基于超声导波的管道腐蚀检测与评价方法研究

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管道运输作为国家能源运输的重要运输方式,在国民经济和社会发展方面发挥着重大作用。在管道结构长期的服役过程中,管道腐蚀是造成管线失效的重要因素之一。因此,研究有效的管道腐蚀检测与评价方法,及时准确地识别与评价管道的腐蚀情况,具有十分重要的社会意义和经济价值。本文利用压电超声导波法对管道腐蚀检测进行了研究,提出了一种基于随机介质的管道腐蚀模型和一种基于尾波能量的管道腐蚀评价方法,采用自发自收的观测方式,结合数值模拟和实验验证,证明该方法可以检测管道是否发生腐蚀以及对腐蚀程度进行定量评价。主要的研究内容和研究成果可以概括为以下几个方面:1.介绍了压电陶瓷的相关知识,论述了超声导波的相关理论。以前人研究的理论成果为依据,推导了空心圆管中导波的频散方程,分析了导波的频散和多模态现象,并绘制了不同模态下的导波频散曲线和应力、位移分布图。根据理论结果,确定利用L(0,2)模态导波用于管道的腐蚀检测,采用140k Hz的10周期调制正弦信号为激励信号。2.推导了波动方程的有限差分离散公式,论述了随机介质的相关理论及建模方法,根据管道腐蚀的特点提出并建立了基于随机介质的管道腐蚀模型,模拟了不同长度和不同深度的腐蚀管道模型,分析了不同模型下的接收波形和声场快照。模拟结果表明:在腐蚀区域处产生了明显的散射效应,从而可接收到明显的缺陷回波,随着腐蚀缺陷深度和长度的增加,缺陷回波的幅度增大、持续时间增长。3.介绍了腐蚀的分类及其几何模型,以点腐蚀的几何模型为依据,对健康管道进行了不同深度和不同长度的腐蚀缺陷加工,搭建了管道腐蚀检测的实验平台。创新性地提出了基于压电超声导波的自发自收检测方法,并对各工况下的管道进行了检测。实验结果表明:无腐蚀管道波形中可以看到明显的5周期端面反射回波,在端面反射回波之前没有缺陷回波信号;有腐蚀管道波形中可以看到明显的缺陷回波和模态转换波,其波形形态随腐蚀缺陷的变化规律与模拟结果相似。4.根据缺陷回波特点,提出了基于尾波能量的管道腐蚀评价方法,对模拟波形和实验波形分别进行了处理,得到了尾波能量的时间分布情况和尾波能量随腐蚀工况变化的归一化曲线,利用该方法可以对管道的腐蚀深度和长度进行定量评价。综上所述,本文提出了一种基于自发自收超声导波的管道腐蚀检测方法,并采用基于尾波能量的评价算法对管道腐蚀范围及程度进行定量评估。数值模拟与实验结果表明:相比于传统超声导波检测方法,该方法具有观测系统简单、评估算法计算量小、线性度高的优点,对于评价自然条件下的非均匀腐蚀具有较好的效果。研究成果对基于超声导波的管道结构健康监测具有直接推动作用,所提出的自发自收超声导波观测方式和基于尾波能量的管道腐蚀评价算法可以为其他工程结构的健康监测所借鉴,具有一定的理论意义和重要的工程价值。
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