超聲導波用于管道缺陷檢測的數(shù)值研究

1、第29卷第11期2009年11月動力工程Journal of Power EngineeringVol. 29No. 11Nov. 2009收稿日期:2009204223作者簡介:徐鴻(19592 , 男, 浙江黃巖人, 教授, 博士生導師, 研究方向為:材料壽命評估.王冰(聯(lián)系人 , 男, 博士研究生, 電話(Tel. E 2mail :wangbing . cn.文章編號:100026761(2009 1121018205中圖分類號:TM621. 7+2文獻標識碼:A學科分類號:510.10超聲導波用于管道缺陷檢測的數(shù)值研究徐鴻, 王冰, 姜秀

2、娟(華北電力大學電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室, 北京102206摘要:介紹了超聲導波技術用于電廠管道缺陷檢測的發(fā)展現(xiàn)狀, 并用有限元程序Ansys 對管道超聲導波缺陷檢測進行了數(shù)值模擬. 在管道模型中, 在管道外壁建立了具有一定傾斜角的斜楔及水耦層, 模擬斜入射換能器的斜楔, 在其斜面施加瞬時位移載荷, 用以在管道中激勵特定模態(tài)的導波. 分析了在此模型下反射系數(shù)隨缺陷軸向長度、周向長度和深度而變化的關系, 模擬結果與實驗結果吻合較好.關鍵詞:超聲導波; 管道; 缺陷檢測; 斜入射換能器; 數(shù)值模擬Numerical Simulation on Using , W N G B i ng

3、 , J I A N G X i u 2j uan(MO E sof Equip ment Condition Monitoring and Control , Nort h ChinaElectric Power U niversity , Beijing 102206, China Abstract :The develop ment stat us of ult rasonic guided wave technology for pipe defect detection of power plant s was p resented. Numerical simulation was

4、 carried out to t he detection process wit h Ansys finite ele 2ment p rogram , during which a wedge model wit h special incline angle and a water 2coupled layer were es 2tablished on t he outer surface of a pipe model , to simulate t he wedge of an oblique incidence transducer. Instantaneous displac

5、ement load was applied on t he wedge to excite particular mode of guided waves , wit h which relationship of reflection coefficient varying wit h axial , circular lengt h and dept h of t he defect was analyzed. The result s obtained by numerical simulatio n agree well wit h t hat of experiment s pre

6、viously con 2ducted by former investigators.Key words :ult rasonic guided wave ; pipe ; defect detection ; oblique incidence transducer ; numerical simu 2lation管道作為電廠中主要的輸送工具, 經(jīng)常由于磨損或腐蝕而造成損傷1, 因此需要對管道進行檢測.與傳統(tǒng)的超聲無損檢測方法相比, 由于超聲導波檢測具有傳播距離遠、能對管壁進行100%檢測, 以及不需剝離全部管道外部的包覆層等優(yōu)點, 已成為最具發(fā)展?jié)摿Φ目焖僭诰€無損檢測技術之一, 具有十分

7、廣闊的應用前景2.超聲導波技術用于電廠管道檢測由來已久, Y. M. Cheong 等研究了沿管道軸向傳播的導波, 并對壓水堆核電站給水管軸向和周向裂紋進行了檢 測3. L U Baof u 等提出了一種將超聲導波技術用于蒸汽發(fā)生管完整性檢測的方法4, 該方法具有在線檢測蒸汽發(fā)生管、鍋爐管、熱交換器管完整性的潛能. A. T akashi 等提出利用超聲導波技術測量管道損傷, 用于壁厚監(jiān)測5, 認為該方法可以用于長期監(jiān)測, 并提出了超聲導波測點在熱電廠中的位置圖.以上文獻從定性角度分析了超聲導波用于電廠管道缺陷檢測的可行性, 若將該技術用于實踐, 尚需進行更深層次的定量研究. M. J. S.

8、 Lowe 對缺陷周向尺寸與L (0,2 和F (1,3 模態(tài)導波回波的關系進行了研究, 得出了L (0,2 模態(tài)導波的回波與缺陷周向尺寸成正比關系的結論6. A. Demma 從更加系統(tǒng)的角度研究了管道尺寸、缺陷尺寸、導波模式和頻率對缺口處反射波的影響, 提出了一種系統(tǒng)的分析方法7; 還研究了L (0,2 和T (0,1 2種模態(tài)導波, 在1065k Hz 頻率下所能檢測到的裂紋尺寸 . 程載斌等利用數(shù)值模擬方法, 對縱向導波用于裂紋檢測進行了研究 8.上述文獻在對裂紋進行定量模擬研究時, 0,2 導波. ZHU Wenhao 道外壁加載, 在激勵特定模態(tài)導波時, 位于管道外壁及內(nèi)壁處的腐蝕

9、缺陷對超聲導波具有反射特性9.在實際應用中, 利用斜入射換能器從管壁外側加載, 也能根據(jù)需要產(chǎn)生各種模態(tài)的導波, 且利用可變角斜楔能夠更加快捷地激勵特定模態(tài)導波, 設備結構簡單. 因此, 筆者模擬斜入射換能器從管道外壁進行加載, 并對此種情況下的缺陷反射系數(shù)進行了研究.1物理模型與頻散曲線管道中的導波可以分為縱向、切向以及彎曲導波等多種模態(tài), Gazis 利用線彈性理論提出了諧波在無限長中空管道中傳播的頻散方程.|c ij |66=0(1 式中:c ij 為管徑內(nèi)、外徑尺寸; 、為材料的Lames 常數(shù); 為密度; 為頻率; k 為波數(shù)的函數(shù). 利用數(shù)值方法對此行列式方程進行求解, 可得到頻率

10、與相速度、群速度之間的關系, 即頻散曲線.本文以內(nèi)徑76mm 、壁厚5. 5mm 的鋼管為例. 當具有表1中的物性參數(shù)時, 計算得到的內(nèi)部中空管道的頻散曲線如圖1所示. 圖1中僅考慮了行列式方程的實數(shù)解, 即可傳播波. 由圖1(b 中的群速度曲線可知:在0. 04M Hz 以后,L (0,2 模態(tài)導波的傳播速度最快, 且該模態(tài)導波的群速度幾乎不隨頻率發(fā)生變化, 即頻散現(xiàn)象可以忽略, 因此選取0. 07M Hz 頻率下的L (0,2 模態(tài)導波作為檢測波, 此時其相速度c p =5. 44km/s , 群速度c g =5. 37km/s , 如采用有機玻璃做為斜入射換能器的斜楔, 縱波速度c L

11、=2. 77km/s , 則根據(jù)Snell 定律:=sin -1c p(2從式(2 可得到此時斜楔的傾斜角為30. 6.表1鋼管尺寸及其物性參數(shù)T ab. 1Size and physical properties of the steel pipe 內(nèi)徑D /mm壁厚t /mm彈性模量E /GPa泊松比765. 52100. 3密度/(kg m -3縱波速度V L/(s -1橫波速度V T/(km s -173. 21(a 相速度曲線(b 群速度曲線圖1頻散曲線Fig. 1Disperse curves based on calculated result s為了對不同尺寸缺陷的反射系數(shù)進行

12、定量研究, 考慮了以下幾種缺陷尺寸的反射情況, 缺陷模型如圖2所示:軸向寬度a 為2mm , 沿管道全周分布裂紋, 裂紋深度b 變化; 軸向寬度a 為2mm , 半壁厚裂紋, 裂紋周向長度c 變化; 沿管道全周分布, 半壁厚裂紋, 裂紋軸向寬度a 變化.9101第11期徐鴻, 等:超聲導波用于管道缺陷檢測的數(shù)值研究 圖2管道模型及缺陷示意圖Fig. 2Sketch of t he pipe model and defect2數(shù)值模擬文獻6、7和文獻9在對裂紋處的反射信號進行模擬研究時, 均采用在端部周向各節(jié)點施加軸向瞬時位移載荷作為初始激勵信號. 為了使模擬計算與實際情況更加貼合, 本文在模擬

13、研究中, 考慮使用斜入射換能器的加載方式, 并在建模過程中考慮斜入射換能器的斜楔, 斜楔與管道之間用水耦合.導波檢測管道缺陷的數(shù)值模擬利用有限元程序Ansys 進行, 管道模型長為2. 45m. 為了節(jié)省計算時間和考慮管道的軸對稱性, 管道. 斜楔、單元耦合層選擇. 范圍內(nèi)包含107; 時間步長為1s. 、管壁之間均采用液固耦合邊界條件. 在瞬態(tài)動力學分析類型中, 選擇Full 方法. 信號源為經(jīng)過Hanning 窗調(diào)節(jié)的5周期單音頻信號的疊加, 信號頻率為0. 07M Hz.利用反射系數(shù)可以對缺陷尺寸進行定量分析.反射系數(shù)定義為位移時程曲線中缺陷處反射波幅與入射波幅之比, 根據(jù)沿軸向的面內(nèi)位

14、移和沿徑向的離面位移, 又可分為面內(nèi)位移反射系數(shù)和離面位移反射系數(shù). 為了研究反射波的系數(shù), 在距離斜入射換能器10cm 位置處接收信號, 裂紋與接收位置間距離為1m. 采集信號包括沿管壁徑向的離面位移和沿管道軸向的面內(nèi)位移.3結果分析3. 1信號處理由于導波的多模態(tài)性, 通常在接收到的信號中包括多種模態(tài). 本文采用ZHU Whenhao 的方法9, 將沿周向各節(jié)點采集到的信號進行傅里葉展開進行相延遲處理.u r =A cos (n z (n (3z ; A n n 分別為系數(shù), 其值可通過傅里葉變換確定; 為角頻率; n為相延遲角度; n 為導波的階數(shù); 為采集點與某參考點的角度差.從采集到

15、的信號中提取0階和1階信號, 其中0階信號將各采集點的信號直接相加, 1階信號則在利用式(3 進行相延遲處理后相加.圖3 表示從具有軸向寬度、全周分布的半壁厚裂紋管道, 圖 4表示從軸向寬度為2mm 、周向長度 為30%的半壁厚裂紋管道中接收并經(jīng)過相延遲( a 0階面內(nèi)位移(b 0階離面位移(c 1階面內(nèi)位移(d 1階離面位移圖3軸向寬度為2mm 時的全周分布半壁厚裂紋管道信號Fig. 3Signal from a crack , 2mm in axial widt h , all circumferential around , half t hickness deep0201動力工程第29

16、卷 (a 0 階面內(nèi)位移(b 1 階面內(nèi)位移(c 0 階離面位移(d 1圖4軸向寬度為2mm 、周向長度為40%Fig. 4Signal from a crack , 2mm in axial widt h , 40deep處理的信號; 在圖3和圖4中, 橫坐標為時間值坐標為無量綱幅值, 圖中(a 為, (0階離面位移, (c 為, (位移. 從圖3和圖4, 激勵信號中僅存在0階面內(nèi)位移和0階離面位移, 對照圖1中的頻散曲線, 以及各模態(tài)的波結構可知:在0. 07M Hz 頻率下, 利用斜入射換能器在管道中同時激勵出L (0,1 模態(tài)和L (0,2 模態(tài). 產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是由于斜入射換能器的

17、特征尺寸與低頻段導波的波長相比太小, 從而產(chǎn)生了球面波, 而非平面波激勵. 這與在平板內(nèi)激勵S 0模態(tài)板波的結論相同.從圖3(b 和圖3(c 可知:全周缺陷即軸對稱特征處的反射信號不包括1階離面位移和1階面內(nèi)位移, 即沒有彎曲模態(tài)導波產(chǎn)生, 因此不能通過檢測1階離面或面內(nèi)位移, 但可利用0. 07M Hz 的L (0,2 模態(tài)導波檢測軸對稱缺陷. 同時, 由于此特性, 可以利用該模態(tài)導波消除環(huán)形焊縫對缺陷信號的干擾.從圖4(b 和圖4(c 可知:在非軸對稱缺陷產(chǎn)生的反射信號中, 包括了1階離面位移和1階面內(nèi)位移, 表明此時產(chǎn)生了彎曲模態(tài)導波. 3. 2反射系數(shù)與裂紋尺寸的變化關系圖5表示軸向寬

18、度為2mm 時, 沿管道全周分布裂紋的深度與反射系數(shù)的關系. 從圖5可看出:0階面內(nèi)位移與缺陷深度為線性變化關系. 從圖5還可看出:0階離面位移與缺陷深度呈半周期的正弦變化關系, 當缺陷深度為壁厚的一半時,0 階離面位圖5軸向寬度為2mm , 沿管道全周分布裂紋深度與反射系數(shù)的關系Fig. 5Relationship between reflection coefficient and dept h of acrack , 2mm in axial widt h , all circumferential around移的反射系數(shù)最大.圖6表示軸向寬度為2mm 時的半壁厚裂紋, 其周向長度與反

19、射系數(shù)關系的數(shù)值模擬結果曲線 .圖6軸向寬度為2mm , 半壁厚裂紋周向長度與反射系數(shù)的關系Fig. 6Relationship between reflection coefficient and circumferen 2tial lengt h of a crack , 2mm in axial widt h , half t hickness deep1201第11期徐鴻, 等:超聲導波用于管道缺陷檢測的數(shù)值研究 通過觀察0階面內(nèi)位移及1階面內(nèi)位移的反射系數(shù)發(fā)現(xiàn):二者反射系數(shù)隨缺陷周向比例的變化規(guī)律分別為線性和半正弦的變化規(guī)律. 從圖6還可看出:隨缺陷的周向長度增加, 面內(nèi)位移與離面位

20、移的變化規(guī)律相同, 且0階面內(nèi)位移的反射系數(shù)大于0階離面位移的反射系數(shù)值. 圖7為沿管道全周分布時半壁厚裂紋的軸向寬度變化與反射系數(shù)的變化趨勢 .圖7沿管道全周分布時半壁厚裂紋軸向寬度與反射系數(shù)的關系Fig. 7Relationship between reflection coefficient and axial widt h ofa crack , all circumferential around , half t hickness deep從圖7可看出:反射系數(shù)發(fā)生周期性變化, . , 發(fā)生相長干涉, 使反射系數(shù)增大; 當前后斷面的距離為激勵導波半波長的奇數(shù)倍時, 發(fā)生干涉相消,

21、使發(fā)射系數(shù)為最小. 從圖7還可看出:由相消干涉向相長干涉過渡時, 對反射系數(shù)的影響較大, 即反射系數(shù)變化較陡; 而從相長干涉向相消干涉過渡時, 對反射系數(shù)的影響較小, 即反射系數(shù)變化平緩.4結論(1 通過本文的數(shù)值計算分析可以發(fā)現(xiàn), 利用Ansys 可以模擬斜入射換能器在管道中激勵特定模態(tài)的導波.(2 利用斜入射換能器在低頻段激勵L (0,2 模態(tài)導波時, 除了能激勵出所需的L (0,2 模態(tài)導波外, 還會激勵L (0,1 模態(tài)導波, 這是由于斜入射換能器的特征尺寸與導波低頻段的波長相比太小, 從而產(chǎn)生了球面波, 而非平面波的緣故.(3 在內(nèi)徑為76mm , 壁厚為5. 5mm 的鋼管中, 以

22、0. 07M Hz 的L (0,2 模態(tài)導波作為檢測波時, 軸對稱缺陷不會產(chǎn)生1階模態(tài)導波, 因此不能利用1階位移檢測軸對稱缺陷, 但此信號卻能排除環(huán)形焊縫對缺陷信號的干擾.(4 0階面內(nèi)位移的反射系數(shù)與缺陷深度為線性關系;0階離面位移與缺陷深度有半周期的正弦變化關系, 當缺陷深度為壁厚的一半時,0階離面位移的反射系數(shù)為最大.(5 隨著缺陷的周向長度增加,0階面內(nèi)位移與離面位移的變化趨勢為線性變化關系;1階離面位移與面內(nèi)位移為半周期的正弦變化關系. 當缺陷軸向長度發(fā)生變化時, 其反射系數(shù)發(fā)生周期性變化, 這可能是由于缺陷前斷面回波和后斷面回波相互干涉引起的. 參考文獻:1景永偉, 劉少光. 流

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