基于扭转导波T(0,1)的埋地管道长距离结构健康监测

陈铭桐 李法新

(1.北京大学 工学院 力学与工程科学系，北京 100871;2.北京大学 湍流与复杂系统国家实验室 ，北京 100871)

超声导波作为一种新型的检测技术，具有衰减小、检测距离长、对缺陷分辨率高等优点，十分适合管道的长距离结构健康监测[1]。管道的超声导波检测主要面临多模态和频散两个难题。早期的管道检测主要采用纵向导波L(0,2)，因为这种模态的导波在部分频段内频散小，传播速度最快[2]。但L(0,2)波的位移主要沿管道径向，对埋地管道而言，其能量会同时泄漏到土壤和输运的液体中，极大地减小了可探测距离。此外，在设计L(0,2)波换能器时，还需要实现L(0,1)波的抑制[3]。

与L(0,2)波相比，基频扭转导波T(0,1)是完全非频散的。由于液体无法承受剪切变形，T(0,1)波不能在液体中传播，能量衰减更小。此外，低频下管道中也不存在其他的扭转导波模态[4]。因此，国内外很多学者将研究重点放在T(0,1)波上。KWUN等[5]设计了一种电磁超声换能器(EMAT)，可以激发高信噪比的T(0,1)波。但EMAT体积大，能量转化效率低，无法满足管道长距离监测的需要。相比之下，压电换能器体积小，能量转化效率高，更适合管道的长距离监测。ZHOU等[6]采用面内剪切d36模式的压电单晶环形阵列，成功在管道中激发出T(0,1)波。因为d31,d33和d36的系数是耦合的，这种换能器会同时激发出其他模态的导波。ALLEYNE等[7]基于压电材料的厚度剪切d15模式，提出了一种T(0,1)波压电环形阵列。由于d15变形模式是非自平衡的简单剪切，所以这种换能器激发T(0,1)波的性能优越，但接收效率低。MIAO等[8]采用压电材料面内剪切d24模式，发展了一种T(0,1)波压电环形阵列。d24模式的压电单元具有高阻抗和自平衡的面内剪切变形，所以激发T(0,1)波的效率低但接收性能优越。

针对不同变形模式压电换能器激发与接收T(0,1)波的特点，笔者提出了一种一发一收式T(0,1)波压电环形阵列。其中，厚度剪切d15模式的压电圆环用于T(0,1)波的激发，面内剪切d24模式的压电圆环用于T(0,1)波的接收。区别于单变形机制的压电换能器，这种组合变形机制的换能器同时实现了T(0,1)波激发与接收的最优化，极大地提升了对埋地管道的探测距离。试验结果表明，该换能器对环氧涂层埋地管道的探测距离超过60 m，对沥青涂层埋地管道的探测距离超过20 m。

1 试验方法

对管道而言，扭转导波T(0,1)只存在轴对称的切向位移。为了实现T(0,1)波的激发，需要给管道施加轴对称的切应力。提出的一发一收式T(0,1)波压电环形阵列结构示意如图1所示。将两组压电环形阵列黏贴在管道表面，分别用于T(0,1)波的激发与接收，如图1(a)所示。每组阵列均包含24个单元，沿着管道的周向均匀分布，如图1(b)所示。其中：厚度剪切d15模式的压电圆环用于T(0,1)波的激发，其基本单元为锆钛酸铅(PZT)压电长条，结构如图1(c)所示；面内剪切d24模式的压电圆环用于T(0,1)波的接收，其基本单元为PZT方片，结构如图1(d)所示。

图1 基于组合变形机制的一发一收式T(0,1)波压电环形阵列结构示意

图2 一发一收式T(0,1)波压电环形阵列的埋地管道试验方法示意与试验现场

为了准确表征换能器的性能，采用埋地管道进行试验。如图2(a)所示，管道外径、壁厚、长度分别为159，4.5 mm和10.62 m，材料为低碳钢。管道埋地端的长度为8.22 m，埋地深度为0.8 m。对于管道的埋地部分，分别采用了环氧油漆、环氧煤沥青油漆两种涂层，对管道外壁进行防腐蚀处理。在两种涂层管道的外壁，均黏贴了厚度为20 mm的聚乙烯泡沫作为包覆层，并用扎带固定。由于聚乙烯泡沫的声阻抗与管道、土壤均存在显著差异，包覆层的使用可以减小管道中声波的能量泄漏，提升换能器的检测距离。试验中，换能器黏贴在管道的非埋地端，距离管道端面1 m。d15压电圆环的单个单元尺寸(长×宽×高)为10 mm × 4.5 mm × 2 mm， d24压电圆环的单个单元尺寸(长×宽×高)为8 mm × 8 mm × 1 mm。换能器的两个圆环阵列间距为0.4 m。试验时，由函数发生器(Agilent, 33220A)产生一个汉宁窗调制的5周期正弦脉冲信号，经门控射频脉冲放大器(Ritec, GA-2500A)放大至650 V，施加到d15压电圆环上，用于管道中扭转导波T(0,1)的激发。d24压电圆环接入示波器(Agilent, DSO-X 3024X)，对管道中传播的T(0,1)波进行信号采集和显示。通过分析换能器激发/接收T(0,1)波的信噪比和声波在埋地管道中的衰减率，就可以评估换能器探测埋地管道的能力。图2(b)为埋地管道试验的现场。

2 试验结果与讨论

图3 激励中心频率为35 kHz时，d24压电圆环采集的非埋地裸管信号

图3为管道无涂层(裸管)且不埋地，激励中心频率为35 kHz时，d24压电圆环接收的信号。如图3(a)所示，原始信号中出现了四个典型波包。其中，第一个为d15压电圆环激发后直接传播到d24压电圆环的波包，定义为直达波；第二个为经管道近端面(距离换能器近的一端)反射后传播到d24压电圆环的波包，定义为近端反射波；第三个为经管道远端面(距离换能器远的一端)反射后传播到d24压电圆环的波包，定义为一次远端反射波；第四个为先经管道近端面反射，再经管道远端面反射，最后传播到d24压电圆环的波包，定义为二次远端反射波。采用连续小波变换分析信号，如图3(b)所示，计算得出的各个波包群速度均为3 250 m·s-1，与钢管的剪切波波速一致。比较不同波包的幅值可以发现，当激励的中心频率为35 kHz时，T(0,1)波在不埋地的裸管中传播时的幅值衰减较小。

试验中，需要测量的是换能器激励T(0,1)波的信噪比和T(0,1)波在不同涂层埋地管道中的衰减率，由此评估换能器对埋地管道的探测能力。衰减率a的定义如下

(1)

式中：A0为参考信号幅值；A1为经过埋地管道衰减后的测量幅值；L为埋地管道长度。

实际测量的信号中，有两组数据可以用于衰减率的计算：① 直达波与一次远端反射波；② 近端反射波与二次远端反射波。这里，以两组数据计算出的衰减率的平均值作为T(0,1)波在埋地管道中的实际衰减率。

图4 激励中心频率为35 kHz时，d24压电圆环采集的埋地管道信号

图4为激励中心频率为35 kHz时，d24压电圆环采集的埋地管道信号。如图4(a)所示，T(0,1)波在环氧涂层埋地管道中传播后，其幅值显著减小。这主要由以下两个因素决定：① 涂层存在黏性阻尼，会耗散部分能量；② 对于埋地管道而言，T(0,1)波在传播过程中有部分能量会泄漏到土壤中。与环氧涂层埋地管道相比，T(0,1)波在沥青涂层埋地管道中传播后，幅值减小更明显，如图4(b)所示。这表明沥青涂层埋地管道中的T(0,1)波衰减率远高于环氧涂层埋地管道中的。从图4可以发现，设计的一发一收式压电换能器激发T(0,1)波的信噪比超过40 dB。这主要是因为换能器在激发端与接收端采用了不同变形机制的压电单元，实现了换能器性能的最优化。

图5 一发一收式T(0,1)波压电环形阵列对埋地管道的探测结果

针对不同涂层的埋地管道，研究了T(0,1)波衰减率与频率的关系，评估了换能器对于埋地管道的可探测距离。图5为一发一收式T(0,1)波压电环形阵列对埋地管道的探测结果，如图5(a)所示，随着频率的升高，埋地管道中T(0,1)波的衰减率逐渐升高。这主要是因为随着频率的升高，波长减小，涂层的能量耗散、声波能量泄漏均会增大。对于环氧涂层的埋地管道，T(0,1)波在25 kHz时的衰减率约为0.25 dB·m-1。当频率上升到50 kHz时，其衰减率升高至0.45 dB·m-1。与环氧涂层的埋地管道相比，T(0,1)波在沥青涂层的埋地管道中衰减率显著升高。在频率为25 kHz时，其衰减率为0.81 dB·m-1；当频率升到50 kHz时，其衰减率高达2.3 dB·m-1。当评估换能器探测埋地管道的能力时，取其激励T(0,1)波的信噪比为41 dB，并以6 dB作为检测极限，得到的结果如图5(b)所示。由图5(b)可见，对于环氧涂层的埋地管道，换能器的可探测距离在25 kHz时超过70 m；当频率上升到50 kHz时，其可探测距离仍有35 m。与环氧涂层的埋地管道相比，换能器对于沥青涂层埋地管道的可探测距离显著减小：在频率为25 kHz时，其可探测的距离约为22 m；当频率升高到50 kHz时，其可探测距离只有约8 m。尽管如此，与传统的EMAT换能器或者单变形机制的压电换能器相比，这种组合变形机制的换能器对埋地管道检测的能力上有了显著提升。

虽然提出的一发一收式T(0,1)波压电环形阵列可以实现长距离埋地管道的检测，但其在实际检测中也存在一些不足。由于T(0,1)波只存在轴对称的周向位移，所以其对于管道中的周向缺陷不敏感。相比之下，轴向位移主导的L(0,2)波对管道中的周向缺陷更敏感。当管道外壁存在强支撑时，T(0,1)波在支撑处会发生严重的能量泄漏，减小了换能器的探测距离。此外，外部的支撑也会引起T(0,1)波的反射，给后续的缺陷辨识带来难度。

3 埋地管道结构健康监测策略

对于埋地管道，可以在铺设管道或者挖坑检测时，将换能器永久地安装在管道上，实现管道的终身监测。基于一发一收式T(0,1)波压电环形阵列的埋地管道结构健康监测方法示意如图6所示。对于已经安装好换能器的埋地管道，在激励端可以引出导线到地面，用于驱动电压的施加；在接收端，可以采用数据的无线传输技术，将检测数据实时返回并分析。采用这种策略，在后续的埋地管道检测中，只需携带集成的设备，即可实现埋地管道的快速检测，极大地减小了埋地管道的检修成本。

图6 基于一发一收式T(0,1)波压电环形阵列的埋地管道结构健康监测方法示意

4 结语

基于压电材料不同变形模式激发与接收基频扭转导波T(0,1)的特点，设计了一种一发一收式T(0,1)波压电环形阵列，用于埋地管道的长距离结构健康监测。其中，d15模式的压电圆环用于T(0,1)

波的激发，d24模式的压电圆环用于T(0,1)波的接收。试验测量了换能器激发T(0,1)波的信噪比以及T(0,1)波在不同涂层埋地管道中的衰减率，评估了换能器检测埋地管道的能力。结果表明，设计的换能器成功地在埋地管道中激发出了高信噪比的T(0,1)波。对于不同涂层的埋地管道，T(0,1)波的衰减率差异较大，但衰减率都随着激励频率的上升而增大。设计的换能器探测环氧涂层埋地管道的距离超过60 m，探测沥青涂层埋地管道的距离超过20 m。这种组合变形机制的一发一收式压电换能器极大地提升了超声导波检测埋地管道的能力，在埋地管道的长距离结构健康监测中具有很好的应用前景。