基于超声导波波谱法管道缺陷检测仿真研究

陈志伟，陈凯歌，蒋俊俊

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)



基于超声导波波谱法管道缺陷检测仿真研究

陈志伟，陈凯歌，蒋俊俊

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

针对超声导波检测难以准确判定管道缺陷的问题，通过分析超声导波遇管道缺陷后其回波的传播，提出了以波谱法来定位和定量管道缺陷。采用ANSYS软件仿真了T(0, 1)模态超声导波在带缺陷管道中的传播，得到检测的幅值波谱图，发现波谱图中缺陷处的颜色总是最先变化；通过分析所有节点同一时间坐标信号的幅值，发现相对最大缺陷信号幅值，幅值衰减在1/10内的节点数与缺陷的周向尺寸之间存在确定的系数关系。

超声导波；管道缺陷检测；波谱法；仿真

管道运输是国民经济的重要支柱，管道事故时有发生，给国家和人民带来了重大损失。据统计我国陆上油气管道里程已达12万公里；且30%以上已运行了10年以上，千公里泄露事故率年均4次，远高于美国和欧洲[1]，所以对管道运行状况的检测是必要的。超声导波管道检测技术是一项具有潜力的无损检测技术[2-5]。检测中，在一处检测便可得到管道数10m内全壁厚的健康信息。相比传统的管道无损检测技术，超声导波检测技术一次检测的距离长、效率高[5]。但该技术目前仍只能较为准确的判断缺陷位置信息，而对缺陷细节信息难以确定。

本文使用ANSYS软件对超声导波管道检测进行仿真研究，并提出超声导波波谱法，通过分析波谱图中缺陷波带特征的变化规律，来定位、定量缺陷；结果表明，使用波谱法可精确地判定出缺陷位置以及周向尺寸。

1　超声导波在管道中传播特性

频散现象是超声导波在介质中传播的一个重要特性，其表现为群速度和相速度随着频率的变化而变化，即在传播过程中波形在时间和空间上的分散[6]。群速度与频率变化关系如图1所示。

图1　外径108 mm，壁厚5 mm的空心圆管的群速度频散曲线图

从图1中可看出，随着频率的增加，导波在某一频率下的模态数迅速增加，在任一频率厚度积下均至少存在两个以上的导波模态，这就是多模态现象。同时超声导波还存在模态转换现象，导波在传播过程中，遇到管道结构或缺陷，会转换出其他模态的导波[2-4]。因此，在激励导波时，激励方式的选择以及使用何种模态检测是重要的[7]。

如图1所示，T(0，1)模态，在整个检测频率段，群速度基本不随频率的变化而变化，可视为无频散导波，所以其是理想的检测导波模态。

2　超声导波波谱法

超声导波在管道中遇到缺陷会发生反射，此时的缺陷相当于是一个波源，其回波由于散射的作用，会散射至整个管道周向。

假设理想管道的一端周向均布N个传感器，N为偶数，由于不同传感器与缺陷距离不一致，导致回波传播距离也不一致，则回波到达各传感器所经历的时间也会不一致。用t表示回波传播至传感器经历的时间，由于管道为对称结构，所以以缺陷中心为起点，取半周管道进行讨论。将该半周传感器以距缺陷远近按1-N/2依次编号，则离缺陷最近的传感器收到的信号记为t1，由近及远依次记为t1,t2,…,tn,…tN/2，由于

tn=Ln/C

(1)

而

(2)

则

(3)

式(1)～式(3)中，Ln为第n个传感器与缺陷的距离；L1为缺陷距端面的轴向距离；S为管道周长；C为超声导波波速。

由式(3)可知，回波传播时间t与传感器编号n呈正相关关系，即编号越小，传播时间越短，则缺陷回波在时域图中越靠前，而与缺陷同周向位置的传感器编号最小；则只要在所有传感器信号中，找到缺陷回波最靠前信号对应的传感器，即可确定缺陷的周向位置；再根据该缺陷回波的时域信息，确定缺陷的轴向位置，即可确定缺陷在管道中的精确位置。

缺陷在周向上具有一定的尺寸，与缺陷同周向位置传感器也会有相应的数量，这些传感器与缺陷的距离可近似为相同，则其接收到的缺陷信号回波幅值也几乎一致。根据这一特点，找出缺陷周向尺寸与各传感器幅值的对应关系，就能对缺陷的周向尺寸作出判定[8-9]。

综上所述，提出超声导波波谱法，来精确判定缺陷在管道中的位置并对其作出定量分析。将管道周向N组传感器接收到的信号y(t1)，y(t2)，…，y(tN)，按1～N的顺序排列，组成一个N维数组，使用Matlab软件中的jet成像命令对该数组进行成像，得到检测波形幅值波谱图。通过分析波谱图像中缺陷波带内颜色的变化规律，找到颜色最先变化的位置，即为缺陷所在位置；同时对处于同一时间坐标的缺陷信号幅值的变化规律进行研究，确定其与缺陷周向尺寸的关系，对缺陷进行定量判定。

3　仿真模拟

3.1管道仿真模型建立

仿真模型尺寸为外径108mm、壁厚5mm、长1 000mm的钢质管道，密度取7 932kg/m3，弹性模量为217GPa，泊松比为0.28。在ANSYS中选择solid185单元，采用分段方式建立管道几何模型，扫掠生成网格，周向均分为40个单元。模型中缺陷为穿透型刻槽，其轴向长度为5mm,分别建立缺陷周向尺寸为1/8、1/6和1/4周长的管道模型。图2为1/4周长缺陷的管道仿真模型。

图2　缺陷长度为1/4周长管道的超声导波仿真模型

3.2激励、接收参数设置

使用T(0,1)模态导波进行仿真，取激励频率为75kHz，由频散曲线得其波速为3 400m/s。激励波形为10周期Hanning窗调制的正弦波，其方程为

(4)

式(4)中，m为周期数；f为激励信号的中心频率；t为时间；T为脉冲间隔；这里m=10，激励波波形如图3所示。

图3　激励波形图

仿真时，于管道一端最外圈的40个节点上加载瞬时周向位移载荷，载荷数据点按式(4)生成，激励产生T(0,1)模态导波；载荷步时长为1ms，子步为1 000步，即采样率为1MHz；取与激励节点相邻的一圈40个节点作为接收节点，以其周向位移为接收信号。

4　结果分析

4.1缺陷轴向和周向定位分析

图4为缺陷长度为1/4周长管道的超声导波仿真检测波形图，其中第一个脉冲波为激励波，第二个为缺陷回波，第三个为端面回波。缺陷回波、端面回波与激励波之间的时间差分别为0.285ms、0.597ms，又知T(0，1)模态导波的波速为3 400m/s，计算得缺陷位置为0.49m处，端面位置为1.01m处；同时将信号经FFT转换得到信号的主要频率成分约为75kHz。结果均与实际仿真模型相符。

图4　缺陷长度为1/4周长管道的超声导波仿真检测波形

图5～图7分别为使用Matlab软件生成的缺陷长度为1/8、1/6、1/4周长管道的超声导波仿真检测波形波谱图。为方便分析，3张图均是将管道以缺陷为中心周向展开，其中横坐标表示节点序号，即管道周向，纵坐标表示时间，即管道轴向。

从各图中可明显的看到，激励波带是平直的，而缺陷波带颜色的改变则呈现一个弧形，即说明缺陷波到达各节点经历的时间不一致。图5中颜色最先突变17～23号节点所在位置；图6中颜色最先突变17～23号节点所在位置；图7中颜色最先突变14～26号节点所在位置；突变位置均是以20号节点为中心，可判定缺陷周向中心在20号节点位置，即图像横坐标的中心，这与以缺陷为中心周向展开相符，各缺陷位置如图5～图7中箭头所指。

综上所述，通过波谱图颜色的变化，可迅速直观地确定缺陷的精确位置。

图5　缺陷长度为1/8周长管道的检测波谱图

图6　缺陷长度为1/6周长管道的检测波谱图

图7　缺陷长度为1/4周长管道的检测波谱图

4.2缺陷周向尺寸定量分析

提取缺陷波带中与缺陷信号幅值最大值点所处同一时间坐标的所有节点的信号幅值，以节点号为横坐标，幅值为纵坐标作图，如图8所示。

图8　缺陷处周向幅值曲线图

图8中，缺陷处的20号节点及其两侧节点的幅值变化，基本呈现抛物线的变化规律；而与缺陷所在直径方向垂直的6号和35号节点幅值最小，接近于0，且附近节点的幅值变化剧烈；与缺陷相对的1号和40号节点以及其附近节点的幅值变化也呈现抛物线规律，幅值相对较大，但没有缺陷处幅值大，且不同缺陷尺寸的幅值基本一致；这与模态转换理论一致，即对称模态导波遇到非对称的管道特征会转换产生F模态的弯曲模态导波[10]。1/4周长缺陷的幅值曲线，由于缺陷周向尺寸较大，处于同一振动状态的周向节点会较多，所以抛物线规律在该缺陷曲线中并不明显。

通过对缺陷处周向的幅值曲线变化规律的分析发现，以各缺陷幅值曲线最大幅值为基准，幅值衰减在1/10内的节点，1/8缺陷有17～24号共8个节点，1/6缺陷有15～26号共11个节点，1/4缺陷有14～29号共16个节点，节点数目比值为1：1.375：2，与对应的缺陷长度尺寸比值1：1.33：2一致；因此，只需找到这些节点数与实际缺陷尺寸的关系，确定尺寸系数，便可对缺陷的尺寸作出判定；而1/8缺陷所对应的实际节点数目为5个，与前所述的节点数比值为1.6，故该处取尺寸系数值为1.6，用该系数计算得到1/6缺陷、1/4缺陷的对应的节点数为6.875个和10个，与实际的节点数7个和10个基本相符。

综上所述，通过确定幅值衰减在最大幅值1/10内的节点数，并将该节点数除以尺寸系数，再乘以两节点间的尺寸，便可对缺陷的周向尺寸进行定量分析。

5　结束语

提出的超声导波波谱检测法可快速定位管道缺陷的轴向和周向位置。对超声导波在带缺陷管道中的传播进行了仿真模拟分析，得到超声导波检测的波谱图，发现图像中缺陷位置的颜色总是先发生改变，从而快速准确的定位缺陷的位置；对缺陷波带中所有节点的信号幅值进行了分析，发现可用幅值衰减在最大幅值1/10内的节点数除以尺寸系数来判定缺陷的周向尺寸，从而对缺陷进行定量的分析。

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Simulation of Pipeline Defect Detection By the Ultrasonic Guided Wave Spectrum Method

CHENZhiwei,CHENKaige,JIANGJunjun

(SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Itisdifficulttoaccuratelydeterminethepipelinedefectsusingultrasonicguidedwavetechnology.Thepropagationofdefectwaveisanalyzedwhentheultrasonicguidedwavepassesthroughthedefectofthepipeline,andamethodfordeterminingthedefect’slocationandsizebyusingthewavespectrumisproposed.ANSYSsimulationofthepropagationoftheT(0, 1)modeultrasonicguidedwaveinapipelinewithdefectsisperformedtoobtaintheamplitudespectrumofthedetection.Itisfoundthatthecolorofthedefectpositionisalwayschangefirst;thecoordinateamplitudeoftheallnodes’signalatthesametimeshowsthatthereisacertaincoefficientbetweenthenumberofnodeswhichtheamplitudeattenuationbelow1/10andthedefect’scircumferentialdimension.

ultrasonicguidedwave;pipelinedefectdetection;wavespectrummethod;simulation

2015- 12- 18

江苏省特检院2012年度科技基金资助项目(KJ(Y)2012049)

陈志伟(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：管道超声导波无损检测技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.014

TN911.72; TB553

A

1007-7820(2016)09-048-04