超声导波在管道中的应用与检测

赵钰龙 于灏

摘要：说明了导波在无损检测方面的重要地位，论述了导波检测原理和方法，通过模拟得到了管中导波的群速度，并通过数值仿真的方法对缺陷进行定位。有限元数值仿真的结果显示与实际缺陷位置相吻合，并得出缺陷回波时间与材料和位置相关的结论。

关键词：导波横波无损检测

中图分类号：U461.91 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（a）-0000-00

1 引言

管道在现代社会的生活与生产中极为重要[1]。在长时间的服役中，管道容易受到外部环境影响以及管道内介质侵蚀产生缺陷。超声导波无损检测在满足检测精度和可靠性要求的前提下，可以进行在线检测，检测范围也大大提升。由于超声导波传播距离长且衰减很小，因此超声导波广泛应用于规模化的无损检测和健康状态评估，大幅提高效率的同时保障了生命财产安全。

2 导波概述

无损检测技术广泛应用于工业生产中，而超声技术是其中一种。超声波进入物体遇到缺陷时声波会产生反射、折射、衍射，接收器可接收回波，分析回波可以精确的探测缺陷的位置、形状、大小等特征。但传统超声波技术也有不足，逐点扫查式的工作过程导致工作量巨大，在长距离、大尺寸的检测上效率低下[2]。超声导波技术有效提升了检测效率[3，4]，在理想的管道检测中可以一次可检测200米的长度。在固体中传播的超声导波，由于本身的特性沿传播路径衰减很小，所以可以克服逐点扫描法的缺点进行长距离、大范围的缺陷检测。超声导波也可以在充液、带包覆层的管道中传播，使得检测工业管道的费用大大降低[5]。

超声導波是一种新兴的无损检测方法，其优势是检测距离长、范围广，可以对难以触碰的区域进行在线检测。其原理是应力波在不同介质中反射、折射、衍射，碰到缺陷后会产生相应回波射信号（如图1所示），对回波信号进行提取、分析便可探测到被测物体的损伤情况。由被测物的边界条件不同，又有Lame波、管状导波、柱状导波等，由其波结构不同又可分为多种模态，模态中又根据周向振型n和径向振型m加以细分。

3有限元仿真分析

单音频叠加信号经汉宁窗函数调制后其信号主瓣高而旁瓣迅速衰减，频谱中能量集中在中心频率附近。这种窄带激励可以提高信号强度，也可以增加导波的传播距离。此仿真采用10个周期信号叠加经汉宁窗调制的信号作为激励信号，其中心频率为70KHz。

ANSYS是工程计算中广泛使用的有限元仿真软件，在数十年的时间里其精确性与实用性获得广泛认同，使用此软件的计算参数如表1所示。

式中λmin为计算中的超声波中最小的波长。

4信号处理

依据脉冲回波原理来对裂纹位置进行测定。此模拟中以自激自收的方法提取信号数据，在对仿真信号进行处理的过程中使用式（2）进行定位：

（2）

式中 是波速， 是距离差，与其对应的时间为 。

超声导波在管道中传播时，其不连续处会发生反射和透射现象，由此可以进行缺陷定位。回波时间取两波峰之间的时间差，即激励信号与底端回波信号的时间差，可以计算该波群速度为5291m/s。根据分析导波信号的基本原理和算法，可以计算出缺陷的具体位置：

5总结

本文模型中预设的单裂纹模型裂纹位置在距接收信号位置1.150m-1.152m处，计算结果与实际裂纹位置吻合较好。计算中发现反射波返回的时间与裂纹大小相关性较小而与裂纹位置和材料参数关系较大，与理论一致。

参考文献

[1]臧铁军，藏天红. 我国管道运输的发展概况[J]. 管道技术与设备，1998， （4）： 1～4.

[2]刘镇清. 超声无损检测中的导波技术[J]. 无损检测，1999，21（8）： 367-375.

[3]ROSE J L. A baseline and vision of ultrasonic guided wave inspection potential[J]. Journal of Pressure Vessel Technology， 2002， 124（3）： 273-282.

[4]何存富， 吴斌， 范晋伟. 超声柱面导波技术及其应用研究进展[J]. 力学进展. 2001， 31（2）： 203-214.

[5] 季寿宏，王强，宋祎昕. 在役天然气管道缺陷检测新技术概述[J]. 煤气与热力，2012，01： 78-81.