管道导波检测技术的应用、发展与挑战.pdf

装备制造与教育第三十七卷二O二三年第三期总第一百三十二期工程技术研究与应用主持：周杰EQUIPMENTMANUFACTURINGANDEDUCATION0引言管道广泛应用于石油尧 天然气和化学物质的长途运输遥 这些管道通常存在不同类型的损伤袁 如腐蚀尧凹痕尧沟槽尧裂纹等1-2遥 因此袁对管道进行无损检测至关重要袁因为任何失效都可能导致环境破坏尧经济损失和人员伤害遥 导波是在材料边界内传播的应力波袁且引导波沿材料结构传播遥基于导波的方法已成功检测工程结构中的各种类型的损伤袁 如夹层结构3尧蜂窝结构4尧飞机机身结构或部件5-7以及民用基础设施等遥特别指出袁基于导波对于管道的检测是一种极具吸引力且成本效益高的技术8-10遥 一方面袁导波可以在涂层下方长距离传播袁 而用于激励和接收波的传感器的安装只需要去除一小部分绝缘层遥另一方面袁 多模态导波可以沿着周向和纵向以及穿过管道的厚度等路径传播遥由于这些特性袁导波在检测管道内外表面不同类型的损伤方面具有很大的潜收稿日期2023-06-09作者简介何跃斌渊1990-冤袁男袁四川工程职业技术学院材料系讲师袁在读博士曰主要研究方向院理化测试与质检技术遥管道导波检测技术的应用尧发展与挑战何跃斌袁李艳丽袁李欣渊四川工程职业技术学院材料系袁四川德阳618000冤摘要本文对导波应用于管道检测的研究现状进行了综述遥 在研究管道导波特性的基础上袁提出了合适导波模态的选取和激励原则遥 综合评述了传统导波技术与结构健康监测在管道损伤检测中的应用袁并总结了导波在管道中应考虑的一些实际问题遥 最后袁对研究进行总结袁并提出未来需面临的挑战遥关键词管道检测曰导波曰结构健康监测中图分类号院TE973.6文献标志码院AApplication,Development,and Challenges ofPipeline Guided Wave Inspection TechnologyHe Yuebin,Li Yanli,Li Xin(Sichuan Engineering Technical College,Deyang,Sichuan,618000,China)Abstract:This paper provides an overview of the research status of guided wave application in pipelineinspection.Based on studying the guided wave characteristics in pipelines,it appropriatesthe selection andexcitation principles for guided wave modes are proposed.The application of traditional guided wavetechnology and structural health monitoring in pipeline damage detection is comprehensively reviewed,andsome practical issues concerning the application of guided waves in pipelines are summarized.Finally,theresearch is summarized and future challenges are put forward.Key words:pipeline inspection,guided wave,structural health monitoring048装备制造与教育第三十七卷二O二三年第三期总第一百三十二期何跃斌，李艳丽，李欣管道导波检测技术的应用、发展与挑战工程技术研究与应用主持：周杰力遥然而袁由于管道表面的曲率袁以及导波的固有特性袁如频散尧衰减和边界反射袁管道结构中的导波模态通常比板状结构中的导波模态复杂遥在检测时袁用于发射接收的传感器对之间可以存在多条螺旋路径袁 因此除了沿着传感器对之间最短路径传播的波之外袁还可以有其他的传播方式遥当导波传播过程中遇到损伤时袁上述现象变得更加复杂袁因为损伤会散射波并导致可能的模式转换11遥 因此袁对管道检测接收到的波信号的解释总是很困难的遥传统的无损检测过程基于时间表的策略12渊即在每个检查间隔对结构进行检查冤遥如果这个间隔很长袁 在连续两次检查之间的时间内袁 损伤可能会发生袁并可能达到很高的严重程度遥 否则袁如果检查间隔时间较短袁这将导致非常频繁的检查袁因为这种情况下需要分配巨大的预算用于维护袁 因此需要耗费大量的人力和成本遥 随着研究人员对导波传播机理和激励接收方法的深入研究袁 导波检测技术在管道结构健康监测渊SHM冤与评价方面得到了广泛应用袁结构健康监测被提议作为可靠尧经济尧高效的解决方案袁用于评估管道的结构完整性13-14遥 SHM 系统的主要目的是尽早发现损伤的发生袁确定其位置袁不断评估其严重程度袁并估计结构的剩余使用寿命15-16遥 在这种情况下袁结构的健康状况会受到永久性的质疑袁这将降低测试的成本袁 并在某些情况下避免灾难性的故障遥 尽管已发表的关于结构健康监测的文献越来越多袁以检测完全运行结构中的损伤袁但最近提出的大量结构健康监测方法都是在受控的实验室或模拟条件下开发的袁 因此忽略了环境和操作条件变化的影响17-20遥1管道结构中导波传播1.1管道中的多模态和频散Gazis 于 1959 年21-22建立了无限长三维空心圆柱中导波的分析基础袁 给出了长空心圆柱中波粒子位移场分量的一般解遥 由于管道中的曲率和频散特性袁波在这种结构中的传播是复杂的袁具有无限多的波模态遥 通常遵循 Meitzler 和 Zemanek23-24给出的定义符号袁其中管道中的导波模态可分别命名为 L渊0袁n冤尧T渊0袁n冤和 F渊m袁n冤袁它们分别是纵向尧扭转和弯曲模态袁其中 m 表示周向变化的谐波数袁n 是波模态的阶数遥频散曲线是根据管道几何和材料建立的袁通常显示这些波模态的特性与频率之间的关系袁 如图1 所示的 3 英寸 40 钢管遥 除了理论分析外25袁还可以通过一些信号处理方法袁如小波变换和二维快速傅里叶变换袁通过实验得到这样的频散曲线遥 与在板状结构中传播的 Lamb 波相比26袁L 渊0袁1冤 和 L渊0袁2冤模式分别具有与 Lamb 波模式 A0 和 S0 相似的特性27遥在实际应用中袁轴对称模态袁包括纵向模态和扭转模态袁对测试者具有吸引力遥 特别是袁L渊0袁2冤模态的传播速度比其他模态快袁 并且在很宽的频率范围内都是非频散的遥 L渊0袁2冤具有很好的检测缺陷深度和周长变化的能力21遥 它有一个简单的声场28-31袁可以很容易被激发遥 虽然 L渊0袁1冤通常与 L渊0袁2冤一起存在32袁但由于其较低的群速度袁它可以在时域中被移除袁 或者通过添加进一步的换能器环或调整换能器单元的长度来抑制29遥扭转模态 T渊0袁1冤是 L渊0袁2冤的一种替代模态袁被许多研究者广泛分析和应用33-37遥 T渊0袁1冤具有在整个频率范围内不频散的优点遥 当激励信号的频率保持小于 T渊0袁2冤的截止频率时袁不会沿着 T渊0袁1冤模态激发出其他的扭转模态遥 此外袁T 渊0袁1冤 比 L渊0袁2冤模态对沿管道轴线方向的裂纹更敏感遥除了轴对称模态外39袁非轴对称模态也被用于在某些情况下适当调整模态后的管道损伤检测38遥1.2管道中导波的衰减管道中的导波还受到衰减的影响袁 即波幅值随传播距离的增大而减小遥 涂层损耗和粗糙表面引起的衰减可以通过选择较低的激励频率来最小化遥 T渊0袁1冤模态43特别适用于有涂层的管道或埋入液体的管道袁 因为它对液体和绝缘材料的存在不敏感39-43遥1.3导波的激励为了产生和接收导波袁 可以使用一系列的超声换能器袁例如压电锆钛酸铅44尧带楔角的角度换能器尧聚偏氟乙烯薄膜45和电磁超声换能器遥 其中袁压电换能器和电磁超声换能器广泛应用于管道检测46遥 这两个转换器46-47之间的比较总结在表 1 中遥当在管道上附加单个传感器时袁 通常会产生纵向和弯曲模态遥因此袁一种流行的解决方案是在管道的圆周上对称地布置一环换能器元件袁 以抑制非轴对称模式遥 例如袁 为了在管道中激发轴对称的 L图 13 英寸 40 钢管的频散曲线16049装备制造与教育第三十七卷二O二三年第三期总第一百三十二期工程技术研究与应用主持：周杰传感器类型 优势 缺点 压电换能器 通过改变换能器间距提供模态控制的能力；缠绕管道方便（例如，PVDF）；制作简单，成本低。要求耦合介质和光滑的接触面。电磁超声换能器（EMAT）无需耦合剂，与管道无接触；能够通过改变线圈两臂之间的间距来控制激发波的波长；模态激发和接收方便；适用于具有曲率的表面；对于埋地管道具有良好的信噪比。转导效率低；限于金属或磁性产品；埋地管道周向分辨率不足。渊0袁2冤模态袁干耦合压电换能器系统被开发出来袁该系统由几个压电长度膨胀节单元组成袁 这些压电长度膨胀节单元均匀地分布在管道的圆周上袁 固定在管道的一端遥 超声导波技术有限公司开发的换能器环系统48袁也可以通过在管道上施加周向力来产生扭转模态49遥2导波在管道中的应用关于导波传播的理论基础内容可追溯到大概19 世纪 50 年代袁 后续所有的研究内容都是建立在两大学科之上袁即波动力学和弹性动力学袁一些著名学者袁 如 stokes G.C.50尧Navier L.C.51尧RayLeigh J.W.S.B52等通过撰写专著袁不断探究和完善理论袁建立了该领域早期的理论基础遥在过去二十多年的时间里袁 在全世界各个地方的研究人员们不懈的努力下袁进入了高速的发展期袁在国外53袁帝国理工学院的 Cawley P 等人和宾夕法尼亚州立大学的 Rose J.L.等人带领各自的团队尤为突出袁特别是袁开发出的 Disperse 软件和 ZANLY 程序包袁对整个行业来说都是非常关键的一环袁可用于板和管道结构中频散曲线的计算袁 推动了超声导波在板和管道结构监测技术中的发展遥 此外袁Cawley P科研团队53对缺陷尺寸表征尧复杂结构导波检测尧导波高效数值计算方法尧 埋藏管道检测尧 导波成像算法尧非线性导波等方面做了大量的研究遥 Rose J.L.科研团队主要研究工作集中在导波传播机理尧 检测模态和频率选取尧导波相控阵聚焦检测技术尧复合材料导波检测尧导波成像算法尧非线性导波等方面遥 在国内54袁何存富团队做了大量的研究袁主要包括包覆层充液管道导波检测尧锚固结构检测尧管道时间反转聚焦检测方法与系统研制尧 磁致伸缩导波检测仪器研制尧超声显微镜系统研制等遥国内外还有许多优秀的学者团队在进行相关研究袁此处不一一列举遥 在过去的十多年中袁导波检测技术在许多行业得到了广泛应用和发展袁 尤其是在特种设备尧石油化工和航空航天等领域遥基于导波技术理论袁出现了多种商业检测系统袁解决了许多重要项目中的问题遥目前袁越来越多的导波检测技术系统正在取代传统体波的检测装置遥 对于导波技术的应用来说袁无线激励和接收系统是其发展的方向袁可以实现系统的简化尧轻便化尧快速和广泛的检测范围遥常见的导波传感器有压电式尧电磁式和脉冲式袁压电式分为单探头尧双探头和多探头袁为了激励出较少模态的导波袁根据 Snell 定理袁研制出带有角度的斜探头袁 往往也会采取阵列式探头缠绕在管道外壁的方式来进行检测袁可激励出纵向模态和扭转模态袁弯曲模态并不常用遥 梳状的传感器一般只应用于激励纵向模态的导波袁 并且可以达到只激励目标模态而抑制其它模态的目的遥 此外空气耦合是一种新兴的传感器袁 可实现探头和工件不接触的情况下完成检测袁其缺点是要求表面粗糙度较低袁传感器接收波形信噪比较低袁 因此做出高信噪比的探头是未来发展的方向遥电磁式包括电磁声式和磁致伸缩式袁电磁声式要求检测对象是导体或铁磁性材料袁 常用的线圈形式包括回折线圈尧螺旋线圈尧排线尧螺旋管等袁可激励出 Lamb 和 SH 波用于检测曰磁致伸缩式要求检测对象是铁磁式材料袁产生超声波能量大袁检测工件的厚度较大遥 脉冲激光式传感器可通过烧蚀作用或热弹效应激励产生超声波袁 激励过程和接受过程不可逆袁往往检测的工件厚度有限袁优点是时空分辨率高袁不接触工件袁缺点是设备造价昂贵袁技术复杂多变袁实验重复率不高等遥 在导波检测过程中袁模态的选取至关重要袁对于检测工件袁结合频散曲线和波结构袁需要综合考虑激励频率和衰减等因素遥很多文献都运用纵向模态 L渊0袁2冤来进行检测袁因为其在一定频率范围内并不发生频散现象袁 符合检测激励选择要求遥 扭转模态 T渊0袁1冤也是经常选择的激励模态袁往往可以检测管径的内外壁周向缺陷尧 研究反射特性以及测定多膜层管件的壁厚遥 非线性导波是近些年来的研究热点话题袁 有很多研究人员已经开展了对板损伤检测的研究袁目前袁对于管道的检测研究较少遥传统导波技术的研究多为导波的多模态尧频散和多路径特性带来的复杂性遥 尽管导波用于管道无损评价渊NDE冤具有许多良好的特性袁但这些系统的实际应用仍然相当有限遥超声导波渊UGW冤技术能够收集数据袁该技术在检测管道尧平板尧压力容器和轨道等不同类型结构的表 1不同换能器的比较何跃斌，李艳丽，李欣管道导波检测技术的应用、发展与挑战050装备制造与教育第三十七卷二O二三年第三期总第一百三十二期缺陷方面具有巨大潜力55-58遥 UGW 是通过细长介质传播并由其边界引导的应力波59遥 它们可以在结构中传播很长的距离袁 使得用单个换能器在相当大的面积上检测缺陷成为可能60遥 它们还可以通过材料的整个厚度传播袁以检测材料损失或裂纹等损伤61-63遥这些特点使 UGW 系统成为管道连续和自动化 SHM的有前途的技术64遥此外袁基于 UGW 的 SHM 系统可以使用少量低成本尧低功耗的传感器进行操作袁从而使其实现更加高效65遥 尽管如此袁对存在损伤基本敏感的 UGW 测量值对其他因素也很敏感袁 主要是环境和操作条件的变化渊EOCs冤遥 这些 EOCs 会严重影响接收到的波形袁从而导致检测设备报警66-67遥 尽管已发表的关于 SHM 的文献关于检测完全运行结构中的损伤越来越多袁但最近提出的大量 SHM 方法都是在受控的实验室或模拟条件下开发的袁 忽略了EOCs 的影响68-71遥 在现实监测中 SHM 系统袁考虑EOCs 带来的影响非常有限72遥过去十几年间袁 管道导波检测技术从基于时间表的策略逐渐发展到结构健康监测渊SHM冤袁重点也集中在外部条件渊EOCs冤上袁主要包括温度尧湿度尧冰/雪尧流速尧管道压力尧堵塞和涂层等遥 其中袁温度因素显著影响 UGW 传播袁而湿度变化对其影响较小袁因为这两个参数相关曰 流量变化可能与温度引起的时移效应一样大曰 弱载荷对导波特性的影响微不足道袁但强载荷不仅导致 UGW 管道衰减袁还改变导波性质遥 然而袁在上述研究中袁很少有人将流速变化纳入管道导波无损检测渊NDE冤的影响因素中袁且管道冰堆积方面的研究也很少遥因此袁未来的研究重点应放在管道超声波检测中环境变化方面袁 如温度尧流速尧管道冰堆积等遥3总结及挑战本文对导波应用于管道检测的研究现状进行了综述遥在研究导波特性的基础上袁提出了合适导波模态的选取和激励原则遥由于频散和衰减特性袁选择合适的模态进行检测是十分必要的袁 常用导波模态有纵向模态和扭转模态袁 即 L 渊0袁1冤尧L 渊0袁2冤 和 T渊0袁1冤袁纵向模态常用于检测管道周向裂纹袁而扭转模态对轴向裂纹更敏感遥 在国内外传统导波技术与结构健康监测在管道损伤检测中的应用袁 可知管道导波检测技术的发展已经逐渐偏向结构健康检测遥尽管管道中导波的研究在过去的几十年中引起了广泛的关注袁并取得了许多成果袁但未来的研究仍面临许多挑战院渊1冤由于导波具有多模态和频散特性袁激励出单模态导波仍然是我们追求的目标遥 关于换能器的设计还有很大的发展空间遥渊2冤目前袁应用导波技术进行管道检测的大多是恒径管道遥当检测对象是结构复杂的管道时袁如变径管尧弯管尧焊缝管袁识别复杂模态转换的波形至关重要袁需要有效的信号识别技术遥渊3冤考虑操作和环境变化非常重要袁例如温度尧周围材料等遥这些因素可能导致信号发生变化袁因此需要进一步研究如何在改变这些因素的情况下仍能识别管道检测信号遥渊4冤在管道检测中袁非线性尧智能化和数据化技术与导波相结合是近些年发展的热门方向袁 需要进一步得到完善遥参考文献1 A H R V袁A A E袁B A E.A review on pipeline corrosion袁in-line inspection 渊ILI冤袁and corrosion growth rate modelsJ.International 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