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。     

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.     

翅片管式蒸发器超声波除霜理论与技术研究

针对传统逆除霜技术能耗高、热舒适度差的问题,研究应用于翅片管式蒸发器的超声波除霜新技术。结合MATLAB数值求解方法与有限元压电结构耦合仿真方法,分析蒸发器结构中的频散曲线,确定蒸发器结构中的超声导波类型、模态及导波传播特性,并将超声频散曲线分析结果与有限元仿真结果进行对比。研究结果表明,在激励频率小于250kHz时,蒸发器翅片上存在Lamb波的A0和S0模态以及SH波的SH0模态,Lamb波在翅片与霜层界面处激发破碎应力,SH波激发剪切应力;翅片上振动以Lamb波的S0模态为主,铜管上可以清楚看到对称的纵向模态,有限元仿真结果与频散曲线分析结果完全吻合;超声除霜试验与能耗分析结果表明,超声除霜能耗不到传统逆除霜能耗的1/22,除霜效率至少提高了7倍,是一种高效、低能耗的翅管式换热器除霜新技术。     

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.     

基于全向EMAT的金属板缺陷Lamb波层析成像方法

基于全向电磁超声换能器(EMAT)的Lamb波层析成像(LWT)技术是获取金属板材中缺陷图像的有效方法。但是,由于Lamb波(LW)具有频散和多模态特性,传统全向Lamb波EMAT的检测波形复杂,LW的模态识别、走时提取和层析成像精度较低。本文提出了一种基于新型结构全向EMAT的LWT方法,即利用伪Wigner-Ville分布(PWVD)对该新型EMAT检测波形进行走时提取,并采用跨孔成像技术进行LWT。实验结果表明:相比传统EMAT,所研制的新型EMAT可以收发更纯净的单一A0模态LW;基于PWVD的走时提取方法比传统方法精度更高。在此基础上,使用所提出的LWT方法对铝板上的人工缺陷进行图像重构,获得的缺陷轮廓尺寸与实际值吻合良好。该成像方法有助于提高金属板缺陷LWT的精度。     

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。     

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。     

板状结构中的导波相控阵损伤成像技术

基于延迟-叠加原理,提出了在金属薄板中导波相控阵的波束形成公式及其损伤成像方法。该相控阵列的波束形成及其成像算法是在频率域上进行的,考虑了超声兰姆(Lamb)波的频散效应。数值仿真研究表明:本文提出的损伤识别技术能够有效定位损伤区域。为了验证该方法的有效性,实验中搭建了压电陶瓷传感器(PZT)-激光多普勒测振仪(SLDV)混合系统,对金属铝板进行损伤检测。该系统包括用于激励超声Lamb波的PZT和获取导波波场数据的SLDV。通过提出的导波相控阵成像算法实现对铝板的损伤成像。实验结果表明:基于频率域上相位延迟的导波相控阵成像方法,与传统时间延迟方法相比,能够提高损伤成像精度,有效定位损伤存在的区域。     

基于超声Lamb波技术的储罐底板缺陷检测

 针对储油罐底板长期服役过程中罐底边缘板常发生腐蚀的情况,研发出一种超声Lamb波检测技术,开展了相关实验研究并设计了一套储罐检测自动化装置。对14mm大厚度钢板进行了仿真分析,计算出激发角度曲线,得出其A0模态Lamb波最佳激发角度为70°。设计加工了某2万m³成品油储罐底板1:1实验模型,并使用设计的UT350平板导波检测系统在该模型板上开展了实验,当激励信号频率为490kHz时检测结果最佳。实验结果表明Lamb波A0模态的低频脉冲信号能实现对大型钢板的缺陷检测,具有较好的缺陷识别能力。设计了一套能紧贴储油罐壁自动行走的储罐底板自动化检测装置,该装置可根据储罐边缘板自动调节传感器角度和压紧力,能根据检测效果调节行走速度。实现了对储罐底板缺陷连续、高效、稳定的在线检测过程。研究结果和设计装置实现了对储油罐底板缺陷检测,为储罐安全运行提供了保障。     

有机热载体炉积碳层中超声导波的检测试验研究

阐述模拟积碳层检测的试验装置,研究不同探头间距、不同周期和有无积碳层炉管对超声导波信号的影响。研究结果表明:频率为500 kHz时的L(0,2)模态导波在双层管道中的最佳探头检测间距为35~40 cm,最佳检测周期为5周期;当探头间距为40 cm、检测周期为5周期时,频率为500 kHz激励出的L(0,2)模态在厚度为3 mm的积碳管中的群速度比在空管中的群速度减少7.59%,从模拟试验中验证了可利用超声导波群速度检测积碳层厚度。该研究结果为基于超声导波的有机热载体炉积碳检测研究提供了依据。     

基于反射的L(0,1)导波的分段式管道腐蚀定量监测方法研究

腐蚀导致管道壁厚减薄，进而降低管道的强度和完整性，威胁管道的运行安全.提出了一种基于反射的L(0,1)导波的分段式管道腐蚀定量监测方法.通过分析不同壁厚下管道中L(0,1)导波的变化规律，提出使用反射的L(0,1)导波走时变化作为壁厚损失敏感特征，建立了反射波走时变化与壁厚损失的理论关系，根据实测的反射波走时变化和该理论关系量化管道壁厚损失.开展了实验研究，在管道上激发L(0,1)导波，使用实测的反射波走时变化评价管道壁厚损失，并结合理论关系得到对应的壁厚损失.结果表明：通过反射波走时变化可以灵敏识别和准确量化管道壁厚损失，由反射波走时变化评估的壁厚损失与超声测试值较为一致.与已有的导波方法相比，所提方法提高了对管道壁厚损失的分辨率和量化精度.而且，该方法克服了超声测试只能逐点扫描，检测精度受多种因素影响，无法远程实时在线定量监测管道壁厚损失的不足.     

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．     

基于PVDF梳状换能器的零群速度 Lamb波层合板损伤检测的数值研究

为提高层合板损伤检测的准确性与灵敏度,基于聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)梳状换能器激发的零群速度(zero group velocity, ZGV) Lamb波,提出了一种层合板损伤的检测方法。采用二维时域有限元方法,研究了PVDF梳状换能器对零群速度Lamb波的激励,通过改变层合板中铝层杨氏模量来表征不同的损伤程度,分析了PVDF梳状换能器电压响应特性与层合板损伤程度之间的关系。结果表明：采用PVDF梳状换能器能够有效激励零群速度Lamb波,并获得层合板内部的状态信息。随着损伤程度的增加,PVDF梳状换能器响应的零群速度共振峰频域幅值随着铝层杨氏模量的减小而显著减少,进而灵敏地评价层合板损伤变化。研究结果说明优化设计的PVDF梳状换能器在零群速度Lamb波的激发与接收性能上都具有优越性,能够有效检测层合板损伤情况。     

缝类缺陷对Lamb波的影响研究

为了对金属薄板中缝缺陷进行Lamb波无损检测,采用短时傅里叶变换(STFT)和经验模态分解(EMD)方法,对ST12冷轧板中有无缺陷时采用一发一收方式激励出的Lamb波时域信号进行研究.结果表明,时频分析方法可有效地识别Lamb波模式以及模式转换现象,并且与Lamb波信号相关系数最高的固有模态信号(IMF)的平均瞬时频率的变化量和缺陷程度(缝深和缝长)也有较好的对应关系.     

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.     

离散解析互相关的Lamb波频散特性估计方法

针对实验估计Lamb波频散特性需要借助传感器阵列或空间密集采样的问题,提出了一种基于离散解析互相关的频散特性估计方法。采用一发一收法,移动接收换能器在两个相邻位置采集Lamb波响应信号;计算两组响应信号之间以及原始激励信号与响应信号之间的离散解析互相关、估计欲知模态的群延迟和相延迟;在此基础上,求得该模态的群速度和相速度频散曲线。数值仿真和实验结果表明:当信噪比在15 dB以上时,离散解析互相关法估计A_0模态和S_0模态频散特性的最大相对误差在1%左右。该方法在待测结构几何参数和材料属性未知的情况下,仅需经过两次测试就可实现Lamb波频散特性的精确估计,测试和计算效率高,能够满足实际工程应用。     

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.     

激励频率对扭转模态磁致伸缩导波检测性能影响

在综合考虑力-磁-声的多个物理场耦合的基础上,通过采用有限元数值仿真方法模拟扭转模态磁致伸缩导波对铁磁性管道的检测,研究激励电流频率对T模态导波检测效果的影响,并通过实验给予验证.结果表明:实验研究数据与仿真计算结果具有相同的变化趋势且存在一个最优频率;激励频率对检测效果有着明显的影响,通过调整激励频率能够使扭转模态导波幅值最大,实现磁致伸缩导波检测性能的优化.     

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。