管道腐蚀缺陷超声导波检测数值模拟研究

　　1　引言

　　长距离的埋地管道是目前石油和天然气的主要运输方式。由于埋地管道运行的复杂环境,各种因素造成的管道外部腐蚀直接影响管道使用安全。为了解管道腐蚀情况,采取针对性措施,延长服役时间,需要有快速、便捷、先进的管道腐蚀检测技术。

　　导波检测在管道的一端处激励超声导波,由于超声导波沿传播路径衰减小的特性,可以沿管传播多达几十米远的距离,即一次可以检测几十米长的管道;同时传感器激励使得管道内、外表面和中部质点振动,声场遍及整个壁厚,因此管道的内部缺陷和外部缺陷均可以被检测。此外,利用导波检测管道经济、快速,而且无须剥离防腐层。与其他常规检测方法相比,导波检测技术具有突出的优点,是管道检测新兴的和前沿的一个发展方向。

　　导波传播理论的发展经历了从板中导波传播到管中导波传播的过程。目前受国内外学者比较关注的是利用纵振波和扭转波检测管道缺陷,众多的理论和实验研究多集中于此。为方便表示,沿用Meitzler(1961)、Zemanek(1972)与Silk和Bainton(1979)采用的符号,L(0,m)表示纵振模态,T(0,m)表示扭转模态,其中模数m反映该模态在壁厚方向上(即径向)的振动形态。

　　英国帝国理工大学的M.J.S.Lowe和P.Cawley[1-3]等人开发了基于纵振波和扭转波的检测技术。其认为L(0,2)模态导波频率在70 kHz处频散现象小且群速度最大,T(0,1)模态导波在20 kHz处群速度最大,不易受其他模态信号干扰,故分别选取70 kHz、20 kHz为上述两种模态导波激励信号的中心频率。

　　为了研究管道导波检测中的缺陷识别方法,本文对L(0,2)及T(0,1)模态导波在含腐蚀缺陷管道中的传播过程进行数值模拟研究[4-5]。

　　2　检测的理论基础

　　2.1　缺陷轴向定位

　　管道中的导波波速只与材料的性能有关,在特定材料下该波速恒定。具体到纵波和横波时有以下公式[6]

　　CL和CT分别为L(0,2)和T(0,1)模态导波在管中的传播速度。

　　如上图所示,激励信号在管端激发(上图激励信号箭头为波的传播方向),在离管端一定距离处接收回波信号。

　　可以确定的是数据采集处与腐蚀缺陷的距离X,另外根据采集的位移时程曲线,即导波信号时域图,可得出初次波与缺陷回波信号到达的时间间隔T,显然有以下关系

　　2X=CT(3)

　　如此,可以精确地确定缺陷到测点距离。本文进行的数值模拟研究很好地验证了该论点。同时,此方法仍可用作导波波速拟合。

　　2.2　回波信号反射

　　波的反射和折射是研究固体中超声导波的基础。由于腐蚀缺陷的存在,管道结构的刚度发生改变。当导波经过缺陷处时,因抵抗变形必将产生回波信号,即超声波在缺陷处产生反射和透射,且伴随着波型的转换。垂直入射是最简单的一种,由弹性应力场理论,得固体中超声波反射系数R