CN107607629A - 基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法 - Google Patents

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柳伟续
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Abstract

本发明公开了一种基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法，属于管道无损检测领域，其特征在于选定入射信号形式，测量得到待测管道的横截面积,记为S0，管道中需要检测的异种材质截面积损失处的横截面积，记为S1，管道及待测的截面积损失处的异种材质的密度分别记为ρ0和ρ1；管道及截面积损失处异种材质的杨氏模量和泊松比分别记为E0、v0和E1、v1；由分别求得管道和截面积损失处异种材质中导波传播速度为和利用导波检测设备采用合适的检测频率对待测管道进行检测，得到导波检测信号；进而得到截面积损失处反射信号与导波入射信号的幅值Ar和Ai，求得T＝Ar/Ai；由求得截面积损失处异种材质的横截面积。本检测方法具有重要的工程价值。

Description

基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法，属于管道无损检测领域。
背景技术
管道作为一种重要的传输策略，已被广泛用于石油、化工、天然气、热力管道等工业生产和生活领域，其使用安全性能至关重要。金属截面积损失是一种较常见且非常重要的管道缺陷，快速、可靠、有效管道截面积损失检测技术一直是无损检测中的难题，尤其是由不同种材质的管材构成的管道，对其截面积损失的检测将更加复杂困难。
超声导波检测技术以其长距离、大范围和100％横截面检测的特点，目前正被广泛用于石化、热力、高温等领域的各类管材、棒材的无损检测(NDT，Non-DestructiveTesting)和结构健康监测(SHM，Structural Health Monitoring)。目前，对于金属截面积损失检测的方法，主要有磁通方法、磁桥路检测方法。磁通检测方法由于磁源外置，存在漏磁通，造成磁能损失，从而降低了检测效率；磁桥路方法由于采用多个磁路之间相互整合，导致检测方法的调试与测试比较复杂。这两种方法对由异种材质构成的管道截面积损失的检测均比较复杂，难以保证检测的精度与可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速、可靠的管道截面积损失检测方法，为对管道的服役状况做进一步处理和分析，提供重要参考。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法，其特征包括如下步骤：
(1)选定导波检测信号形式，采用合适的检测频率，得到导波入射信号；
(2)测量得到待测管道的横截面积,记为S0，管道中需要检测的异种材质截面积损失处的横截面积，记为S1；
(3)得到待测管道的密度，记为ρ0，得到管道中需要检测的截面积损失处的异种材质的管道密度，记为ρ1；
(4)得到待测管道的杨氏模量和泊松比分别记为E0和v0，得到管道中需要检测的截面积损失处的异种材质的杨氏模量和泊松比分别记为E1和v1；
(5)由分别求得待测管道和截面积损失处异种材质管道中导波的传播速度为和
(6)利用导波检测设备，激励导波入射信号对待测管道进行检测，得到含有截面积损失处反射信号的导波检测信号；
(7)根据导波检测信号，分别得到截面积损失处反射信号与导波入射信号的幅值Ar和Ai，求得T＝Ar/Ai；；
(8)将上述所得参数带入公式求得管道中截面积损失处异种材质的管道横截面积大小。
进一步的，所述合适的检测频率，为满足该频率下，对应导波波长为所测管道壁厚的八倍及其以上。
本发明由于采用了以上技术方案，具有如下的有益效果：
本发明针对异种材质管道中截面积损失检测的问题，利用超声导波技术结合反射系数及管道的几何与物理参数，为截面积损失的检测提供了新的研究方法，结合导波具有的单端激励、长距离传播的特点，从而大大提高了截面积损失检查的范围和检测效率，同时对于实际管道导波检测中像缺陷等形式的截面积测算具有重要意义，具有重要的实际应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法的导波入射(激励)信号示意图；
图2为本发明一种基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法检测原理图；
图3为本发明一种基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法待测管道截面积损失示意图；
图4为本发明一种基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法仿真所得异种材质管道导波检测信号；
图5为本发明一种基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法待测管道仿真模型图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
如图2、3所示异种材质管道检测原理图及截面积损失示意图，本实施例以具体的两种材质管道为例，对管道中截面积损失的导波检测进行展开，实施过程如下：
1)这里通过仿真异种材质管道实现导波技术的截面积损失检测。利用三维仿真软件ABAQUS，按照表1和表2参数建立得到异种材质管道的物理模型。
表1管道参数
表格1所示为钢质管道的管道参数，表格2所示为铝质管道的参数。
表2管道参数
在ABAQUS中设置构件、材料属性等步骤，由表格1和2分别得到的两种材质管道模型，并通过接触面定义将其们耦合到一起如图2所示，并对其进行网格划分等操作得到仿真模型图5所示。
2)得到导波入射信号并仿真
这里选用具有良好时频局部特性的Gabor脉冲信号作为激励(入射)信号：
式中μ、σ、fc和θ分别为时移、脉冲宽度、中心频率和相位。图1所示为参数取：μ＝7.1e-5s、合适的频率fc＝60kHz和σ＝10.67e-6的Gabor脉冲激励信号示意图。经管道激励端加载激励信号到待测管道，设置仿真时间t＝9e-10s，经接收端得到的导波检测波形如图4所示。
3)由公式其中，E为材料杨氏模量，ρ为密度，υ为泊松比。带入表格1管道参数，求得钢管中导波的参数为带入表格2管道参数求得铝管中导波的参数为
4)由上述导波检测信号计算截面积损失，在MATLAB中利用数据指针得到的导波入射信号及截面积损失的缺陷反射信号幅值(已归一化,不计量纲)分别为Ar≈0.7048和Ai＝1，带入公式求得T＝Ar/Ai＝0.7048；
5)结合已知参数得所用管道的横截面积为S0＝π*(D1 2-D2 2)/4＝43.96mm2，其中D1和D2分别为钢管外径和内径。则由导波技术得到所测截面积损失处铝管的横截面积为：
6)这里对上述基于导波技术的截面积损失检测方法所得结果进行验证，联系图3截面损失示意图，计算得到铝管的横截面积理论值为：S1'＝π*(D3 2-D4 2)/4＝21.195mm2，其中D3和D4为铝管的外径和内径。在一定误差范围内，理论计算结果S1'与上述导波检测结果吻合较好，该方法实现了不同种材质管道中截面积损失的检测。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法，其特征包括如下步骤：
(1)选定导波检测信号形式，采用合适的检测频率，得到导波入射信号；
(2)测量得到待测管道的横截面积,记为S0，管道中需要检测的异种材质截面积损失处的横截面积，记为S1；
(3)得到待测管道的密度，记为ρ0，得到管道中需要检测的截面积损失处的异种材质的管道密度，记为ρ1；
(4)得到待测管道的杨氏模量和泊松比分别记为E0和v0，得到管道中需要检测的截面积损失处的异种材质的杨氏模量和泊松比分别记为E1和v1；
(5)由分别求得待测管道和截面积损失处异种材质管道中导波的传播速度为和
(6)利用导波检测设备，激励导波入射信号对待测管道进行检测，得到含有截面积损失处反射信号的导波检测信号；
(7)根据导波检测信号，分别得到截面积损失处反射信号与导波入射信号的幅值Ar和Ai，求得T＝Ar/Ai；
(8)将上述所得参数带入公式求得管道中截面积损失处异种材质的管道横截面积大小。
2.根据权利要求1所述的基于超声导波技术的异种材质管道截面积损失检测方法，其特征在于：所述合适的检测频率，为满足该频率下，对应导波波长为所测管道壁厚的八倍及其以上。
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