超聲導(dǎo)波在裂紋檢測中的應(yīng)用

1、基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究1小組成員 一. 實驗背景二. 實驗理論三. 儀器選擇四. 實驗結(jié)果目錄2一一. .實驗背景實驗背景3基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究 管道設(shè)備在流體輸送中具有管道設(shè)備在流體輸送中具有成本低、管理方便成本低、管理方便的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)的優(yōu)點，被廣泛應(yīng) 用于石油、化工、天然氣等多個領(lǐng)域。用于石油、化工、天然氣等多個領(lǐng)域。 隨著長時間的運行和老化，管道因隨著長時間的運行和老化，管道因腐蝕、裂紋、穿孔腐蝕、裂紋、穿孔等缺陷等缺陷引起引起 的的泄露泄露和和爆炸爆炸事故經(jīng)常發(fā)生，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。事故經(jīng)常發(fā)生，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。 2013年年11

2、月月22日，日，山東青島山東青島中石化輸油管道因腐蝕減薄，中石化輸油管道因腐蝕減薄，導(dǎo)致管道破裂、原油泄漏，導(dǎo)致管道破裂、原油泄漏，并形成大范圍連續(xù)爆炸。事并形成大范圍連續(xù)爆炸。事故造成故造成62人死亡人死亡，126人受人受傷，直接經(jīng)濟傷，直接經(jīng)濟損失損失7.5億億 元。元。一一. .實驗背景實驗背景4基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究 無損檢測方法比較 傳統(tǒng)傳統(tǒng)檢測方法檢測方法 超聲波法，磁粉法等超聲波法，磁粉法等檢測裝置傳感器缺陷管道 超聲導(dǎo)波超聲導(dǎo)波檢測方法檢測方法 Lamb波，界面波等波，界面波等檢測距離幾米長達幾十米檢測方式點對點掃描同一位置激勵和接收檢測速度慢快檢測范圍無覆蓋層的管

3、道外表面管道內(nèi)外表面二二. .實驗理論實驗理論5基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究 導(dǎo)波的概念: :一簇一簇頻率、波長相近頻率、波長相近的波的疊加的波的疊加, ,以波包形式傳播。以波包形式傳播。 導(dǎo)波的特點 頻散頻散：材料參數(shù)恒定時，導(dǎo)波波速隨頻率變化：材料參數(shù)恒定時，導(dǎo)波波速隨頻率變化 而變化。而變化。 多模態(tài)多模態(tài)：縱向模態(tài)：縱向模態(tài)L(0,m) 扭轉(zhuǎn)模態(tài)扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,m) 彎曲模態(tài)彎曲模態(tài)F(n,m)抑制抑制頻散現(xiàn)象頻散現(xiàn)象減少減少模態(tài)數(shù)量模態(tài)數(shù)量 相速度相速度Cp：波包上某一特定相位上點的速度。：波包上某一特定相位上點的速度。 群速度群速度Cg：波包上幅值最大點的速度，即波群能量傳播

4、的速度。：波包上幅值最大點的速度，即波群能量傳播的速度。二二. .實驗理論實驗理論6基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究 頻散曲線(群速度)直徑直徑（mm） 壁厚壁厚（mm）長度長度（mm）材料：材料：304不銹鋼不銹鋼楊氏模量楊氏模量( GPa ）泊松比泊松比密度密度（kg /m3）159212002060.297850縱向模態(tài)縱向模態(tài)L(0,2)在頻率為在頻率為50-100kHz時時頻散小，群速頻散小，群速度最快度最快，有利于信號的識別，有利于信號的識別扭轉(zhuǎn)模態(tài)扭轉(zhuǎn)模態(tài)T (0,1)在整個頻率在整個頻率范圍內(nèi)范圍內(nèi)無頻散無頻散，也是理想的，也是理想的導(dǎo)波選擇模態(tài)。導(dǎo)波選擇模態(tài)。實驗?zāi)B(tài)選擇：

5、實驗?zāi)B(tài)選擇：L(0,2)和和T(0,1)0501001500123456頻率f （kHz）群速度Cg （km/s） L(0,1)F(2,3)F(1,1)F(2,2)F(1,2)F(1,3)F(2,1)L(0,2)T(0,1)L模態(tài)T模態(tài)F模態(tài)0501001500123456頻率f （kHz）群速度Cg （km/s） L(0,1)F(1,1)F(2,2)F(1,2)F(1,3)F(2,1)T(0,1)F(2,3)L(0,2)0501001500123456頻率f （kHz）群速度Cg （km/s） L(0,1)F(2,3)F(1,1)F(2,2)F(1,2)F(1,3)F(2,1)L(0,2)

6、T(0,1)二二. .實驗理論實驗理論7基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究 損傷軸向定位方法研究軸向軸向定位方法定位方法:脈沖回波法脈沖回波法激勵激勵 接收接收損傷損傷損傷反損傷反射射端面反端面反射射Lv 損傷軸向位置損傷軸向位置:三三. .實驗理論實驗理論8基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究信號的降噪與包絡(luò)降噪方法：降噪方法：小波閾值小波閾值降噪降噪包絡(luò)方法：包絡(luò)方法：Hilbert包絡(luò)包絡(luò)0.50.60.70.80.911.11.21.31.41.5-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.03幅值A(chǔ) (mV)時間t (ms)0.50.60.70.8

7、0.911.11.21.31.41.5-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.03幅值A(chǔ) (mV)時間t (ms)0.50.60.70.80.911.11.21.31.41.5-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.05時間t (ms)幅值A(chǔ)（mV）0.50.60.70.80.911.11.21.31.41.5-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.05時間t (ms)幅值A(chǔ)（mV） 小波分解小波分解 高頻系數(shù)閾值量化高頻系數(shù)閾值量化 小波重構(gòu)小波重構(gòu) 優(yōu)點

8、：實現(xiàn)簡單、去噪效果好優(yōu)點：實現(xiàn)簡單、去噪效果好降噪前降噪前降噪后降噪后包絡(luò)前包絡(luò)前包絡(luò)后包絡(luò)后 作用：選取波包能量最大處作作用：選取波包能量最大處作 為定位基礎(chǔ)，以便更好地提取為定位基礎(chǔ)，以便更好地提取 時間信息。時間信息。三三. .儀器選擇儀器選擇9基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究 傳感器的選擇(縱向模態(tài))類型：長度伸縮型類型：長度伸縮型壓電壓電陶瓷片陶瓷片PZT-5 優(yōu)點：性能穩(wěn)定、靈敏度高、能量轉(zhuǎn)換效率高優(yōu)點：性能穩(wěn)定、靈敏度高、能量轉(zhuǎn)換效率高尺寸參數(shù)：尺寸參數(shù)：長長18mm、寬寬4mm、厚厚1mmPZT-5頻率常數(shù)范圍頻率常數(shù)范圍1600-1700kHz mm，實驗初步設(shè)定，實驗初

9、步設(shè)定激勵頻率為激勵頻率為90kHz。周向陣列布置周向陣列布置16個個：激勵組激勵組接收組接收組 理由：頻率常數(shù)理由：頻率常數(shù)N=該方向尺寸該方向尺寸L晶片固有頻率晶片固有頻率f三三. .儀器選擇儀器選擇10基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究 實驗平臺搭建Tek-5032B 任意波形發(fā)生器：產(chǎn)生經(jīng)任意波形發(fā)生器：產(chǎn)生經(jīng) Hanning窗調(diào)制的正弦波激勵信號窗調(diào)制的正弦波激勵信號PizeoEPA-104 信號放大器：功率放大信號放大器：功率放大Tek-TDS5032B 示波器：信號的顯示與數(shù)據(jù)采集示波器：信號的顯示與數(shù)據(jù)采集四四. .實驗結(jié)果實驗結(jié)果11基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究實驗最佳

10、參數(shù)的確定實驗對象：無損傷管道實驗對象：無損傷管道 激勵激勵周期數(shù)周期數(shù)N的確定的確定參數(shù)類型：激勵參數(shù)類型：激勵周期數(shù)周期數(shù)N、激勵、激勵頻率頻率f、激勵組與接收組、激勵組與接收組間距間距S周期數(shù)越大，頻帶越窄，越有利于頻率的控制；但信號也越容易發(fā)生波形疊加。周期數(shù)越大，頻帶越窄，越有利于頻率的控制；但信號也越容易發(fā)生波形疊加。實驗測得，在壓電片諧振頻率實驗測得，在壓電片諧振頻率（90kHz）附近，附近，周期周期數(shù)越大，激勵信號初始幅數(shù)越大，激勵信號初始幅 值也越大。值也越大。綜合考慮，選擇綜合考慮，選擇激勵周期數(shù)激勵周期數(shù)N為為10。70758085909510010500.050.10.

11、150.20.25 激勵頻率 f (kHz)激勵信號的初始幅值A(chǔ) (mV)10周期5周期024681012141618x 1040123456x 10-4幅值A(chǔ)頻率f (Hz) 3周期 5周期 7周期10周期四四. .實驗結(jié)果實驗結(jié)果12基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究無損傷管道實驗研究 L(0,2)模態(tài)理論波速與實測模態(tài)理論波速與實測 波速的對比波速的對比時域圖上為一系列時域圖上為一系列時間間隔近似相等時間間隔近似相等 的波形序列。的波形序列。 若不考慮其它模態(tài)干擾，則相鄰波形若不考慮其它模態(tài)干擾，則相鄰波形 間間包含包含了整根管道的了整根管道的所有損傷信息所有損傷信息。 四四. .實驗結(jié)

12、果實驗結(jié)果13基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究無損傷管道實驗研究 L(0,2)模態(tài)理論波速與實測波速的對比模態(tài)理論波速與實測波速的對比平均相對誤差平均相對誤差僅為僅為1.72%，說明，說明 導(dǎo)波導(dǎo)波L(0,2)模態(tài)的模態(tài)的實測波速與理實測波速與理 論波速基本符合。論波速基本符合。激勵頻率激勵頻率（kHz）7580859095100理論波速理論波速（m/s）531753175317531753175316實測波速實測波速（m/s）536254345302522553575167相對誤差相對誤差（%）0.852.150.281.730.752.820501001500123456頻率（kHz）群

13、速度Cg（km/s） L(0,2)波速實測值L(0,2)理論曲線L(0,1)理論曲線L(0,2)L(0,1)四四. .實驗結(jié)果實驗結(jié)果14基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究有裂紋管道實驗研究利用利用線切割線切割方法，在管道正中間加工一條周向長方法，在管道正中間加工一條周向長 度為度為30mm，深度為深度為1.5mm的裂紋。的裂紋。在最佳實驗參數(shù)下進行測試。在最佳實驗參數(shù)下進行測試。 缺陷面積為管道橫截面面積的缺陷面積為管道橫截面面積的6.2%。四四. .導(dǎo)波實驗研究導(dǎo)波實驗研究15基于超聲導(dǎo)波的管道無損檢測實驗研究有裂紋管道實驗研究L(0,2)的的相對定位誤差為相對定位誤差為5.74%， 說明說明L(0,2)能對管道中裂紋的能對管道中裂紋的軸軸 向位置向位置進行有效的定位。進行有效的定位。 接收組與裂接收組與裂紋間距紋間距（mm）激勵信號激勵信號位置位置（ms）裂紋回波裂紋回波位置位置（ms）接收組與裂接收組與裂紋間距實紋間距實 測值測值（mm）誤差誤差（mm）相對誤差相對誤差（%