奧氏體不銹鋼管道導波信號分析技術研究

胡 棟* 李杜偉 陳增江 陸 斌 翟永軍

（泰安市特種設備檢驗研究院）

0 前言

奧氏體不銹鋼管道具有優良的高低溫韌性及強耐腐性等特點[1-2]，在化工行業中被廣泛應用。為了保證這類管道的運行安全，按現行國家標準及行業規范要求，需對其進行定期檢驗，在定期檢驗過程中，通常采用滲透、超聲或射線檢測等無損檢測技術手段，這類技術具有高度的局部檢測特征，檢測效率較低，容易產生漏檢。

超聲導波是一種新興的結構健康檢測技術[3]，通過在被檢工件表面布置傳感器，既可實現雙向數十米甚至上百米的全截面檢測工作，在管道檢測工作中也具有較好的適用性。Kwun 等[4]利用磁致伸縮效應在帶有煤焦油磁漆防腐層的埋地管道中激勵出T（0, 1）模態并對管道進行缺陷檢測，分析了信號的衰減特性后指出，隨著檢測頻率增大，檢測信號衰減也越嚴重。華中科技大學的武新軍等[5]研究了基于磁致伸縮效應縱向導波模型并將其應用于管道檢測。

由于奧氏體不銹鋼晶粒粗大且具有明顯的各向異性，使超聲導波信號衰減幅度較大，同時粗晶體易使超聲導波產生散射、衍射和折射，極大降低了回波信號的信噪比，對缺陷的判別產生影響。采用多點測試的方法能夠降低反向反射和多次反射的干擾，但無法解決噪聲信號引起的草狀回波影響。

針對以上問題，本文基于匹配追蹤算法對奧氏體不銹鋼管道導波信號進行處理，從時域和頻域的角度進行信號分析技術研究，提高奧氏體不銹鋼管道超聲導波檢測的可行性。

1 奧氏體不銹鋼導波信號時頻去噪理論

1.1 奧氏體不銹鋼中的導波

奧氏體不銹鋼管道中的聲波控制方程、應力-應變方程和應變-位移方程分別如式（1）、式（2）、式（3）所示[6]。

假設導波在無限大介質中傳播，其具有以下形式：

矩陣A為三協晶系個性異性材料的普遍表達式，當矩陣A的所有項都不為零時，三個方向的位移互相耦合。因此各向異性材料中不存在獨立的純縱波和純橫波模態。

1.2 匹配追蹤去噪原理

匹配追蹤算法（Matching Pursuits）是一種自適應信號分解算法[7]，它把信號表示為與其結構匹配波形（原子）的線性展開，然后根據信號的局部特征從字典庫中選擇合適的基函數自動匹配，從而實現噪聲抑制。匹配追蹤算法具有很強的自適應性，因此適用于對奧氏體不銹鋼導波檢測信號的去噪處理。

匹配追蹤算法的原子可通過窗函數g（t）平移、伸縮或頻率調制而成[8]，窗函數g（t）滿足‖g‖＝1，g（0）≠0 且g（t）的積分也不為零,得到的原子可用式（6）表示：

2 磁致伸縮超聲導波檢測系統及檢測試樣

2.1 實驗設計

實驗采用美國西南研究院生產的MsSR3030R 長距離超聲導波檢測系統，系統主要由MsSR3030R 主機、數據采集分析軟件和磁致伸縮傳感器三部分構成。磁致伸縮傳感器由帶狀交流線圈、線圈適配器和薄鐵鈷帶組成。帶狀線圈與線圈適配器結合在一起可以指定模式、頻率及導波的方向。薄鐵鈷帶需要利用永磁體進行磁化，一方面可以加強外加磁場強度，另一方面利用鐵鈷帶的磁致伸縮效應使其中的粒子產生振動，并機械耦合到被檢材料產生超聲導波[15]，從而突破了檢測材質的限制，使磁致伸縮超聲導波可以應用到任何材料，包括鐵磁性和非鐵磁性材料。在鐵鈷帶上產生磁針伸縮效應具有很大的優勢：（1）具有較高的MsS 靈敏度；（2）不需要笨重的磁鐵提供直流偏磁化；（3）始終如一的傳感器性能，不會因為檢測位置及檢測試件的不同，而導致檢測性能不同。

2.2 奧氏體不銹鋼檢測樣管

實驗采用的檢驗樣管如圖1 所示，樣管材質為304L，管道壁厚 =6 mm，外徑為219 mm，總長度約為30 m。該樣管由三段無縫管焊接制成，每段長約10 m，共加工11 處缺陷，以左端為0 點，缺陷位置及參數如表1 所示。

圖1 奧氏體不銹鋼樣管

表1 缺陷位置及參數

3 時頻處理及信號分析

3.1 原始檢測信號分析

采用64 kHz 傳感器激發扭轉模態T(0,1)導波對樣管進行檢測，以傳感器左方為正方向，獲取正、負兩個檢測信號，如圖2、圖3 所示。

圖2 負方向檢測信號

圖3 正方向檢測信號

圖2、圖3 中橫坐標為距離，縱坐標為幅值，除焊縫管端等強反射信號可見外，缺陷信號幾乎被噪聲信號湮沒，信噪比約為10 dB。

3.2 原始信號匹配追蹤去噪處理

圖4、圖5 分別為正、負方向原始信號經匹配追蹤去噪后的結果，經去噪處理后，信噪比提高了約6 dB，表征管道缺陷的低幅值信號出現。

圖4 負方向檢測信號匹配追蹤處理結果

圖5 正方向檢測信號匹配追蹤處理結果

由于管道實際長度為30 m，將處理后的信號按實際距離截取有用區域，并將負方向信號反轉與正向信號拼接，拼接后的圖像如圖6 所示。

圖6 中，以探頭位置MsS1 為0 點，左側為負方向信號，右側為正方向信號，缺陷用代號D 表示，焊縫用代號W 表示，X 和Y 分別代表反向反射信號與多重反射信號，EP 為管端信號，經去噪處理后，樣管中的缺陷均可識別。

圖6 信號去噪后的拼接圖像

圖7 為拼接圖像的頻譜圖，頻譜圖橫坐標為距離，縱坐標為頻率分布，頻譜圖中信號與拼接圖像中信號按距離一一對應，缺陷及特征結構的信號頻率約為64 kHz，與激勵頻率一致。

圖7 合成信號頻譜圖

4 結論

（1）直接采用T（0，1）模態導波進行奧氏體不銹鋼管道檢測時，信噪比較低，缺陷難以識別。

（2）采用匹配追蹤算法對檢測信號進行處理后，信噪比提高至6 dB 以上，能夠獲取低幅值缺陷信號信息。

（3）采用匹配追蹤算法對奧氏體不銹鋼導波檢測信號去噪后，能夠有效識別環形切槽、凹坑和密集鉆孔缺陷，廣泛覆蓋了奧氏體不銹鋼管道的各類型缺陷，基于匹配追蹤的奧氏體不銹鋼管道導波檢測具有可行性。