利用纵向导波检测充水管道周向缺陷的实验研究

　　0　引言

　　在石油、化工、热电、供水及供热等企业中,作为五大运输工具之一的管道常用来输送水、油、天然气等液体介质。然而由于管道老化、腐蚀和外力损伤 等造成的管道泄漏,除了影响正常的生产外,还造成资源浪费,经济损失,甚至会给人们的生命财产安全造成巨大损失。然而,常规无损检测方法如超声、涡流和磁 粉等无法对几十米甚至上百米的长距离管道进行检测,对结构复杂的在役管道如充液或包覆管道的缺陷检测更是无能为力。而超声导波检测方法作为一种新兴的无损 检测方法,可以对管道(包括多层结构的管道)进行长距离检测。王秀彦等[1]研究了单层管道中纵向模态的频散和多模态特性,认为轴对称L(0,2)模态的 导波,适于管道中的缺陷检测。Lowe等[2]利用中心频率为70kHz的L(0,2)模态对单层管道中的周向缺陷进行了检测,得到了该模态的缺陷反射系 数曲线。Barshinger等[3]对带有粘弹性包覆层管道中纵向模态的传播特性进行了理论分析和实验研究,认为纵向模态可用于长距离包覆层管道的缺陷 检测。Sinha等[4]从理论上研究了圆柱壳内或壳外等五种情况下纵向模态的传播特性,并与理论结果进行了对比。Kwun等[5]通过实验对未充水和充 水管道中纵向模态的传播特性进行了实验研究,在两个不同的结构中,纵向模态的频散曲线相差较大。当管道充水后,未充水管道中的L(0,2)模态会产生模态 分支现象,未受干扰的L(0,2)模态波速有所下降。

　　本文首先从理论上分析了未充水和充水管道中纵向模态的传播特性,并对特定频率的纵向模态的波结构进行了研究,在未充水和充水管道中进行了缺陷检测。

　　1　管道中的纵向模态

　　在管道中,沿轴向传播的超声导波存在3种不同模态,即轴对称纵向模态L(0,m)、纵向非轴对称模态F(n,m)和轴对称扭转模态T(0,m)。其中,m和n分别表示模态的周向阶次和模数。

　　Rose[6]给出了单层管道中纵向模态的频散方程。下面简要介绍一下充水管道中频散方程的建立和求解过程。充水管道示意图如图1所示。

　　首先利用Navier方程得到导波在水圆柱体和空心管道传播时的应力和位移表达式,然后利用以下5个应力和位移边界条件得到一组特征方程:

　　上式为充水管道中超声导波纵向模态的频散方程,即cP和f的关系表达式。通过求解式(4)可以得到充水管道中纵向模态的相速度频散曲线,进而利用k=ω/cP和群速度cg=dω/dk,可以得到相应的群速度频散曲线。

　　对于典型的非充水和充水管道,群速度频散曲线计算结果如图2所示。图2a给出了频率范围为0~250kHz时未充水管道中的所有纵向模态,包括 L和F模态。图2b给出了充水管道中同样频率范围的纵向轴对称模态和1阶非轴对称F模态。图3给出了在未充水管道中频率分别为160kHz和195kHz 的L(0,2)模态的归一化径向和轴向位移分布。图4给出了在充水管道中频率分别为160kHz和195kHz的L(0,4)模态的归一化轴向位移分布。 其中,钢管外直径为32mm,壁厚为3mm,钢的密度为7932kg/m3,纵波波速为5960m/s,横波波速为3260m/s,水的密度为 1000kg/m3,纵波波速为1500m/s。