第21卷 第4期应用力学学报Vol.21 No.4 2004年12月CHINESE JOURNAL OF APPL IE D MECHANICS Dec.2004
文章编号:100024939(2004)0420076204
管道超声纵向导波裂纹检测数值模拟Ξ
程载斌 王志华 张立军 马宏伟
(太原理工大学 太原 030024)
摘要:简述了近年来超声导波技术的发展现状及其检测原理,并用有限元程序ANSYS对管道超声纵向导波裂纹检测进行了数值模拟。管道模型中,删除单元模拟管道周向裂纹,通过对管道一端端部周向各节点施加轴向瞬时位移载荷模拟纵向入射应力波,同端接收反射应力波,根据裂纹纵波回波信号到达时间和反射系数能较为精确地判断裂纹位置、周向开口裂纹长度、管壁减薄程度及裂纹截面积,但反射系数对管道轴向裂纹宽度不十分敏感。数值模拟结果与前人实验结果及理论计算结果吻合较好。
关键词:导波;应力波;管道检测;数值模拟
中图分类号:O34714 文献标识码: A
1 引 言
具有外包层的管道腐蚀检测是石油化工行业面临的重要课题,及时、准确地将管道中的缺陷检测出来对保证安全生产具有重要意义。传统的超声检测方法为逐点扫描式,对于检测数公里长的管道,尤其是检测有外包层的管道,具有费用高、效率低的缺点。超声导波技术可解决这一难题,它克服了传统的逐点扫描方法的缺点,可实现线检测。其原理为脉冲回波法,具有传播距离远,检测段长,无须移去外包层,简单、经济的优点。但由于导波的多模及频散特性,管中导波的传播性质至今仍未被完全理解。
D.C.G azis[1]对圆柱空腔中波在三维方向上的传播作了深入研究,推导出了理论模型的两种模态(纵向拉伸波和扭转波)。Armenakas详细讨论了圆柱壳中的弹性波传播理论,指出在管线结构中存在许多模态,并且在相速度频散曲线中给出了可能出现的模态。Silk和Bainton[2]利用压电超声探头在热交换管道中激励超声导波,对管道裂纹检测进行了试验,证明了利用超声导波技术进行管道裂纹检测的
可能性。
英国帝国理工大学的Cawley.P[3～5]等发展了超声导波检测技术,并对工厂中的管道进行了检测。他们的检测方法是利用脉冲回波法在管道的单一位置进行检测,管壁中缺陷的位置和大小用反射波信号及其到达时间来确定。这一方法的优点是它可以进行长距离管道的快速检测,并且只需移去放置激励装置部分的外包层即可。他们在进行各种实验的同时建立了有限元模型,对管道中应力波的反射、透射、模式转换等进行了分析,并取得了一定的成果。Allwyne.D[6]等提出用L(0,2)模态,该模态在一定的频带内非频散,且传播速度最快,适于长距离检测。另外,韩国原子能研究所Moon.Ho.Park[7]等用A
(反对称零阶)模态Lamb波对长钢管中的缺
陷进行了检测,并进行了有限元分析,结果表明:A
0模态Lamb波对管中表面缺陷最为敏感,能量损失最小,数值模拟与实验结果吻合较好。
国外在检测长距离直管道时通常选用L(0,2)模态导波,它主要有以下几个优点:1)一定频率附近
Ξ基金项目:太原市科技启明星项目资助 来稿日期:2003211210 修回日期:2004204230第一作者简介:程载斌,男,1978年生,太原理工大学,硕士;研究方向:结构损伤检测1
范围内该模态几乎是非频散的,因而信号形状与幅度在传播过程中可保存下来;2)由于该模态传播速度最快,所以任何不希望出现的模式信号都在其后到达,易于在时域内区分出感兴趣的信号;3)轴向位移分量对于探测圆周开口裂纹的灵敏度起决定作用。该模态内外表面的轴向位移相对较大,因而对于任何圆周位置的内外表面缺陷具有相同的灵敏度,很适合探测内外表面的缺陷;4)该模态内外表面的径向位移相对较小,这时的导波在传播过程中能量泄漏较少,传播距离相对较远。
2 基本理论
利用弹性力学知识进行推演,可得管中导波传播的频散方程为
|c ij |6×6=0(1)其中,c ij (i ,j =1,…,6)是同管径尺寸(内径a 、外径b )、材料的Lame 常数λ,μ、密度ρ、频率ω以及波
数k 有关的函数。它的解有三种形式,对应于管中导
波的三种模式[8]
:纵向导波模式(L 模式)、弯曲模式(F 模式)和扭转模式(T 模式)。这三种模式的导波分别用L (n ,m ),F (n ,m )和T (n ,m )表示,其中
n 和m 分别代表周向和径向模态参数且均为整数。L 模式和T 模式是轴对称模式,F 模式是非轴对称
模式。图1为用英国帝国理工大学开发的频散曲线计算软件disperse 计算的空心圆管群速度频散曲线。管道外径为1115cm ,壁厚为0186cm ,材料为钢,弹
性模量E =207G pa ,密度ρ=7700kg/m 3
,泊松比μ=0132
。
图1 管中不同导波模态的群速度频散曲线
考虑管道一端纵向应力波入射,采用同端激励、同端接收的方式,如下图所示
假定距管道接收信号位置x p 处有一裂纹,
并设
图2 管道裂纹检测示意图
从激发到接收裂纹回波信号的时间间隔为t 1,波速为c ,则有下式成立
?t 1=2x p
(2)
波速取杨氏速度c =E /ρ(1-ν2
)(E 为弹性模量,ρ为介质密度,ν为泊松比),时间t 1可测
量,故可确定x p 的值。由上式可判断裂纹在管道中的轴向具体位置。
当纵波通过裂纹时,由于介质的不连续性,导波遇到裂纹处将发生反射、透射及模式转换等现象,被分解成反射波与透射波,反射波强度记为σR ,入射波强度为σI ,考虑到应力波弥散效应及材料等因素,引入修正系数k (0 σR =k 1-α1+ασI (3)α为去掉裂纹截面积与管道原截面积之比后的百分数[9] ,令β为裂纹所占管道截面积的百分比,则有β=1-α,即α=1-β,故下式成立 F =σR k σI = β2-β(4) 通过以上分析,我们可以得出结论:反射波到达的时间与裂纹的大小无关,而只与裂纹位置有关; 反射系数F 与裂纹截面积与管道截面积比值β之间存在一定的函数关系。 3 数值模拟 用有限元程序ANSYS 进行数值模拟时选用Shell63壳单元类型,管道模型长216m ,直径76mm ,壁厚515mm ;弹性模量E =200G pa ,密度ρ= 7850kg/m 3 ,泊松比μ=0132;传播总时间t = 112ms ,载荷作用时间100 μs ,时间步长112μs ,响应频率为(65～70)KHz 。在瞬态动力学分析类型中,选择Full 方法。模型如图3所示:轴向单元宽度为5mm ,裂纹处轴向单元宽度为2mm ,周向划分为32个单元,单元厚度为515mm ,单元总数为16740。接收信号位置距管道左端50mm ,裂纹位于距接收信号位置1700mm 处。 7 7第4期 程载斌,等:管道超声纵向导波裂纹检测数值模拟 图3 模型示意图 为了模拟管道端部纵向导波的激励,本文采用给端部周向各节点施加轴向瞬时位移载荷作为初始激励信号,信号源为单音频信号的叠加,输入中心频率为70KHz ,激励信号源曲线如图4所示 图 4 端部激励信号 (时域与频域曲线) 图5 裂纹宽度为2mm ,壁厚减薄1mm , β=1812%时的位移时程曲线 分析位移时程曲线时,将接收信号位置周向各节点位移叠加,以消除弯曲波和扭转波的影响。由图5所示位移时程曲线,可计算出裂纹位置,即 x =t 1?c 2=680×5 2 =1700mm (5) 其中,波速以无裂纹模型末端回波时间确定的平均波速为参考,c =5m/s ,略小于杨氏速度。本文模型中预设的裂纹位置在距接收信号位置1700mm 处,计算结果与实际裂纹位置吻合很好。计算中发现反射波返回的时间与裂纹大小无关,而与裂纹位置和材料参数有关,与理论完全一致。 裂纹截面积、周向长度及壁厚减薄程度可通过分析反射系数F (位移时程曲线中裂纹反射波幅与k 倍入射波幅之比)与裂纹截面积百分比β(裂纹截面积与管道截面积之比)、裂纹周向长度百分比L (裂纹周向长度与管道周长之比)及管道壁厚减薄 百分比T (裂纹周向长度与轴向宽度一定时,管壁减薄厚度与管壁厚度之比)之间的关系曲线来确定,其中k 以模型裂纹处为断面时反射波与入射波位移幅值之比为参考, k =01892。 图6 贯穿裂纹,轴向宽度为2mm , 不同 周向长度百分比时F -L 曲线 图7 裂纹周向长度百分比为25%,轴向宽度为2mm , 同周向长度百分比时F -L 曲线 图8 贯穿裂纹,周向长度百分比为25%,轴向宽度不同时F -W 曲线 分析图6所示F -L 曲线:曲线呈线形增加趋势,斜率约为1,说明W 、T 一定时裂纹周向长度越长,裂纹反射波强度越大。已知管道周长,测出反射系数,即可求得裂纹周向长度。数值模拟结果与文献[3]实验结果吻合很好。 如图7所示F -T 曲线呈单调增加趋势,近似成抛物线,说明W 、L 一定时管道裂纹处壁厚越薄,裂纹反射波强度越大。数值模拟结果与文献[3]实 87应用力学学报第21卷 图9 裂纹截面积百分比不同时F-β曲线 验结果吻合较好。 图8所示F-W曲线近似呈线性,斜率为0,说明L、T一定时,反射系数对轴向裂纹宽度W变化不敏感。 分析图9所示F-β曲线:曲线呈单调增加趋势,说明裂纹截面积越大,裂纹反射波幅越大。数值模拟结果与理论计算结果吻合较好。 4 结论及讨论 通过上述分析,我们得出以下结论: 1) 通过裂纹反射波到达时间可准确地判断出裂纹所在位置。反射波返回的时间与裂纹大小无关,而与裂纹位置和材料参数有关。 2) 由反射系数与裂纹变量L、T、β之间的关系曲线可近似地确定管道周向裂纹的形状及其损伤程度。 3) 反射系数对轴向裂纹宽度的变化不敏感,超声纵波检测技术无法判断管道轴向裂纹宽度。可考虑用其它模态应力波进行检测。 超声导波技术是应力波技术在管道检测中的应用,从国外的研究进展可以看出,该技术的主要发展方向有:波传播理论的深入研究、裂纹处应力波散射区域分析、检测技术的工程应用、检测技术的智能监控转化、波信息的数量化等。目前国内对这方面的理论研究还很少,实验技术相对落后,因此应加强这方面的工作,对含周向、轴向、斜向等各种不同类型缺陷的管道进行实验,对实验测得的应力波信号进行分析,找到裂纹的大小、部位与应力波信号之间的非线性映射关系,尽早将该技术应用于工程实际。本课题的研究对石油化工等行业的管道检测有重要的指导意义。 参考文献 1 G azis D.C.Three-dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders,I.Analytical foundation[J].J Acoust Soc Am,1959,31(5):568～573 2 Silk M.G Bainton K.F.The propagation in metal tubing of ultra2 sonic wave modes equivalent to lamb waves[J].Ultrasonics,1979, 17(1):11～19 3 M.J.S.Lowe,D.N.Alleyne,P.Cawley.Defect detection in pipes using guided waves[J].Ultrasonics,1998,(36):147～154 4 M.J.S.Lowe,D.N.Alleyne,P.Cawley.The mode conversion of a guided wave by a part-circumferential notch in a pipe[J].J Appl Mech,1998,65,:649～656 5 D.N.Alleyne M.J.S.Lowe P.Cawley.The reflection of guided waves from circumferential notches in pipes[J].J Appl Mech, 1998,65:635～641 6 Lowe M J S,Alleyne D N,Peter Cawley.Mode conversion of guid2 ed waves by defects in pipes[J].Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation,1997,16:1261～1268 7 Moon Ho Park,In Sup K im,Y oung Ku Y oon.Ultrasonic inspec2 tion of long steel pipes using Lamb waves[J].NDT&E Interna2 tional,1996,29(1):13～20 8 他得安,刘镇清,田光春.超声导波在管材中的传播特性[J].声学技术,2000,20(3):131～134 9 徐新生,郭杏林,刘凯欣等.纵向应力波对裂纹探测研究[J].河南大学学报,1995,25(2):7～12 97 第4期 程载斌,等:管道超声纵向导波裂纹检测数值模拟 parameter space.Onset and abrupt disappearnce of a period 2doubling bifurcation sequence are presented ,while a bifurcation sequence converging to a chaotic attractor is also observed ,where each attractor is global attracting.This phenomenon is clarified by using the results of Cell 2to 2Cell Mapping analysis. Keywords :of f shore engi neeri ng ,moori ng system ,Cell 2to 2Cell M appi ng ,period 2doubli ng bif urcation ,cha 2 os ,dom ai n of att raction . Numerical Simulation of Crack Detection in Pipes Using U ltrasonic Longitudinal G uided 2W ave Cheng Zaibi n W ang Zhihua Zhang L ij un M a Hongwei (Institute of Applied Mechanics ,Taiyuan University of TechnologyTaiyuan ,Shanxi ,030024) Abstract :Brief review and the basic principle on researches of ultrasonic guided 2wave in pipe were made.A sim 2ple formula was given and a finite element model with circumferentially oriented through 2thickness crack of vari 2ous length ,as well as axial width ,and part 2through 2thickness crack of various depth was used to simulate crack detection in pipes using ultrasonic longitudinal guided 2wave.The crack was defined by the method of removing elements and wave 2input simulated by prescribing axial displacements at one end of pipe ,which was also the po 2sition of receiving echo wave from the crack location.The position ,circumferential length ,wall thickness reduc 2tion extent and sectional area of crack could be approximately determined by the reverse time of the reflection and reflection coefficient that was defined as the amplitude of the reflected signal divided by the amplitude of the incident signal multiplying the coefficient of correction.The results showed excellent agreement among numeri 2cal simulation ,theory and experiments conducted by the former investigators. Keywords :gui ded 2w ave ,st ress w ave ,pi pe i nspection ,numerical si m ulation . Model for the Impact System of Flexible Mechanical Arm and Numerical Simulation of Precise Integration Zhao Y uli 1 Deng Zichen 1,2 (Department of Civil &Architectural Engineering ,Northwestern Polytechnical University ,Xi ’an ,710072,P R China ) (State Key Laboratory of Structural Analysis of Industrial Equipment ,Dalian University of Technology ,Dalian ,116023,P R China )2 Abstract :The dynamic properties are studied for a one 2link flexible mechanical arm with contact 2impact.For establishing the dynamic model of the system ,based on the finite element conception ,some rigid elements and torque springs are used to simulate the flexible mechanical arm ,subsequently ,a simple nonlinear dynamic equation is obtained.According to the geometry relation of the system ,the constraint conditions are established as the impact occurs ,then by introducing the dual vector of the original variable into the dynamic equation ,the system is transformed into Hamilton system ,where the precise integration method is suitable for solving the dy 2namic equation ,and finally used to complete the dynamic properties of the impact system of flexible mechanical arm. Keywords :f lexible robotic arm ,i m pact ,the ti me precise i ntegrate method . ⅦNo.4 CHIN ESE J OURNAL OF APPL IED M ECHAN ICS 超声导波检测技术 超声导波（Ultrasonic Guided Wave）检测技术利用低频扭曲波（Torsinal Wave）或纵波（Longitudinal Wave）可对管路、管道进行长距离检测，包括对于地下埋管不开挖状态下的长距离检测。 超声导波（也称为制导波）的产生机理与薄板中的兰姆波激励机理相类似，也是由于在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉以及几何弥散形成的。但是对于管道检测，在一般管壁厚度下要产生适当的波型，则需要使用比通常超声波探伤低得多的频率，导波通常使用的频率f＜100KHz，因此导波对单个缺陷的检出灵敏度与通常使用频率在MHz级别的超声检测相比是比较低的，但是导波检测的优点是能传播20~30米长距离而衰减很小，因此可在一个位置固定脉冲回波阵列就可做大范围的检测，特别适合于检测在役管道的内外壁腐蚀以及焊缝的危险性缺陷。低频导波长距离超声检测法用于管道在役状态的快速检测，内外壁腐蚀可一次探测到，也能检出管子断面的平面状缺陷。 超声导波应用的主要波型包括-扭曲波（Torsinal Wave，也简称为扭波）和纵波（Longitudinal Wave）。 扭曲波的特点是能够一边沿管子周向振动，一边沿管子轴 向传播，声能受管道内部液体影响较小（在导波检测时， 液体在管道中流动是允许的），回波信号能包含管轴方向 的缺陷信息，通常能得到清晰的回波信号，信号识别较容 易，在应用中需要换能器数量少，重量轻、费用省、因管 内液体介质而产生的扩散效应较小，波型转换较少，检测 距离较长，对轴向缺陷灵敏度高。 纵波特点是一边沿管子轴向振动，一边沿管子轴向传播， 回波幅度与缺陷性状关系不大，回波信号不如扭波清晰， 因为受管内流体流动的影响，也受探头接触面的表面状态 影响较大（油漆、凹凸等）受被测管内液体介质流动的影 响很大。 超声导波检测装置主要由固定在管子上的探伤套环（探头矩阵）、检测装置本体（低频超声探伤仪）和用于控制和数据采样的计算机三部分组成。 探头套环由一组并列的等间隔的环能器阵列组成，组成阵列的换能器数量取决于管径大小和使用波型，换能器阵列绕管子周向布置。 探伤套环的结构按管道尺寸采用不同节环-可以是一分为二，用螺丝固定以便于装拆（多用于直径较小的管道），或者充气式环（柔性探头套环），靠空气压力紧套在管子上（多用于直径较大的管道）。接触探头套环的管子表面需要进行清理但无须耦合剂，亦即除安放探头环的位置外，无需在清除和复原大面积包覆层或涂层上花费功夫，这也是超声导波检测的优点之一。超声导波探头套环上的探 综 述 NDT 无损检测 2006年第28卷第2期 超声导波检测技术的研究进展 周正干,冯海伟 (北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100083) 摘 要:综述近年来超声导波检测研究的最新进展。介绍导波在不同材料和结构中的频散特性及与之相关的理论成果。从导波的结构出发,分析了导波在介质中能量与位移的分布。论述了导波检测技术领域中数值分析方法和信号处理方面的一些新技术。 关键词:超声检测;导波;频散特性;有限元;边界元;信号处理 中图分类号:T G 115.28 文献标识码:A 文章编号:1000 6656(2006)02 0057 07Progress in Research of Ultrasonic Guided Wave Testing Technique ZHOU Zheng gan,FENG Hai wei (School of M echanical Engineering and Automation,Beijing University of Aeronautics and Astr onautics,Beijing 100083,China) Abstract:T he recent advances in ult rasonic g uided w ave testing technique are summar ized.Firstly,the disper se char acter istics and the r elated t heo retical r esults of the g uided wav es in differ ent mater ials and distinct structur es ar e intro duced.T hen,based o n the structure o f the g uided waves,the distr ibution o f the energ y and displacement o f guided w aves is ana lyzed.L ast ly ,some new techniques o f numer ical analy sis and signal pro cessing fo r g uided wav e no ndest ructive testing are descr ibed. Keywords:U ltr aso nic t esting ;G uided wav e;Disperse characterist ic;F inite element;Boundary element;Signal pr ocessing 相对于传统的超声波检测技术,超声导波具有传播距离远、速度快的特点,因此,在大型构件(如在役管道)和复合材料板壳的无损检测中有良好的应用前景。但目前,导波的一些机理和特性仍然不很清楚,导波的理论研究成为近年来无损检测界的热点。随着理论研究的深入,产生了很多有关导波的 新技术,促使其应用于更广泛的领域。 1 导波的分类 导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射,并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。主要分为圆柱体中的导波以及板中的SH 波、SV 波、兰姆波(Lam b)和漏兰姆波[1]等。 根据Silk 和Bainto n 的理论[2] ,圆柱体中的导波分为 轴对称纵向模式L(0,m)(m =1,2,3, 收稿日期:2005 01 13 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475006) )。 轴对称扭转模式T (0,m )(m =1,2,3, )。 非轴对称弯曲模式F(n,m )(n,m =1,2,3, )。各模式中整数m 是计数变量,反映该模式在管壁厚方向上的振动形态;整数n 反映该模式绕管壁螺旋式传播形态。其中,L(0,m )和T (0,m )模式是F(n,m )模式中n =0的特例。 虽然上述定义已被广泛接受,但是针对某些具体问题,研究人员也提出了不同的导波分类方法,以利于分析在具体问题中表现出来相似特征的导波模式。如Vo gt T 等[3] 在研究部分埋地圆柱体结构中的导波散射问题时提出了单一(v ,n)模式,其中v 1对应原弯曲模式;v =0对应原纵波和扭转模式。两种模式用计数变量n 区别。两种定义方式的模式,(0,1)对应L(0,1),(0,2)对应T(0,1),(0,3)对应L(0,2),(0,4)对应T (0,2)等。 2 频散特性与频散方程 频散是导波的主要特性之一,即导波的相速度 57 作业指导书控制页： *注：项目主管工程师负责每项目上交一本已执行完成的、并经过完善有完整签名的作业指导书。 重要工序过程监控表 作业指导书（技术措施）修改意见征集表 回收签名（日期）： 目录 1 编制依据及引用标准 (1) 2 工程概况及施工范围： (1) 2.1工程概况 (1) 2.2施工范围 (1) 3 施工作业人员配备与人员资格 (1) 4 施工所需机械装备及工器具、安全防护用品配备（注：按600MW机组配备） (1) 4.1仪器 (1) 4.2探头 (2) 4.3仪器和探头组合性能 (2) 4.4试块 (2) 4.5其他工器具 (3) 5 施工条件及施工前准备工作 (3) 6 作业程序、方法及要求 (4) 6.1作业程序流程图 (4) 6.2作业方法及要求 (5) 6.3专项技术措施 (7) 7 质量控制及质量验收 (9) 7.1质量控制标准 (9) 7.2中间控制见证点设置 (9) 7.3中间工序交接点设置 (9) 7.4工艺纪律及质量保证措施 (9) 8 安全、文明施工及环境管理要求和措施 (10) 表8-1职业健康安全风险控制计划表（RCP） (11) 表8-2环境因素及控制措施 (12) 1 编制依据及引用标准 1.1《工程建设标准强制性条文》（电力工程部分） 1.2 DL/T869-2004电力建设施工及验收技术规范（火力发电厂焊接篇） 1.3 DL/T820-2002管道焊接接头超声波检验技术规程。 1.4 JB/T9214-1999《A型脉冲反射式超声探伤系统工作性能测试方法》 1.5 JB/T10062-1999《超声波用探头性能测试方法》 1.6 JB/T10061-1999《A型脉冲反射式超声波仪通用技术条件》 1.7《电力建设安全工作规程》 1.8公司《质量、安全健康、环境管理手册》 1.9公司焊检中心管理制度 2 工程概况及施工范围： 2.1工程概况 （略） 2.2施工范围 本作业指导书适用于外径ф≥32mm，壁厚在4～160mm,单面施焊、双面成型的碳钢及合金钢熔化焊对接接头的超声波检测。也适用于外径ф≥32mm、≤159mm，壁厚在4～8mm的奥氏体不锈钢管对接焊接接头的超声波检测。 除非设计图纸或甲方合同另有规定，超声波检测比例应按照DL/T869-2004《火力发电厂焊接技术规程》执行。 3 施工作业人员配备与人员资格 4 施工所需机械装备及工器具、安全防护用品配备（注：按600MW机组配备）4.1仪器 4.1.1仪器选用见下表： 综 述 大型薄板中超声导波的产生与鉴别Ξ 冯占英1,2 周正干2 高翌飞2 (1.军事交通学院装运机械系,天津 300161;2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100083) 摘 要:介绍了目前大型构件超声检测的发展现状;讲述了导波特性的频散特性和模式;说明了导波在大型铝板中的激励方法;分析了导波的表现形式及其与普通横波的区别;阐明了导波模式的鉴别方法。 关键词:导波;频散;模式;相速度;群速度 中图分类号:T G115.28 文献标识码:A 文章编号:167124423(2007)05201204 常规的超声检测方法是用超声探头在被测试件表面进行逐点扫描。当被检工件较大时,一般使用C 扫描方法对工件进行结果显示。这种方法费时且效率较低。随着大型构件在工业中越来越广泛的应用,迫切需要一种高效便捷的检测方法。于是,超声导波方法应运而生。由于导波检测快速方便的应用特点,目前已成为超声检测领域研究的热点。国外如英国帝国理工大学[1],美国宾西法尼亚大学[2]等,国内如北京工业大学[3],同济大学[4]等,研究领域主要集中在大型板壳、管道、铁轨等,其中部分产品已投入实际使用。但是在众多的文献资料中,几乎没有文献论述导波波形和模式的鉴别,这就给不少研究人员带来很大的不便,本文将着重对大型薄板中导波的产生和鉴别进行详细论述。 1 导波的特性 普通的体波是指在无限介质中传播的波,同体波不同,导波是指由于介质边界的存在而产生的波,如表面波、L am b波和界面波等。正是因为边界的存在,波的传播以反射与折射的方式与边界发生作用,且发生横波和纵波间的模态转换。于是,导波就呈现出了普通超声波所不具有的一些特点。最主要的特征就是导波的频散现象和多模式。 1.1 频散现象 对于普通的纵波、横波,它们在介质中传播时,传播过程中其振动相位不会随频率变化,因此它们的群速度和相速度相同。导波则不同,导波在介质中传播时,传播速度随频率而变化。由于一般超声脉冲都是由许多不同频率的连续波叠加而成的,即有多次谐波成分,所以导波中各成分相应的传播速度不同,介质中的质点振动是各谐波作用下的振动合成。对于板中的导波(兰姆波)而言,它的相速度是相同频率波前的传播速度,是板厚与频率乘积的函数,而它的群速度是不同频率所组成的波包的传播速度[1,5]。铝板的频散曲线如图1所示 。 图1 铝板中兰姆波的频散曲线 第31卷第5期2007年10月 无损探伤 N D T V o l.31N o.5 O ctober.2007 () 2008大庆石化情报课题 超声导波检测技术的发展与应用 王学增侯贵富刘华王辉 李媛媛李健奇 大庆石化工程检测技术公司 2008年12月8日 超声导波检测技术的发展与应用 相对于传统的超声波检测技术，超声导波具有传播距离远、速度快的特点，因此在大型构件（如在役管道）和复合材料板壳的无损检测中有良好的应用前景。 一、超声导波技术的原理 1.1超声导波的产生 机械振动在弹性介质中的传播称为弹性波（声波）。将弹性介质定义为波导，在波导中传播的超声波称为超声导波。超声波的本质是机械振动，在扰动源的激发下产生，并通过介质传播，因而它既携带扰动源的信息，同时又包含介质本身的特征。 导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。 导致超声波弥散的原因有物理弥散和几何弥散。物理弥散是由于介质的特性而引起的，而几何弥散是由于介质的几何效应引起。超声导波技术则是利用传播介质几何上某些特征尺寸而导致的几何工件往往有很多声学性质不连续的交界面存在。当介质中有一个以上的交界面存在时，超声波就会在这些界面间产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉作用，由于受到这些界面几何尺寸的影响，超声波的传播速度将依赖于波的频率，从而导致波的几何弥散。由于超声波在交界面上的复杂行为，如果工件的交界面复杂无规则，则导波信号很难识别，所以导波技术一般用于特殊的规则的工件（板、管、棒等）检测。无缝管中的超声导波技术则是利用管子的几何效应，在管子中 激发导波。导波可沿轴向传播数米至数十米，因此利用管壁中沿管子轴向传播的导波可对管子进行长距离快速无损检测。 1.2 导波的频散特性和谐振模式 1.2.1导波的频散特性 当把被测物件视为无限均匀弹性介质时，各种类型的反射波、透射波以及界面等以恒定的速度传播，传播速度只与传播介质本身材质有关。而当超声波倾斜入射到各向同性的管子边界上，波源处的机械振动在管子中传播时，由于管子自由表面的反射，波运动变为轴向运动和径向运动的合成，使得超声波被拘束在管状的边界内而形成导波。 频散是导波的特征之一，即超声波的相速度随频率不同而有所变化。频散特性是导波应用于复合材料无损检测的主要依据。由于导波脉冲由多个不同频率的谐波成分叠加而成，介质质点振动是各个波作用下振动的合成，质点振动最大振幅的传播速度（群速度）不同于各单个波的传播速度（相速度），导波能量以群速度向前传播，相速度则随频率的不同而有所改变。 导波在介质中的传播特性与介质特性有很大的关系。目前的研究已不仅仅局限于导波在各向同性弹性介质中的传播特性，还涉及到各项异性和具有黏弹性的材料。 导波相速度不仅取决于探头频率，还与管材的特性（包括材质的声学性质和规格尺寸）有关，即使是同类材料的管子，如果其壁厚和直径不同，其频散曲线也不同。这给导波技术的实际检测应用带来了 管道超声导波检测技术 发表时间：2018-08-14T11:41:10.603Z 来源：《防护工程》2018年第7期作者：张加恬[导读] 超声导波检测技术作为一种长距离、全范围的检测手段，已经发展成为国内外前沿的管道检测技术 浙江赛福特特种设备检测有限公司浙江杭州 310000 摘要：超声导波检测技术作为一种长距离、全范围的检测手段，已经发展成为国内外前沿的管道检测技术。超声导波技术作为新型的无损检测技术，因为其具有检测距离长、速度快、成本低并且可以检测到一般常规检测器无法检测的地方，例如有套管或者埋地管道等特殊管道。本文通过介绍管道超声导波检测技术的一些基础理论知识，提出这一检测技术的应用关键，对此，为以后人们能广泛应用管道超 声导波技术提出合理化的建议。 关键词：超声导波技术；管道；检测技术 在化工及其相关类工厂中大量压力管道被集中在管廊上，沿着装置或在厂区外布置。管廊上压力管道的距离长，离地距离高，而常规检测技术是单点检测，对于数量庞大的管道，其检测成本高，效率低。超声导波检测技术具有检测距离长，效率高且可以同时检测管道内外壁的优点。超声导波检测技术作为一种长距离、全范围的检测手段，已经发展成为重要的管道检测技术。 1 超声导波技术 1.1基本原理 导波原理好像平板中的板波，它发出的超声波频率比板波更低，它横穿整个管壁，并可以继续沿管壁传播上百米。当在传播过程中碰到缺陷、结构变化的地方，脉冲波会发生反射并沿管壁传播到传感器而被接收。这一特殊的工作原理决定了管道超声波可以应用于工业企业中大范围、远距离的检测中去，实现全覆盖管道壁。 1.2导波检测技术的应用范围、优缺点 应用于：管道、管状设备等。检测管道类型：无缝管、纵焊管等。优点：（1）一般常规超声波检测只能检测到管壁一个点的腐蚀情况，而管道导波检测技术可以利用一个检测点，从两个方向检测到几米甚至上百米管道腐蚀情况。（2）可以检测到常规检测技术无法检测到的地方，如埋地管道等特殊管道。（3）检测速度快、效率高、全方位覆盖，无漏检。（4）可敏感地感应到横截面检测面的金属损失，检测深度也达到管道横截面的4%。缺点：（1）超声导波不能对缺陷准确定性，定量也是不准确的，对可疑地方只能再根据其他检测方法进行进一步检测。（2）超声导波检测技术很难将单个点状缺陷和轴向条状缺陷检测出来。（3）焊接处的管道因为结构发生变化影响整个检测的长度和准确度。 2 弯管检测研究现状 导波在弯头部位容易发生频散和模态转换，并且导波能量将主要集中在弯头的背弯部位。因此导波检测弯头时，容易发现处于弯头背弯部位的缺陷，而可能漏检内弯的缺陷。在弯头生产时，弯头背弯处壁厚将小于内弯壁厚，且背弯处受到管道中介质冲刷的影响，更容易产生缺陷。因此采用超声导波检测弯头部位缺陷是可行的，但其难点在于信号分析。国内外对于弯管的研究还较少。 2.1国内研究概况 目前大多数从事导波检测的科研人员主要针对的是直管道的缺陷检测展开的研究，然而管道系统里的直管道绝大部分是 90°弯曲管道连接起来的，研究导波在弯曲管道中的传播在近年来变成一个热门的话题。学者已经对导波在弯曲处的传播特性进行了研究，并对弯管中缺陷的进行了检测，模态具有检测弯曲管道外侧区域的能力。也有学者通过改变90度弯头的曲率半径进行试验，模态在不同的曲率半径下，穿过90度弯头的能力（即透射系数）。 2.2导波检测仪器对比 超声导波的激励方式主要有压电晶片和磁致伸缩，相比于压电晶片式导波仪器，磁致伸缩激励方式易于实现非耦合状态下检测，且易于激励扭转模态导波。其中磁致伸缩导波检测是通过磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应激发和接收超声导波信号。铁磁体在外磁场作用下会引起磁畴的变化，而磁畴的变化也引起晶格的变形，从而产生振动激发应力波。反之，在磁场的作用下，铁磁体中晶格的变化会改变磁畴，从而影响外磁场的变化。磁磁致伸缩仪器的功放研制是关键点和难点。压电晶片激励超声导波的研究难点和热点在于晶片的研制。采用压电方式激励导波时难以激励纯正的扭转模态，但是很容易激励纵向模态导波，而磁致伸缩激励方式正好相反。在价格方面，压电晶片导波检测仪器比磁致伸缩导波仪器更昂贵。 3 超声导波检测方法 经过这么多年的发展，超声导波检测技术在压力管道中进行检测的技术得到了国内外很多研究机构的关注与研究。因为在实际生产作业中非常需要利用先进的检测技术对压力管道检测管道情况，所以超声导波技术逐渐浮出水面，成为管道检测的一大技术。 3.1单一模式导波检测 一般来说，激励源产生的波是处于其所在频域范围内所有的模式，是很复杂的，几乎是没办法直接利用这种信号直接进行分析的。但是如果利用一些特定的激励形式把复杂的信号转化成具有单一模式的信号，这样将大大减少工作强度。当前在国外研究领域，超声导波检测经常使用的单一模式导波是 L的模式。采用L模式的导波的优点在于：（1）在某个固定的频率带宽内，这种模式下的信号基本都是非频散的，意思就是导波的群速度和相速度都不会随着频率的变化而发生巨大变化，所以这样当导波进行传播时是相对稳定的，几乎不发生变形；（2）这种模式下的导波的传播速度是最快的，这样会使其他杂乱的、不需要利用的信号处在后面；（3）这种方法对内表面和外表面的灵敏度都很高，因此这种模式的导波不但可以检测内外表面的损伤，还可以沿径向方向进行检测。 3.2模态声发射技术 声发射技术是近五十年才发展起来的，但是因为其有很大的优势所以发展很迅速。这种技术是利用其在发生作用的时候可以快速释放能量对管带物体进行检测的，它的优势在于能够形成动态检测，而且覆盖面广。 3.3多模式导波检测 2.2超声导波检测技术 2.2.1超声导波检测技术的工作原理 超声波检测技术利用探头发射超声导波（低频扭曲波或纵波），通过管道内外壁反射波的时间差来判定壁厚和腐烛情况[30],可用于各种管道进的缺陷检测，包括对于地下埋管不开挖状态下管道的长距离检测等。导波检测技术是一种新兴的无损检测技术，现正随着它发展势头的迅猛，应用越来越广泛。 超声导波检测的工作原理：探头受到激励信号发射超声导波，导波信号包裹管道的整个圆周和整个壁厚，并沿着管道向远处传播；在传播过程中遇到缺陷时,会在缺陷处返回一定比例的反射波,利用探头传感器接收到的内外壁反射波的时间差来识别和判断缺陷，并对其定位。对于有缺陷的的管道，缺陷处的壁厚必定有所变化，利用内壁或外壁产生反射信号，被传感器接收的返回信号-反射波就会产生时间差，根据缺陷产生的附加波型进行处理可以识别的回波信号，因此可以检测出管道内外壁由腐蚀或侵蚀引起的缺陷。 2.2.2超声导波检测技术的优势 导波检测具有直接和定量化的特点,数据损失也可由相关的仪器和软件获得,因此有较高的灵敏度[30]，相对其他检测方法优势明显。 导波检测技术的主要优势: 1) 操作使用较方便,检测点只要选取得当，长距离检测的距离就大大增加； 2) 检测迅速,在管道360度安装好探头后打开导波检测仪,几分钟即可对管道的正负方向完成检测； 3) 检测能力强,对管道结构特征和缺陷特征分辨能力强[31]； 4) 能够检测某些人员无法到达的区域,如海平面以下管道、埋地管道等[31]； 5) 灵敏度高,截面损失率超过2%的缺陷都可以被检测出来[31]； 6)—次安装后,进行预处理的检测点可以保留便于以后的定期复查，如果是重要管段，可安放导波检测仪器全天候监测; 7)不容受到外界因素影响,如温度、压力和内部流动介质等[31]。 2.2.3超声导波检测技术的局限性 超声导波检测虽然相对于传统常规的检测方法有很明显的优势，但一项技术 摘要：本文针对工艺管道对接焊缝的特点，对焊接方法、焊接位置及易产生的缺陷进行了分析，由于工艺管道对接焊缝壁厚范围大，又多是直管与直管、直管与弯头、法兰、阀门等管件对接，采用单面焊接双面成型工艺，这种特殊结构型式和焊接工艺，使超声波检测只能进行单面双侧扫查或单面单侧扫查；为了提高缺陷的检出率，对不同规格、不同结构的焊缝选择扫查面、探头数量、探头型号和探头尺寸应有针对性；根部缺陷的判定对仪器扫描线调节精度提出了较高要求；通过对典型缺陷的回波特征进行了分析；通过以上分析和采取的措施，能有效提高工艺管道对接焊缝超声波检测质量。 关键词：工艺管道对接焊缝超声波检测 Ultrasonic Test for the Process Piping Butt Weld LI Zhao-tai, WANG Cheng-sen, HUANG Zhi Nanjing Jinling Inspection Engineering Co.,Ltd Abstract: Considering the characteristics of the process piping butt weld, this article analyses the welding methods, the welding positions and the defects which are easily produced. As the range of thickness of the process piping butt weld is large, furthermore, the joints are almost among pipe fittings, such as straight pipes, elbows, flanges and valves, so we choose one formation welding. Due to the special structure and welding craft, UT only conducts single-sided bilateral scanning or single-sided unilateral scanning; in order to raise the defect inspection rate, we should choose scanning surface, probe quantity, models and size for different scales and structures of welding joints with pertinence. It puts forward higher requirement for the linear adjustable accuracy of apparatus scanning to judge the root defect. We analyses the characteristics of the waves of typical defects. By the analyses and measures above, it improves the test quality of the process piping butt weld effectively. Keywords: Process piping butt weld; Ultrasonic test 0 前言 石化装置工艺管道对接焊缝超声波检测具有一定的难度。早期的模拟超声波探伤机由于定位精度不高，对于根部缺陷的识别和判定存在较大难度，每次更换不同角度的探头，时间基线都要重新调节，非常不便，这为工艺管道对接焊缝推广超声波检测造成了很大的困难。近些年，超声波检测设备发生了巨大改变，且更新很快，数字式探伤机代替了模拟机，数字式探伤机较原先使用的模拟机具有显著的优点，首先，其定位精度高，定位精度可达0.1mm，为管道焊缝根部信号的判定提供了可靠依据；第二，可存贮多种探头参数及其距离波幅曲线，为现场采用多种角度的探头进行检测提供了方便，提高了不同角度缺陷的检测灵敏度，可方便的变换探头（角度），为辨识真、伪信号提供了方便；第三，可以存贮动态波形和缺陷包络线，并可作为电子文件存档备查。数字式超声波探伤机较好地解决了管道焊缝超声波探伤的难题。本文推荐管道焊缝探伤采用数字式超声波探伤仪。通过专业培训和严格考核，可以筛选出合格的管道对接焊缝超声波检测人员，完全能保证管道焊缝的超声波检测质量。 本文通过对超声波检测方法、扫查面、探头数量、探头型号和探头尺寸的控制、通过理论分析和实际验证，表明超声波检测能有效保证管道焊缝的检测质量。 超声波检测操作灵活方便，对厚壁管道检测灵敏度和检测效率均高于射线检测，成本低于射线检测，且对人体无害，是一种科学、环保的检测方法。 1 管道对接焊缝与容器对接焊缝的不同点 先进的超声导波无损检测技术 炼油石化工业和其它工业所用的管道在长时间服役后，腐蚀是一个经常被人们关心的问题，尤其是管外（即使是加装了防腐层后管外壁）的腐蚀问题，一旦失效，将给生产和人身带来严重的损害。因此，管道安全运行，首先要适时检测其管壁强度，被腐蚀或有裂纹﹑渗漏等要有预警。 管外防腐层的剥除费用高，不但费时、费工，而且当遇有公路交叉时，管道只有进行大规模挖掘才能进行腐蚀检测。这就引出了具有世界先进水平的较理想的“超声导波技术”，现已由国内开发研究成功。对管壁的这种超声导波检测为上述问题提供了一个非常好的解决方法。在一处安装后，可以沿管道传播若干米，反射的回波便可显示管道的腐蚀或其它特征。 超声导波检测技术利用低频扭曲波或纵波可对管路、管道进行长距离检测，包括对于地下埋管不开挖状态下的长距离检测。超声导波（也称为制导波）的产生机理与薄板中的兰姆波激励机理相类似，也是由于在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉以及几何弥散形成的。但是对于管道检测，在一般管壁厚度下要产生适当的波型，则需要使用比通常超声波探伤低得多的频率，导波通常使用的频率f＜100KHz，因此导波对单个缺陷的检出灵敏度与通常使用频率在MHz级别的超声检测相比是比较低的，但是导波检测的优点是能传播20~30米长距离而衰减很小，因此可在一个位置固定脉冲回波阵列就可做大范围的检测，特别适合于检测在役管道的内外壁腐蚀以及焊缝的危险性缺陷。低频导波长距离超声检测法用于管道在役状态的快速检测，内外壁腐蚀可一次探测到，也能检出管子断面的平面状缺陷。 超声导波应用的主要波型包括-扭曲波（也简称为扭波）和纵波。扭曲波的特点是能够一边沿管子周向振动，一边沿管子轴向传播，声能受管道内部液体影响较小（在导波检测时，液体在管道中流动是允许的），回波信号能包含管轴方向的缺陷信息，通常能得到清晰的回波信号，信号识别较容易，在应用中需要换能器数量少，重量轻、费用省、因管内液体介质而产生的扩散效应较小，波型转换较少，检测距离较长，对轴向缺陷灵敏度高。 1.一般要求： 1.1.主题内容与适用范围 1.1.1.本规程规定了超声波检测人员的资格、所使用的仪器探头试块、检测范围、方法和质量分级，检测工艺和验收标准。 1.1. 2.本规程采用A型脉冲反射式超声波探伤仪对钢板、全焊透熔化焊对接接头和管座角接接头及锻件的超声波检测。 1.1.3.本规程依据JB/T4730.3-2005标准的要求编写。符合《压力管道安全管理与监察规定》的要求。 1.1.4.检测工艺卡是本规程的补充。检测时由UTII级人员按图样规定、依据委托单和本规程的要求编写。其参数规定的更具体。 2.检测人员资格： 2.1.无损检测人员必须经过技术培训，并按《特种设备无损检测人员考核与监督管理规则》的要求取得相应的无损检测资格。 2.2.从事超声波检测的人员，须持有UTII级以上的资格证书，并负相应的技术责任。 3.引用标准： 下列文件中的条款通过JB/T4730的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本部分。然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。 JB/T4730.1 承压设备无损检测第一部分：通用要求 JB/T7913-1995 超声波检测用钢制对比试块的制作与校验方法 JB/T9214-1999 A型脉冲反射式超声波探伤系统工作性能测试方法 JB/T10061-1999 A型脉冲反射式超声波探伤仪通用技术条件 JB/T10062-1999 超声波探伤用探头性能测试方法 JB/T10063-1999 超声波探伤用1号标准试块技术条件 4.探伤仪、探头和系统性能 超声导波技术 超声导波（Ultrasonic Guided Wave）检测技术（又称长距离超声遥探法）主要用于在线管道检测，包括低碳钢、奥氏体不锈钢、二重不锈钢等材料的无缝管、纵焊管、螺旋焊管。可应用于油气管网（如天燃气管道、炼油厂火焰加热器中的垂直管路、带岩棉保温介质和漆层的架空液化气管道）及石油化工厂中的管网（如无保温层的输送CO与H合成类的淤浆管道、石油化工厂的交叉管路），码头管线、管区的连接管网，海上石油管网/导管，水下管道、电厂管网，结构管系，穿路/过堤管道、复杂或抬高管网，保温层下管道（例如带有保温层的氨水管道）、带有套管的管道，以及带有保护层的管道。超声导波检测技术能检出管道内外部腐蚀或冲蚀、环向裂纹、焊缝错边、焊接缺陷、疲劳裂纹等缺陷。最新的利用磁致伸缩换能器的超声导波检测已能应用于非铁磁性材料和非金属材料，除了管道检测还能用于棒材、钢索、电缆以及板盘件的检测。 超声导波检测的优点是能传播长距离而衰减很小，在一个位置固定脉冲回波列阵就可一次性对管壁进行长距离大范围的100%快速检测（100%覆盖管道壁厚），检测过程简单，不需要耦合剂，工作温度可达到零下40摄氏度到938摄氏度的高温范围，只需要剥离一小块防腐层以放置探头环即可进行检测，特别是对于地下埋管不开挖状态下的长距离检测更具有独特的优势。 下图示出管道腐蚀的常规检测与长距离超声导波检测的方法原理示意图。常规差评声波检测是在经过表面清理的管道外面逐点扫查或抽检进行超声测厚，而超声导波检测是以探头环位置发射低频导波沿管线向远处传播，甚至在保温层下面传播，一次就能在一定范围内100%覆盖长距离的管壁进行测量，反射回波经探头被仪器接收，并以此评价管道的腐蚀状况，架设在一个探头位置的探头列阵可向两侧长距离的发射导波和接收回波信号，从而可对探头套环两侧的长距离管壁作100%的检测，从而达到更长的检测距离，目前已经能用应用于直径1.5~80英寸的管道现场检测，理想状态下可以沿管壁单方向传播最长达200米。 图1 常规超声波检测与长距离超声导波检测 超声导波检测时，若管道内存在特大面积腐蚀或严重腐蚀会造成信号衰减而影响一测检测的有效距离，如果存在多重缺陷时还会产生叠加效应；超声导波检测技术采用的是低频超声波，无法发现总横截面损失量没有超过检测灵敏度的细小裂纹、纵向缺陷、小而孤立的腐蚀坑或腐蚀穿孔；超声导波检测需要通过实验选择最佳频率，需要采用模拟管壁减薄的对比试验管；检测中通常使用法兰、焊缝回波作基准，受焊缝余高不均匀而影响评价的准确程度；超声导波的有效检测距离除了与导波的频率、模式有关外，还与例如埋地管的沥青防腐绝缘层、埋地深度、周围土壤的压紧程度及土壤特性，或管道保温层及管道本身的腐蚀情况与程度等相关；超声导波一次检测距离段不宜有过多弯头（一般不宜超过2~3个弯头，且适合曲率半径大于管道直径3倍的弯头）；对于有多种形貌特征的管段，例如在简短的区段内有多个T字头，就不可能进行可靠的检验；超声波的最小可检缺陷、检测范围随管子状态而异；超声导波监测数据的解释需要有训练有素、 超声导波在铁轨故障检测方面的应用 ?摘要： 作者提供了他们在实际运行和测试用铁路上进行的实验结果。给出的实验结果频率稳定在40 到80kHz 这个超声导波的范围内。作者也给出了包括铁轨和一系列波长漂移的离散方程式解的理论结果。不接触气介式电磁声传感器（EMATS被作为铁路发出的声音能量的接收器。提出了应用气介式传感器来测绘铁轨辐射图像的实验结果。讨论了应用EMATs切割铁轨用以模拟铁轨故障横截面的技术。本文结尾总结了作者从他们的工作 中所得出的结论。 1、简介： 本论文旨于激发对超声导波可能在完善检测铁轨故障方面提供有效帮助的可能性的讨论。本文不在任何角度上提供或评测铁轨检测的方法，而是出于认识到世界铁路网的正常运行是基于铁轨结构的完整性。铁轨结构的完整性综合了使用年限、压力疲劳程度、制造缺陷、腐蚀等一系列因素。这些因素一直伴随着我们，也随着时间的累积变得更为显著。在某个时间点上，之前提到的平时不被注意的因素中，有些将会使部分铁轨路段成为不可预测的危险的‘定时炸弹' 。 虽然铁轨检测是常规性的进行，但不代表他们能满足铁路运营者所需的可信性和经济性。理论上我们将现如今应用的方法成为‘超声波体波'方法。这种方法的缺陷与他们有限的覆盖率、超声波稀薄化的特点等一系列因素相关。对于被覆盖遮挡的表面故障，现如今的方法将完全不起作用。而超声导波不同之处在于，它可以在铁轨中传播极远距离，可达2130 米，同时可穿透铁轨的整个体积。 在本文中，我们将讨论基于在实际运行和测试用铁路上进行的导波实验的发现。所用 设施包括了交通科技中心（TTQ、Pueblo公司、Bay Area Rapid Tran sit （BART公司测试轨道，Hayward 公司和Nittany and Bald Eagle Railroad （N and BE RR）（一段实际运行的短线铁路）。 我们希望我们的讨论可以激发更多对超声导波可能在完善检测铁轨故障方面提供有效帮助的可能性的讨论。 管道对接焊缝的超声波检测 摘要:针对工艺管道对接焊缝的特点,对焊接方法、焊接位置及易产生的缺陷进行了分析由于工艺管道对接焊缝壁厚范围大,多是直管与直管、直管与弯头、法兰、阀门等管件对接,采用单面焊接双面成型工艺,这种特殊结构型式和焊接工艺,使超声波检测只能进行单面双侧扫查或单面单侧扫查"为了提高缺陷的检出率,对不同规格!不同结构的焊缝在选择扫查面、探头数量、探头型号和探头尺寸时应有针对性"根部缺陷的判定对仪器扫描线调节精度提出了较高要求,对典型缺陷的回波特征进行了分析"通过以上分析和采取的措施,能有效提高工艺管道对接焊缝超声波检测的质量。 石化装置工艺管道对接焊缝超声波检测具有一定的难度"早期的模拟超声波探伤仪由于定位精度不高,对于根部缺陷的识别和判定存在较大难度,每次更换不同角度的探头后时间基线都要重新调节,非常不便,这为在工艺管道对接焊缝领域推广超声波检测技术造成了很大的困难"近些年,超声波检测灵敏测设备发生了巨大改变,且更新很快,数字式探伤仪代替了模拟仪"数字式探伤仪较原先使用的模拟式超声波探伤仪具有显著的优点"首先,其定位精度高,定位精度可达0.1mm,为管道焊缝根部信号的判定提供了可靠依据;第二,可存储多种探头参数及其距离一波幅曲线,为现场采用多种角度的探头进行检测提供了方便,提高了不同角度缺陷的检度,也可方便地变换探头(角度),为辨识真、伪信号提供了方便;第三,可以存储动态波形和缺陷包络线,并可作为电子文件存档备查"数字式超声波探的难题"。 笔者推荐管道焊缝探伤采用数字式超声波探伤仪。通过专业培训和严格考核,可以筛选出合格的管道对接焊缝超声波检测人员,完全能保证管道焊缝的超声波检测质量。 通过对超声波检测方法、扫查面、探头数量、探头型号和探头尺寸的控制、以及理论分析和实际验证, 表明超声波检测能有效保证管道焊缝的检测质量。 超声波检测操作灵活方便,对厚壁管道检测灵敏度和检测效率均高于射线检测,成本低于射线检测,且对人体无害,是一种科学!环保的检测方法。 1 管道对接焊缝与容器对接焊缝的不同点 管道对接焊缝较容器对接焊缝从焊接工艺、结构型式!主要缺陷产生的部位、缺陷信号判别、探头扫查面、探头折射角度的选择以及祸合面曲率等都有较大区别"因此从事管道对接焊缝超声波检测的人员必须对比有一定的了解"表1是管道对接焊缝与容器对接焊缝超声波检测不同点的比较。 超声波检测 1超声波检测介绍 焊缝埋藏的缺陷形状、大小、方向、深度等各不相同，超声波检测技术采用一种角度的探头对整个焊缝进行检测。速度慢，检测结果受操作人员主观意识和检测水平的影响，检测人员劳动强度大，在检测工作量较大的工程中超声波检测技术已成为一种趋势。超声波检测具有分辨率高、定位、定量准确、缺陷直观、检测速度快、效率高、安全性好、没有辐射等优点。并能现场出结果,以便跟踪检测，提高焊接质量。 A．工艺流程: 2 a.● ● ● ● b.● ● c.b. 探头的选用 采用频率5MHz ，前沿不大于12mm ，晶片有效面积不大于96mm 2的方晶片斜探头. 探头折射角或k 值选择表 C.仪器型号CUD-2080数字式超声波探伤仪、DUT-998数字式超声波探伤仪、CTS-22模拟超声波探伤仪。 3 A 型脉冲超声波探伤仪操作规程 a.操作前准备 ● 检测人员操作前必须对所使用的探伤仪的灵敏度在“标准试块”上进行校正，保证探伤 仪、探头的组合灵敏度达到要求。 ● 正确的选择探头、检测方法。 ● 检测人员根据仪器校正得出的数据，在超声波显示屏上绘出“DAC ”线。 ●探伤仪电池电量保证充足。 ●检测人员必须按规定着装。 b.检测过程 ●对检测对象的表面状态进行检查，符合检测条件后方可检测。 ●涂刷耦合剂。 ●将探头置于检测对象表面，根据《工艺卡》和《通用工艺》观察波幅的高低，调节仪器 衰减器，正确的判断检测对象内部的缺陷部位及长度。 ●对不合格的部位进行标识。 ●检测完毕后，检测人员关闭电源并对使用的设备进行擦拭等维护工作并清理检测现场。 ●检测完成后应及时给电池充电，充电的方法和时机按照使用说明书的要求进行操作。 ●在使用过程中应按照标准的要求，对检测结果和仪器性能进行复验。c.仪器的维护 ●本仪器为精密的电子仪器，在日常使用中应慎加维护，使仪器经常处于良好的工作状态。 ●本仪器配用的GN电池充足电时,连续工作时间约5小时,若间断工作则时间可以更长, 因此,停止使用时,应关掉面板上的“电源”开关，减少耗电。 ●本仪器不论采用交流或直流供电工作者挥应把充电器或电池插好,以保证仪器的电源供 电正常,工作可靠。 ●仪器工作时应避水或机油选入仪器内部。 ●仪器工作时应尽量离开强磁场。 ●搬动仪器时应避免强烈振动,并要放于干燥地方。 ●仪器每次用完,应即选行外表清洁,探头线电源线切忌扭曲,探头插头不要猛拉,拔、接插头 时应用手抓住插头的金属部分,切忌抓住电缆线拔插。 4.调试与校验 a.在使用前根据标准的规定制作距离—波幅曲线，受检表面耦合损失应记入距离—波幅曲线。 b.每次使用前应对斜探头的前沿、K值、进行一次校准。 c.仪器和探头系统的复核 d.每次检查前在试块上对时基扫描比例和距离—波幅曲线灵敏度进行复核校验点不少于两点。 e.在检验过程中连续工作四小时以上或工作结束时对时基扫描比例和距离—波幅曲线灵敏度进行校验。 试验研究 ２０１７年第３９卷第１期收稿日期:２０１６-０４-１８基金项目:北京高等学校青年英才计划资助项目(YETP０５７２)作者简介:赵振宁(１９８８－),男,硕士研究生,助理工程师,主要研究方向为无损检测.通信作者:赵振宁,E-mail :abs３９４＠１２６．com . DOI :１０．１１９７３/ws j c２０１７０１００３ 薄板中超声导波传播模态信号分析方法赵振宁１,吴 迪１,张博南２,吴军芳３,滕永平１ (１．北京交通大学理学院物理系,北京１０００４４;２．北京有色金属研究总院,北京１０００８８;３．国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心,郑州４５０００２)摘 要:根据兰姆波在薄板中传播的频散特性,针对超声检测中获取的检测信号,采用双重时 间尺度对比的方式,对兰姆波模态进行分析.采用半解析有限元法绘制各向同性自由铝板中兰姆波频散曲线,选用合适的超声换能器获得兰姆波在铝板不同位置的多模态传播信号.在兰姆波整体传播时间尺度下,用二维傅里叶变换对全部数据进行分析,确定了其模态及能量分布,再经过滤波降噪,利用Hilbert-Huan g 变换分离并精确分辨单个信号内叠加的不同模态的时间尺度.结果表明,上述方法可以识别兰姆波导波模态并获得较高的时间分辨率. 关键词:兰姆波;信号处理;半解析有限元;二维傅里叶变换;Hilbert-Huan g 变换 中图分类号:TB５５３;TG１１５．２８ 文献标志码:A 文章编号:１０００-６６５６(２０１７)０１-００１０-０６The Si g nal Anal y sis Methods of Ultrasonic Guided Wave Pro p a g ation Modes in Thin Plate ZHAO Zhen-nin g １,WU Di １,ZHANG Bo-nan ２,WU Jun-fan g ３,TENG Yon g -p in g １ (１．De p artment of Ph y sics ,School of Sciences ,Bei j in g Jiaoton g Universit y ,Bei j in g １０００４４,China ; ２．General Research Institute for Nonferrous Metals ,Bei j in g １０００８８,China ;３．Patent Examination Coo p eration Center of the Patent Office ,SIPO ,Zhen g zhou ４５０００２,China ) Abstract :In this p a p er ,the modal anal y sis of Lamb wave was made accordin g to the dis p ersion p ro p erties of its p ro p a g ation in the thin p lateb y com p arin g the two time scales of the si g nal collected in ultrasonic testin g ．Based on the dis p ersion curves of Lamb wave drawn b y semi anal y tical finite element method in the isotro p ic free aluminum ,suitable ultrasonic transducers were selected to obtain modal si g nal p ro p a g ation of Lamb wave in aluminum p late in different p ositions．In the overall time scale of Lamb wave ,all the data were anal y zed b y two-dimensional Fourier transform and the modal and ener gy distribution would be identified．In the other time scale ,the Hilbert-Huan g transform was used to se p arate and distin g uish the different modes accuratel y that were su p erim p osed in a sin g le si g nal after a reasonable filterin g and noise reduction．The results show that we can anal y ze and com p are the si g nal data of Lamb wave ac q uired from detection and identif y the g uided wave mode and g et hi g her time resolution with the above method．Ke y words :Lamb wave ;Si g nal p rocessin g ;Semi-anal y tical finite element (SAFE );Two-dimensional Fourier transform ;Hilbert-Huan g transform Lamb (兰姆)波是二维波,与三维体波相比具有衰减速度慢,传播距离远的特点,因此常被用于大型 板材的长距离及快速无损检测中.板材中兰姆波与 管中二变截面波导介质中的导波一样,具有频散性与多模态性.加上环境噪声等多方面因素的影响,导波检测时传感器接收到的Lamb 波信号非常复杂,属于非平稳随机信号,需要利用有效的信号处理技 术提取有用的信息成分才能确定合适的激励方式, 获得更好的检测成像效果. 传统的处理Lamb 波信号的方法包括反射系数 法二傅里叶变换法二小波变换法二动态光弹法等,但是０１超声导波检测技术原理
超声导波检测技术的研究进展_周正干
管道焊接接头超声波检测
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超声导波检测技术的发展与应用
管道超声导波检测技术
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06管道超声波检测工艺标准讲解
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超声导波在铁轨故障检测方面的应
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