管道导波检测中激发频率的选择及灵敏度分析

　　管道是炼油厂、化工厂、天然气和电力等部门中很重要的部分,管道检测近年来一直是该领域中设计、制造和用户密切关心的问题,但也是难点。因为裂纹和腐蚀等缺陷在管道内外表面都可能发生,而且大部分管道被掩盖起来了,如果不除去覆盖部分,既使是外部缺陷也无法用传统的超声无损检测技术来检测。

　　近年来,由于超声导波具有检测效率高、一次检测覆盖范围大(一般金属管道中超声导波可传播几十米)、速度快和可检测整个管壁等优点^[1],在管道的长距离快速检测和性能评价等方面受到国外无损检测学者的极大关注^[2~4]。

　　实际使用中,由于超声导波的产生与传播受到激发频率、管道材料及管壁厚度和半径等条件的严格限制,而且由于导波频率特征方程复杂,其质点振动方式和能流分布又极具特殊性,如何选择导波模式及其激发频率便成为检测的重点。一般而言,导波检测大多是用较低阶模式在较低频厚积情况下进行检测,因此导波检测缺陷的灵敏度便成了人们关注的问题。

　　以下利用超声导波对发电厂中的热交换管进行检测,首先利用导波的频散曲线,选定了检测的最佳导波模式L(0,2),并求得管道中L(0,2)模式的位移分布、应力分布和总能量密度分布,在此基础上选取了用该模式检测特定管道的频厚积,最后进行了检测灵敏度的试验分析。

　　1　导波模式及激发频率的选择

　　在实际应用中,考虑激发和接收等原因,纵向模式比扭转模式更优越。因此,在超声无损检测中,一般都用纵向轴对称导波模式,以下也仅讨论纵向轴对称模式。

　　根据文献[5],频散方程D_¹对应的模式就是纵向轴对称模式

　　ξ———波数

　　k———角波数

　　kt———横波角波数

　　kl———纵波角波数

　　r———半径

　　a,b———内、外半径

　　γ^₁,γ^₂———Bessel函数Z,W等所选取的有关系数

　　Z^₀,Z^₁———Bessel函数Z

　　W^₀,W^₁———Bessel函数W

　　将C11~C35中的a换为b,就得到C41~C65的值。纵向轴对称模式的位移在(r,z)平面内,因此周向位移分量uθ=0。

　　图1是利用式(1)得到的热交换管钛管中导波的频散曲线,图1a为相速度频散曲线,图1b为群速度频散曲线,横坐标fd表示频率和厚度的积。钛管的密度为4.46 g/cm³,纵波速度为6.06 m/ms,横波速度为3.23 m/ms,内半径为12 mm,壁厚为0·5 mm。

　　图1可见,该钛管在较低频厚积,如fd=0.2~0.7 MHz·mm时,L(0,2)模式的群速度最大,频散性最小。也就是说在较低频厚积下,L(0,2)模式的