基于导波理论的市政管道缺陷检测的反射试验研究

陈桂凤，刘晓晴，张鑫远，赵乃志

(扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127)

1 概 述

管道是石油、天然气、化学和水运输行业中主要的基础设施。为了准确有效地对管道进行有计划的维护和更换操作，在管道检查过程中能够准确地判定管道的健康状态就变得十分重要。当前对管道缺陷进行健康检测的方法有很多种，但是都有各自的缺陷(比如损伤识分辨率低)。超声导波在无损检测领域是一种新兴技术，由于其在理论和实践上的不断发展，在管道检测领域越来越体现出广泛的适用性应用前景。

导波传播与管道中的缺陷的相互作用产生的反射信号包括大量与缺陷有关的信息。该信息可以指示缺陷的存在、位置、严重性或其他特征。更好地理解导波反射的细节能有助于表征缺陷的这些特征。因此，本文旨在在现有研究成果的基础上，通过进一步的试验来研究此问题，以发现新的基本规律，从而使准确、定量地研究管道缺陷成为可能。

2 试验装置

为了识别边缘反射信号的特征并揭示边缘反射与缺陷几何参数之间的关系，对外径为34 mm，壁厚为4 mm，长度为2 030 mm的三种钢管进行了试验。

在每根管道上制作一个人工缺口作为缺陷，它具有指定的轴向和周向范围以及径向深度，如图1所示。在试验过程中，使用铣削机将这三个参数的值逐渐增加到模拟不同大小或严重程度的缺陷。

图1 管道缺陷的三维参数(轴向范围，径向长度和周向范围)示意图

激发频率采用经过汉宁窗函数调制的纵向L(0,2)模态的导波，因为它易于激发并且具有相对简单的声场。选择频率范围为100～240 kHz的频率是因为相应激发的L(0,2)模式几乎是非色散的，并且传播速度最快。如图2～3显示了所检查管道的相位和群速度色散曲线。在所选频率范围激发L(0,2)模式导波在一定程度上降低了前面讨论的信号复杂度。

图2 相速度频散曲线

图3 群速度频散曲线

图4是本次试验装置和仪器。一个由一定数量的压电换能器(PZT)组成的环粘结在管道的一端，以激励和接收导波数据。PZT由长度扩展型压电材料制成，并呈轴对称分布，因此，可确保仅激发预期的纵向模态，而抑制弯曲模态。通过任意信号发生器激发一个L(0,2)模态的五峰导波到所检测的管道中。

图4 试验装置

3 试验结果分析

对带有人工制造缺陷的管道进行了测试，其径向深度和圆周范围分别保持不变，轴向范围尺寸从3 mm逐渐增加到170 mm。在制造每个缺陷之后进行测试得到数据。制造缺陷时，接近传感器的每个前边缘保持不变，而到后边缘的轴向范围增加，如图5所示。

图5 管道缺陷的前边缘和后边缘的图示

从整个缺陷反射的信号主要包括两部分：来自缺陷前边缘入射波的反射过程的信号，来自更复杂的波相互作用过程的信号，其中包括穿过缺陷的前边缘的波的传输，从缺陷的后边缘的反射以及通过前边缘的反射波的第二次透射。在这里，将这两个部分称为“前边缘信号”和“后边缘信号”。前者主要取决于缺陷前边缘的几何轮廓，包括其深度和周长。后边缘信号的模式和能量与更多的因素有关，包括缺陷的两个边缘及其缺陷区域的几何轮廓。

两个边缘信号的不同特征会不可避免地导致反射的复杂性和直接评估缺陷的难度。应该注意的是，在缺陷的轴向范围相对于传播波的波长不敏感地较小的情况下，这两个主反射之后的混响信号对最终信号的影响可以忽略不计，因为它们几乎随着高阶因子衰减了。

由于前后信号都包含具有有关缺陷特征的不同特征的信息，因此，这两个信号的重叠使反射明显变得极为复杂。因此，提取两者然后在缺陷特征分析中进行单独或联合分析就很有必要。这种提取可以使复杂的反射问题分解为与边缘反射有关的几个相对简单的问题。边缘信号涉及较少的缺陷参数，因而比直接反射问题更容易分析。而且两个边缘信号可以提供更多独立且相关的缺陷信息。一旦识别出提取的信号，就可以根据波组速度和两者的时移，轻松而准确地得出与两个边缘反射之间的相对距离直接相关的缺陷信息。

通过扩展缺陷的轴向尺寸(至86 mm或170 mm)，能够在接收到的回波信号中识别出前沿信号，从而可以随着时间的推移清晰地观察到来自两个边缘的分离信号。利用该信号作为参考，可以简单地通过从收集的每个反射信号中减去参考来提取嵌入在不同轴向范围内的全反射中的后沿信号。从该过程中获得的结果显示在图6中，该图显示了所有后边缘信号中的周期数几乎保持恒定，并且振幅随轴向范围的变化而变化。由于缺陷两个边缘之间的混响，在每个信号的后部会出现少量噪声。

图6 接收到的缺陷前后边缘信号

后沿信号的幅度更加复杂，在不同的轴向范围内呈现出不同的变化趋势。图7示出了在这些不同程度的后边缘信号的反射系数谱的能量。Y坐标是反射后边缘信号的均方根(RMS)值，以公共前沿信号的RMS值作为归一化因子。

图7 轴向延伸缺陷与两个反射分量(前边缘信号和后边缘信号)之间的关系图

x坐标是175 kHz(31.157 mm)处入射波的轴向范围与波长之比。从图7(a)可以看出，由于缺陷的前边缘对后边缘信号的生成的影响，后边缘信号在x处从0到1.4的反射系数表现出大致的周期性变化。随着轴向范围的增加，后沿信号的反射系数呈现出如图7(b)所示的相对稳定的变化。这是因为在这些情况下，前边缘信号和后边缘信号在时间上是完全分离的，后者主要取决于缺陷后边缘的几何特征。此外，还应注意，前端信号的反射系数始终大于后端信号的反射系数。

将收集到的试验数据作为参考比较容易获得这些结果，即当缺陷的轴向范围足够长时，可以比较容易识别出前沿信号。在实际应用中，可以通过将基于数据分析的方法直接应用于采集的信号来实现边缘反射信息的提取。

4 结 论

本文研究了导波管道缺陷的前后边缘导波反射情况，并且特别研究了管道缺陷的几何参数对每个边缘反射信号的相应影响。结果表明，缺陷反射信号的复杂性是由具有不同特征的反射边缘信号之间的重叠引起的。本文考虑的缺口型缺陷涉及缺陷区域和管壁边界处的横截面积的两个明显变化，因此，可以自然地将前端信号和后端信号识别为全反射的主要成分用来提取信号进行缺陷表征。

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