超聲導(dǎo)波在裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用

1、基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究1小組成員 一. 實(shí)驗(yàn)背景二. 實(shí)驗(yàn)理論三. 儀器選擇四. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果目錄2一一. .實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)背景3基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng) 用于石油、化工、天然氣等多個(gè)領(lǐng)域。用于石油、化工、天然氣等多個(gè)領(lǐng)域。 隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行和老化，管道因隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)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(cái)產(chǎn)損失。事故經(jīng)常發(fā)生，造成巨大的人員傷亡和財(cái)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(jì)傷，直接經(jīng)濟(jì)損失損失7.5億億 元。元。一一. .實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)背景4基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究 無(wú)損檢測(cè)方法比較 傳統(tǒng)傳統(tǒng)檢測(cè)方法檢測(cè)方法 超聲波法，磁粉法等超聲波法，磁粉法等檢測(cè)裝置傳感器缺陷管道 超聲導(dǎo)波超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法檢測(cè)方法 Lamb波，界面波等波，界面波等檢測(cè)距離幾米長(zhǎng)達(dá)幾十米檢測(cè)方式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)掃描同一位置激勵(lì)和接收檢測(cè)速度慢快檢測(cè)范圍無(wú)覆蓋層的管

3、道外表面管道內(nèi)外表面二二. .實(shí)驗(yàn)理論實(shí)驗(yàn)理論5基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究 導(dǎo)波的概念: :一簇一簇頻率、波長(zhǎng)相近頻率、波長(zhǎng)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(diǎn) 頻散頻散：材料參數(shù)恒定時(shí)，導(dǎo)波波速隨頻率變化：材料參數(shù)恒定時(shí)，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(diǎn)的速度。：波包上某一特定相位上點(diǎn)的速度。 群速度群速度Cg：波包上幅值最大點(diǎn)的速度，即波群能量傳播

4、的速度。：波包上幅值最大點(diǎn)的速度，即波群能量傳播的速度。二二. .實(shí)驗(yàn)理論實(shí)驗(yàn)理論6基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究 頻散曲線(群速度)直徑直徑（mm） 壁厚壁厚（mm）長(zhǎng)度長(zhǎng)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(shí)時(shí)頻散小，群速頻散小，群速度最快度最快，有利于信號(hào)的識(shí)別，有利于信號(hào)的識(shí)別扭轉(zhuǎn)模態(tài)扭轉(zhuǎn)模態(tài)T (0,1)在整個(gè)頻率在整個(gè)頻率范圍內(nèi)范圍內(nèi)無(wú)頻散無(wú)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(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)選擇：

5、實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)理論實(shí)驗(yàn)理論7基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)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(lì)激勵(lì) 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(shí)驗(yàn)理論實(shí)驗(yàn)理論8基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究信號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)

8、：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、去噪效果好優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(shí)間信息。時(shí)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(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究 傳感器的選擇(縱向模態(tài))類(lèi)型：長(zhǎng)度伸縮型類(lèi)型：長(zhǎng)度伸縮型壓電壓電陶瓷片陶瓷片PZT-5 優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、靈敏度高、能量轉(zhuǎn)換效率高優(yōu)點(diǎn)：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(zhǎng)長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)初步設(shè)定，實(shí)驗(yàn)初

9、步設(shè)定激勵(lì)頻率為激勵(lì)頻率為90kHz。周向陣列布置周向陣列布置16個(gè)個(gè)：激勵(lì)組激勵(lì)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(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(lì)信號(hào)窗調(diào)制的正弦波激勵(lì)信號(hào)PizeoEPA-104 信號(hào)放大器：功率放大信號(hào)放大器：功率放大Tek-TDS5032B 示波器：信號(hào)的顯示與數(shù)據(jù)采集示波器：信號(hào)的顯示與數(shù)據(jù)采集四四. .實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果11基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)最佳

10、參數(shù)的確定實(shí)驗(yàn)對(duì)象：無(wú)損傷管道實(shí)驗(yàn)對(duì)象：無(wú)損傷管道 激勵(lì)激勵(lì)周期數(shù)周期數(shù)N的確定的確定參數(shù)類(lèi)型：激勵(lì)參數(shù)類(lèi)型：激勵(lì)周期數(shù)周期數(shù)N、激勵(lì)、激勵(lì)頻率頻率f、激勵(lì)組與接收組、激勵(lì)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(hào)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(hào)也越容易發(fā)生波形疊加。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在壓電片諧振頻率實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在壓電片諧振頻率（90kHz）附近，附近，周期周期數(shù)越大，激勵(lì)信號(hào)初始幅數(shù)越大，激勵(lì)信號(hào)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(lì)周期數(shù)激勵(lì)周期數(shù)N為為10。70758085909510010500.050.10.

11、150.20.25 激勵(lì)頻率 f (kHz)激勵(lì)信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果12基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究無(wú)損傷管道實(shí)驗(yàn)研究 L(0,2)模態(tài)理論波速與實(shí)測(cè)模態(tài)理論波速與實(shí)測(cè) 波速的對(duì)比波速的對(duì)比時(shí)域圖上為一系列時(shí)域圖上為一系列時(shí)間間隔近似相等時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)

12、果實(shí)驗(yàn)結(jié)果13基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究無(wú)損傷管道實(shí)驗(yàn)研究 L(0,2)模態(tài)理論波速與實(shí)測(cè)波速的對(duì)比模態(tài)理論波速與實(shí)測(cè)波速的對(duì)比平均相對(duì)誤差平均相對(duì)誤差僅為僅為1.72%，說(shuō)明，說(shuō)明 導(dǎo)波導(dǎo)波L(0,2)模態(tài)的模態(tài)的實(shí)測(cè)波速與理實(shí)測(cè)波速與理 論波速基本符合。論波速基本符合。激勵(lì)頻率激勵(lì)頻率（kHz）7580859095100理論波速理論波速（m/s）531753175317531753175316實(shí)測(cè)波速實(shí)測(cè)波速（m/s）536254345302522553575167相對(duì)誤差相對(duì)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(shí)測(cè)值L(0,2)理論曲線L(0,1)理論曲線L(0,2)L(0,1)四四. .實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果14基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究有裂紋管道實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)方法，在管道正中間加工一條周向長(zhǎng) 度為度為30mm，深度為深度為1.5mm的裂紋。的裂紋。在最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)下進(jìn)行測(cè)試。在最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)下進(jìn)行測(cè)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(shí)驗(yàn)研究導(dǎo)波實(shí)驗(yàn)研究15基于超聲導(dǎo)波的管道無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究有裂紋管道實(shí)驗(yàn)研究L(0,2)的的相對(duì)定位誤差為相對(duì)定位誤差為5.74%， 說(shuō)明說(shuō)明L(0,2)能對(duì)管道中裂紋的能對(duì)管道中裂紋的軸軸 向位置向位置進(jìn)行有效的定位。進(jìn)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(lì)信號(hào)激勵(lì)信號(hào)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(shí)紋間距實(shí) 測(cè)值測(cè)值（mm）誤差誤差（mm）相對(duì)誤差相對(duì)誤差（%