CN116840350A - 一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列及制备方法，包括：借助扩展有限元法，研究管道环焊缝周向裂纹的声发射传播特性；建立管道环焊缝周向裂纹声发射阵列模型，分析阵列的波束方向图，确定压电陶瓷传感器的数量；设计2列的传感器拓扑方式，借助柔性印刷电路技术制造柔性阵列。柔性阵列包括柔性聚酰亚胺薄膜、印刷电路、SMA通信接口及8个压电陶瓷传感器。本发明首次提出了应用于管道环焊缝周向裂纹监测的传感阵列，阵列制造工艺简便易于与管道焊缝结构集成；每列4个压电陶瓷传感器的设计方式增强了阵列传感的指向性，提高了周向裂纹声发射的可采集性，2列的排布方式简化了声发射信号的分析难度。

Description

一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列及制备方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列及制备方法。

背景技术

在管道的安装及服役过程中，环焊缝是最容易出现裂纹的区域之一。焊接过程中，焊接接头处的淬硬组织及氢元素的扩散可能产生周向裂纹；服役过程中，循环载荷、冲击及残余应力等共同作用于应力集中的弧坑等区域也可能产生周向裂纹。据统计，近6年来环焊缝失效占据了管道失效总数的38.2％，并且失效的原因多为周向裂纹扩展导致的管道开裂。

目前，管道焊缝的巡检的主要手段仍以超声检测技术为主，该技术所采用阵列的信号频率范围多为低于100kHz的低频段，难以实现环焊缝小尺寸周向裂纹的检测。此外，阵列的布设方式未考虑环焊缝周向裂纹声发射的传播特性，增加了周向裂纹声发射有效采集的难度。最后，阵列的形式也难以与焊缝及其附近区域集成，增加了***的复杂度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列及制备方法，采用2列的排布方式可借助间距计算来计算声发射的传播时间，便于直接计算周向传播声发射信号的波速，简化了声发射信号的分析难度。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列，包括印刷电路、设于印刷电路上的柔性聚酰亚胺薄膜、以及设于柔性聚酰亚胺薄膜上的若干个压电陶瓷传感器，若干个压电陶瓷传感器呈阵列分布，每个压电陶瓷传感器的正负引脚均通过环氧树脂固定在柔性聚酰亚胺薄膜的电极上，所述柔性聚酰亚胺薄膜的电极的表面镀有镍层和金层；

其中，环焊缝周向裂纹的声发射信号通过柔性聚酰亚胺薄膜的电极、印刷电路和SMA通信端口与信号采集模块连接。

优选地，所述压电陶瓷传感器为8个，8个压电陶瓷传感器呈2列排布，每列排布有4个压电陶瓷传感器，每个压电陶瓷传感器并联连接，2列压电陶瓷传感器均通过环氧树脂沿管道环焊缝周向固定。

优选地，每个压电陶瓷传感器呈圆形状，每个压电陶瓷传感器的排布方向与管道焊缝方向垂直设置，且若干个压电陶瓷传感器等间距分布，且相邻2个压电陶瓷传感器的中心间距为1cm。

通过采用上述技术方案：采用每列4个压电陶瓷传感器的设计方式增强了阵列传感的指向性，提高了周向裂纹声发射的可采集性，2列的排布方式简化了声发射信号的分析难度。

本发明还提供了一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、借助扩展有限元法，研究管道环焊缝周向裂纹的声发射传播特性；

步骤S2、建立管道环焊缝周向裂纹声发射阵列模型，分析阵列的波束方向图，确定压电陶瓷传感器的数量；

步骤S3、设计2列的压电陶瓷传感器拓扑方式，借助柔性印刷电路技术制造柔性阵列。

优选地，在步骤S1中，需借助扩展有限元理论，仿真模拟环焊缝周向裂纹不同扩展过程，提取和分析仿真结果，具体包括：

步骤S101、借助有限元建模与分析软件ABAQUS，建立含环焊缝的管道三维数值模型并进行划分网格；

步骤S102、为保证环焊缝区域周向裂纹扩展仿真的精确性，需针对拟设置周向裂纹区域的网格尺寸进一步细分：

式中d为周向裂纹附近单元网格的最大尺寸，G为钢管材料的临界能量释放率，E为杨氏模量，v为泊松比，f为钢管材料的屈服强度；

步骤S103、选取管道环焊缝为裂纹扩展区域，并在此区域定义预制的初始周向裂纹；

步骤S104、计算管道环焊缝周向裂纹尖端的J积分：

式中T为积分路径，W为应变能密度，ds为弧元素，T_i为面力分量，u_i为位移分量；

步骤S105、基于步骤S104计算的J积分，计算管道环焊缝周向裂纹尖端的应力强度因子：

式中K为应力强度因子，J为步骤S104计算的J积分，E为杨氏模量；

步骤S106、根据管道环焊缝周向裂纹扩展后的裂纹尺寸，更新扩展有限元模型并重新计算应力强度因子，得到周向裂纹不同扩展阶段下的仿真计算结果；

步骤S107、提取周向裂纹在不同扩展阶段的应力分布特点，分析周向裂纹声发射的传播特性，指导阵列的拓扑设计。

优选地，考虑到管道环焊缝宽度较窄及周向裂纹声发射中多模态成分的幅值较小，传感器的数量不宜过多。因此，在步骤S2中，建立阵列的检测模型，分析阵列的波束方向图以确定压电陶瓷传感器的数量，具体包括：

步骤S201、假设阵列中的各传感器的间距为d，传感器的数量为N，设第一个传感器为参考点，设周向裂纹扩展处的观测点P与参考传感器的距离为r，可由P处的场强来推导均匀直线多模态传感阵列的方向图函数，线阵在P点可感应的周向裂纹声发射为：

式中是方向图函数，θ是P点与参考传感器在法线方向的夹角，/>是相位，λ为波长；

步骤S202、基于步骤S202，可推导得阵列的阵列因子AF，再经过化简、取模与归一化得到阵列的阵列因子的表达式：

步骤S203、为对比阵列中不同数量的压电陶瓷传感器对于环焊缝周向裂纹声发射的空间分辨能力，在考虑焊缝较窄宽度下建立不同传感器数量的线阵信号模型，计算并绘制阵列的波束方向图。

优选地，在步骤S3中，基于步骤S2优化传感器数量后，设计阵列的拓扑结构并制作柔性阵列，具体包括：

步骤S301、沿管道周向，垂直环焊缝等距离分布步骤S2优化数量的压电陶瓷传感器，以环状布设的方式排布2列压电陶瓷传感器；

步骤S302、一路传感器分配一个SMA通信接口，设计所有的通信端口均位于柔性阵列的右侧；

步骤S303、设计所有导线均为不交叉的单层电极结构，借助柔性印刷电路技术制造柔性阵列。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明首次提出应用于管道环焊缝周向裂纹监测的传感阵列。

2、本发明采用阵列的拓扑设计方式符合周向裂纹声发射的传播规律。

3、本发明采用每列4个压电陶瓷传感器的设计方式增强了阵列传感的指向性，提高了周向裂纹声发射的可采集性。

4、本发明采用2列的排布方式可借助间距计算来计算声发射的传播时间，便于直接计算周向传播声发射信号的波速，简化了声发射信号的分析难度。

附图说明

图1为本发明的三维建模示意图；

图2为本发明的周向裂纹初步扩展应力云示意图；

图3为本发明的周向裂纹进一步扩展应力云示意图；

图4为本发明的1个传感器的波束方向示意图；

图5为本发明的2个传感器的波束方向示意图；

图6为本发明的4个传感器的波束方向示意图；

图7为本发明的结构示意图；

图8为本发明的传感器与柔性印刷电路板集成示意图；

图9为本发明的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-6，一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列，包括印刷电路1、设于印刷电路1上的柔性聚酰亚胺薄膜3、以及设于柔性聚酰亚胺薄膜3上的若干个压电陶瓷传感器2，若干个压电陶瓷传感器2呈阵列分布，每个压电陶瓷传感器2的正负引脚均通过环氧树脂固定在柔性聚酰亚胺薄膜3的电极上，所述柔性聚酰亚胺薄膜3的电极的表面镀有镍层和金层；

其中，环焊缝周向裂纹的声发射信号通过柔性聚酰亚胺薄膜3的电极、印刷电路1和SMA通信端口4与信号采集模块连接。

具体的，所述压电陶瓷传感器2为8个，8个压电陶瓷传感器2呈2列排布，每列排布有4个压电陶瓷传感器2，每个压电陶瓷传感器2并联连接，2列压电陶瓷传感器2均通过环氧树脂沿管道环焊缝周向固定。

具体的，每个压电陶瓷传感器2呈圆形状，每个压电陶瓷传感器2的排布方向与管道焊缝方向垂直设置，且若干个压电陶瓷传感器2等间距分布，且相邻2个压电陶瓷传感器2的中心间距为1cm。

本实施例中，采用呈圆形状的压电陶瓷传感器2，增加了周向裂纹声发射的接收范围；考虑到声发射的频率分布范围较广，需选用宽频带压电陶瓷传感器；其中，数量为4的排列方式增强了阵列针对周向裂纹声发射传感的指向性；考虑到管道环焊缝的宽度，相邻2个压电陶瓷传感器2的中心间距为1cm。

实际应用时，8个压电陶瓷传感器2及通信端口间的导线设计成不交叉的单层电极结构，提高了采集的声发射信号信噪比；采用小型化贴片式SMA，小型化的设计方式降低了柔性阵列的整体重量；导线线宽设计为1mm，降低了线路阻抗，提高了声发射信号的信号电压；沿管道环焊缝周向固定的2列间距为5cm，该间距用于计算声发射信号周向传播的时间差，这里借助间距和计算的时间差，可直接计算周向传播声发射信号的波速，简化了声发射信号的分析难度；采用贴片式SMA可保证声发射输出信号的正负极均在柔性阵列的同一侧；其中，管道多为导电材料，防止了传统直插式接口可能导致线路短路；所有的通信端口均位于柔性阵列的右侧，降低了对声发射信号传播的影响。

一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、借助扩展有限元法，研究管道环焊缝周向裂纹的声发射传播特性；

步骤S2、建立管道环焊缝周向裂纹声发射阵列模型，分析阵列的波束方向图，确定压电陶瓷传感器的数量；

步骤S3、设计2列的压电陶瓷传感器拓扑方式，借助柔性印刷电路技术制造柔性阵列。

具体的，在步骤S1中，需借助扩展有限元理论，仿真模拟环焊缝周向裂纹不同扩展过程，提取和分析仿真结果，具体包括：

步骤S101、如图1所示，借助有限元建模与分析软件ABAQUS，本实施例以长度50cm，内径和外径分别为9cm和10cm的管道为研究对象，模拟环境为三条支辊支撑的三点弯曲疲劳实验机进行疲劳加载；

步骤S102、如图1焊缝区域所示，为了保证环焊缝区域周向裂纹扩展仿真的精确性，需针对拟设置周向裂纹区域的网格尺寸进一步细分：

式中d为周向裂纹附近单元网格的最大尺寸，G为钢管材料的临界能量释放率，E为杨氏模量，v为泊松比，f为钢管材料的屈服强度；

步骤S103、选取管道环焊缝为裂纹扩展区域，并在此区域定义预制长度为2mm的初始周向裂纹；

步骤S104、计算管道环焊缝周向裂纹尖端的J积分：

式中T为积分路径，W为应变能密度，ds为弧元素，T_i为面力分量，u_i为位移分量；

步骤S105、基于步骤S104计算的J积分，可计算管道环焊缝周向裂纹尖端的应力强度因子：

式中K为应力强度因子，J为步骤S104计算的J积分，E为杨氏模量；

步骤S106、根据管道环焊缝周向裂纹扩展后的裂纹尺寸，更新扩展有限元模型并重新计算应力强度因子，得到周向裂纹不同扩展阶段下的仿真计算结果；

步骤S107、提取周向裂纹在不同扩展阶段的应力分布云图，如图2-3所示。通过对图2-3分析可发现，随着周向裂纹的初步扩展和进一步扩展，会在裂纹尖端产生应力集中，裂纹扩展导致的应力变化分布范围较小，基本仅分布于环焊缝区域。因此，通过在环焊缝区域布设沿着环焊缝周向分布的传感阵列，是对周向裂纹扩展下的多模态成分采集的方案。

具体的，考虑到管道环焊缝宽度较窄及周向裂纹声发射中多模态成分的幅值较小，传感器的数量不宜过多。因此，在步骤S2中，需建立阵列的检测模型，分析阵列的波束方向图以确定压电陶瓷传感器的数量，具体包括：

步骤S201、假设阵列中的各传感器的间距为d，传感器的数量为N，设第一个传感器为参考点。设周向裂纹扩展处的观测点P与参考传感器的距离为r，可由P处的场强来推导均匀直线多模态传感阵列的方向图函数。线阵在P点可感应的周向裂纹声发射为：

式中是方向图函数，θ是P点与参考传感器在法线方向的夹角，/>是相位，λ为波长；

步骤S202、基于步骤S202，可推导得阵列的阵列因子AF，再经过化简、取模与归一化得到阵列的阵列因子的表达式：

步骤S203、为了对比不同数量的传感器的空间分辨能力，在考虑焊缝较窄宽度下建立了传感器数量分别为1、2和4时的线阵信号模型，计算并绘制了阵列的波束方向图，结果如图4-6所示。通过对图4-6分析可知，当传感器数量为1和2时，虽然只有一个主瓣，但是阵列的空间分辨率较差使得可能采集来自于非环焊缝区域的信号；而当传感器数量为4时，虽然出现了较小的旁瓣，但是主瓣的宽度显著降低，说明传感器数量为4时传感阵列针对沿着焊缝传播的声发射具有更强的空间分辨率。因此，阵列拓扑中选取的沿着环焊缝周向分布的压电陶瓷数量为4。

具体的，基于步骤S2优化了传感器数量后，需设计阵列的拓扑结构并制作柔性阵列。步骤S3具体包括：

步骤S301、如图7所示，沿着管道周向，垂直环焊缝等距离分布步骤S2优化数量的压电陶瓷传感器，以环状布设的方式排布2列压电陶瓷传感器；

步骤S302、如图7所示，一路传感器分配一个SMA通信接口，设计所有的通信端口都位于柔性阵列的右侧；

步骤S303、设计所有导线都为不交叉的单层电极结构，提高了信噪比。然后，借助柔性印刷电路技术制造柔性阵列。

如图8所示，在设计柔性阵列时，压电陶瓷传感器通过焊料与压电陶瓷的引脚被固定在聚酰亚胺薄膜5的电极上，信号通过印刷电路1和SMA连接器端口4输出。

如图9所示，在具体应用时，首先将柔性阵列环绕在管道环焊缝结构6上，通过环氧粘合剂粘贴阵列背部与管道结构5集成。

综上所述，本发明采用2列的排布方式可借助间距计算来计算声发射的传播时间，便于直接计算周向传播声发射信号的波速，简化了声发射信号的分析难度。

本发明中披露的说明和实践，对于本技术领域的普通技术人员来说，都是易于思考和理解的，且在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的修改或改进，也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列，其特征在于，包括印刷电路、设于印刷电路上的柔性聚酰亚胺薄膜、以及设于柔性聚酰亚胺薄膜上的若干个压电陶瓷传感器，若干个压电陶瓷传感器呈阵列分布，每个压电陶瓷传感器的正负引脚均通过环氧树脂固定在柔性聚酰亚胺薄膜的电极上，所述柔性聚酰亚胺薄膜的电极的表面镀有镍层和金层；

其中，环焊缝周向裂纹的声发射信号通过柔性聚酰亚胺薄膜的电极、印刷电路和SMA通信端口与信号采集模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列，其特征在于，所述压电陶瓷传感器为8个，8个压电陶瓷传感器呈2列排布，每列排布有4个压电陶瓷传感器，每个压电陶瓷传感器并联连接，2列压电陶瓷传感器均通过环氧树脂沿管道环焊缝周向固定。

3.根据权利要求2所述的一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列，其特征在于，每个压电陶瓷传感器呈圆形状，每个压电陶瓷传感器的排布方向与管道焊缝方向垂直设置，且若干个压电陶瓷传感器等间距分布，且相邻2个压电陶瓷传感器的中心间距为1cm。

4.一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、借助扩展有限元法，研究管道环焊缝周向裂纹的声发射传播特性；

步骤S2、建立管道环焊缝周向裂纹声发射阵列模型，分析阵列的波束方向图，确定压电陶瓷传感器的数量；

步骤S3、设计2列的压电陶瓷传感器拓扑方式，借助柔性印刷电路技术制造柔性阵列。

5.根据权利要求4所述的一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，需借助扩展有限元理论，仿真模拟环焊缝周向裂纹不同扩展过程，提取和分析仿真结果，具体包括：

步骤S101、借助有限元建模与分析软件ABAQUS，建立含环焊缝的管道三维数值模型并进行划分网格；

步骤S102、为保证环焊缝区域周向裂纹扩展仿真的精确性，需针对拟设置周向裂纹区域的网格尺寸进一步细分：

式中d为周向裂纹附近单元网格的最大尺寸，G为钢管材料的临界能量释放率，E为杨氏模量，v为泊松比，f为钢管材料的屈服强度；

步骤S103、选取管道环焊缝为裂纹扩展区域，并在此区域定义预制的初始周向裂纹；

步骤S104、计算管道环焊缝周向裂纹尖端的J积分：

式中T为积分路径，W为应变能密度，ds为弧元素，T_i为面力分量，u_i为位移分量；

步骤S105、基于步骤S104计算的J积分，计算管道环焊缝周向裂纹尖端的应力强度因子：

式中K为应力强度因子，J为步骤S104计算的J积分，E为杨氏模量；

步骤S106、根据管道环焊缝周向裂纹扩展后的裂纹尺寸，更新扩展有限元模型并重新计算应力强度因子，得到周向裂纹不同扩展阶段下的仿真计算结果；

步骤S107、提取周向裂纹在不同扩展阶段的应力分布特点，分析周向裂纹声发射的传播特性，指导阵列的拓扑设计。

6.根据权利要求4所述的一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，建立阵列的检测模型，分析阵列的波束方向图以确定压电陶瓷传感器的数量，具体包括：

步骤S201、假设阵列中的各传感器的间距为d，传感器的数量为N，设第一个传感器为参考点，设周向裂纹扩展处的观测点P与参考传感器的距离为r，可由P处的场强来推导均匀直线多模态传感阵列的方向图函数，线阵在P点可感应的周向裂纹声发射为：

式中是方向图函数，θ是P点与参考传感器在法线方向的夹角，/>是相位，λ为波长；

步骤S202、基于步骤S202，可推导得阵列的阵列因子AF，再经过化简、取模与归一化得到阵列的阵列因子的表达式：

步骤S203、为对比阵列中不同数量的压电陶瓷传感器对于环焊缝周向裂纹声发射的空间分辨能力，在考虑焊缝较窄宽度下建立不同传感器数量的线阵信号模型，计算并绘制阵列的波束方向图。

7.根据权利要求4所述的一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，基于步骤S2优化传感器数量后，设计阵列的拓扑结构并制作柔性阵列，具体包括：

步骤S301、沿管道周向，垂直环焊缝等距离分布步骤S2优化数量的压电陶瓷传感器，以环状布设的方式排布2列压电陶瓷传感器；

步骤S302、一路传感器分配一个SMA通信接口，设计所有的通信端口均位于柔性阵列的右侧；

步骤S303、设计所有导线均为不交叉的单层电极结构，借助柔性印刷电路技术制造柔性阵列。