基于周向導波的管道檢測可行性分析

趙鈺龍　李震　于灝

摘 要：管狀工程結構的工業應用特別廣泛，這就使得其結構健康檢測尤為重要。本文使用一發一收的布局，應用耦合在鋁管表面的壓電傳感器檢測缺陷，結果表明，使用周向導波可以檢測管道損害，其結果可以為管道檢測提供借鑒和參考。

關鍵詞：管道 無損檢測 周向導波

中圖分類號：U461.91 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0029-02

與其他檢測方法不同，周向導波沿著管狀結構的周向傳播，可以通過調整激勵參數選擇任意的圓周路徑，使導波成螺旋線式掃過管道整體，從而用更少的傳感器達到更全面的檢測，這使得周向導波在管狀物體健康監測上的應用成為熱點[1]。但在使用周向導波檢測管道缺陷和特征時，導波的頻散特性以及無數模態的存在使得檢測復雜化，這就需要模擬驗證其檢測性為工業應用提供借鑒。周向導波在管道中的傳播早有研究，Grace等人以柱體為研究對象構筑了周向導波傳播模型，得到在此邊界條件下的衰減規律和速度[2]；Kawald等應用線聚焦HeNe激光器與干涉儀在管道上激勵超聲導波，激勵出多個模態的周向導波[3]。

1 有限元模擬仿真

管道外直徑104mm，壁厚2mm，如圖1所示。無缺陷時以一發一收的方式，頻率為500kHz進行激勵。在仿真超聲導波傳播過程時，網格尺寸le與波長的關系應滿足：

（1）

式中，λmin為計算中的超聲波中最小的波長。

θ角為橫波探頭偏振方向與x軸的夾角，首先沿y軸方向放置，即橫波探頭的偏振方向與x軸的夾角θ為90°。信號采集后改變方向，使θ角分別為120°、135°、150°分別采集信號。

建立管道缺陷長20mm、寬2mm沿管道徑向貫穿，其人工缺陷長邊與管道軸向方向一致（即縱向缺陷），如圖1所示。橫波探頭激勵C-SH波激勵信號橫波探頭與接收信號橫波探頭相隔圓周角度360°，x方向上的距離隨著激勵角度而變化。在此，以一發一收的方式進行模擬，激勵信號為5周期漢寧窗調制的正弦波信號，激勵頻率為500kHz。

2 數據分析

經過計算首先出現的包速度為3278.80m/s，與500kHz頻率下此管道C-SH0模態理論群速度基本一致。

當θ角為90°時，只激勵出C-SH0模態，以首個C-SH0模態波包傳播距離為一個管道周長，即327mm，經過計算波速為3224.30m/s，與理論群速度的相對誤差為1.1%。又陸續收到數個波包，傳播距離間距均為管道軸長的整數倍，即為波包在管道周向多次傳導所致。

當θ角為120°時，由于調整了橫波探頭的偏振方向，使其偏振方向既不與管道軸向方向一致，也不與管道周向方向一致，此時可同時激勵出C-SH0模態與C-S0模態。首個C-SH0模態波包幅值比θ角為90時首個C-SH0模態波包幅值小。

當θ角為135°時，首個C-SH0模態波包幅值隨著θ角度不斷增大而不斷減小。

當θ角為150°時，首個C-SH0模態波包相較于θ角為90°、120°、135°時幅值持續減小。第一個C-S0模態波包相較于θ角為120°、135°時幅值持續減增大。

檢測缺陷時θ角為120°，此時周向導波沿圓周傳播一周，兩傳感器之間直線距離為566mm，缺陷位于激勵傳感器與接收傳感器之間的中點上。由模擬結果可知自激勵點到缺陷的實際距離誤差為3.74mm，相對誤差為2.9%，相對誤差較小，可以滿足檢測需要。

3 結論

第一，當橫波探頭偏振方向與管道軸向方向一致時，可在管道中激勵C-SH0模態。

第二，橫波直探頭在管道中激勵C-SH0模態可用于缺陷檢測，能滿足檢測需求。

參考文獻

[1] Niethammer M，Jacobs LJ，Qu J，et al.Time-frequency representations of Lamb waves[J]. The Journal of the Acoustical Society of America，2001，109（1）：1841-1847.

[2] O.Grace， R.Goodman.Circumferential waves on solid cylinders[J].Journal of the Acoustical Society of America，1966，39（1）：173-174.

[3] U.Kawald，C.Desmet，W.Lauriks，et al. Investigation of the dispersion relations of surface acoustic wave propagating on a layer cylinder[J].Journal of the Acoustical Society of America，1996，99（2）：926-930.endprint