基于导波频散特征的金属排管缺陷辨识方法

采用时频分析方法,研究导波在金属管道中频散特征与缺陷尺寸间的映射关系。基于有限元分析软件ANSYS,采用单元生死法建立9组不同周向尺寸和径向深度缺陷的管道模型,用脉冲-回波的方法模拟L(0,2)模态波对管道的激励;基于Gabor变换和导波频散特性,提取缺陷回波时间、反射系数等特征参数。研究结果表明:管道裂纹缺陷的轴向定位误差为1.48%;缺陷处的反射系数较大,且反射系数随着损伤程度的变大而增大。     

利用压电导波层状管道结构的损伤识别

目的绘制层状管道结构导波的频散曲线,提出一种利用压电超声导波层状管道结构损伤识别方法.方法利用Navier方程及边界条件建立频散方程并进行数值求解,分别绘制出空管和充液两种情况下的导波频散曲线.为了验证理论分析结果,利用压电导波试验方法,对一个长2 m的层状空管和层状充液管道中的人工周向缺陷进行识别.结果导波的频散和衰减程度较弱的L(0,1)模态适合于层状充液管道中的损伤识别.随着导波频率的增加,频散效应逐渐增加,损伤识别能力也逐渐下降.对于充液管道,导波能量会通过液体中传播,降低损伤识别的精度.结论在对层状充液管道进行损伤识别时,应根据频散、衰减和导波结构等传播特性选取合适的纵向模态.利用压电导波进行层状管道结构损伤识别是十分有效的.     

时反导波对管中通透裂纹扩张过程的检测规律研究

将时间反转方法用于管道缺陷超声导波检测时,可实现导波能量在缺陷处的时间—空间聚焦,但需进一步研究该方法对沿轴向、周向扩张通透裂纹的检测规律.采用数值时反方法观察了管中导波能量聚焦过程,研究了时反前、后缺陷回波反射系数随通透裂纹扩张过程的变化规律.结果表明,当裂纹张角较小时,时反后的缺陷回波反射系数相对于时反前增大较大,随着裂纹张角的扩张,时反前、后缺陷回波反射系数逐渐趋于相等;当裂纹轴向长度从λ/100增大至λ过程中,时反后的缺陷回波反射系数是时反前的5—8倍,且最大、小值出现规律一致.     

基于能量密度法的超声导波层状管道结构损伤检测

目的根据超声导波在管道结构径向能量密度分布,选择导波最佳模态和频率,提出一种基于能量密度的超声导波层状管道结构损伤检测方法.方法根据能量密度表达式,采用数值分析软件Matlab绘制频厚积-能量密度曲线,并将能量密度曲线与频散曲线相对比,验证其有效性.结果频厚积范围2 160～3 240 kHz·mm,L(0,6)模态适合作为层状管道结构的损伤检测的超声导波,其具有清晰的缺陷回波和边界反射回波,而且能量密度曲线与频散曲线趋势一致.结论基于能量密度法能够实现不同目的超声导波层状管道结构损伤检测,且效果良好.     

基于超声导波的管道缺陷量化评估仿真研究

超声导波是近年新兴的无损检测技术,相比超声检测和漏磁检测等传统方法,它可提供大范围、全面高效的检测,因此受到越来越多的关注。在基于超声导波的管道缺陷检测中,普遍采用脉冲回波方法,即根据反射回波信号的分析结果获取缺陷信息,目前此技术已可实现管道缺陷的识别和定位。但由于实际管道缺陷形态不规则,产生的反射回波信号往往很复杂,目前还不能实现管道缺陷的量化检测。本文针对此问题,通过有限元仿真方法研究超声导波与管道缺陷的交互过程,提出利用缺陷前后边界分别产生的两个反射信号进行缺陷轴向尺寸的量化评估方法,并进一步通过有限元仿真验证了结论。     

层状管道结构频散曲线绘制及试验验证

目的推导层状管道结构中超声导波的频散方程,利用频散方程绘制其频散曲线,并通过试验来验证频散曲线的正确性.方法基于Navier波动方程并根据边界条件建立了层状管道结构的频散方程.从理论上分析了层状管道结构中三种模态超声导波的传播特性.根据推导出超声导波的频散方程,通过数值方法绘制出了超声导波在层状管道结构中的频散曲线.对超声导波的频散曲线和位移特点进行了分析,并选出适合激励的超声导波频率.构建与数值计算层状管道模型相同的试验系统并进行试验研究,利用试验验证了所建立的频散曲线的正确性.完成了层状管道结构纵向波动试验,激励频率在1~9 k Hz,对试验结果与理论值进行对比和误差分析.结果L(0,1)在管道结构中传播速度与理论值最大误差值为1.5%,可以发现两者相似度较高.结论笔者所绘制的频散曲线能够较为理想的反映出超声导波在层状管道中传播的真实情况,这对实际检测中激发信号的频率和模态的选择具有重要意义.     

土壤对管道纵模导波传播特性的影响

针对超声导波技术在不同地理环境下埋地管道的缺陷检测问题,对埋地管道中纵向模态的频散和衰减特性进行了分析。建立了埋地管道的三维有限元模型,分析了激励频率和土壤类型对纵模导波传播的影响。在埋地管道中粘贴压电陶瓷片激励和接收L(0,2)模态。研究结果表明:随着激励频率增加,L(0,2)模态能量衰减也逐渐增大,而在激励频率为40kHz时,弹性模量较小的硬黏土对纵模导波的衰减相对较小,表明采用低频纵向模态超声导波对较低弹性模量土壤覆盖的管道检测效果较好,可有效提高导波在该类埋地管道中的检测距离。     

充液管道纵向导波在黏度测量中的应用研究

利用COMSOL仿真和实验,研究并证实了充液管道纵向导波测量液体黏度的可行性.有限元仿真采用声固耦合模块、特征值求解器来获得导波实波数、复频率和波结构,以及不同模态的位移和声压分布.实波数和频率实部构成群速度频散曲线,频率虚部和频率实部构成衰减频散曲线.计算和测试了不同充液属性时纵向导波的群速度和衰减频散曲线.黏度不影响导波群速度频散曲线,黏度增加时,衰减系数增大;密度增加时,导波群速度和频散区的衰减均变小,而非频散区的衰减不变;纵波速度增加时,群速度和衰减频散曲线均右移.     

超声导波扭转模态在粘弹性包覆层管道中传播特性研究

研究了带有粘弹性包覆层管道中超声导波扭转模态的频散及其衰减特性.分析了T(0,1)模态在不同频带中的传播特性.并通过厚度切变压电陶瓷传感器在覆着环氧树脂的钢管中激励出T(0,1)模态.在40—210kHz频率范围内,T(0,1)模态的群速度和衰减与理论预测相吻合.结果表明,对于带有粘弹性包覆层的管道,其衰减频散曲线可用作模态选取的理论指导,用于对管道的缺陷检测.     

土壤对管道纵模导波传播特性的影响

针对超声导波技术在不同地理环境下埋地管道的缺陷检测问题,对埋地管道中纵向模态的频散和衰减特性进行了分析。建立了埋地管道的三维有限元模型,分析了激励频率和土壤类型对纵模导波传播的影响。在埋地管道中粘贴压电陶瓷片激励和接收L(0,2)模态。研究结果表明:随着激励频率增加,L(0,2)模态能量衰减也逐渐增大,而在激励频率为40 k Hz时,弹性模量较小的硬黏土对纵模导波的衰减相对较小,表明采用低频纵向模态超声导波对较低弹性模量土壤覆盖的管道检测效果较好,可有效提高导波在该类埋地管道中的检测距离。     

土壤对管道纵模导波传播特性的影响

针对超声导波技术在不同地理环境下埋地管道的缺陷检测问题,对埋地管道中纵向模态的频散和衰减特性进行了分析。建立了埋地管道的三维有限元模型,分析了激励频率和土壤类型对纵模导波传播的影响。在埋地管道中粘贴压电陶瓷片激励和接收L(0,2)模态。研究结果表明:随着激励频率增加,L(0,2)模态能量衰减也逐渐增大,而在激励频率为40kHz时,弹性模量较小的硬黏土对纵模导波的衰减相对较小,表明采用低频纵向模态超声导波对较低弹性模量土壤覆盖的管道检测效果较好,可有效提高导波在该类埋地管道中的检测距离。     

超声导波管道检测中导波模态及频率的选择

长距离管道超声导波检测技术是一种新的管道无损检测技术,可以对常规方法无法接近的管道进行快速检测,工程应用前景非常广阔．本文对管道超声导波检测过程中传感器的数量和布置间距对榆出导波信号的影响进行了讨论,并以纵向轴对称导波L(0,2)为例,就导波模态及频率的选择对检测效果及一次性检测长度的影响进行了研究．综合多方因素选择的最优试验频率即可作为现场管道试验的检测频率．     

非接触式磁致伸缩扭转导波传感器研制

针对钢管非接触式扭转导波检测的需求,基于Wiedemann效应设计了一种新型导波传感器,该传感器由永磁铁、回折线圈和屏蔽层组成.首先,采用ANSYS仿真软件研究了钢管中静态偏置磁场分布,并分析了传感器的工作原理,通过实验验证了传感器在钢管中激励和接收扭转导波的可行性.然后,分析了检测信号中噪声信号的产生原因,利用铜皮作为屏蔽层对回折线圈轴向段激励产生的周向动态磁场进行屏蔽,提高了检测信号的信噪比.接着,通过实验研究了传感器的频率特性,结果表明传感器的最佳激励频率与回折线圈的设计频率一致.最后,将传感器应用于钢管缺陷检测,结果表明该传感器能够识别出横截面积损失3%的周向刻槽缺陷.     

基于相控阵超声导波扫描成像的大曲率油气对焊弯管缺陷检测

针对大曲率油气对焊弯管缺陷超声导波难以检测的问题,首先采用有限元方法分析环焊缝和弯头对L(0, 2)模态和T(0,1)模态导波的传播影响,提出基于相控阵超声导波扫描成像的检测方法;然后,采用相控阵技术控制L(0, 2)模态和T(0,1)模态导波的激励,提高2种模态导波的缺陷检出能力,同时应用A扫描和B扫描成像技术提高这2种模态导波识别缺陷的能力;最后,加工制作5根带缺陷的城镇油气管道系统中常用的大曲率对焊弯管,采用基于相控阵超声导波扫描成像的方法进行检测实验。研究结果表明:环焊缝使这2种模态导波产生反射,环焊缝和弯头使这2种模态导波产生衰减和模态转换,导致这2种模态导波难以检测出弯头及过弯头后直管部位的缺陷;该方法能够有效识别和定位大曲率油气对焊弯管的弯头缺陷和过弯头后直管中的缺陷。     

管道导波检测探头背衬层参数和频率特性的实验研究

通过对不同材料参数配比制作的导波探头背衬层进行试验,研究超声导波在一定的频率范围内焊缝第一次反射回波系数和端面反射系数及频率的关系。分析不同配比背衬层对信号的影响,确定激励导波的最佳频率范围。试验表明:随着碳化硅比例的增加,PZT传感器的相对灵敏度降低;碳化硅的比例降低时,传感器接收到的杂波幅值增大,信噪比降低;不同配比参数的背衬层都存在一个最佳检测频率段,即随着碳化硅比例的增大,缺陷的最佳检测频率段先增大后减小。     

管道缺陷超声导波监测信号匹配追踪去噪

采用超声导波进行管道缺陷监测过程中混入干扰噪声严重影响缺陷反射回波的提取和识别,本文提出了一种新的管道缺陷超声导波监测信号匹配追踪去噪方法。将Hanning窗调制的正弦波激励信号经过时间平移和幅值调制作为基本原子形成自定义过完备波形字典,对管道缺陷超声导波监测信号进行匹配追踪稀疏分解,提取其中有效成分进行信号重构,经多次迭代实现信号去噪。对有限元数值模拟和实际管道缺陷监测信号分别采用传统小波阈值和本文提出的匹配追踪法进行去噪处理,结果表明,当信噪比较低时匹配追踪法明显优于小波阈值法,即使在干扰噪声完全淹没缺陷反射回波的场合,仍然可以提取出清晰干净的缺陷反射回波信号,为正确分析和评估现役管道安全运行状况提供了一条新的途径。     

平板和管道周向Lamb波频散和波结构特性

为指导使用管道周向Lamb波进行缺陷检测的工作,分析并对比研究了弹性平板Lamb波和管道周向Lamb波的频散和波结构特性。在管道周向Lamb波频散方程的推导中引入了修正的传播方向弧长计算以提高频散曲线的计算准确度,这种修正的合理性从两个方面得到证明。计算结果表明,代表管道周向弯曲程度的内、外径之比越大则周向Lamb波的频散和波结构特性越接近于平板,这就为以平板导波研究内、外径之比较大的管道的周向导波的近似处理提供了理论依据。     

平板和管道周向Lamb波频散和波结构特性

为指导使用管道周向Lamb波进行缺陷检测的工作,分析并对比研究了弹性平板Lamb波和管道周向Lamb波的频散和波结构特性。在管道周向Lamb波频散方程的推导中引入了修正的传播方向弧长计算以提高频散曲线的计算准确度,这种修正的合理性从两个方面得到证明。计算结果表明,代表管道周向弯曲程度的内、外径之比越大则周向Lamb波的频散和波结构特性越接近于平板,这就为以平板导波研究内、外径之比较大的管道的周向导波的近似处理提供了理论依据。     

强噪背景下基于改进匹配追踪算法的桥梁缆索缺陷识别

为降低噪声对磁致伸缩导波信号的干扰,实现强噪背景下的桥梁缆索缺陷识别,提出了一种基于改进匹配追踪算法的桥梁缆索缺陷识别方法。首先,采用构建非对称Gabor函数作为原子字典,将相邻残差比作为迭代终止条件,对强噪背景下的导波信号进行匹配追踪。然后,通过缺陷回波包络峰值时刻,对桥梁缆索缺陷进行了定位。最后,对采用不同降噪方法时的桥梁缆索缺陷定位误差进行了比较。结果表明：未添加噪声时,采用缺陷回波包络峰值时刻定位桥梁拉索缺陷,最大误差仅为0.28%。当缺陷回波的信噪比高于-5 dB时,采用本文方法进行降噪,均方差E_MSE几乎为0,信噪比E_SNR增加到7.56 dB以上。采用本文方法对含噪导波信号进行降噪,其降噪精度和缺陷定位精度均优于小波阈值降噪、小波-EMD降噪和传统匹配追踪降噪。当导波信号信噪比为-5 dB及以下时,本文方法的优越性更为显著。即使导波信号信噪比达到-10 dB,采用本文方法进行降噪处理,拉索缺陷定位误差仍能达到1.5%以内。可见所提出的方法可以有效降低强噪声对实测导波的干扰,提高桥梁缆索缺陷识别精度。     

磁致伸缩导波技术在纤维增强塑料锚杆中的应用

为了提高纤维增强塑料(FRP)锚杆的缺陷检测精度,将磁致伸缩检测技术应用于FRP锚杆检测,通过镍带与FRP锚杆耦合的方式激发并接收磁致伸缩导波信号;为了解决磁致伸缩导波信号信噪比低、特征不明显的问题,利用变分模态分解(VMD)算法将信号分解为多个模态信号,对各层多模态信号进行滤波后重构,再通过最小均方误差估计(MMSE)增强算法提高信号信噪比。结果表明:经变分模态分解-最小均方误差估计(VMD-MMSE)算法处理后,可提升FRP锚杆反射回波信号的信噪比和信号特征;磁致伸缩导波检测技术可应用于FRP锚杆质量检测,可对有周向缺陷的FRP锚杆长度、缺陷位置进行精确判断。