專利名稱：一種對(duì)帶粘彈性包覆層充液管道導(dǎo)波檢測(cè)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶粘彈性包覆層充液管道導(dǎo)波檢測(cè)的方法，利用激勵(lì)頻率控制在縱向模態(tài)的衰減低于6dB/m，群速度隨頻率變化率的絕對(duì)值低于0.0003m的范圍內(nèi)，采樣率為50MHz的激勵(lì)信號(hào)的6dB帶寬控制小于單個(gè)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支之一的帶寬的單一軸對(duì)稱超聲導(dǎo)波未受干擾的L(0，2)模態(tài)的分支部分進(jìn)行帶粘彈性包覆層充液管道無(wú)損檢測(cè)的方法，屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，利用超聲導(dǎo)波進(jìn)行管道缺陷檢測(cè)的研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展。但目前主要用于單層管道、充液管道和帶包覆層管道的缺陷檢測(cè)，在選擇超聲導(dǎo)波檢測(cè)管道時(shí)，通常只考慮模態(tài)頻散大小，或只考慮波的衰減。然而，由于在工程實(shí)際中，在化工、熱電、供水及供熱等廠礦中常用來(lái)輸送化工產(chǎn)品、水等液體介質(zhì)。管內(nèi)介質(zhì)的腐蝕沖刷使管壁減薄，而管壁長(zhǎng)期裸露易受到潮濕空氣、土壤的腐蝕或外界損傷，引起管路泄漏和爆管事故，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。為了保護(hù)管道不受腐蝕或外力損傷，以保障管路運(yùn)行安全和延長(zhǎng)管道使用壽命，在管道內(nèi)外壁常附著一層粘彈性包覆層。但由于粘彈性包覆層、管內(nèi)液體的存在，使得常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法如超聲、渦流、磁粉和射線等無(wú)法快速有效地對(duì)這些在役的長(zhǎng)距離帶粘彈性包覆層充液管道進(jìn)行缺陷檢測(cè)。
與單層管道等結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的管道相比，帶粘彈性包覆層充液管道中超聲導(dǎo)波的傳播特性更加復(fù)雜，選取合適超聲導(dǎo)波模態(tài)用于該類管道的缺陷檢測(cè)顯得十分重要。劉增華等在2006年42卷3期《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》中發(fā)表了一篇關(guān)于超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)在充液管道中傳播特性研究的文章。主要研究了充液管道中縱向模態(tài)的傳播特性，對(duì)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分的檢測(cè)能力進(jìn)行了分析，并利用長(zhǎng)度伸縮型壓電陶瓷片激勵(lì)和接收換能器。但沒(méi)有給出適合管道缺陷的未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分的具體參數(shù)，并且當(dāng)管道出現(xiàn)粘彈性包覆層時(shí)，適合檢測(cè)的未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分的頻帶和衰減也相應(yīng)發(fā)生了變化，適合檢測(cè)充液管道中缺陷的未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分并不一定適合帶粘彈性包覆層充液管道中的缺陷檢測(cè)。J.L.Barshinger在2002年的博士論文“Guided wave propagation in pipes with viscoelastic coatings”中研究了高階縱向模態(tài)的檢測(cè)帶粘彈性包覆層管道中缺陷的可能性，但其沒(méi)有對(duì)低頻L(0，2)模態(tài)的檢測(cè)能力進(jìn)行分析。目前，由于理論和實(shí)驗(yàn)分析困難，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)人對(duì)超聲導(dǎo)波模態(tài)之一縱向模態(tài)在帶粘彈性包覆層充液管道缺陷檢測(cè)進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究。當(dāng)粘彈性包覆層管道充液后，除了考慮縱向模態(tài)在傳播過(guò)程中部分能量被包覆層吸收后所引起的衰減，還需要考慮管中液體對(duì)縱向模態(tài)的部分能量吸收所產(chǎn)生的影響和對(duì)L(0，2)模態(tài)所產(chǎn)生的模態(tài)分支現(xiàn)象，由于模態(tài)分支現(xiàn)象，使得低頻的縱向模態(tài)傳播特性較為復(fù)雜，并且由于帶粘彈性包覆層充液管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接收到的縱向模態(tài)信號(hào)也較復(fù)雜，除此之外，在對(duì)管道進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)時(shí)，由于軸對(duì)稱模態(tài)從缺陷處反射回來(lái)時(shí)會(huì)產(chǎn)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，一些從缺陷處反射回來(lái)的轉(zhuǎn)換模態(tài)易被誤判為缺陷回波，給缺陷的數(shù)量和位置的識(shí)別帶來(lái)困難。因此，在對(duì)該類管道進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要選擇衰減和頻散小，傳播距離遠(yuǎn)，對(duì)管道中的缺陷檢測(cè)能力強(qiáng)的縱向模態(tài)，否則接收的波形復(fù)雜，難以分析，不能進(jìn)行長(zhǎng)距離檢測(cè)，對(duì)缺陷不敏感，并且需要采用有效方法消除模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象所產(chǎn)生的對(duì)缺陷數(shù)量和軸向位置定位的影響。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決粘彈性包覆層充液管道無(wú)法長(zhǎng)距離、快速、全面、在役無(wú)損檢測(cè)的現(xiàn)狀，為對(duì)帶粘彈性包覆層充液管道的健康狀況和使用壽命進(jìn)行評(píng)估，提出了一種帶粘彈性包覆層充液管道導(dǎo)波檢測(cè)的方法，基于對(duì)縱向模態(tài)的理論分析，選擇衰減低于6dB/m，群速度隨頻率變化率的絕對(duì)值低于0.0003m，采樣率為50MHz的激勵(lì)信號(hào)的6dB帶寬控制小于單個(gè)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支之一的帶寬的單一軸對(duì)稱超聲導(dǎo)波未受干擾的L(0，2)模態(tài)的分支部分對(duì)帶粘彈性包覆層充液管道內(nèi)外部裂紋和腐蝕等缺陷檢測(cè)。
本發(fā)明所采用的裝置參見(jiàn)圖1，包括長(zhǎng)度伸縮型壓電陶瓷環(huán)1、函數(shù)發(fā)生器2、功率放大器3、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)4、數(shù)字示波器6和計(jì)算機(jī)7等，由一組長(zhǎng)度伸縮型壓電陶瓷片并聯(lián)而成的壓電陶瓷環(huán)1安裝在帶粘彈性包覆層充液管道5上，和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)4相連接，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)4與數(shù)字示波器6和功率放大器3相連接，函數(shù)發(fā)生器2的輸出端和功率放大器3的輸入端連接，計(jì)算機(jī)7和數(shù)字示波器6連接。
本發(fā)明的對(duì)帶粘彈性包覆層充液管道導(dǎo)波檢測(cè)的方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的(1)如果粘彈性包覆層在管道外壁，則沿管道周向局部剝開(kāi)一圈粘彈性包覆層，在剝開(kāi)處周向均布多個(gè)長(zhǎng)度伸縮型壓電陶瓷片；如果粘彈性包覆層在管道內(nèi)壁，則將壓電陶瓷片直接均布在管道外壁。但粘彈性包覆層無(wú)論在內(nèi)層或外層，檢測(cè)方法一樣。壓電陶瓷片的長(zhǎng)度方向與管道軸線平行，極化方向沿壓電陶瓷片厚度方向，壓電陶瓷片的上下表面為電極。各壓電片并聯(lián)成一壓電陶瓷環(huán)1。該壓電陶瓷環(huán)1既作激勵(lì)換能器，又作接收換能器；(2)由函數(shù)發(fā)生器2產(chǎn)生一個(gè)中心頻率可調(diào)的窄帶脈沖，激勵(lì)頻率控制在縱向模態(tài)的衰減低于6dB/m，群速度隨頻率變化率的絕對(duì)值低于0.0003m，采樣率為50MHz的激勵(lì)信號(hào)的6dB帶寬控制小于單個(gè)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支之一的帶寬；(3)激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器3進(jìn)行功率放大；通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)4激勵(lì)壓電陶瓷環(huán)1，在帶粘彈性包覆層充液管道5中激勵(lì)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分；(4)激勵(lì)的未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分的信號(hào)在帶粘彈性包覆層充液管道5中傳播，經(jīng)缺陷和管道端部反射后，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)4，壓電陶瓷環(huán)1又接收信號(hào)，在數(shù)字示波器6顯示，并通過(guò)以太網(wǎng)端口存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)7；(5)在其他不變的條件下，改變窄帶脈沖的中心頻率，激勵(lì)同一未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分。該頻率控制在縱向模態(tài)的衰減低于6dB/m，群速度隨頻率變化率的絕對(duì)值低于0.0003m，采樣率為50MHz的激勵(lì)信號(hào)的6dB帶寬控制小于單個(gè)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支之一的帶寬。得到又一個(gè)時(shí)域波形；(6)對(duì)接收到的兩個(gè)頻率不同的信號(hào)中端面回波前的所有回波的時(shí)間位置進(jìn)行對(duì)比，如果一信號(hào)中回波的時(shí)間位置在另一信號(hào)中同樣的時(shí)間位置出現(xiàn)一回波，即可確定該回波為缺陷回波，如果一信號(hào)中回波的時(shí)間位置在另一信號(hào)中同樣的時(shí)間位置沒(méi)有出現(xiàn)，則可確定該回波為轉(zhuǎn)換模態(tài)，不予考慮。對(duì)于確定的缺陷回波，通過(guò)缺陷回波的傳播時(shí)間乘以未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分的群速度值，并除以2，即為帶粘彈性包覆層充液管道中缺陷距壓電陶瓷環(huán)1的軸向位置，從而確定缺陷的個(gè)數(shù)和軸向位置。
本發(fā)明的無(wú)損檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)原理為選取適合帶粘彈性包覆層充液管道缺陷檢測(cè)的縱向模態(tài)，需要從理論上分析縱向模態(tài)的頻散和衰減特性，以確定縱向模態(tài)的頻率范圍。該頻率范圍控制在衰減低于6dB/m，群速度隨頻率變化率的絕對(duì)值低于0.0003m，采樣率為50MHz的激勵(lì)信號(hào)的6dB帶寬控制小于單個(gè)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支之一的帶寬。
利用全局矩陣法，對(duì)帶粘彈性包覆層充液管道中縱向模態(tài)傳播特性分析，在此首先考慮粘彈性包覆層在管道外壁的情況。利用Navier方程得到縱向模態(tài)在粘彈性包覆層、空心管道和液體中傳播時(shí)應(yīng)力和位移表達(dá)式，然后根據(jù)應(yīng)力和位移邊界條件得到一組特征方程。
(1)粘彈性包覆層中應(yīng)力和位移表達(dá)式urv=[-α1A1H11(α1r)-α1A2H12(α1r)+B1kH11(β1r)+B2kH12(β1r)]ei(kz-ωt)uzv=[-kA1H01(α1r)-kA2H02(α1r)-B1β1H01(β1r)-B2β1H02(β1r)]ei(kz-ωt)---(1)]]>
σrrv=μ1A1[(k2-β12)H01(α1r)+2α1rH11(α1r)]+A2[(k2-β12)H02(α1r)+2α1rH12(α1r)]+B1[2kβ1H01(β1r)-2krH11(β1r)]+B2[2kβ1H02(β1r)-2krH12(β1r)]ei(kz-ωt)σrzv=μ1-2kα1A1H11(α1r)-2kα1A2H12(α1r)+B1(k2-β11)H11(β1r)+B2(k2-β12)H12(β1r)ei(kz-ωt)---(2)]]>(2)空心管道中應(yīng)力和位移表達(dá)式ur=[-α2A3H11(α2r)-α2A4H12(α2r)+B3kH11(β2r)+B4kH12(β2r)]ei(kz-ωt)uz=[-kA3H01(α2r)-kA4H02(α2r)-B3β2H01(β2r)-B4β2H02(β2r)]ei(kz-ωt)---(3)]]>σrrv=μ2A3[(k2-β22)H01(α2r)+2α2rH11(α2r)]+A4[(k2-β22)H02(α2r)+2α2rH12(α2r)]+B3[2kβ2H01(β2r)-2krH11(β2r)]+B4[2kβ1H02(β2r)-2krH12(β2r)]ei(kz-ωt)σrzv=μ1-2kα2A3H11(α2r)-2kα2A4H12(α2r)+B3(k2-β22)H11(β2r)+B4(k2-β22)H12(β2r)ei(kz-ωt)---(4)]]>(3)液體中應(yīng)力和位移表達(dá)式 σrrf=2μ3[12(k2-β32)J0(α3r)+α3rJ1(α3r)]A3+[-ikβ32J0(β3r)+ikβ3rJ1(β3r)]B5ei(kz-ωt)σrzf=μ3[-2ikα3J1(α3r)A5-(β32-k2)J1(β3r)B5]ei(kz-ωt)---(6)]]>
式中，A1，A2，A3，A4，A5，B1，B2，B3，B4和B5為待定系數(shù)；α12=ω2cL12-k2,]]>α22=ω2cL22-k2,]]>α32=ω2cL32-k2,]]>β12=ω2cT12-k2,]]>β22=ω2cT22-k2,]]>β32=ω2cT32-k2,]]>cT1、cT2和cT3分別為粘彈性包覆層、空心管道和液體的橫波波速；cL1、cL2和cL3分別為粘彈性包覆層、空心管道和液體的縱波波速；μ1、μ2和μ3分別為粘彈性包覆層、空心管道和液體的Lame常數(shù)；k為波數(shù)；H為Hankel函數(shù)；J為Bessel函數(shù)；r為半徑，z為軸向位置；ω為波的圓頻率。上標(biāo)f、v分別表示液體和粘彈性包覆層。
帶粘彈性包覆層充液管道中的應(yīng)力和位移邊界條件有(1)粘彈性包覆層外表面(r＝r1)(σrrv)r=r1=0(σrzv)r=r1=0---(6)]]>(2)管道和粘彈性包覆層的交界面(r＝r2)(ur)r=r2=(urv)r=r2(uz)r=r2=(uzv)r=r2(σrr)r=r2=(σrrv)r=r2(σrz)r=r2=(σrzv)r=r2---(7)]]>(3)管道和液體的交界面(r＝r3)(ur)r=r3=(urf)r=r3(uz)r=r3=(uzf)r=r3(σrr)r=r3=(σrrf)r=r3(σrz)r=r3=(σrzf)r=r3---(8)]]>利用以上位移與應(yīng)力連續(xù)條件建立一組特征方程，方程的矩陣形式為
D11D12D13D14000000D21D22D23D24000000D31D32D33D34D35D36D37D3800D41D42D43D44D45D46D47D4800D51D52D53D54D55D56D57D5800D61D62D63D64D65D66D67D68000000D75D76D77D78D79D7(10)0000D85D86D87D88D89D8(10)0000D95D96D97D98D99D9(10)0000D(10)5D(10)6D(10)7D(10)8D(10)9D(10)(10)A1A2B1B2A3A4B3B4A5B5=0---(9)]]>為使式(9)有非零解，其系數(shù)行列式必須為零。即D11D12D13D14000000D21D22D23D24000000D31D32D33D34D35D36D37D3800D41D42D43D44D45D46D47D4800D51D52D53D54D55D56D57D5800D61D62D63D64D65D66D67D68000000D75D76D77D78D79D7(10)0000D85D86D87D88D89D8(10)0000D95D96D97D98D99D9(10)0000D(10)5D(10)6D(10)7D(10)8D(10)9D(10)(10)=0---(10)]]>上式為帶粘彈性包覆層充液體管道中縱向模態(tài)的頻散方程。方程中行列式的各項(xiàng)具體表達(dá)式見(jiàn)附錄。當(dāng)液體為非粘性流動(dòng)介質(zhì)時(shí)，頻散方程縮減為9×9的行列式。
當(dāng)將式(10)中的粘彈性層和單層管道所有參數(shù)對(duì)調(diào)一下，即可得到粘彈性包覆層在單層管道內(nèi)壁時(shí)帶粘彈性包覆層充液管道中縱向模態(tài)的頻散方程。
式(10)適用于粘彈性包覆層在單層管道內(nèi)壁或外壁時(shí)的情況。帶粘彈性包覆層充液管道如圖2所示。圖2(a)為粘彈性包覆層8在外，單層管道9在內(nèi)，液體10在單層管道9內(nèi)的帶粘彈性包覆層充液管道。圖2(b)為粘彈性包覆層8在內(nèi)，單層管道9在外，液體10在粘彈性包覆層8內(nèi)的帶粘彈性包覆層充液管道。
本發(fā)明采用了以上的技術(shù)方案，達(dá)到了以下效果(1)可以對(duì)帶粘彈性包覆層充液管道進(jìn)行長(zhǎng)距離檢測(cè)，并能進(jìn)行在役檢測(cè)；(2)只需在一處安裝換能器即可對(duì)一段較長(zhǎng)距離的帶粘彈性包覆層充液管道整個(gè)截面進(jìn)行全面檢測(cè)，檢測(cè)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。
圖1檢測(cè)裝置原理圖；圖2帶粘彈性包覆層充液管道示意圖；圖3帶有環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管中扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻散曲線；圖4帶環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管中的缺陷軸向位置示意圖；圖5缺陷截面示意圖；圖6激勵(lì)信號(hào)圖；圖7頻率105kHz時(shí)，在環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管中接收到的波形圖；圖8頻率120kHz時(shí)，在環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管中接收到的波形圖；圖中，1、壓電陶瓷環(huán)，2、函數(shù)發(fā)生器，3、功率放大器，4、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，5、帶粘彈性包覆層充液管道，6、數(shù)字示波器，7、計(jì)算機(jī)，8、粘彈性包覆層，9、單層管道，10、液體，11、周向缺陷，12、帶環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管，13、環(huán)氧樹(shù)脂層，14、鋼管，15、水，16、第一回波，17、第二回波，18、第三回波，19、第四回波，20、第五回波，21、第六回波。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供一下實(shí)施例(1)將16片長(zhǎng)寬厚分別為20mm、4mm和0.5mm的長(zhǎng)度伸縮型壓電陶瓷片并聯(lián)組成一壓電陶瓷環(huán)1，周向均布在帶粘彈性包覆層充液管道5一端，長(zhǎng)度方向與管道軸線平行，極化方向沿壓電陶瓷片厚度方向，壓電陶瓷片的上下表面為電極。壓電陶瓷片的長(zhǎng)度方向與管道軸線平行，各壓電片并聯(lián)成一壓電陶瓷環(huán)1。該壓電陶瓷環(huán)1既作激勵(lì)換能器，又作接收換能器。本實(shí)施例中的帶粘彈性包覆層充液管道5為帶環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管12，長(zhǎng)4m，鋼管外直徑60mm，壁厚3.5mm，環(huán)氧樹(shù)脂平均厚0.24mm。鋼的縱波波速為5960m/s，橫波波速為3260m/s，縱波衰減和橫波衰減均為0，密度為7932kg/m3；環(huán)氧樹(shù)脂縱波波速為2532m/s，橫波波速為1114m/s，密度為1170kg/m3，縱波衰減為0.068np/wl，橫波衰減為0.17np/wl；水的縱波波速為1500m/s，橫波波速、縱波衰減和橫波衰減均為0，水的密度為1000kg/m3。
根據(jù)對(duì)式(10)的數(shù)值求解，圖3給出了上述參數(shù)的帶環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管12中縱向模態(tài)的頻散曲線。圖3(a)和圖3(b)分別為群速度和衰減頻散曲線。圖中各未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分的帶寬約在35-40kHz范圍內(nèi)變化。在頻帶0-0.5MHz，衰減低于6dB/m，群速度隨頻率變化率的絕對(duì)值低于0.0003m，適合帶環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管12中缺陷檢測(cè)的未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分的頻率范圍是93-128kHz，144-184kHz，205-245kHz，264-304kHz，319-363kHz，386-422kHz和446-483kHz。
在上述幾何及材料參數(shù)的帶環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管12中加工了一人工周向缺陷11，缺陷軸向位置如圖4。缺陷距帶環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管12一端(即壓電陶瓷環(huán)1安裝處)為3.77m。圖5給出了周向缺陷橫截面示意圖。其中，從外到內(nèi)分別為環(huán)氧樹(shù)脂層13，鋼管14和水15。周向缺陷11周向弦長(zhǎng)14mm，軸向?qū)?.1mm。其橫截面為整個(gè)管道橫截面的5.55％，為非穿透缺陷；(2)由函數(shù)發(fā)生器2產(chǎn)生一個(gè)中心頻率可調(diào)的窄帶脈沖，窄帶脈沖的類型、頻率、強(qiáng)度和脈沖間隔等都會(huì)對(duì)超聲導(dǎo)波產(chǎn)生影響。在本實(shí)施中，由函數(shù)發(fā)生器2產(chǎn)生峰峰值150mV的經(jīng)漢寧窗調(diào)制的20個(gè)震蕩周期的正弦信號(hào)，選擇的頻率有兩種105kHz和120kHz，這兩個(gè)頻率下激勵(lì)的縱向模態(tài)為同一未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分。這些窄帶脈沖激勵(lì)間隔均大于20ms。這兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)的頻率在縱向模態(tài)的衰減低于6dB/m，群速度隨頻率變化率的絕對(duì)值低于0.0003m，采樣率為50MHz的激勵(lì)信號(hào)的6dB帶寬控制小于單個(gè)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支之一的帶寬。采樣率為50MHz的頻率為120kHz單音頻信號(hào)如圖6所示，其中，時(shí)域波形為6(a)，頻域圖為6(b)，激勵(lì)信號(hào)的6dB帶寬約為12.5kHz；(3)激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器3進(jìn)行功率放大，峰峰值達(dá)到150V；通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)4激勵(lì)壓電陶瓷環(huán)1，在帶環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管12中激勵(lì)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分；
(4)激勵(lì)的縱向模態(tài)信號(hào)在帶環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管12中傳播，經(jīng)缺陷和管道端部反射后，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)4，壓電陶瓷環(huán)1又接收信號(hào)，在數(shù)字示波器6顯示，并通過(guò)以太網(wǎng)端口存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)7；(5)頻率105kHz時(shí)，在環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管12中接收到波形如圖7。頻率120kHz時(shí)，在環(huán)氧樹(shù)脂包覆層充水鋼管12中接收到波形如圖8。通過(guò)分析信號(hào)中的反射回波到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間，確定管道中周向缺陷11的軸向位置。由圖7可知，第三回波18為端面回波，在第三回波18前有第一回波16和第二回波17，由圖8可知，第四回波21為端面回波，在第四回波21前有第五回波19和第六回波20。第二回波17和第六回波20的時(shí)間位置相同，約為1.476ms。中心頻率為105kHz和120kHz時(shí)，未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分的群速度均約為3.130m/ms，根據(jù)波速乘以時(shí)間可以確定傳播的距離，可知時(shí)間1.142ms時(shí)得到缺陷的位置為3.786m，與周向缺陷11的實(shí)際距離相對(duì)誤差僅為0.4％。由于第二回波17在圖8中沒(méi)有出現(xiàn)，第六回波20在圖7中沒(méi)有出現(xiàn)，可以確定為轉(zhuǎn)換模態(tài)，不予考慮。從而確定缺陷的數(shù)量和軸向位置。
附錄D11=(k2-β12)H01(α1r1)+2α1r1H11(α1r1)]]>D12=(k2-β12)H02(α1r1)+2α1r1H12(α1r1)]]>D13=2kβ1H01(β1r1)-2kr1H11(β1r1)]]>D14=2kβ1H02(β1r1)-2kr1H12(β1r1)]]>D21=-2kα1H11(α1r1)]]>D22=-2kα1H12(α1r1)]]>D23=(k2-β12)H11(β1r1)]]>D24=(k2-β12)H12(β1r1)]]>
D31=μ1[(k2-β12)H01(α1r2)+2α1r2H11(α1r2)]]]>D32=μ1[(k2-β12)H02(α1r2)+2α1r2H12(α1r2)]]]>D33=μ1[2kβ1H01(β1r2)-2kr2H11(β1r2)]]]>D34=μ1[2kβ1H02(β1r2)-2kr2H12(β1r2)]]]>D35=-μ2[(k2-β22)H01(α2r2)+2α2r2H11(α2r2)]]]>D36=-μ2[(k2-β22)H02(α2r2)+2α2r2H12(α2r2)]]]>D37=-μ2[2kβ2H01(β2r2)-2kr2H11(β2r2)]]]>D38=-μ2[2kβ2H02(β2r2)-2kr2H12(β2r2)]]]>D41=-2kα1μ1H11(α1r2)]]>D42=-2kα1μ1H12(α1r2)]]>D43=μ1(k2-β12)H11(β1r2)]]>D44=μ1(k2-β12)H12(β1r2)]]>D45=2kα2μ2H11(α2r2)]]>D46=2kα2μ2H12(α2r2)]]>D47=-μ2(k2-β22)H11(β2r2)]]>D48=-μ2(k2-β22)H12(β2r2)]]>D51=-α1H11(α1r2)]]>D52=-α1H12(α1r2)]]>D53=kH11(β1r2)]]>D54=kH12(β1r2)]]>D55=α2H11(α2r2)]]>D56=α2H12(α2r2)]]>D57=-kH11(β2r2)]]>D58=-kH12(β2r2)]]>D61=-kH01(α1r2)]]>D62=-kH02(α1r2)]]>D63=-β1H01(β1r2)]]>D64=-β1H02(β1r2)]]>D65=kH01(α2r2)]]>D66=kH02(α2r2)]]>D67=β2H01(β2r2)]]>D68=β2H02(β2r2)]]>D75=μ2[(k2-β22)H01(α2r2)+2α2r1H11(α2r1)]]]>D76=μ2[(k2-β22)H02(α2r1)+2α2r1H12(α2r1)]]]>
D77=μ2[2kβ2H01(β2r1)-2kr1H11(β2r1)]]]>D78=μ2[2kβ2H02(β2r1)-2kr1H12(β2r1)]]]>D79=-2μ3[12(k2-β32)J0(α3r1)+α3rJ1(α3r1)]]]>D7(10)=-2μ3[-ikβ32J0(β3r1)+ikβ3r1J1(β3r1)]]]>D85=-2kα2μ2H11(α2r1)]]>D86=-2kα2μ2H12(α2r1)]]>D87=μ2(k2-β22)H11(β2r1)]]>D88=μ2(k2-β22)H12(β2r1)]]>D89＝2ikμ3α3J1(α3r1)D8(10)=(β32-k2)μ3J1(β3r1)]]>D95=-α2H11(α2r1)]]>D96=-α2H12(α2r1)]]>D97=kH11(β2r1)]]>D98=kH12(β2r1)]]>D99＝α3J1(α3r1)D9(10)＝ikβ3J1(β3r1)D(10)5=-kH01(α2r1)]]>D(10)6=-kH02(α2r1)]]>D(10)7=-β2H01(β2r1)]]>D(10)8=-β2H02(β2r1).]]>D(10)9＝-ikJ0(α3r1)D(10)(10)=-β32J0(β3r1)]]>
權(quán)利要求
1.一種對(duì)帶粘彈性包覆層充液管道導(dǎo)波檢測(cè)的方法，其特征在于檢測(cè)方法的步驟如下1)如果粘彈性包覆層在管道外壁，則沿管道周向局部剝開(kāi)一圈粘彈性包覆層，在剝開(kāi)處周向均布多個(gè)長(zhǎng)度伸縮型壓電陶瓷片；如果粘彈性包覆層在管道內(nèi)壁，則將壓電陶瓷片直接均布在管道外壁；壓電陶瓷片的長(zhǎng)度方向與管道軸線平行，極化方向沿壓電陶瓷片厚度方向，壓電陶瓷片的上下表面為電極；各壓電陶瓷片并聯(lián)成一壓電陶瓷環(huán)(1)，該壓電陶瓷環(huán)(1)既作激勵(lì)換能器，又作接收換能器；2)由函數(shù)發(fā)生器(2)產(chǎn)生一個(gè)中心頻率可調(diào)的窄帶脈沖，激勵(lì)頻率控制在縱向模態(tài)的衰減低于6dB/m，群速度隨頻率變化率的絕對(duì)值低于0.0003m，采樣率為50MHz的激勵(lì)信號(hào)的6dB帶寬控制小于單個(gè)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支之一的帶寬；3)激勵(lì)信號(hào)經(jīng)功率放大器(3)進(jìn)行功率放大；通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(4)激勵(lì)壓電陶瓷環(huán)(1)，在帶粘彈性包覆層充液管道(5)中激勵(lì)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分；4)激勵(lì)的未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分的信號(hào)在帶粘彈性包覆層充液管道(5)中傳播，經(jīng)缺陷和管道端部反射后，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(4)，壓電陶瓷環(huán)(1)又接收信號(hào)，在數(shù)字示波器(6)顯示，并通過(guò)以太網(wǎng)端口存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)(7)；5)在其他不變的條件下，改變窄帶脈沖的中心頻率，激勵(lì)同一未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分；該頻率控制在縱向模態(tài)的衰減低于6dB/m，群速度隨頻率變化率的絕對(duì)值低于0.0003m，采樣率為50MHz的激勵(lì)信號(hào)的6dB帶寬控制小于單一未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支的帶寬，得到又一個(gè)時(shí)域波形；6)對(duì)接收到的兩個(gè)頻率不同的信號(hào)中端面回波前的所有回波的時(shí)間位置進(jìn)行對(duì)比，如果一信號(hào)中回波的時(shí)間位置在另一信號(hào)中同樣的時(shí)間位置出現(xiàn)一回波，即可確定該回波為缺陷回波，如果一信號(hào)中回波的時(shí)間位置在另一信號(hào)中同樣的時(shí)間位置沒(méi)有出現(xiàn)，則可確定該回波為轉(zhuǎn)換模態(tài)，不予考慮；對(duì)于確定的缺陷回波，通過(guò)缺陷回波的傳播時(shí)間乘以未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支部分的群速度值，并除以2，即為帶粘彈性包覆層充液管道中缺陷距壓電陶瓷環(huán)(1)的軸向位置，從而確定缺陷的個(gè)數(shù)和軸向位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對(duì)帶粘彈性包覆層充液管道導(dǎo)波檢測(cè)的方法，屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。利用壓電換能器激勵(lì)比較單一的軸對(duì)稱超聲導(dǎo)波縱向模態(tài)用于帶粘彈性包覆層充液管道無(wú)損檢測(cè)的方法在管道外壁周向軸對(duì)稱放置一組長(zhǎng)度伸縮型壓電陶瓷片，激勵(lì)和接收衰減低于6dB/m，群速度隨頻率變化率的絕對(duì)值低于0.0003m，采樣率為50MHz的激勵(lì)信號(hào)的6dB帶寬控制小于單個(gè)未受干擾的L(0，2)模態(tài)分支之一的帶寬的單一軸對(duì)稱超聲導(dǎo)波未受干擾的L(0，2)模態(tài)的分支部分對(duì)帶粘彈性包覆層充液管道進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。本發(fā)明解決了帶粘彈性包覆層充液管道無(wú)法長(zhǎng)距離、快速、全面、在役無(wú)損檢測(cè)的現(xiàn)狀。
文檔編號(hào)G01N29/04GK1828288SQ20061007288
公開(kāi)日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月14日
發(fā)明者劉增華, 吳斌, 何存富, 王秀彥 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)