超聲導波在管道中的應用與檢測

趙鈺龍 于灝

摘要：說明了導波在無損檢測方面的重要地位，論述了導波檢測原理和方法，通過模擬得到了管中導波的群速度，并通過數值仿真的方法對缺陷進行定位。有限元數值仿真的結果顯示與實際缺陷位置相吻合，并得出缺陷回波時間與材料和位置相關的結論。

關鍵詞：導波橫波無損檢測

中圖分類號：U461.91 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（a）-0000-00

1 引言

管道在現代社會的生活與生產中極為重要[1]。在長時間的服役中，管道容易受到外部環境影響以及管道內介質侵蝕產生缺陷。超聲導波無損檢測在滿足檢測精度和可靠性要求的前提下，可以進行在線檢測，檢測范圍也大大提升。由于超聲導波傳播距離長且衰減很小，因此超聲導波廣泛應用于規模化的無損檢測和健康狀態評估，大幅提高效率的同時保障了生命財產安全。

2 導波概述

無損檢測技術廣泛應用于工業生產中，而超聲技術是其中一種。超聲波進入物體遇到缺陷時聲波會產生反射、折射、衍射，接收器可接收回波，分析回波可以精確的探測缺陷的位置、形狀、大小等特征。但傳統超聲波技術也有不足，逐點掃查式的工作過程導致工作量巨大，在長距離、大尺寸的檢測上效率低下[2]。超聲導波技術有效提升了檢測效率[3，4]，在理想的管道檢測中可以一次可檢測200米的長度。在固體中傳播的超聲導波，由于本身的特性沿傳播路徑衰減很小，所以可以克服逐點掃描法的缺點進行長距離、大范圍的缺陷檢測。超聲導波也可以在充液、帶包覆層的管道中傳播，使得檢測工業管道的費用大大降低[5]。

超聲導波是一種新興的無損檢測方法，其優勢是檢測距離長、范圍廣，可以對難以觸碰的區域進行在線檢測。其原理是應力波在不同介質中反射、折射、衍射，碰到缺陷后會產生相應回波射信號（如圖1所示），對回波信號進行提取、分析便可探測到被測物體的損傷情況。由被測物的邊界條件不同，又有Lame波、管狀導波、柱狀導波等，由其波結構不同又可分為多種模態，模態中又根據周向振型n和徑向振型m加以細分。

3有限元仿真分析

單音頻疊加信號經漢寧窗函數調制后其信號主瓣高而旁瓣迅速衰減，頻譜中能量集中在中心頻率附近。這種窄帶激勵可以提高信號強度，也可以增加導波的傳播距離。此仿真采用10個周期信號疊加經漢寧窗調制的信號作為激勵信號，其中心頻率為70KHz。

ANSYS是工程計算中廣泛使用的有限元仿真軟件，在數十年的時間里其精確性與實用性獲得廣泛認同，使用此軟件的計算參數如表1所示。

式中λmin為計算中的超聲波中最小的波長。

4信號處理

依據脈沖回波原理來對裂紋位置進行測定。此模擬中以自激自收的方法提取信號數據，在對仿真信號進行處理的過程中使用式（2）進行定位：

（2）

式中 是波速， 是距離差，與其對應的時間為 。

超聲導波在管道中傳播時，其不連續處會發生反射和透射現象，由此可以進行缺陷定位。回波時間取兩波峰之間的時間差，即激勵信號與底端回波信號的時間差，可以計算該波群速度為5291m/s。根據分析導波信號的基本原理和算法，可以計算出缺陷的具體位置：

5總結

本文模型中預設的單裂紋模型裂紋位置在距接收信號位置1.150m-1.152m處，計算結果與實際裂紋位置吻合較好。計算中發現反射波返回的時間與裂紋大小相關性較小而與裂紋位置和材料參數關系較大，與理論一致。

參考文獻

[1]臧鐵軍，藏天紅. 我國管道運輸的發展概況[J]. 管道技術與設備，1998， （4）： 1～4.

[2]劉鎮清. 超聲無損檢測中的導波技術[J]. 無損檢測，1999，21（8）： 367-375.

[3]ROSE J L. A baseline and vision of ultrasonic guided wave inspection potential[J]. Journal of Pressure Vessel Technology， 2002， 124（3）： 273-282.

[4]何存富， 吳斌， 范晉偉. 超聲柱面導波技術及其應用研究進展[J]. 力學進展. 2001， 31（2）： 203-214.

[5] 季壽宏，王強，宋祎昕. 在役天然氣管道缺陷檢測新技術概述[J]. 煤氣與熱力，2012，01： 78-81.