管道腐蝕缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)仿真研究-開題報(bào)告

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題目 管道腐蝕缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)仿真研究 專 業(yè) 名 稱 測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 填 表 日 期 20xx 年 4 月 9 日一 選題的依據(jù)及意義 截止到2012年上半年，我國(guó)建成的油氣管道總長(zhǎng)度約9.3萬千米。油氣管道投入使用的后期是事故的高發(fā)期，我國(guó)油氣管道己經(jīng)進(jìn)入老齡化，如果能夠?qū)艿肋M(jìn)行周期性檢測(cè)，對(duì)有腐蝕的管道采取加固或者更換的方法，可以有效延長(zhǎng)管道的使用年限。從上個(gè)世紀(jì)60年代，美國(guó)、英國(guó)等國(guó)對(duì)油氣管道檢測(cè)技術(shù)開啟了全面研究?，F(xiàn)在常用的管道無損檢測(cè)方法有:超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)、漏磁檢測(cè)和渦流檢測(cè)。漏磁檢測(cè)方法是先將管道磁化，然后用磁傳感器陣列檢測(cè)管道的磁通量，再判斷缺陷的腐蝕程度。超聲波檢測(cè)方法是利用管道內(nèi)檢測(cè)器的傳感器陣列發(fā)射接收信號(hào)，將信號(hào)存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，根據(jù)壁厚的變化，分析信號(hào)判斷缺陷的存在。但是上述兩種檢測(cè)方法在檢測(cè)原理上是移動(dòng)檢測(cè)探頭逐點(diǎn)掃描檢測(cè)管道腐蝕情況，而且不能對(duì)管道實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，現(xiàn)在的油氣管道大多數(shù)都有包覆層，或者是埋地管道，這些檢測(cè)方法需要在剝離包覆層將管道開挖，或者將檢測(cè)器放入管道內(nèi)之后才可以進(jìn)行檢測(cè)，這將極大地增加檢測(cè)的工程量、檢測(cè)費(fèi)用和檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，并且會(huì)降低檢測(cè)效率。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)是近年來才發(fā)展起來的管道無損檢測(cè)技術(shù)，與常規(guī)超聲波技術(shù)相比較，有很多優(yōu)勢(shì)。第一，在構(gòu)件一點(diǎn)激勵(lì)超聲導(dǎo)波，由于導(dǎo)波本身所具有的特性，它沿構(gòu)件傳播過程衰減很小，可以傳播很遠(yuǎn)距離，最遠(yuǎn)可達(dá)幾十米;第二，探頭接收到的信號(hào)中包含了有關(guān)激勵(lì)點(diǎn)和反射點(diǎn)間構(gòu)件整體性的信息，因此，超聲導(dǎo)波技術(shù)實(shí)際上檢測(cè)的是一條線，而不是一個(gè)點(diǎn)，這樣就克服了常規(guī)管道檢測(cè)方法逐點(diǎn)掃描的缺點(diǎn)，適合長(zhǎng)距離管道大范圍的缺陷檢測(cè)。第三，超聲導(dǎo)波可以在充液、帶保護(hù)層的管道中傳播，在管道運(yùn)行的狀態(tài)下也可以進(jìn)行檢測(cè)。由于超聲波頻率較低，檢測(cè)時(shí)不用禍合劑，也不用對(duì)放置探頭的管道表面作特殊處理，可大大降低檢測(cè)成木。第四，超聲導(dǎo)波在管狀波導(dǎo)中傳播時(shí)，在管的內(nèi)外表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，聲場(chǎng)遍及整個(gè)壁厚，這說明超聲導(dǎo)波檢測(cè)可同時(shí)檢測(cè)管道表面缺陷和管道內(nèi)部缺陷。利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行油氣管道檢測(cè)時(shí)具有快速、可靠、經(jīng)濟(jì)且不需要?jiǎng)冸x管道外保護(hù)層等優(yōu)點(diǎn)，是長(zhǎng)距離管道無損檢測(cè)前沿發(fā)展方向。因此，研究超聲導(dǎo)波技術(shù)在油氣管道缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用具有重要意義和發(fā)展前景。 ANSYS是世界上著名的大型有限元分析軟件, 具有完備的前、后處理功能, 強(qiáng)大的求解器以及多種方便而實(shí)用的二次開發(fā)技術(shù), 被廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造和土木工程等一般工業(yè)及科學(xué)研究。然而, 作為通用軟件不免在某些專業(yè)領(lǐng)域中有所欠缺,如不具備直接進(jìn)行彎管缺陷導(dǎo)波檢測(cè)數(shù)值模擬的功能。針對(duì)上述問題,提出采用ANSYS提供的二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行彎管缺陷導(dǎo)波檢測(cè)的數(shù)值模擬,為今后ANSYS在彎管導(dǎo)波檢測(cè)中的廣泛應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ),同時(shí)也為今后研制和開發(fā)大型檢測(cè)分析軟件提供了一條新的途徑。相對(duì)于實(shí)地的實(shí)驗(yàn)，仿真具有實(shí)驗(yàn)所沒有的優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)的成本比仿真來的大，周期都要比仿真來的長(zhǎng)。仿真可以在實(shí)驗(yàn)條件不足的情況下完成相關(guān)的研究，降低各種損耗。所以在實(shí)驗(yàn)不太方便進(jìn)行的情況下，仿真是一種不錯(cuò)的選擇。二 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）體波是指能夠在無限波導(dǎo)中傳播的波，而導(dǎo)波則是指由于波導(dǎo)邊界的存在而產(chǎn)生的波。根據(jù)介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波在介質(zhì)中的傳播方向是否相同，可以將波分為縱波和橫波，縱波和橫波以各自的傳播速度向前傳播而沒有發(fā)生波形禍合。使用波的頻率f歸類并且以人的可感覺頻率進(jìn)行分界，可以將聲波分為三類，依次為次聲波(f20Hz）、可聞聲波(20Hzf20kHz) 。超聲導(dǎo)波的理論和應(yīng)用在國(guó)外的研究都比較早。研究者們從二十世紀(jì)初開始對(duì)不同波導(dǎo)中傳播的彈性波進(jìn)行了理論分析，然后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，延伸到與實(shí)際管道接近的空心圓柱體的柱面導(dǎo)波的研究，最終應(yīng)用到無損檢測(cè)領(lǐng)域中。 H.Lamb1和J.Rayleigh2研究了在各向同性的板中自由狀態(tài)下的彈性波的傳播特性。D.C.Gazis3首先推導(dǎo)出壁厚和內(nèi)徑比越大，空心圓柱殼的解會(huì)越接近Lamb波的解，之后1959年D.C.Gazis4,5又對(duì)空心圓柱體中的波在三維上的傳播進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出兩種模態(tài)(縱向拉伸波和扭轉(zhuǎn)波)的理論模型。并通過數(shù)值計(jì)算，得到含有許多模態(tài)的頻散曲線及不同模態(tài)的截止頻率。M.V.Brook6等在管道一端施加法向載荷激勵(lì)脈沖，利用激勵(lì)出的軸向超聲導(dǎo)波對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，證明了用柱狀導(dǎo)波對(duì)管道進(jìn)行缺陷檢測(cè)的可行性。M.G.Silk和K.F.Bainton7利用壓電超聲探頭從熱交換管道的內(nèi)部激勵(lì)超聲導(dǎo)波，利用L(0,1)模式導(dǎo)波對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，這是由于和M.V.Brook不同的激勵(lì)方式造成的。Brook等于1990證明了軸對(duì)稱縱向?qū)Р碙(0,2)模態(tài)適用于管道檢測(cè)8。P.cawley和D.N.Anwyne進(jìn)步將超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到工廠中的在役管道9。 20世紀(jì)開始利用超聲導(dǎo)波對(duì)管道進(jìn)行缺陷檢測(cè)，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)在這方面做了很多研究。Ditri進(jìn)一步指出了導(dǎo)波中不同模態(tài)之間的特征，并且說明模態(tài)的特征和模態(tài)存在的數(shù)量以及模態(tài)的中心頻率有關(guān)10。Alleyne和Lowe等通過試驗(yàn)論證了縱向?qū)Рㄔ?0360kHz的頻率范圍內(nèi)群速度是最快的，而且頻散是最小的，并對(duì)空管道中的扭轉(zhuǎn)、彎曲和縱向模態(tài)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算11。D.N.Allwyne等提出L(0,2)模態(tài)，因?yàn)檫@個(gè)模態(tài)在一定的頻帶內(nèi)呈現(xiàn)非頻散特性，并且在很多模態(tài)中傳播速度最快12。1997年，美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)的Rose教授提出了內(nèi)插式錐型壓電傳感器進(jìn)行在管道內(nèi)激勵(lì)、接收導(dǎo)波的思路13。 由于管道彎頭處焊縫的出現(xiàn)導(dǎo)致檢測(cè)效率的降低，美國(guó)的Joseph L. Rose和Xiao Bang Zhao對(duì)管道彎頭處的缺陷進(jìn)行了研究20。 近年來，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)P.cawley和M.J.S.Lowe等人利用脈沖回波法激勵(lì)超聲波脈沖，并對(duì)由缺陷引起的回波信號(hào)進(jìn)行分析，通過回波幅值的大小判斷缺陷的程度，對(duì)導(dǎo)波回波信號(hào)提高信噪比運(yùn)用多種方法處理分析對(duì)比14,15,16,17。國(guó)外SiqueiraMH在2004年就是用小波處理信號(hào)提高信噪比18。Peter W.Tse2012年提出新的方法MP處理數(shù)據(jù)，不僅可以提高信噪比，而且可以直接準(zhǔn)確的判斷缺陷軸向位置19，但是這些方法的缺陷定位都需要有較高的專業(yè)水平才能從回波信號(hào)中獲得缺陷的信息。 國(guó)內(nèi)對(duì)超聲導(dǎo)波的研究起步較晚，雖然己經(jīng)掌握了管道腐蝕檢測(cè)技術(shù)，但在實(shí)際管道檢測(cè)中還處于起步階段，大多數(shù)在理論研究、傳感器和實(shí)驗(yàn)室研究階段，并且缺少較為專業(yè)的技術(shù)人員。徐可北分析了反射回波和傳播中支點(diǎn)振動(dòng)方向的關(guān)系21。劉振清綜述了國(guó)內(nèi)外的超聲波技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、新型超聲非接觸換能方法等無損檢測(cè)方法22,23。周正干、馮海偉24研究了導(dǎo)波在不同介質(zhì)和結(jié)構(gòu)中的頻散特性。他得安，劉振清25,26等提出如何選取導(dǎo)波的中心頻率，指出了導(dǎo)波的模態(tài)受到管道的直徑和壁厚影響。程載斌，王志華，馬宏偉等重點(diǎn)對(duì)應(yīng)力波在管道檢測(cè)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，他們通過用有限元軟件ANSYS對(duì)超聲縱向?qū)Р▽?duì)管道裂紋進(jìn)行檢測(cè)做了數(shù)值模擬，根據(jù)缺陷回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和反射系數(shù)的大小判斷缺陷的位置和大小程度27,28。劉鋒、馬宏偉對(duì)激勵(lì)信號(hào)的周期、頻率進(jìn)行研究，對(duì)雙裂紋和單裂紋進(jìn)行試驗(yàn)，以及能量反射率和能量透射率的研究29。焦敬品等對(duì)超聲導(dǎo)波在管道中的傳播特性，試驗(yàn)檢測(cè)方法以及數(shù)值模擬方面進(jìn)行了研究30。徐新生、郭杏林等討論了應(yīng)力波在檢測(cè)到缺陷時(shí)的反射和透射性質(zhì)，然后根據(jù)反射回波的時(shí)間和強(qiáng)度來判斷出缺陷所在的位置和大小，并且驗(yàn)證理論模型和方法在檢測(cè)中是有效的31。齊瑞才、郭杏林試驗(yàn)驗(yàn)證管道的周向缺陷、軸向缺陷以及點(diǎn)蝕缺陷對(duì)回波信號(hào)產(chǎn)生的影響32。姜秀娟、張文雍、徐鴻利用ANSYS軟件對(duì)管道的裂縫和焊縫進(jìn)行建模并仿真，對(duì)各種不同腐蝕程度的缺陷進(jìn)行回波研究分析得出波形和局部損失的關(guān)系，對(duì)所給出的所研究的材料物性泊松比、密度、彈性模量不同變化條件下33,34。何存富、劉增華等對(duì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)中的所用到的傳感器的特性，工作原理以及在有包覆層的管道、充水管道中各種導(dǎo)波不同模態(tài)的傳播特性進(jìn)行了研究分析。王智、何存富主要對(duì)采用分布式PZT傳感器在管道中如何激勵(lì)和接收導(dǎo)波，分布式可以抑制不同導(dǎo)波模態(tài)的波形，建立了一套實(shí)驗(yàn)裝置，并且利用這套實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，通過處理和分析反射回的信號(hào)幅值，達(dá)到對(duì)缺陷的識(shí)別和判斷缺陷位置35。何存富、李隆濤等對(duì)薄壁管道的周向?qū)РㄟM(jìn)行了重點(diǎn)研究，試驗(yàn)論證了激勵(lì)模態(tài)與斜探頭楔型角的關(guān)系，并且運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬研究周向?qū)Рㄔ诠艿乐械膫鞑ヌ匦?，并使用建立的超聲?dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)己加工出缺陷的試驗(yàn)管道進(jìn)行檢測(cè)，論證了周向?qū)Рz測(cè)的正確性。何存富、王秀彥等利用縱向?qū)Р↙(0,2)模態(tài)對(duì)90。彎管己加工的人工缺陷進(jìn)行超聲導(dǎo)波檢測(cè)試驗(yàn)。何存富，鄧菲重點(diǎn)研究使用時(shí)間反轉(zhuǎn)的處理方法對(duì)超聲導(dǎo)波進(jìn)行信號(hào)進(jìn)行研究、缺陷的參數(shù)識(shí)別和數(shù)值分析。吳斌對(duì)如何對(duì)導(dǎo)波回波信號(hào)進(jìn)行處理進(jìn)行了研究，可以更準(zhǔn)確的分析回波信號(hào)。國(guó)內(nèi)關(guān)于導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的模態(tài)頻率選擇激發(fā)、探頭環(huán)傳感器以及各種影響回波幅值因等多方面都進(jìn)行了研究，在檢測(cè)結(jié)果信號(hào)方面，主要研究如何提高信號(hào)比，而在使用何種方法表示缺陷可以提高缺陷的定位則比較少。三 研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案1 研究?jī)?nèi)容本課題主要采用ANSYS有限元數(shù)值分析模擬軟件對(duì)無腐蝕管道和有腐蝕管道進(jìn)行模擬。2 實(shí)驗(yàn)方案1建立實(shí)體模型，設(shè)置模型參數(shù)2. 劃分網(wǎng)絡(luò)以得到有限元模型3. 設(shè)定邊界條件4. 施加激勵(lì)以及載荷并進(jìn)行求解 5. 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，或者輸出四 目標(biāo)，主要特色及工作進(jìn)度1 研究目標(biāo)應(yīng)用超聲導(dǎo)波對(duì)管道的內(nèi)部腐蝕進(jìn)行檢測(cè)，通過仿真來探究其中的規(guī)律。2 主要特色利用仿真有著試驗(yàn)所沒有的優(yōu)勢(shì)，仿真可以在實(shí)驗(yàn)條件不足的情況下進(jìn)行研究，同時(shí)更能準(zhǔn)確的反應(yīng)出研究結(jié)果。3 工作進(jìn)度2015.3.92015.3.20 前期資料收集、調(diào)研2015.2.212015. 4.09 撰寫開題報(bào)告，開題 2015.4.062015.5. 1 建立模型、開展關(guān)于本課題的仿真研究2015.5.062015.6. 1 分析、整理數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)2015.6.062015.6.26 撰寫畢業(yè)論文、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯五參考文獻(xiàn)1 H.Lamb. On Waves in an elastic plateJ. Proe. Royal soc.London.1917.2 J. Rayleigh. The theory of Sound. VoI.and.Dover Publications, New York,19453 D. C. Gazis. Exact analysis of the plane-strain vibrations of thick-walled hollow cylindersJ.Journal of theAcoustical Society ofAmerica,1958,30:786-794.4 Denos C. Gazis .Three-Dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders. I .Analytical foundationJ. The Journal of the Acoustical Society of America 1959,31(5):568-5735 Denos C. Gazis.Three-Dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders. II .Numerical resultsJ. The Journal of the Acoustical Society of America,1959,31(5):573-5786 M. V. Brook, Ngoc T DK, EderJ E. Ultrasonic inspection of steam generator tubing by cylindrical guided wavesJ. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1980 9:243-2497 M. GSiIk, K. F. Bainton. The Propagation in metal tubing of ultrasonic wave modes equivalent to wavesJ.Ultrasonies.1979.17(1):11一198 M. Brook, T. D.K, Bgoc, J. Eder. Ultrasonics inspcetion of steam generator tubing by chemecal guided wavesJ. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation,1990,9:243-249.9 M. J. S. Lowe, D. N. Alleyne, P. Cawley. Mode conversion of guided waves by defects in pipes.Review of progress in Quantitative Nondestructive EvaluationJ,1997,16:1261一126810 J. J. Ditri, J. L. Rose. Excitation of guided wave modes in hollow cylinders by appliedsurface fractionsJ.J.Appl.Phys.1992,72(7):2589-259711 M.J.S. Lowed D.N.Alleyne, P. Cawley. The mode conversion of a guided wave by a part-circumferential notch in a pipeJ. Journal of Applied Mechanics,1998,65:649-65612 H E Kauza,B A Lerch.Preliminary investigation of acousto-ultrasonic evaluation of metal-matrix composite specimentsJ.Materials Evaluation,1991,49(5):607-612.13 RossR.J.,pellerinR.F. Nondestruetive Testing for Assessing Wood Members in Structures:A Review Gen.Tech.ReP.FPL-gtr-70(Rev).Madison, WI: USDA, Forest Service, Forest Products Laboratory,1994:4014 Joseph L.Rose.Recent Advances In Guided Wave NDEC.IEEE Ultrasonics Symposium,1998:851-85315 Alleyne D N,Pavlakovic B,Lowe M J S,et a1.Rapid,long range inspection of chemical plant pipework using guided waveJ.Advances in noddestructive Evaluation,2004,270:434-44116 C,Aristegui,M.J.S.Lowe,p.Cawley.Guided waves in fluid-filled pipes surrounded by different fluidsJ.Ultrasonics,2001,39:367-37517 Yong-Moo Cheong， Dong-Hoon Lee， Hyun-Kyu Jung.Ultrasonic guided wave parameters for detection of axial cracks in feeder pipes of PHWR nuclear power plantsJ. Ultrasonics 42(2004):883-88818 Siqueira MH, Gatts CE, da Silva RR, Rebello JM. The use of ultrasonic guided waves and wavelets analysis in pipe inspectionJ.Ultrasonics. 2004,41(10):785-9719 Peter W. Tse，Xiaojuan Wang, Characterization of pipeline defect in guided-waves based in section through matching pursuit with the optimized dictionary. NDT&E Internationa1.2012.12:1一1120 J.L.Rose,Zhao X