管道超聲縱向?qū)Р鸭y檢測數(shù)值模擬

1、第21卷第4期2004年12月用 力 學 學 報CHINESE JOURNAL OF APPL IED MECHANICSVol. 21 No. 4Dec. 2004文章編號:1000 24939 ( 2004 ) 0420076 204管道超聲縱向?qū)Р鸭y檢測數(shù)值模擬程載斌王志華張立軍馬宏偉（太原理工大學 太原 030024）摘要：簡述了近年來超聲導波技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其檢測原理，并用有限元程序 ANSYS對管道超聲縱向?qū)Р鸭y檢測進行了數(shù)值模擬。管道模型中，刪除單元模擬管道周向裂紋，通過對管道一端端部周向各節(jié)點施加軸向瞬時位移載荷模擬縱向入射應力波，同端接收反射應力波，根據(jù)裂紋縱波回波信號到

2、達時間和反射系數(shù)能較為精確地判斷裂紋位置、周向開口裂紋長度、管壁減薄程度及裂紋已基金項目：太原市科技啟明星項目資助來稿日期:2003211210修回日期:2004 204230第一作者簡介：程載斌，男,1978年生，太原理工大學，碩士 ;研究方向：結(jié)構(gòu)損傷檢測1 1994-2010 Chiiia Academic Jcuftial Electronic PublishihgAl) Hghts 佗霑賞rv君dbhttp!/ctikiJiet截面積，但反射系數(shù)對管道軸向裂紋寬度不十分敏感 結(jié)果吻合較好。關(guān)鍵詞:導波；應力波；管道檢測；數(shù)值模擬 中圖分類號：034714 文獻標識碼：A1引言具有外包

3、層的管道腐蝕檢測是石油化工行業(yè)面 臨的重要課題，及時、準確地將管道中的缺陷檢測出 來對保證安全生產(chǎn)具有重要意義。傳統(tǒng)的超聲檢測 方法為逐點掃描式，對于檢測數(shù)公里長的管道，尤其 是檢測有外包層的管道，具有費用高、效率低的缺點。超聲導波技術(shù)可解決這一難題，它克服了傳統(tǒng)的逐點掃描方法的缺點，可實現(xiàn)線檢測。其原理為 脈沖回波法，具有傳播距離遠，檢測段長，無須移去 外包層，簡單、經(jīng)濟的優(yōu)點。但由于導波的多模及頻 散特性，管中導波的傳播性質(zhì)至今仍未被完全理解。D. C. Gazis1對圓柱空腔中波在三維方向上的傳播 作了深入研究，推導出了理論模型的兩種模態(tài)（縱向拉伸波和扭轉(zhuǎn)波）。Armenakas詳細討論

4、了圓柱殼 中的彈性波傳播理論，指出在管線結(jié)構(gòu)中存在許多 模態(tài),并且在相速度頻散曲線中給出了可能出現(xiàn)的 模態(tài)。Silk和Bainton2利用壓電超聲探頭在熱交 換管道中激勵超聲導波，對管道裂紋檢測進行了試。數(shù)值模擬結(jié)果與前人實驗結(jié)果及理論計算驗，證明了利用超聲導波技術(shù)進行管道裂紋檢測的 可能性。英國帝國理工大學的 Cawley. P35等發(fā)展了 超聲導波檢測技術(shù)，并對工廠中的管道進行了檢測。他們的檢測方法是利用脈沖回波法在管道的單一位 置進行檢測，管壁中缺陷的位置和大小用反射波信 號及其到達時間來確定。這一方法的優(yōu)點是它可以 進行長距離管道的快速檢測，并且只需移去放置激 勵裝置部分的外包層即可。

5、他們在進行各種實驗的 同時建立了有限元模型，對管道中應力波的反射、透 射、模式轉(zhuǎn)換等進行了分析，并取得了一定的成果。Allwyne. D等提出用L （0 ,2）模態(tài)，該模態(tài)在一定 的頻帶內(nèi)非頻散，且傳播速度最快，適于長距離檢測。另外，韓國原子能研究所Moon. Ho. Park等用A（反對稱零階）模態(tài)Lamb波對長鋼管中的缺 陷進行了檢測，并進行了有限元分析，結(jié)果表明：A。 模態(tài)Lamb波對管中表面缺陷最為敏感，能量損失最小，數(shù)值模擬與實驗結(jié)果吻合較好。國外在檢測長距離直管道時通常選用L （0 ,2）模態(tài)導波，它主要有以下幾個優(yōu)點：1） 一定頻率附近79應用力學學報第21卷范圍內(nèi)該模態(tài)幾乎是非

6、頻散的 ，因而信號形狀與幅 度在傳播過程中可保存下來 ；2）由于該模態(tài)傳播速 度最快，所以任何不希望出現(xiàn)的模式信號都在其后 到達，易于在時域內(nèi)區(qū)分出感興趣的信號；3）軸向位移分量對于探測圓周開口裂紋的靈敏度起決定作用。該模態(tài)內(nèi)外表面的軸向位移相對較大，因而對于任何圓周位置的內(nèi)外表面缺陷具有相同的靈敏度，很適合探測內(nèi)外表面的缺陷；4）該模態(tài)內(nèi)外表面的徑向位移相對較小，這時的導波在傳播過程中能 量泄漏較少，傳播距離相對較遠。yji2基本理論利用彈性力學知識進行推演，可得管中導波傳播的頻散方程為| Cij | 6 X6= 0（ 1）其中，Qj （i，j = 1，6）是同管徑尺寸（內(nèi)徑a、外 徑b）、

7、材料的Lame常數(shù)入衛(wèi)、密度p、頻率3以及波 數(shù)k有關(guān)的函數(shù)。它的解有三種形式，對應于管中導 波的三種模式：縱向?qū)РＪ剑↙模式）、彎曲模式 （F模式）和扭轉(zhuǎn)模式（T模式）。這三種模式的導波 分別用L （ n , m） , F （ n , m）和T （ n , m）表示,其中 n和m分別代表周向和徑向模態(tài)參數(shù)且均為整數(shù)。L模式和T模式是軸對稱模式，F(xiàn)模式是非軸對稱 模式。圖1為用英國帝國理工大學開發(fā)的頻散曲線 計算軟件disperse計算的空心圓管群速度頻散曲線。管道外徑為1115cm，壁厚為0186cm,材料為鋼，彈 性模量 E = 207 Gpa，密度p = 7700kg/ m3 ,泊松比

8、 卩=0132。60020406080期Frequency Ub圖1管中不同導波模態(tài)的群速度頻散曲線考慮管道一端縱向應力波入射，采用同端激勵 同端接收的方式，如下圖所示假定距管道接收信號位置Xp處有一裂紋，并設(shè)圖2管道裂紋檢測示意圖從激發(fā)到接收裂紋回波信號的時間間隔為t1 ,波速為C,則有下式成立c ? t1 = 2 Xp（2）波速取楊氏速度c = J E/ p （1 - v2） （ e為彈性模量，P為介質(zhì)密度,v為泊松比），時間可測 量，故可確定Xp的值。由上式可判斷裂紋在管道中 的軸向具體位置。當縱波通過裂紋時，由于介質(zhì)的不連續(xù)性，導波 遇到裂紋處將發(fā)生反射、透射及模式轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，被 分解

9、成反射波與透射波，反射波強度記為 葉,入射波強度為6 ,考慮到應力波彌散效應及材料等因 素，引入修正系數(shù)k（0 k 1），則有a為去掉裂紋截面積與管道原截面積之比后的百分數(shù)9，令 3為裂紋所占管道截面積的百分比3 = 1- a，即a =1- 3，故下式成立，則有6 Rk62 -3通過以上分析，我們可以得出結(jié)論：反射波到 達的時間與裂紋的大小無關(guān)，而只與裂紋位置有關(guān) 反射系數(shù)F與裂紋截面積與管道截面積比值3之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。3 數(shù)值模擬用有限元程序 ANSYS進行數(shù)值模擬時選用 Shell63殼單元類型，管道模型長216m，直徑76mm , 壁厚515mm ;彈性模量E = 200 Gpa

10、 ,密度 p =37850kg/ m ,泊松比 卩=0132;傳播總時間t =112ms ,載荷作用時間 100ys,時間步長112ys,響應 頻率為（6570） KHz。在瞬態(tài)動力學分析類型中，選擇Full方法。模型如圖3 所示:軸向單元寬度為 5mm ,裂紋處軸向單元寬度為2mm，周向劃分為32個單元，單元厚度為515mm ,單元總數(shù)為16740。接 收信號位置距管道左端50mm ,裂紋位于距接收信icuttiil UikCtrflnic Publishing I號位置1700mm處。圖3 模型示意圖為了模擬管道端部縱向?qū)Рǖ募?，本文采用給端部周向各節(jié)點施加軸向瞬時位移載荷作為初始 激勵

11、信號，信號源為單音頻信號的疊加，輸入中心頻率為70 KHz，激勵信號源曲線如圖4 所示，|.譏、|屮_ *|處，計算結(jié)果與實際裂紋位置吻合很好。 計算中發(fā)現(xiàn) 反射波返回的時間與裂紋大小無關(guān) ，而與裂紋位置 和材料參數(shù)有關(guān)，與理論完全一致。裂紋截面積、周向長度及壁厚減薄程度可通過 分析反射系數(shù)F （位移時程曲線中裂紋反射波幅與 k倍入射波幅之比）與裂紋截面積百分比 3 （裂紋截 面積與管道截面積之比）、裂紋周向長度百分比L （裂紋周向長度與管道周長之比 ）及管道壁厚減薄 百分比T（裂紋周向長度與軸向?qū)挾纫欢〞r，管壁減薄厚度與管壁厚度之比）之間的關(guān)系曲線來確定 其中k以模型裂紋處為斷面時反射波與入

12、射波位移 幅值之比為參考,k = 01892。#應用力學學報第21卷#應用力學學報第21卷1 AI ft:；廠AfitA r / * I JIr|IThm 牌F曜耶iBsy#應用力學學報第21卷80應用力學學報第21卷圖4 端部激勵信號（時域與頻域曲線）圖6 貫穿裂紋，軸向?qū)挾葹?mm ,不同周向長度百分比時F- L曲線圖7 裂紋周向長度百分比為25 %，軸向?qū)挾葹?mm , 同周向長度百分比時F - L曲線圖8 貫穿裂紋，周向長度 百分比為25% ,軸向?qū)挾?不同時F - W曲線圖5 裂紋寬度為2mm，壁厚減薄1mm ,3 = 1812%時的位移時程曲線分析位移時程曲線時，將接收信號位置周向

13、各 節(jié)點位移疊加，以消除彎曲波和扭轉(zhuǎn)波的影響。 5所示位移時程曲線，可計算出裂紋位置，即680 X5ti ? C由圖分析圖6 所示F - L曲線：曲線呈線形增加趨 勢，斜率約為1 ,說明W、T 一定時裂紋周向長度越 長，裂紋反射波強度越大。已知管道周長，測出反射 系數(shù)，即可求得裂紋周向長度。數(shù)值模擬結(jié)果與文獻 3 實驗結(jié)果吻合很好。如圖7所示F- T曲線呈單調(diào)增加趨勢，近似 成拋物線，說明W、L 一定時管道裂紋處壁厚越薄 , 裂紋反射波強度越大。數(shù)值模擬結(jié)果與文獻 3實(5)22= 1700mm其中，波速以無裂紋模型末端回波時間確定的平均波速為參考,c = 5m/ s ,略小于楊氏速度。本文模

14、型中預設(shè)的裂紋位置在距接收信號位置1700mmioumiAlPubli嚅hing Ho第4期程載斌，等:管道超聲縱向?qū)Р鸭y檢測數(shù)值模擬81圖9 裂紋截面積百分比不同時 F - B曲線驗結(jié)果吻合較好。圖8所示F - W曲線近似呈線性，斜率為0，說 明L、T 一定時，反射系數(shù)對軸向裂紋寬度 W變化 不敏感。分析圖9所示F - B曲線：曲線呈單調(diào)增加趨 勢，說明裂紋截面積越大，裂紋反射波幅越大。 數(shù)值 模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合較好。4結(jié)論及討論通過上述分析，我們得出以下結(jié)論：1）通過裂紋反射波到達時間可準確地判斷出裂紋所在位置。反射波返回的時間與裂紋大小無關(guān)，而與裂紋位置和材料參數(shù)有關(guān)。2）由反

15、射系數(shù)與裂紋變量 L、T、之間的關(guān)系曲線 可近似地確定管道周向裂紋的形狀及其損傷程度。3）反射系數(shù)對軸向裂紋寬度的變化不敏感 ，超聲縱波檢測技術(shù)無法判斷管道軸向裂紋寬度?？煽紤]用其它模態(tài)應力波進行檢測。超聲導波技術(shù)是應力波技術(shù)在管道檢測中的應用，從國外的研究進展可以看出，該技術(shù)的主要發(fā)展 方向有：波傳播理論的深入研究、裂紋處應力波散射 區(qū)域分析、檢測技術(shù)的工程應用、檢測技術(shù)的智能監(jiān) 控轉(zhuǎn)化、波信息的數(shù)量化等。目前國內(nèi)對這方面的理 論研究還很少，實驗技術(shù)相對落后，因此應加強這方 面的工作，對含周向、軸向、斜向等各種不同類型缺 陷的管道進行實驗，對實驗測得的應力波信號進行 分析，找到裂紋的大小、部

16、位與應力波信號之間的非 線性映射關(guān)系，盡早將該技術(shù)應用于工程實際。本課 題的研究對石油化工等行業(yè)的管道檢測有重要的指 導意義。參考文獻1 Gazis D. C. Three - dimensional investigation of the propagation of waves in hollow circular cylinders , I. Analytical foundation J . J Acoust SocAm ,1959 , 31 (5) :568 5732 Silk M. G Bainton K. F. The propagation in metal tubing o

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20、1349徐新生，郭杏林，劉凱欣等.縱向應力波對裂紋探測研究J .河 南大學學報,1995 ,25 (2) :712第4期程載斌，等:管道超聲縱向?qū)Р鸭y檢測數(shù)值模擬82第4期程載斌，等:管道超聲縱向?qū)Р鸭y檢測數(shù)值模擬#No. 4CHIN ESEJOURNAL OF APPL IED M ECHAN ICSvnparameter space. On set and abrupt disappear nceof a period2doubli ng bifurcati on seque nceare prese nted, while a bifurcation sequenceconvergi

21、ng to a chaotic attractor is also observed , where each attractor is global attracting. This phenomenon is clarified by using the results of Cel2to2Cell Mapping analysis.Keywords : offshore e ngi n eeri ng , moori ng system , Cell2to2Cell M appi ng, period 2doubli ng bif urcati on , cha2 os , dom ai

22、 n of att raction ._1 rIL = Ci Numerical Simulation of Crack Detection in Pipes UsingUltrasonic LongitudinalGuided2Wave/jl :翠 2.； |= .rCheng Zaibi n Wang Zhihua Zhang L ij u nMa Hon gwei(Institute of Applied Mechanics , Taiyuan University of TechnologyTaiyuan , Shanxi , 030024)Abstract : Brief revie

23、w and the basicprinciple on researchesof ultrasonic guided2wave in pipe were made. A sim2 ple formula was given and a finite element model with circumferentially oriented through 2thickness crack of vari2 ous length , as well as axial width , and part2through2thickness crack of various depth was use

24、d to simulate crack detection in pipes using ultrasonic Iongitudinal guided2wave. The crack was defined by the method of removing elements andwave2input simulated by prescribing axial displacementsatone end of pipe , which was also the po2 sition of receiving echo wave from the crack location. The p

25、osition , circumferential length , wall thickness reduc2 tion exte nt and sect ional area of crack could be approximately determ ined by the reverse time of the reflect ion and reflect ion coefficie nt that was defi ned as the amplitude of the reflected sig nal divided by the amplitude of the in cid

26、e nt sig nal multipl ying the coefficie nt of correct ion. The results showed excelle nt agreeme nt am ong nu meri2 cal simulati on , theory and experime nts con ducted by the former in vestigators.Keywords : gui ded2wave , st ress w ave , pi pe i nspection , numerical si m ulation .Model for the Im

27、pact System of Flexible Mechanical Arm andNumerical Simulation of Precise IntegrationZhao YuliDengZiche n1 ,2No. 4CHIN ESEJOURNAL OF APPL IED M ECHAN ICSvn(Department of Civil & Architectural(State Key Laboratory of Structural AnalysisEngineering , Northwestern Polytechnical University , Xian, 710072 , P R China) of Industrial Equipment , Dalian University of Technology , Dalian , 116023 , P R China)Abstract : The dynamic properties are studied for