超声导波在管道缺陷成像中的发展与挑战

卫小龙， 杜国锋， 袁洪强， 张丹富， 马 骐

(1.长江大学石油工程学院， 武汉 430100； 2.长江大学城市建设学院， 荆州 434020)

长输管道具有高效、便捷、环保等特点，已成为与航空、水运、铁路、公路并行的五大运输手段之一，被广泛应用于石油、天然气、煤气、水、核电站等运输的各个方面，是国民经济发展的大动脉，是改善人民生活、维护社会稳定、加强国防建设的基本条件。输送管道大多埋置在地下或者水中，服役环境复杂，由于落实冲击、地震、人工扰动(如建筑施工、基坑开挖)等极易引起管道破坏，造成泄露，从而给经济、环境和人身安全带来不可挽回的重大损失。保证管道的质量是确保其安全运营的前提，金属管道缺陷检测是保证管道质量的重要技术措施之一，它不仅可以保证管道的安全运营，而且还可以延长管道的使用寿命。无损检测的方法种类繁多，然而导波作为一种无损检测与评价技术，以其具有长距离、大范围、效率高等优势而备受关注。随着研究人员对导波传播机理和激励接收方法的深入研究，导波检测技术在管道结构健康监测与评价方面得到了广泛应用。

管道导波理论是在19世纪末的柱面导波传播理论基础上展开的，Pochammer[1]和Chree[2]最早研究了自由棒中的导波传播。随后Davies[3]、Pao等[4]、Onoe等[5]、Meeker等[6]在此基础上研究了纵向模态和扭转模态的频散曲线以及群速度的求解。1959年，Gazis[7-8]在前人研究基础上，通过数值模拟给出了纵向模态和扭转模态频散方程的通解以及频散曲线。1963年，Fitch[9]在实验中激励了最低阶的四个对称和不对称模态的导波，测得群速度的实验值，验证了Gazis的结论。直至20世纪70年代，Mohr等[10]、Silk等[11]分别首次采用电磁式和压电式传感器对管道横向和纵向缺陷成功进行了检测。自此，开始了管道缺陷检测的新篇章。

1 管道导波的传播模态

常用于空心圆柱缺陷检测的超声导波有三种：沿圆柱轴向方向传播的纵向导波、沿圆柱周向方向传播的周向导波和沿圆柱表面传播的表面波。

纵向导波按照声源质点的振动形式不同，可以分成三种模态，即纵向模态(L模态)、扭转模态(T模态)和弯曲模态(F模态)，如图 1所示。其主要用于管道轴向的长距离检测。文献[12-14]、Filleter等[15]、何存富等[16]、Ma等[17]分别利用纵向模态L(0，2)、低阶T(0,1)模态，对管中轴向切槽、裂纹缺陷的反射特征进行研究以及小径厚壁管内外壁轴向缺陷的检测和定位。

周向导波按传感器偏振方向的不同可以分为两类：周向类Lamb波和周向SH波，如图2所示。周向导波由于其传播路径闭合，适用于检测管道周向缺陷。Qu等[18]、何存富等[19]研究了圆管中周向导波的频散特性和轴向缺陷的检测。表面波可以在不规则构件表面传播，不发生反射，传播距离远，衰减较小，表面波传播和质点振动如图3所示，因此适合大型复杂厚壁结构的超声检测。

图1 不同纵向导波模态

图2 不同周向导波模态

20世纪90年代，是导波技术快速发展的阶段，Rose等[20]提出管道导波检测的一般原则，Hayashi等[21]在2005年提出了合成聚焦技术的缺陷成像方法，随后Mu等[22]在2008年发展了导波相控阵聚焦技术，并实现了对管道包覆层的检测，Deng等[23]将时间反转聚焦技术应用于管道检测中。然而，针对损伤识别和结构健康监测来说，管道缺陷成像技术作为研究对象相对较少。在SCI(Science Citation Index)数据库进行文献搜索，以“pipeline”“guided wave”“weld defect”为关键词，近些年的研究成果如图4所示。可以看出，只有近三年管道缺陷成像技术的研究成果才呈递增趋势，但数量仍较少。经过调研大量文献，梳理、分析、总结导波在管道缺陷成像中的发展以及面临的挑战，方便后续研究人员开展工作。

图3 表面波示意图

图4 SCI数据库中近年来管道缺陷成像技术研究成果

2 管道导波的损伤成像技术

管道损伤识别属于典型的逆过程，逆过程推理的解是模糊的。就同一信号而言，解释的结论可能并非唯一，原因在于管道缺陷可能是由多种因素共同作用的结果，这种不确定性使得逆向推导极具挑战，因此能直观反映管道损伤特征的成像技术成为了超声导波结构健康监测领域的研究热点。超声导波成像技术是对管道中收集的信号进行处理，可以更加直观地通过图像表征损伤信息，将损伤可视化。基于管道中传感器阵列的分布，分为稀疏阵列和密集阵列。近年来研究人员提出的相控阵成像方法属于密集阵列导波成像；时间反转成像方法、层析成像方法、偏移成像方法、延迟叠加成像方法属于稀疏阵列导波成像。

2.1 相控阵成像方法

相控阵成像是通过激励时间的延迟、相位的叠加来控制波束的偏移和聚焦。该方法通过损伤信号的相干叠加从而提高导波信号的信噪比，不改变阵列的位置即可扫描整个监测区域。1906年,Karl首先提出相控阵的概念[24]，Sergei在Lamb波信号检测的的基础上，于1935年提出“超声波相机”，为相控阵成像埋下了伏笔[25]。20世纪90年代，是导波技术快速发展的第二阶段，伴随着信息技术的崛起，成像方法日益完善。研究人员引入延时和相控技术，实现导波聚焦、信噪比的提升。1995年，Demol等[26]对比同向激励和相控激励两种方式，结果表明相控激励可大大提高模态信号。美国南卡罗莱纳大学的文献[27-29]首次提出嵌入式超声导波用于无损评估(NDE)和结构健康监测。从算法的一般概念入手，讨论了用相控阵生成Lamb波的详细信息、群速度散射曲线、最佳激励频率以及波前全向性。其次介绍了超声导波在概念验证中的实现，描述了相控阵的构造，说明了检测相控阵宽边和反边裂纹的方法。最终实现视觉互动，且能够达到很高的检测精度。随后其团队基于压电晶片主动传感器(PWAS)相控阵列，利用信号处理的方法，采用离散小波变换去噪、空间域傅里叶变换进一步提高相控阵成像质量。Wilcox等[30]基于圆环全向相控阵，结合反卷积处理相位叠加算法，成功抑制相控阵旁瓣，实现0～360°各向损伤检测。Ambrozin等[31]、Marchi等[32]和Kim等[33]针对导波在结构中波束成型的问题，进行了波束优化，提出了一种通用的波束成形算法。Malinowski等[34]在结构中布置多个线型相控阵列，每个相控阵都独立作用，并根据波束形成过程生成扫描图件。这些图由时间信号(传输到空间域)组成，表示损坏信号与完整信号之间的差异。利用开发的算法来连接四个图像，通过信号处理算法修改得出最终图，以更精确地指示损坏区域，提高了损伤诊断结果的准确性。罗更生等[35]针对大曲率油气管道缺陷是目前难以攻克的难题，利用有限元方法分析，通过L(0, 2)模态和T(0,1)模态导波的传播，采用相控阵技术，提出了对于大曲率对焊弯管缺陷的相控阵超声导波成像方法。

结合相控阵的超声导波检测技术主要通过导波相控激励、分区接收、阵列排布以及后期不同的信号处理方法来丰富导波检测手段，提高导波信号冗余度，增大缺陷检出成像概率。相控阵成像方法运用手段多，传感网络密度高，精度高。然而算法较复杂，计算难度较大，而且根据相控阵列的排布对构件环境要求高，所以适用于相对较简单构件。

2.2 时间反转成像方法

时间反转法是由光学相位共轭法演变而成的一种自适应聚焦方法。将空间不同位置传感器接收的激励信号，按照时间逆过程重新加载在换能器上，从而形成聚焦效应。利用此原理，控制聚焦条件和时间参数，使同损伤信号的相关模态响应叠加增强，从而提高损伤信号的信噪比。1989年法国Fink教授于首次提出，将光学中相位共轭原理应用到超声领域。而直至1992年，超声时间反转法才被法国巴黎第七大学的Wu等[36]正式提出，并对时间反转自适应聚焦、实现非均匀介质的时空匹配滤波做了大量工作。随后，随着研究的深入，Watkins等[37]、Liu等[38]、Sohn等[39]改进了时间反转法，从传感器的激励接收模式、多通道时间反转聚焦、非线性损伤的反转信号重构等方面进行了重新设计。2003年，Lehman等[40]开发的新理论基于传感器系统的广义多静态数据矩阵的奇异值分解,派生了一种通用的多信号分类算法，该算法允许对来自任意传感器阵列几何形状的分辨良好和非分辨良好的点目标进行超分辨率成像。利用多静态数据矩阵的奇异矢量定义的散射体和噪声子空间的正交特性来形成散射体图像。在两个垂直偏移剖面上，计算机模拟对时间反转算法进行了测试和验证，结果与“经典”反向传播和场聚焦相比，这种新算法组合具有高对比度，高分辨率成像功能。

然而在实际工况中，研究人员难以获取健康状态下的基准信号，因此，无基准信号的导波检测方法成为近些年来研究的热点。Xu等[41]基于瑞利的精确解，通过开发用于分析与PWAS相关的导波时间反转的理论模型来解决此问题。该理论模型首先用于预测单模导波的存在，然后数值研究单模和双模导波的时间反转行为，强调了单模调谐在时间反转损坏检测应用中的优势，通过实验研究验证了提出的理论模型的有效性。此外，提出了一种用于判断Lamb波时间反转不变性的相似性度量。研究表明在一定条件下，使用PWAS调谐的单模Lamb波可以大大提高时间反转损伤检测的有效性，在无基准信号的前提下检测损伤类型。Hyun等[42]开发了一种基于小波的信号处理技术来增强时间可逆性，通过使用时间反转方法成功地重构了压电(PZT)贴片上的输入信号。这项研究的最终目标是开发一种基于时间反转过程的无参考损伤诊断技术，从而可以在不依赖任何过去基准数据的情况下识别缺陷。除此之外，科研人员还采用多种方法相结合，Lucena等[43]提出将时间反转法和光谱元素法相结合的结构损伤检测新方法，尽管该方法是通过数值模拟进行评估的，但是数值建模和时间反转信号处理的结合可以作为一种实验方法来应用，以便损伤检测。

时间反转法的主要目的是抑制导波频散，使各个模态在时间、空间上聚焦，最终实现能量在声源位置信号重构。其算法相对简单，适用于大面积构件，而精度较相控阵稍低，多数情况需要基准信号进行对比。

2.3 层析成像法

超声导波层析成像技术源于医学CT，只是传播介质由X射线变为导波。其原理是利用多源发射和多源接收的方式，当导波遇到损伤时传播速度发生改变，通过求解传播路程、慢度、到达时间等参数对损伤情况进行评价，来实现区域图像的重构。20世纪80年代末期，利用计算机自动数据采集以及滤波反投影技术，开始了缺陷成像研究。而管道缺陷成像起步稍晚，1999年Hildebrand等[44]克服了管道绝缘层的影响，对管道结构中的损伤缺陷识别定位。Breon等[45]利用导波厚度测量层析成像方法在管道关键区域进行结构健康监测，创新性地提出概率重建算法。该算法能够快速、有效地重构出结构中的损伤图像。蔡海潮[46]在此基础上分析了双曲线反投影重建成像和概率重建成像的原理。提出利用全时域信息来刻画信号特征，结合信号差系数的概念，不仅可定位管道损伤位置，而且可以快速获得被测缺陷图像，并在成像算法中引入可变参数β值来调节改善成像质量。袁琪楠[47]则通过对比参考信号和损伤信号的差异，提出了相关性RAPID(快速)层析成像技术的相控阵超声导波管道监测算法，从信号差异提取和相互差异重建两方面，利用数值模拟和实验验证并分析了算法在不同缺陷尺寸和缺陷位置时成像效果。Leonard等[48]使用多次频率扫描，通过一种频率步行排序的算法实现了正确的模态遴选。每种模态都有不同的贯穿厚度位移值，因此每种模态都对不同类型的缺陷敏感，从多模态分析中获得的信息可以增进对被检材料结构完整性的理解。Wright等[49]、Malyarenko等[50]、Hay等[51]利用扇束扫描方式和信号差分实现成像。然而在常规的标准平行投影、扇形波束投影和十字交叉投影等方法中，Leonard等[52]发现十字交叉投影适用范围最广，且不受构件几何形状的限制。随后该团队通过识别不同类型损伤，提出了多模态层析成像方法有效提高损伤成像的可靠性。王强等[53]采用信号差分，改进传统的 RAPID 层析成像技术，提出了十字正交扫描方法来监测裂纹的方向，实现对缺陷层析成像图的重构。

层析成像法主要通过布置在被检区的传感器识别损伤处的导波波速、能量、模态的特征变化，进行图像重构。其成像精度高，但传感密度要求也高，所以其精度严重依赖于传感路径的数量，不适用于大面积结构，在结构热点区域应用较多，工程应用具有局限性。

2.4 偏移成像法

超声导波偏移成像方法来源于地质勘探，使用了波前、绕射等波传播的惠更斯原理实现地质结构成像，后扩展至结构健康监测。由美国北卡罗来纳州立大学的Yuan等提出，该方法将损伤视为波源，通过计算信号的回传时间，可反演重建损伤散射的声场，进行损伤成像。其领导的团队对该成像方法进行了大量研究[54-58]。早期提出的方法基于叠后逆时偏移技术，因其精度不够，又提出了一种叠前逆时偏移方法，但主要用于检测板中的损伤。此外，严刚等[59]针对多类型损伤以及实时监测，推导了弥散性弯曲波频率-波数域的快速偏移方法。大大提高了计算速度，以满足在线损伤识别和监测的要求。张晓丹等[60]采用基于提升构架的整数小波变换的多级树集合分裂图像编码方法，降低逆时偏移计算时的内存占有量，解决了在不影响成像精度的情况下，缩短逆时偏移的计算时间。

偏移成像法在地球物理、地质勘探中应用广泛，是一种成熟的方法，而目前在管道结构监测领域研究成果较少。然而其传感网络稀疏，算法简单，可用于多损伤监测，同时还适用于简单和复杂构件，这些优点是不容忽视的。因此该方法研究内容值得后续研究人员借鉴，用于管道导波的损伤成像。

2.5 延迟叠加成像方法

延迟叠加成像方法和椭圆定位法或双曲线定位法类似，区别在于是否需要提取损伤散射信号的时间。该方法主要采用对成像区域逐点聚焦。根据波速计算损伤路径时间，得到该点的能量值，再归一化映射到图像中得到相应的成像结果，成像中能量较大的亮点为缺陷位置。美国佐治亚理工学院的Michiaels等[61-65]领导的团队提出了一种多频率综合的诊断成像方法，监视这些滤波信号随时间的变化，以检测并定位损伤。将时移平均算法应用于多频率过滤的差分信号，从而得到相同结构状态的多张图像，并将这些图像融合以改善损伤定位和背景噪声。分析单个图像和融合图像以量化其定位缺陷的能力。结果显示了成像方法的有效性以及图像融合带来的显着改善。随后，通过局部时间相干性的损失与最佳基线选择过程的结合，证明损伤检测是有效的。并且应用于残余信号的延迟和成像方法既可以对损伤进行定位，又可以提供特征信息。此外该团队还研究了温度、应力等环境变化对延迟叠加诊断成像结果的影响，取得较好的效果。文献[66-67]根据频域中建立的导波传感模型，按宽带激和窄带激励两种方式，在频散补偿方法的基础上，结合延迟叠加算法，实现了高分辨率损伤成像方法。紧接着为了减小接收信号对不同位置监测灵敏度的差异，引入衰减补偿因子，达到了有效识别多损伤的目的。

延迟叠加成像法是一种行之有效的检测方法，传感网络稀疏，算法简单，适用于大面积构件，且由于可抑制多波峰对检测结果的影响，使之适用于复杂的多损伤识别。然而其假设每一点均为潜在的损伤点，计算损伤散射路径时间，因此需提前已知传播模态及其群速度。

3 缺陷检测成像技术的机遇与挑战

在上述5种方法中，每种方法各有其优缺点。在密集阵列导波成像方法中，导波相控阵成像方法传感网络密度要求高，检测精度高，但其算法复杂，适用于简单构件。而在稀疏阵列导波成像方法中时间反转法和层析成像法精度也较高，不过其工程应用具有局限性，适用于结构热点区域；偏移和延迟叠加成像方法算法应用简单，传感网络密度稀疏，应用于大面积及复杂结构，前提是需要了解其传播模态及群速度。

随着信息技术的发展，导波缺陷检测成像技术日益完善。然而超声导波的多模态、频散特征和焊接结构的复杂性，提高了缺陷检测成像技术的难度。目前仍存在一些问题亟待解决。

(1)去除频散效应，提高信噪比、追求高精度的缺陷成像，是导波成像方法追求的目标。同时，除了目前已实现的损伤定位，损伤的严重程度以及形状定量化分析也有待研究人员进一步探索。

(2)导波成像算法有待完善。当考虑到管道包覆层、运输介质、管道支架等影响因素时，就需要相应的信号处理算法来补偿其带来的变化，因此算法中考虑的影响因素应更加全面，这是导波成像技术能够在现场实际应用的重要保障。

(3)导波成像方法需要克服复杂多变的监测环境。在实验室条件下，目前可以实现准确成像，但考虑到管道服役环境的多样性、时变性，需要统筹压力、温度、湿度、机械振动、辐射等因素对超声信号的影响，研究人员可以从环境参数补偿、概率统计等方面深入研究。

(4)当检测多个分散的缺陷时，导波穿过局部区域的缺陷，图像重构质量会下降。要达到一次检测同时兼顾多种缺陷、完整成像，这对研究人员在传感器配置、数据采集、分析处理等方面提出了更高的挑战。

(5)导波成像方法多数采用线性导波特征参数，对结构的疲劳损伤不敏感。在构件的全寿命周期中，不得不考虑中后期构件疲劳过程中产生的裂纹以及微裂纹的扩展。因此从非线性超声检测技术出发，考虑导波成像也是一种新的途径。