扭转模态在充水管道缺陷检测的实验研究

　　1引言

　　在石化等行业中，对长距离管道缺陷进行快速而有效的检测是一个函待解决的重要间题。传统的无损检测方法只能对检测对象逐点检测，非常耗时，这对于大范围长距离的管道检测是不可想象。而使用超声导波检测技术则可以解决此类问题。在管道的一处激励超声导波，由于导波在管壁中制导传播，衰减较小，适合长距离管道的缺陷检测。并且由于超声导波具有多模态特性，可以采用合适模态检测不同类型缺陷。其中，纵向模态适用于周向缺陷的检测，对轴向缺陷不敏感。周向导波可检测轴向缺陷，但不能沿管道周向传播。弯曲模态传播特性较为复杂，应用较少。并且这些模态，传播过程中均存在着不同程度的频散，影响到管道缺陷检测的效果。

　　在超声导波中还存在一重要模态—扭转模态，近年来，国外学者对该模态进行了一定的研究。H. Kwun等[1]利用磁致伸缩式传感器激励出频率35kHz的T(0,1)模态对一长约51m的充水管道进行了缺陷检测，.取得了比较理想的效果。A. Demma等[2]利用有限元方法分析了缺陷的周向长度，缺陷深度对T(0,1)模态传播的影响，得到了不同情况下T(0,1)模态的反射系数。就笔者所知，国内外尚未报导利用扭转模态对充水管道中缺陷检测进行研究。

　　本文从理论上分析了在充水管道中扭转模态的传播特性。在实验中通过研制的传感器激励扭转模态，对充水管道中带有两种不同类型的缺陷进行了检测，并进行了分析。

　　2充水管道中的扭转模态

　　当空心管道充水后，由于水为非粘性液体，因此，水的出现对充水管道中扭转模态的频散、多模态特性没有影响。利用文献[3」中扭转模态的频散方程可以得到频散曲线和不同模态的波结构。图1给出了充水钢管中各扭转模态的群速度频散曲线。图2给出了不同阶数扭转模态的波结构图。其中，钢管外直径60mm,壁厚3. 5mm,密度7800kg/m3 ,横波波速3260m/s。水的密度1000kg/m3，纵波波速1500m/s.

　　从图1,2中可以看出，充水管道中扭转模态的传播特性有如下特点:

　　(1) T(0,1)模态在整个频率范围内群速度为常数，即管道的横波波速。因此，该模态长距离传播时不频散，波形不会发生畸变，有利于管道的长距离检测;

　　(2)与纵向模态相反，扭转模态由于径向位移和轴向位移均为0，而切向位移不为0。这为扭转模态用于管道周向和轴向缺陷等不同类型缺陷检测提供了理论依据。随着扭转模态阶数增加，切向位移在径向位置分布也更复杂。而阶数越高，切向位移的零点也越多。这些零点的出现极大地影响了扭转模态的缺陷检测能力。