管道导波检测中激发频率的选择及灵敏度分析.pdf
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1、效 验 r ,ff 究 管道导波检测 中激发频率的选择 及 灵敏 度分 析 他得安 , 王威琪 , 汪源源 , 余建国 ( 复旦大学 电子工程系, 上海2 0 0 4 3 3 ) 刘镇清 ( 同济大学 声学研究所, 上海2 0 0 0 9 2 ) 摘要 : 采 用超 声纵 向导波对热 交换 管进行检测 。首先利用导波的频散 曲线 , 选定 了检 测的最 佳导波模 式 L ( O , 2 ) , 然后 用位移分布 、 应力分布及 总 能量 密度 分布 等选取 了用该模 式检测特 定管 道的频厚积 , 最后通过试验分析 了管道导 波检测 的灵敏度 。试验 结果表 明, I ( 0 , 2 ) 模
2、式的 波长 比 缺 陷尺寸大 l 0倍 时, 也 能非常清楚地检 测到缺陷 。 关键词 : 超 声检验 ; 管道 ; 导波 ; 激发频 率 ; 灵敏度 中图分类号 : TG1 1 5 2 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 - 6 6 5 6 ( 2 0 0 5 ) 0 2 - 0 0 8 3 - 0 4 Ex c i t a t i o n Fr e qu e nc y Cho i c e a nd S e ns i t i v i t y Ana l y s i s i n t he I ns p e c t i o n o f Pi pe、 v i t h Ul t r
3、 a s o n i c Gu i d e d W a v e s T A De - a n,W ANG We i - qi ,W AN G Yu a n - y a a n,YU J i a n - g u o ( De p a r t me n t o f E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ,F u d a n Un i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 4 3 3 ,C h i n a ) LI U Zh e wqi n g ( I n s t i t u t e o f Ac o u s t i
4、 c s ,To n i Univ e r s i t y ,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :Th e h e a t - e x c h a n g e r p i p e s c o u l d b e i n s p e c t e d b y u l t r a s o nic l o n g i t u d i n a l g u i d ed wa v e s F i r s t l y t h e o p t i ma l t e s t i n g mo d e L ( O , 2 )wa s s
5、 e l e c t e d a c c o r d i n g t o t h e d i s p e r s i o n c u r v e s o f g u i d ed w a v es,t h e n t h e f r e q u e n c y - t h i c k n e s s p r o d u c t wa s c h o s e n a c c o rdi n g t o t h e d i s p l a c e me n t ,s t r e s s a n d t o t a l e n e r g y d e n s i t y( TE D)a mp l i
6、 t u d e d i s t r i b u t i o n s Fi n a l l y,t h e s e n s i t i v i t y o f t e s t i n g wa s a n a l y z ed i n t h e e x p e r i me nt Re s u l t s s h o wed t h a t t he d e f e c t s i n p i pes c o u l d b e d e t e c t ed d i s t i n c t l y e v e n i f t h e wa v e l e n g t h o f L ( O
7、。 2 )mo d e wa s 1 0 t ime s l o n g e r t h a n t h e d e f ect s i z e Ke y wo r d s : U1 t r a s o n i c t e s t i n g;Pi p e ;Gu i d ed wa v e;Ex c i t a t i o n f r e q u e n c y;S e n s i t i v i t y 管道是炼油厂 、 化工厂、 天然气和电力等部门中 很重要的部分 , 管道检测近年来一直是该领域中设 计 、 制造和用户密切关心的问题 , 但也是难点 。因为 裂纹和腐蚀等缺陷在管道 内外表
8、面都可能发生 , 而 且大部分管道被掩盖起来了, 如果不除去覆盖部分, 既使是外部缺陷也无法用传统的超声无损检测技术 来检测 。 近年来 , 由于超声导波具有检测效率高、 一次检 测覆盖范围大( 一般金属管道中超声导波可传播几 十米) 、 速度快和可检测整个管壁等优点 1 , 在管道 的长距离快速检测和性能评价等方面受到国外无损 收稿 日期 : 2 0 0 3 - 0 6 3 0 基 金项 目 : 上海市博 士后科 学基金 资助项 目( 2 0 0 2年 ) 检测学者 的极大关 注 2 叫 。 实际使用中, 由于超声导波的产生与传播受到 激发频率 、 管道材料及管壁厚度和半径等条件的严 格限制
9、 , 而且由于导波频率特征方程复杂 , 其质点振 动方式和能流分布又极具特殊性, 如何选择导波模 式及其激发频率便成为检测 的重点。一般而言, 导 波检测大多是用较低阶模式在较低频厚积情况下进 行检测 , 因此导波检测缺陷的灵敏度便成了人们关 注的问题 。 以下利用超声导波对发电厂中的热交换管进行 检测 , 首先利用导波的频散 曲线, 选定 了检测的最佳 导波模式 I ( 0 , 2 ) , 并求得管道中 I ( 0 , 2 ) 模式 的位 移分布、 应力分布和总能量密度分布, 在此基础上选 取了用该模式检测特定管道的频厚积, 最后进行了 2 o o 5 年 嘉刀卷 嘉2 期 8 3 维普资讯
10、 http:/ 他得安等 :管道导 波检 测 中激发频 率的选择 及灵敏 度分析 检测灵敏度的试验分析。 1 导波模式及激发频率的选择 在 实际应用 中 , 考虑激发 和接收等原 因 , 纵 向模 式 比扭转模式更优越 。因此 , 在超声无损检测 中 , 一 般 都用纵 向轴对称 导波模 式 , 以下也仅 讨论 纵 向轴 对称模式。 根据文献 5 , 频散方程 D 对应 的模式就是纵 向轴对称模式 D1一 C l 1 C l 2 C 1 4 C1 5 C 3 1 C 3 2 C 3 4 C 3 5 G1 G2 G G5 C 6 1 C 6 2 C 6 C 6 5 0 ( 1 ) 式中C 1 一
11、 一( 走 - Z ) a Z 0 ( 走 In ) + 2 7 x k l a Z1 ( k l a) Cx 2 2 歙t a 。 Zo ( 走 t n ) 一 2 缸Zx ( 走 n) C 1 4 一 ( 走 - Z ) a V ( 走 l口 ) +2 k la wx ( 走 l n ) Cx 5 2 7 z 歙t a 。 W 0 ( 走 t n ) 一 2 缸Wx ( 走 t n ) C 3 1 2 7 x 歙l a 。 Z 1 ( 走 l n ) C3 z 一 ( 走 一 ) n 。 Z1 ( 走 n ) 一 2 歙l a 。 W 1 ( 走 l n ) C 一 ( 走 一 ) n 。
12、 W 1 ( 走 n) 波数 志 角波数 是 横波角波数 点 - 纵波角波数 r_半径 a , 内、 外半径 , B e s s e l 函数 Z, 等所选取的有关系数 Z 0 , Z 1 B e s s e l 函数 Z W0 , 1 B e s s e l 函数 将 C 1 C 3s 中的 a换为 b , 就得到 G C 6 的 值。纵向轴对称模式的位移在( r , z ) 平面内, 因此周 向位移分量 U O 一0 。 图 1 是利用式( 1 ) 得到的热交换管钛管中导波 的频散曲线, 图 1 a为相速度频散曲线 , 图 1 b为群速 度频散曲线, 横坐标 f d表示频率和厚度的积。钛
13、管的密度为 4 4 6 g c m3 , 纵波速度为 6 0 6 m ms , 横波速度为 3 2 3 m ms , 内半径为 1 2 mm, 壁厚为 0 5 m m 。 图 l可见 , 该钛管在 较低频厚积 , 如 f d=o 2 0 7 MHzI T L T I 时 , L( 0 , 2 ) 模式 的群速度最大 , 频 散 性最小 。也就是说在较低频厚积下, L ( 0 , 2 ) 模式的 8 4 2 o 年第2 7 鬈第2 捆 00 1 0 2 0 f d MHz mm ( a )相速度 ( b )群速 度 图 1 钛管中轴对称纵向导波模式的频散曲线 群速度随频率的变化很小, 信号的包络
14、和幅度在较 长距离上保持相对不变。该导波模式是速度最快的 模式, 任何其它模式均落后于此模式到达接收换能 器, 易于在时域 内区分该模式。因此 , 采用 L( 0 , 2 ) 模 式检测各管道 。 在管状结构导波的传播方程 中, 时间谐振位移 矢量 【 , 与压缩标量势 和等体积矢量势 的关系 可表示为 U V + V ( 2 ) 式 中 一 e 一 “ W= g e 一 “ i 虚数单位 c 角频率 轴 向波数 、 一 Cp c 相速度 根据式( 2 ) 以及位移和应力的关系, 就可以得到 管壁中 L ( 0 , 2 ) 模式 的位移和应力分布。图 2为以 上钛管中 L ( 0 , 2 )
15、模式的位移分布, 其 中图 2 a为径 向位移 U , 分布 曲线 , 图 2 b为轴 向位移 U : 分 布曲 线 。图 3 为钛管中 I ( 0 , 2 ) 模式的应力分布曲线。 轴向位移分量对于检测周 向缺陷的灵敏度起决 定作用 , 而导波在管内外表面上的径向位移对波在 维普资讯 http:/ 他得安等 :管道 导波检测 中激发频 率的选择及 灵敏 度分析 四 ( a )径 向位移 z l r 分布曲线 ( b )轴向位移分布曲线 图 2 L ( 0 , 2 ) 模式的位移分布曲线 图 3 L( 0 , 2 ) 模 式 的轴 向和径 向应 力分 布 曲线 1 3 轴 向应力4 径向应力
16、传播过程 中能量 的泄漏起决定作用 。根 据 R o s e 等 6 的理论, 纵向导波模式每个振荡周期的能量泄 漏可表示为 一 A ( 3 ) 式中A 常数 管道内外表面上径向位移分量的复共轭 内外表面上的径向应力分量 从上式可见 , 管内外表面上径向位移分量越大 , 能量泄漏也越大。比较图 2中径向位移 , 和轴 向 位移 分布曲线 , 可发现在频厚积 0 5 MHz mm 附近 , L ( O , 2 ) 模式的径向位移较小, 而轴 向位移较 大, 所以, 从位移分布来看, 用 1 o MHz 的频率激发 时, 可能灵敏度 比较高。从应力分布的角度来看, 在 0 1 MHz mm 以下
17、, I ( 0 , 2 ) 模 式的轴 向应 力较大 , 但在 此频厚积 以下 , L( O , 2 ) 模 式 的群 速度 小 , 且 频 散性 较 强, 径 向位 移 分 量 较 大, 所 以 当 1 0 MHz mm时 , L( O , 2 ) 模 式在 管 内外表 面上 的 轴向应力减小, 所 以, 在 1 0 MHz 下检测也是合适 的。下面再从总能量密度 ( T E D) 分 布的角度来看 该选择是否合适 。 总能量密度是应变势能密度和动能密度之和。 对于轴对称纵 向导波 的情况 , 总能量密 度为 7 T E D =: 吉 鲁+ 嘞 + 箦 + ( 箦+ 等) + 卫 ( 鲁)
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