基于導波雙點傳感的管道結構缺陷無基準檢測

孫加偉，王 晶，黃三傲,3

(1. 中廣核檢測技術有限公司，江蘇 蘇州 215004; 2. 南京信息職業技術學院電子信息學院，江蘇 南京 210023;3. 北京科技大學鋼鐵共性技術協同創新中心，北京 100083)

0 引 言

管道結構廣泛應用于核電、輸油管線、化工等領域。由于長期受腐蝕、高溫、高壓、輻照以及交變工況的作用，易發生孔蝕、裂縫等缺陷，引起線路故障，嚴重的會導致重大安全事故。因此對服役期內的管道結構進行缺陷檢測意義重大。現有技術方法主要采用無損檢測方法，進行定期維護[1-2]，采用大修的方式，停機拆檢，嚴重影響系統整體性和運行，造成很大的經濟損失。

導波是一種在板殼類結構中傳播的特殊超聲波，由于其具有傳播距離遠、對微小損傷敏感的特點，近些年來成為結構損傷監、檢測的研究熱點[3-4]。對于服役期內的管道結構損傷檢測問題，導波管道缺陷監、檢測技術是被認為最具應用前景的技術之一[5-8]。然而，由于導波在管道結構中傳播存在多模、頻散效應，以及多徑傳播特性，使得響應信號十分的復雜，加上復雜工況、電磁干擾等帶來的影響，使得信號分析、處理、特征提取存在很多的困難，最終影響了其應用的步伐[5]。

為了消除上述的影響，目前應用于管道結構的導波缺陷監、檢測技術主要從兩方面入手，一方面是采用相控陣等先進理論[9]，通過控制波束的激發和傳播方向，抵消多徑傳播帶來的影響，在管道中形成單一的定向導波，如定向縱向模態波，提高檢測信號強度和信噪比，從而提高損傷檢測的準確性和可靠性；另一方面是采用基準參考的方式[5]，通過布置分布式傳感陣列，在結構中激發和感知單一模態為主的響應信號，通過損傷前后響應信號的對比，發現損傷引起的響應信號變化，從而實現缺陷的監測和檢測。上述兩方面一定程度上實現了導波管道結構缺陷監、檢測的工程應用，然而，各自依然存在一定的弊端，難易大面積應用。其表現在：相控陣等方法，在檢測設備方面有較高的要求，需要引入陣列晶元，成本高，一般場合難以使用；基于分布式傳感陣列和基準信號的損傷監檢測方法中，由于損傷引起的結構響應變化一般很微弱，因此環境噪聲等帶來的干擾會造成很多的誤判，可靠性問題還需要進一步解決。

針對導波管道結構缺陷檢測存在的研究難點和應用問題，本文在現有基于分布式陣列導波管道缺陷監測方法基礎上，研究雙點傳感法，通過傳播等效性，消除多模、頻散效應及多徑傳播帶來的信號傳播復雜問題，通過分析提取響應信號對之間的信號差異，實現管道結構的無基準導波缺陷檢測。

1 管道中的導波傳播

導波是一種特殊的超聲波，在管道中傳播時，由于波長和壁厚處于同一個數量級，因此存在反復的反射和耦合，形成多個傳播模態，其傳播波動方程可以用式（1）描述[5]：

式中：ur,uθ,和uz徑向、周向和軸向位移分量；

ω——角頻率；

kmn——波數。

對方程進行求解，可以得到如圖1所示（Disperse軟件計算結果）的管道結構導波傳播頻散曲線-（圖示曲線為管直徑220 mm壁厚4 mm的鋼質管道）。

圖1 管道結構中的導波傳播頻散曲線（直徑220 mm壁厚4 mm）

從圖1所示管道結構導波傳播頻散特性曲線，管道中傳播的導波存在包括三類模態：縱向模態（L波）、扭轉模態（T波）和彎曲（F波）模態，每類模態有各自有多重階數，因此形成了三類多階多模態傳播模式，且各模態信號的傳播速度隨頻率的變化而變化，即存在頻散特性（圖中每一條曲線代表一種模態）。與此同時，由于管道結構的封閉性，信號在傳播過程中還存在多徑效應，如圖2所示，信號自激勵器激發之后，會沿著多條路徑傳播至傳感器，進一步加劇了信號的復雜度。

圖2 管道結構中的導波多徑傳播示意圖

2 雙點傳感法管道結構導波缺陷檢測原理

2.1 基本原理分析

由于存在多模、頻散及多徑傳播等效應，管道結構導波響應信號的解釋相對困難。不論傳感器相對于激勵器處于何種位置，直達波信號和損傷反射信號都會反復的多徑傳播到達傳感器。如圖3所示，在管道周向上布置三個壓電超聲傳感器（壓電片或超聲探頭）P1、P2、P3，以 P2為激勵器，P1、P3為傳感器，可以看到檢測信號沿周向反復多次傳播至兩個傳感器。因此，加上多次的邊界反射，任意一個傳感信號均會十分復雜。然而，當兩個傳感器相對于激勵器是等間距對稱布置時，由于信號傳播路徑相同，在沒有引入其他波源的前提下，此時的兩組傳感響應信號應相同。

圖3 管道結構中的導波激勵與傳感

引入管道缺陷，將管道延軸線剖面展開，可以得到如圖4所示的管道展開示意圖。由于多徑傳播，可以將傳播過程看成為結構的延拓，結構表明布置的傳感器隨之周而復始的延拓出現。此時，結構缺陷引起的損傷反射信號過程可以用圖4所示的方式來解釋。由于激勵器、傳感器、缺陷三者的相對位置不存在對稱性，因此，缺陷引起的散射信號在不同的導波結構響應信號中將處于不同的位置，通過對比，可以將缺陷引起的導波反射信號提取出來，分析處理后得到缺陷的相關信息，從而實現缺陷的檢測。

圖4 管道結構中損傷引起的導波反射

2.2 損傷散射信號提取與損傷檢測

由于導波傳播速度較快，上一節中描述的嚴格等效對稱傳播路徑很難工程上實現，因此，在實際應用時對稱雙點傳感獲得的直達波波包在到達時間和波形上會存在輕微的偏差，也就不能直接用信號求差的方式來提取損傷散射信號。

借助于信號相似性處理方法，在相同或相近傳播路徑下，管道結構中的導波傳播相同，因此頻散、相位等應相同或高度相近，可以通過波包間的相似度比較來判斷是否是等效波包。而缺陷或損傷引起的散射信號由于傳播距離、反射角度的差異性，波包出現時間、頻散導致的信號變形、相位變化等均不相同，因而在波包出現的對應位置，兩組對稱傳感信號波包的相似度會很差。據此，可以判斷出來自缺陷或損傷反射的信號波包到達時刻，并進一步得到損傷的位置信息。為了實現缺陷的定位，通過兩組傳感信號獲得的不同的缺陷或損傷反射波包達到時刻，可以得出兩個傳播方程，連列可以求解得到損傷位置。

上述的過程可以分解為以下的步驟：首選確定兩組傳感信號中的各波包達到時刻；以各波包到達時刻點為中心位置，確定的波包脈寬為時間窗，分別截取波包信號，兩兩相似度對比，直至出現相似度值低于閾值的波包。

其中，信號波包中心點位置可以采用信號包絡的導數過零點方法獲得，對于傳感信號f(t)，其信號包絡可以根據Hilbert變換獲得[10]：

由于存在多個波包，因此對于每一個傳感信號而言，存在多個波包中心點到達時刻ti，i=1,2,3 ,···。

信號波包的相似度計算是導波信號處理中廣泛采用的一種信號處理方法，最為常用的是皮爾遜相關系數法，對于兩組信號f1(t)、f2(t)在脈寬[0,T]時間范圍內，相互的相似度r可以表述為[11-12]：

為了方便表示，定義信號f1(t)、f2(t)差異度Dif為：

逐個求取個峰值時刻點附近波包的差異度，直至出現高于閾值的波包，即為損傷反射信號波包，從而獲得損傷位置信息等，實現無基準損傷檢測。

3 實驗研究

3.1 實驗設備與條件

對上述方法進行實驗驗證，實驗對象為鋼質管道結構，管直徑為150 mm，壁厚 2 mm，長度2000 mm。在距離管道一端600 mm處，按照四等分間距，在管道外圍布置了三片壓電傳感器，傳感器為直徑8 mm、厚度0.5 mm的壓電陶瓷片，采用粘貼方式布置。示意圖及編號如圖5所示。其中中間的壓電傳感器為激勵器，其余兩個對稱點為傳感器。

圖5 實驗試件與傳感器

實驗中，為了消除頻散效應帶來的信號傳播復雜度，采用窄帶調制5周期正弦信號作為激勵[5]，通過實驗測定，當中心頻率為125 kHz時模態最簡。實驗中，在激勵器A與傳感器S2中間位置模擬一通孔損傷，損傷相對位置如圖5所示。

傳感信號經電荷放大器放大后，通過PICO4824數據采集卡采樣至計算機中進行處理，采樣頻率為10 MHz。

3.2 實驗數據分析

實驗中測得的結構響應信號如圖6（a）所示。從圖中可以較為清楚的看到，傳感器S1和S2感知到的兩組傳感信號前兩個直達波信號的波形，不論是賦值還是波形均高度相似，略微差異在于信號的相位，這主要是由于位置并不是嚴格對其，因此存在傳播距離誤差，因此在計算波包相似度過程中，首先進行波包對齊，再進行相似度計算，即可得到最佳的相似度計算結果。后續的信號波包發生了明顯的差異，在到達時間、波包形狀等方面，存在較大的差異，損傷散射信號引起的信號變化凸顯，從而驗證了前文所述方法原理的有效性。

圖6 雙點傳感法得到的管道響應信號

對結構響應信號求取信號包絡，可以獲得圖6（b）所示的包絡信號。從包絡情況可以看出更為明顯的直達波波包高度相似以及損傷散射信號波包的明顯差異。

進一步，對兩組信號分別求取波包中心時刻到達時間，剔除掉噪聲抖動引起的奇異點，采用式（4）、（5）所示的差異度計算方法，分別計算兩組信號波包的差異度。S1傳感器得到響應信號的波包相對于S2傳感器響應信號波包的差異度計算結果如圖7（a）所示。由于信號波包較為清晰，因此，得到的首個主要波包相差異度值出現在約0.1 ms處。S2傳感響應信號的波包相對于S1傳感響應信號波包的差異度計算結果如圖7（b）所示。顯然，S2傳感響應信號復雜度要高于S1傳感響應信號，其波包數要多于后者。首個出現的主要波包相差異度值出現在約0.09 ms處，與實際觀察到的波形情況相符。

圖7 結構響應信號各波包差異度計算結果

根據兩組傳感響應信號得到的損傷散射波包到達時間差異性，以及導波響應信號的傳播波速，以激勵器所在位置為參考原點，模擬損傷位置為（–59 mm，200 mm），計算得到模擬缺陷的所在位置為（–38 mm,205 mm），誤差為（–21 mm,–5 mm），基本上滿足定位需求。

在上述的處理過程中，僅僅是利用了雙點傳感得到的導波結構響應信號，因此是一種典型的無基準結構損傷診斷方法。

4 結束語

針對管道結構缺陷監、檢測應用中面臨的難點問題，研究提出了雙點傳感法無基準損傷檢測方法。實驗結果表明，該方法可以較為清晰地展現損傷引起的導波結構響應信號差異性，通過方法中的差異度計算，可以直觀獲得缺陷的位置信息，更為重要的是無需基準信號作為參考。為實現真實工程管道結構損傷檢測提供參考。