5频率常数范围频率常数范围1600-1700kHz mm，实验初步设定，实验初

9、步设定激励频率为激励频率为90kHz。周向阵列布置周向阵列布置16个个：激励组激励组接收组接收组 理由：频率常数理由：频率常数N=该方向尺寸该方向尺寸L晶片固有频率晶片固有频率f三三. .仪器选择仪器选择10基于超声导波的管道无损检测实验研究 实验平台搭建Tek-5032B 任意波形发生器：产生经任意波形发生器：产生经 Hanning窗调制的正弦波激励信号窗调制的正弦波激励信号PizeoEPA-104 信号放大器：功率放大信号放大器：功率放大Tek-TDS5032B 示波器：信号的显示与数据采集示波器：信号的显示与数据采集四四. .实验结果实验结果11基于超声导波的管道无损检测实验研究实验最佳

10、参数的确定实验对象：无损伤管道实验对象：无损伤管道 激励激励周期数周期数N的确定的确定参数类型：激励参数类型：激励周期数周期数N、激励、激励频率频率f、激励组与接收组、激励组与接收组间距间距S周期数越大，频带越窄，越有利于频率的控制；但信号也越容易发生波形叠加。周期数越大，频带越窄，越有利于频率的控制；但信号也越容易发生波形叠加。实验测得，在压电片谐振频率实验测得，在压电片谐振频率（90kHz）附近，附近，周期周期数越大，激励信号初始幅数越大，激励信号初始幅 值也越大。值也越大。综合考虑，选择综合考虑，选择激励周期数激励周期数N为为10。70758085909510010500.050.10.

11、150.20.25 激励频率 f (kHz)激励信号的初始幅值A (mV)10周期5周期024681012141618x 1040123456x 10-4幅值A频率f (Hz) 3周期 5周期 7周期10周期四四. .实验结果实验结果12基于超声导波的管道无损检测实验研究无损伤管道实验研究 L(0,2)模态理论波速与实测模态理论波速与实测 波速的对比波速的对比时域图上为一系列时域图上为一系列时间间隔近似相等时间间隔近似相等 的波形序列。的波形序列。 若不考虑其它模态干扰，则相邻波形若不考虑其它模态干扰，则相邻波形 间间包含包含了整根管道的了整根管道的所有损伤信息所有损伤信息。 四四. .实验结

12、果实验结果13基于超声导波的管道无损检测实验研究无损伤管道实验研究 L(0,2)模态理论波速与实测波速的对比模态理论波速与实测波速的对比平均相对误差平均相对误差仅为仅为1.72%，说明，说明 导波导波L(0,2)模态的模态的实测波速与理实测波速与理 论波速基本符合。论波速基本符合。激励频率激励频率（kHz）7580859095100理论波速理论波速（m/s）531753175317531753175316实测波速实测波速（m/s）536254345302522553575167相对误差相对误差（%）0.852.150.281.730.752.820501001500123456频率（kHz）群

13、速度Cg（km/s） L(0,2)波速实测值L(0,2)理论曲线L(0,1)理论曲线L(0,2)L(0,1)四四. .实验结果实验结果14基于超声导波的管道无损检测实验研究有裂纹管道实验研究利用利用线切割线切割方法，在管道正中间加工一条周向长方法，在管道正中间加工一条周向长 度为度为30mm，深度为深度为1.5mm的裂纹。的裂纹。在最佳实验参数下进行测试。在最佳实验参数下进行测试。 缺陷面积为管道横截面面积的缺陷面积为管道横截面面积的6.2%。四四. .导波实验研究导波实验研究15基于超声导波的管道无损检测实验研究有裂纹管道实验研究L(0,2)的的相对定位误差为相对定位误差为5.74%， 说明说明L(0,2)能对管道中裂纹的能对管道中裂纹的轴轴 向位置向位置进行有效的定位。进行有效的定位。 接收组与裂接收组与裂纹间距纹间距（mm）激励信号激励信号位置位置（ms）裂纹回波裂纹回波位置位置（ms）接收组与裂接收组与裂纹间距实纹间距实 测值测值（mm）误差误差（mm）相对误差相对误差（%