L(0,2)模态在管道内壁附着物测厚中的应用

管道内壁附着物厚度的状况,是工业生产安全性评价的一项重要指标.以有机热载体炉为例,其管道内壁的积碳层极易造成加热炉管的某些部位局部过热,导致爆管发生,造成人员伤亡.本文分析L(0,2)模态在双层管道中的传播特性后提出,利用110k Hz下L(0,2)模态导波的群速度随管道内壁附着物厚度增长单调减小的特性,无损定量地检测外径57mm,壁厚3.5mm管道的内壁均匀附着物的厚度.随后建立了管道内壁附着物厚度定量检测系统,利用中心频率为110k Hz的压电斜探头以非对称加载的方式对内壁附着有0、1、1.5、2和2.5mm均匀模拟积碳的管道试样进行了35组实验研究.实验结果表明,L(0,2)模态群速度的实验值与理论值的总体变化趋势保持了一致.利用本方法可以定量检测管道内壁附着物的厚度,对安放空间狭小、无法沿管道周向布置阵列传感器的工业管道的检测具有很好的实用意义,并且对于后续的探头开发具有指导意义.     

钢花管中低频纵向导波模态传播特性的数值仿真

钢花管是管棚超前支护中的核心承力构件.采用有限元仿真分析了低频纵向导波模态在钢花管中的传播特性和检测能力.建立带注浆小孔的钢花管中低频纵向导波模态传播的有限元模型.选取频率30kHz的L(0,2)模态用于钢花管检测.当注浆小孔直径为10mm时,孔数的变化对频率30kHz的L(0,2)模态第一次和第二次端面回波信号幅值影响较小.但随着孔数增加,该模态的群速度呈线性下降,每增加1个孔,该模态的群速度下降0.76m/s.研究孔数不变时孔径对频率30kHz的L(0,2)模态传播能力和传播速度的影响,结果显示孔径变化对该模态的能量传播影响较小.孔数和孔径对端面回波幅值影响较小,表明低频纵向超声导波具有对钢花管进行长距离检测的潜力.然而,随着孔径的增加,该模态的群速度也逐渐下降,但下降幅度不一致.研究结果为将低频纵向模态应用于钢花管结构的无损检测奠定了一定的基础.     

自由锚杆中超声导波的最优激发波研究

为了选择自由锚杆中超声导波的最优激发波,利用组装的超声导波无损检测系统,用R6和R3组成不同组合的探头对1.3 m的自由锚杆进行了40～100 kHz频率导波测试,周期为1～5.结果表明,最佳探头组合是R6-R6,最优激发波周期为5,最佳测试波频率范围为40～50 kHz;再用R6-R6组合5个周期激发波在40～50 kHz频率范围进行检测,确定最优激发波频率为45 kHz.结果与理论分析基本吻合,可为锚固锚杆和缺陷检测提供依据.     

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。     

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．     

焊缝特征导波模态的分析与应用

为满足焊缝快速高效无损检测需要,并提高超声导波对焊缝缺陷的灵敏度,研究高频下的焊缝导波模态尤为重要。基于COMSOL软件建立了二维对接焊缝半解析有限元模型,通过数值模拟与分析发现,频率大于300 kHz时焊缝中SH_(w1)模态几乎无频散、泄露小,适合于长距离快速焊缝检测。通过试验验证了SH_(w1)模态导波在对接焊缝中的传播特性,确定了最佳激励频率范围为320~360 kHz;并对焊缝中直径为3 mm的预置孔洞缺陷实现了检测,定位精度高于2.5%。     

柱状长骨中的纵向超声导波频散和激发强度

用一个内充水、外覆水层的横向各向同性柱壳模拟长骨,将环状声源置于长骨外流体层中,数值模拟和分析导波的群速度和激发强度,并考察各向异性参数及长骨内半径对导波频散和激发强度的影响.结果表明:当长骨从各向同性变为横向各向同性时,高阶纵向导波的群速度峰值明显增大;当各向异性参数ε减小时,高阶纵向导波的群速度峰值明显减小,且群速度曲线向低频区域移动;当各向异性参数δ减小时,高阶纵向导波的群速度峰值明显增大;当长骨内半径增加,在低频50kHz附近时,最低阶纵向导波L01的群速度明显减小,激发强度明显增强;最低阶和第二阶纵向导波模式可分别用于检测长骨的厚度变化及各向异性特征.     

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.     

磁致伸缩超声导波的包覆层轻烃管道检测试验分析

采用磁致伸缩传感器(Ms S)超声导波检测系统,对带包覆层轻烃管道进行在线检测。研究了不同检测频率、管道直径对管道缺陷检测定位精度的影响,并分析了带有黏弹性包覆层环氧树脂对超声导波信号的影响。对114 mm和80 mm两类管道,以三通、弯头等近似为缺陷,分别使用32 k Hz和64 k Hz探头进行检测。检测结果表明:不同检测频率时管道缺陷检测精度不同,频率越高,定位精度越高。管道的直径对导波信号缺陷检测精度有重要影响,采用32 k Hz频率对80 mm管道的定位精度为9.3 cm,远高于114 mm管道的定位精度(17.6 cm)。黏弹性包覆层对检测信号有强烈的衰减,平均衰减速率约为1 d B/m。     

蜗卷弹簧导波频散特性研究与探头设计

蜗卷弹簧是高压断路器的关键零件,可用超声导波来检测裂纹损伤,超声导波的频散特性研究是影响导波检测的重要因素,也是导波探头设计的基本依据。本文首先推导了蜗卷弹簧的超声导波频散方程,说明理论上无法直接计算得到蜗卷弹簧的频散特性,通过借鉴圆柱壳结构周向导波的频散特性研究方法,把蜗卷弹簧的各圈近似为不同半径的圆柱壳结构、计算得到其频散曲线,从而得到蜗卷弹簧的频散特性,频散曲线表明蜗卷弹簧的形状参数是影响其频散特性的主要因素。以蜗卷弹簧外圈为例,计算了频率和探头入射角以及导波模态三者的关系,为导波探头频率选择及楔块角度设计提供参考。     

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。     

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。     

导波模态类型对锚固锚杆无损检测的影响

纵向模态、扭转模态和弯曲模态超声导波在锚固锚杆结构中衰减的差异性巨大,研究这3种模态超声导波的传播规律对无损检测中测试波的选择具有重要指导意义.应用全局矩阵法的理论计算方法和数值模拟方法分别对这3种模态导波的频散规律和传播规律进行研究,两种方法的研究结果吻合较好.研究结果表明,纵向模态在高频范围内存在衰减为20~44 dB/m的超声导波;扭转模态的所有导波衰减都大于180 dB/m;弯曲模态的导波衰减也大于50 dB/m.因此,纵向模态高频范围的超声导波由于衰减小、易激发等优点可以作为无损检测中的首选测试波.      

锚杆中纵向超声导波传播特性数值模拟研究

针对导波在锚杆检测中的应用,分析了纵向导波在锚杆中的传播特性,利用Matlab求解了纵向导波传播的频散方程,用有限元数值方法模拟了不同频率的L(0,1)模态导波在锚杆中的传播特性,并对其杆顶响应信号进行了分析。通过理论和数值模拟分析对比验证了数值模拟方法的可行性,对于工程中应用导波对锚杆进行检测时,应选择适当频率的导波,并结合各频率导波在锚杆中的传播特性才能得到可靠的结果,进而对锚杆顶端对称与非对称激励震源在锚杆顶端产生的响应进行了分析。     

自由锚杆中超声导波的衰减特征

为了研究自由锚杆中超声导波的衰减规律,分别制作了长度为800mm、900mm、1100mm、1300mm、1500mm、1800衄、2000mm和2500mm的锚杆。采用虚拟综合测试仪、声发射放大系统、R6et直传感探头和计算机,组装了超声导波无损检测系统。利用该系统分别对制作的锚杆进行了系统的导波测试。结果表明：自由锚杆中超声导波振幅呈负指数分布;不同频率的激发导波在测试频率段内（40-100kHz）波包平均振幅的振幅比均在0．7左右,表明频率对导波衰减的影响不大;不同长度锚杆中波包平均振幅的振幅比也在0．7左右,表明锚杆长度对导波衰减的影响也不大;自由锚杆中导波的衰减,除与材料性质有关外,主要来自于设备本身的系统衰减。研究发现,导波振幅比比振幅绝对值更加稳定、可靠,可用来定量地表示导波振幅的衰减情况。     

锚杆锚固质量的超声导波检测技术研究

采用低频超声纵向导波检测了锚杆的锚固质量.首先研究了调制波类型及激励信号周期数对信号频谱的影响,优选出汉宁窗调制的正弦波信号作为检测信号,然后数值模拟研究了20~100 kHz纵向导波在锚杆锚固段上界面的反射情况,进行了纵向导波在锚杆底端与锚固段上界面反射回波的时间差确定锚固锚杆的脱锚长度,进而确定锚杆的粘结密实度的理论与试验研究,结果表明:随着频率的增大,锚固段上界面的反射回波系数逐渐减小.锚固段上界面反射回波系数的试验与数值模拟结果变化趋势差异较大,原因为传感器具有谐振频率及传感器与锚杆接触面耦合存在能量损失.粘结密实度测定的试验与理论结果吻合较好.      

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.