水下管道安全性检查中的超声导波技术

水下管道平安性检查中的超声导波技术超声导波技术是一种用于管道检查的无损检测(NDE)方法，因为它具备传播间隔长、省时和本钱低等优点，以下是一篇探究超声导波技术在水下管道应用的，欢迎阅读借鉴。水下管道和海上竖管是海上石油和天然气消费的根底设施。由周围海水和管道内容物造成的管道腐蚀是最严重的问题之一。为了保证这些管道的平安，亟需适宜的技术来定期检查海上管道的完好性。由潜水员和水下机器人(ROV)进展的水下管道检查非常传统[1],但仍然非常有用.虽然人眼的识别、理解和分析才能非常重要，但是不能检查管道内部的缺陷，这需要一定的经历。磁粉检测技术已经广泛应用于检测水下管道的外表断裂[2].然而,这项技术需要由潜水员施行,并且需要清理检查区域。漏磁法被用于在线检查，但是不能识别管壁厚度的渐变。超声检测是另外一种管道缺陷识别方法。这种方法适用于管壁厚度测量、焊缝检查和内容物及内部腐蚀检测。但是超声检测法也要由潜水员施行，而且由于检测时间较长，经济性较差。除了超声波检测，使用在线检查设备来测量管道的各种特征量也在管道行业获得了持续的认可[3].这些设备用来为管道运营商提供信息，例如管道缺陷的类型和位置。在线设备自行携带电池、录音机和里程表，因此，这些设备的广泛应用常常由于海上管道的各种状况而遇到挑战。超声导波技术是一种用于管道检查的无损检测(NDE)方法，因为它具备传播间隔长、省时和本钱低等优点，使得这项技术极具吸引力。几十年来，很多学者都研究了导波测试技术和其在管道检查领域的应用[4].导波检查系统由以下核心部件构成：用于鼓励和接收导波的传感器阵列;用于把这些传感器夹在管道上的固定装置。有很多种具有应用前景的传感器技术，用于在管道中激发导波[5].但是,在之前的技术中，现存的固定装置不具备灵敏性，这也就意味着不同直径的管道检查需要不同尺寸的固定装置，这增加了检查系统的本钱。在这项研究中，设计并制造了可拆式传感器系统，产生超声导波来检验水下管道的平安性。首先，对导波在水下管道上的传播特性进展了理论分析，来为水下管道检查选择适宜的导波类型;然后，消费和安装了包括传感器和固定装置的传感器系统。为了验证现有传感器的性能，进展了一系列的测试。最后，讨论了实验结果。1.1理论背景Gazis给出了各向同性圆管上的波传播频率方程的详细推导。圆管有无限多个传播形式，这些形式都是频散的。这些形式叫做纵向形式(L(0,M))、改变形式(T(0,M))和挠曲形式(F(n,m))，n是周向阶数，M是形式数。导波传播特性被研究了很多年，包括中空的各向同性管道、充满液体的管道和浸入液体的真空管道[4].下面简要回忆一下与此相关的研究。如图1所示一个无限长的充满并浸入液体的管道。内径和外径分别为a和b.假设这是一个各向同性的弹性体，纵向轴对称自由振动位移可以由势能分解所得到，即：ur={-aA1[J1(ar)+Y1A2(ar)]+iζ[J1B1(βr)+Y0B2(βr)]}ei(ax+ζz)(1)uz={iζA1[J0(ar)+Y0A2(ar)]-β[J0B1(βr)+Y0B2(βr)]}ei(ax+ζz)(2)其中，ur和uz分别是径向和轴向位移分量，Jn(x)和Yn(x)分别是第一种和第二种阶数n的巴塞尔(Bessel)函数。1ufr=-af[J1C1(afr)+Y1C2(afr)]ei(ax+ζz)(3)ufz=iζ[J0C11fr)+Y0C2(afr)]ei(ax+ζz)(4)管道外液体的振动位移分量可以重新写成：ufr=-afH(2)1D1(afr)ei(ax+ζz)(5)ufz=iζH(2)0D1(afr)ei(ax+ζz)(6)等式(1)~(6)中的常数A1,A2,B1,B2,C1和D1是由管道的侧向边界条件决定的。考虑以下两种情况：1)浸入液体的真空管道：[σrr,σrz]r=a=[0,0],[σrr,σrz,ur]r=b=[σfrr,σfrz,ufr]r=b(7)2)浸入并充满液体的管道：[σrr,σrz,ur]r=a,b=[σfrr,σfrz,ufr]r=a,b(8)其中，σrrσrz是管道上的应力分量，σfrr和σfrz是液体中的应力分量。为方程(7)或(8)得到了齐次方程组的6个常量A1,A2,B1,B2,C1和D1.方程组有解的充要条件是方程组系数行列式的值是零，这导出了导波的频散方程。1.2频散曲线如图2和图3所示分别表示充满并侵入无限水中的管道上传播导波的纵向和改变形式相速度和群速度频散曲线。与在真空中的真空管道上导波的频散特性相比，有以下几点不同：1)水下管道上的导波比真空管道上一样频段的导波包括更多的形式，这就增加了鼓励单一、纯粹形式导波的难度;2)管道与其中液体的互相作用产生了水下管道上L(0m)形式的导波，这一形式也可由真空管道上导波的“分裂”而获得，这也意味着导波频散特性更加严重;3)在低频产生了一个新的形式，这一形式由水和管道的互相作用产生，记做α形式。Aristégui等人通过测量波速验证了这个形式的存在。关于α形式传播特性的更多资料可以参见参考资料[6].对于T(0,1)形式,如图3所示,管道中的水对频散特性几乎没有影响。1.3形式选择为了简化无损检测中对接收信号的解析，非常需要鼓励一个单一形式的波。事实上，在长间隔检测中，鼓励一个无频散频段的形式是至关重要的，否那么，随着在构造上的传播，波包的形状将会发生变化，信号的峰值也会朝着噪声基底衰减。在所有的导波形式里，L(0,2)和T(0,1)是实际管道检测中最具吸引力的形式，因为：1)在宽频带上无频散;2)容易鼓励纯粹的形式，并不产生任何弹性波;3)由于位移和应变在管道壁厚度方向上是几乎一致的，所以对于内外表和外外表上的缺陷是同样敏感的。然而，如图2(b)所示，水下管道上的L(0,2)形式高度频散。也就是说，很难在水下管道上鼓励单一的L(0,2)形式的导波。而且，L(0,2)形式在壁厚方向上存在径向位移。径向位移可以从管道上带走能量，导致导波能量的损失，进而缩短传播间隔。对于T(0,1)形式，如图3所示，管道中的水对频散特性几乎没有影响[6].此外,由于液体不能承载剪切波,对于仅由剪切位移构成的T(0,1)形式，是没有能量泄露到液体中的。根据以上分析，T(0,1)是用于水下管道检查最具吸引力的形式，本项工作将着重研究这一形式。2.1传感器制造如公式(9)所示，振子在鼓励状态下，仅存在剪应力T5和剪应变S5.因此，传感器利用厚度剪切形式压电陶瓷作为敏感元件。考虑到厚度剪切振子的消费工艺、在管道上的布局和传感器尺寸等因素，振子通常的尺寸为长12.5mm、宽3.5mm和厚0.8mm,极化方向沿宽度方向。厚度剪切振子的电极、极化方向、坐标系和剪切振动如图4所示。当振子长度沿管道轴向时，顶部和底部将沿着相反的方向振动，继而，管道将发生周向剪切位移，并产生改变形式。振子是非常脆的，不能简单地压在管道上，所以下一步工作要把振子装在一个实用、安装简单并且可拆卸的传感器里。如图5所示意性地说明了传感器的构造。传感器由压电元件、阻尼层、保护层、RF界面、钢壳和必要的电线组成。阻尼层的作用是增加组件抗弯刚度，阻尼层的材料是加钨环氧树脂，这种材料被广泛应用于传统超声传感器的高阻尼背垫。保护层的材料是氧化铝陶瓷，这种材料可以保护压电元件，使其抗磨损，而且厚度和压电元件相等。2.2固定装置设计设计固定装置的目的是开发一种易于消费和安装，并且适用于不同直径管道的可拆式传感器阵列。为了到达这一目的，设计了一种新型传感器固定装置。这个固定装置包括假设干个用于传感器安装和定位的可拆式模块。两个模块由销轴互相连接，这样，多个模块彼此连接就形成了一个类似于链状构造的环状传感器阵列。每个模块包括两个传感器，间隔是一个T(0,1)形式波长的四分之一。通过增加或减少模块的数量，可以用于不同直径管道的检查。用于水下管道检查的实验系统包括具备防水功能的传感器阵列和自动收发开关，这个开关的功能是在系统的发射和接收形式之间自动切换，不需要用到继电器、功放和IPC,其中，IPC包括任意波形发生器和PCI总线的数据采集卡。波形发生器触发一个5周期、30.5kHz的鼓励信号，并由汉宁(Hanning)函数修改。接着,通过自动收发开关,鼓励信号被送往数据采集卡和功率放大器。功率放大器把经过放大的信号发送给传感器，这时信号的峰间电压到达了约200V.然后，传感器激发了T(0,1)形式的导波。当信号被缺陷或管道端头反射回来时，同样的传感器接收了反射信号。信号通过前级放大器被输入到数据采集板上，前级放大器的增益通常被设置为20dB.检查系统的电源由UPS提供。实验程序分为空中和水中两个阶段。在一个长3.3m、外径102mm、壁厚6mm的钢管上，加工出两处尺寸完全不同的周向缺陷，分别间隔安装在管道端头的传感器阵列1.9m和2.9m.这两处缺陷部分减小了壁厚，横截面积分别为壁厚的6.3%和4.7%.如图6(a)和(b)所示分别表示管道在空中和在5m深的水中时，经过30.5kHz的T(0,1)形式数字滤波后的检测信号。如图6所示，信号明显被缺陷反射，人为缺口的回波信号与缺口的尺寸和位置具有良好的相关性。管道在水中与在空中的测试结果几乎一样，这意味着水并没有影响T(0,1)形式导波的传播特性。实验结果与理论分析一致。假设能减小跟踪开场时的混响，就能进步整体的信噪比。接着，管道被下沉到另外一个深度。结果大体上没有受到水深的影响。对于每个深度，管道端头的回波被用作参照，与缺陷反射信号的幅值进展比照。结果说明，深度增加对缺陷和管道端头反射信号的比值几乎没有影响。在这项研究中，为检测水下管道的腐蚀缺陷，设计并制造了利用超声导波的可拆式传感器系统。通过对水下管道上导波传播特性进展理论分析，选取了T(0,1)形式的导波用作水下管道检查。对于实验研究，设计了一种新型可拆式传感器阵列。传感器利用在宽度方向上极化的厚度剪切形式压电陶瓷作为敏感元件。固定装置包括假设干由销轴连接的可拆式模块，多个模块互相连接就形成了一个类似于链状构造的传感器阵列环。实验结果说明，传感器系统可以在水下管道上有效地鼓励和接收T(0,1)形式导波，并且，人为缺口的回波信号与缺口的尺寸和位置具有良好的相关性。对于空中测试和水中测试，缺陷检测和定位结果并没有显着的差异。水深对测试结果也没有影响。