管道裂纹纵向超声导波检测仿真研究.pdf
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1、2 0 0 6 年 第 2 7卷 第 4期 中 北 大 学 学 报( 自然科学版) Vo 1 2 7 No 4 2 0 0 6 ( 总第 1 0 8 期) J O U R N A L O F N O R T H U N v E ! ! ! 望 ! 垒 ! 垒 ! 垒 ! 兰 里 望兰 ! ! ! 一 一 文章编号 :1 6 7 3 3 1 9 3 ( 2 0 0 6 ) 0 4 0 3 4 8 0 4 管道裂纹纵向超声导波检测仿真研究 杨 湖 ,王 成。 ( 1 中北大学 信息与通信 工程学院 ,山西 太 原 0 3 0 0 5 1 ; 2 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京
2、1 0 0 0 8 1 ) 摘要: 在纵向超声导波基本原理的基础上,分析了两种纵向模式位移分量随频率的变化而变化的情况, 给出了一种梳状对称换能器对管道缺陷的有效检测数值分析和仿真结果表明,利用纵向超声导波可对有 障碍物覆盖的管道, 有阻碍物遮挡的管道进行长距离、有效的、省事省时的在线检测, 与理论分析相吻合 关键词: 纵向超声导波; 模式; 仿真; 管道裂纹 中图分类号 : TM9 3 0 1 2 4 文献标识码 :A S i mul a t i o n o f De t e c t i o n Pi p e l i n e Cr a c k s b y Lo ng i t u di n a
3、 l Ul t r a s o ni c Gu i d e d W a v e s YANG Hu 。W ANG Ch e n g 0 ( 1 S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d Co mmu n i c a t i o n En g i n e e r i n g ,No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a,Ta i y u a n 0 3 0 0 5 1,Ch i n a; 2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f E x p l o s i o n Sci
4、e n c e a n d T e c h n o l o g y , B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 , C h i n a ) Ab s t r a c t :Af t e r a d e s c r i p t i o n o f t h e b a s i c p r i n c i p l e o f v e r t i c a l u l t r a s o n i c g u i d e d wa v e,t h i s p a p e r h
5、a s ma d e a n a n a l y s i s o n t h e v a r i a t i o n o f t h e d i s p l a c e me n t o f f s e t o f v e r t i c a l mo d e v a r i a n t wi t h f r e q u e n c y;i t h a s a l s o p r e s e n t e d a n a p p r o a c h b y wh i c h a p e c t i n a t e s y mme t r i c a l t r a n s d u c e r b
6、 e u s e d t o e f f e c t i v e l y d e t e c t p i p e l i n e f l a ws Da t a a n a l y s i s a n d s i mu l a t i o n i n d i c a t e t h a t l o n g i t u d i n a l u l t r a s o n i c g u i d e d wa v e c a n b e a p p l i e d t o t h e o n l i n e d i s t a n c e d e t e c t i o n o f t h e p
7、 i p e l i n e s c o v e r e d o r s h e l t e r e d b y b a r r i e r s Ke y wo r d s :l o n g i t u d i n a l u l t r a s o n i c g u i d e d wa v e ;mo d e ;s i mu l a t i o n;p i p e l i n e c r a c k 典型的、传统的的超声检测方法是利用传感器( 探头或换能器) 在被测管道表面进行逐点扫描 , 常用 超声 C扫描探伤方式由此获得被测件整体的探伤图像, 但这一过程往往非常费时, 难以实现远距离
8、有 效检测且所需设备 比较复杂 1 一般情况下,裂纹和腐蚀等缺陷在管道 内、外表面都可能发生由于在 检测过程中不能接近管材的情况占有很大 比例 , 如果不移去隔离部分 ,即使是外部缺陷也无法用传统的 超声检测技术来检测基于上述情况,对于管道 中的缺陷可以利用超声导波技术进行检测由于导波具 有频散特性 , 在管道 中会产生多种模式的波 ,所以选择特殊模式的导波对检测缺陷是非常重要的本文 选择纵向超声导波对裂纹进行数值分析和仿真研究 2 1 纵向超声导波的基本原理 图 1为管道示意图, 其 内径为 a , 外径为 b 由纵向超声导波在管道中传播的特性可知,管道中质点 位移分量为 一 U, ( r
9、) C O S n O C O S ( tot + k z ), 口= U口 ( r ) s i n n O c o s ( t o t + k z ) , 2一 U2 ( r ) c o s n O s i n ( t o t + k z ) , 收稿 日期 :2 0 0 6 0 3 3 0 基金项 目:国家自然科学基金资助项 目 ( 1 0 2 0 2 0 0 1 ) 作者简介 :杨湖( 1 9 7 2 一 ) ,男讲师 , 博士生主要从事测试计量技术及仪器的研 究 维普资讯 http:/ ( 总第 1 0 8 期) 管道裂纹纵向超声导波检测仿真研究( 杨湖等) 3 4 9 式中,“ ,
10、, “ 一 , 分别表示径向、周向、轴向位移分量; U, , U一 , U 分别为相应的位移幅度 管道 中的导波可分 为三类 : 纵向模式 L( O , )( 轴对称摸态) , m:1 , 2 , 3 , 扭转模式 T( O , )( 轴 对称摸态) , 一l , 2 , 3 , 弯曲模式 F( n , )( 非轴对称摸态) , :1 , 2 , 3 , ; 一1 , 2 , 3 模式中的 为模数,反映了该模式在管道壁厚方 向上的振动 形态 ; 整数 n为周向阶次 ,反映了该模式环绕管道壁周向的传播形 态一般情况下 , 对于给定第 n阶模式, 可做出 个模式的频散 曲 线 准确描述上述三类模式
11、比较困难 , 但当所测管道壁厚较薄 且管 道半径较大时, L( O , ) 模式对应于板中的 L a mb波 , 而 T( 0 , ) 模 式对应于板中的 S H波 由声学理论可求得超声纵 向导波的 6阶频散特征方程 1 为 l C l 一 0 , , 一 1 , 2 , , 6 , 式中, C为与管道的管径尺寸 ( 口 , 6 ) 、 与管材的 L a mb常数 , , 密 度 D , 频率 O A以及波数 愚有关的函数 图 1 内径为 a外径为 6的圆管示 意图 Fi g 1 Pi p e l ine c h a r t wi t h i n s i d e dia m e t e r口
12、a n d o u t s id e b 根据频散特征方程可知 , 纵向模式中质点位移的偏振向量( r , z ) 在平面内( 见图 1 ) , 因此质点位移的 周 向分量为零 在实际应用中, 由于在实验中纵向模式的可激发性和重复性 , 因此它 比扭转模式应用更为 广泛 一般情况下 , 对称纵向模式要比弯曲模式易于激发 , 这便于对管道进行周 向的全范围检测 另外, 由 于管道上周向缺陷的尺寸有限 , 缺陷的反射回波通常是非对称的 图 2 钢管的频散 曲线 Fi g 2 St e e l p i p e l i n e d i s p e r s ion c ur v e s 拿 亘 、 厶
13、【 I ) 一 一 J (o 2 上 ( 0 ,3 ) I 、 , 。 X o 。 1 ) I 7 一J l J 0 1 2 3 4 5 f d | ( MH z r a m ) 图 3 钢管纵 向 L( O m)模式导波的频散曲线 Fi g 3 S t e e l p i p e l i n e d i s p e r s ion c u r v e s o f l o n g i t u d i n a l L( 0。 m)mo d e gu i d e d wa v e 由纵 向超声导波基本原理给出一钢管的群速度频散 曲线和相速度频散曲线 ,如图 2和 图 3所示 1 其中 , 所用管材
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