基于周向导波的管道检测可行性分析

赵钰龙　李震　于灏

摘 要：管状工程结构的工业应用特别广泛，这就使得其结构健康检测尤为重要。本文使用一发一收的布局，应用耦合在铝管表面的压电传感器检测缺陷，结果表明，使用周向导波可以检测管道损害，其结果可以为管道检测提供借鉴和参考。

关键词：管道 无损检测 周向导波

中图分类号：U461.91 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0029-02

与其他检测方法不同，周向导波沿着管状结构的周向传播，可以通过调整激励参数选择任意的圆周路径，使导波成螺旋线式扫过管道整体，从而用更少的传感器达到更全面的检测，这使得周向导波在管状物体健康监测上的应用成为热点[1]。但在使用周向导波检测管道缺陷和特征时，导波的频散特性以及无数模态的存在使得检测复杂化，这就需要模拟验证其检测性为工业应用提供借鉴。周向导波在管道中的传播早有研究，Grace等人以柱体为研究对象构筑了周向导波传播模型，得到在此边界条件下的衰减规律和速度[2]；Kawald等应用线聚焦HeNe激光器与干涉仪在管道上激励超声导波，激励出多个模态的周向导波[3]。

1 有限元模拟仿真

管道外直径104mm，壁厚2mm，如图1所示。无缺陷时以一发一收的方式，频率为500kHz进行激励。在仿真超声导波传播过程时，网格尺寸le与波长的关系应满足：

（1）

式中，λmin为计算中的超声波中最小的波长。

θ角为横波探头偏振方向与x轴的夹角，首先沿y轴方向放置，即横波探头的偏振方向与x轴的夹角θ为90°。信号采集后改变方向，使θ角分别为120°、135°、150°分别采集信号。

建立管道缺陷长20mm、宽2mm沿管道径向贯穿，其人工缺陷长边与管道轴向方向一致（即纵向缺陷），如图1所示。横波探头激励C-SH波激励信号横波探头与接收信号横波探头相隔圆周角度360°，x方向上的距离随着激励角度而变化。在此，以一发一收的方式进行模拟，激励信号为5周期汉宁窗调制的正弦波信号，激励频率为500kHz。

2 数据分析

经过计算首先出现的包速度为3278.80m/s，与500kHz频率下此管道C-SH0模态理论群速度基本一致。

当θ角为90°时，只激励出C-SH0模态，以首个C-SH0模态波包传播距离为一个管道周长，即327mm，经过计算波速为3224.30m/s，与理论群速度的相对误差为1.1%。又陆续收到数个波包，传播距离间距均为管道轴长的整数倍，即为波包在管道周向多次传导所致。

当θ角为120°时，由于调整了横波探头的偏振方向，使其偏振方向既不与管道轴向方向一致，也不与管道周向方向一致，此时可同时激励出C-SH0模态与C-S0模态。首个C-SH0模态波包幅值比θ角为90时首个C-SH0模态波包幅值小。

当θ角为135°时，首个C-SH0模态波包幅值随着θ角度不断增大而不断减小。

当θ角为150°时，首个C-SH0模态波包相较于θ角为90°、120°、135°时幅值持续减小。第一个C-S0模态波包相较于θ角为120°、135°时幅值持续减增大。

检测缺陷时θ角为120°，此时周向导波沿圆周传播一周，两传感器之间直线距离为566mm，缺陷位于激励传感器与接收传感器之间的中点上。由模拟结果可知自激励点到缺陷的实际距离误差为3.74mm，相对误差为2.9%，相对误差较小，可以满足检测需要。

3 结论

第一，当横波探头偏振方向與管道轴向方向一致时，可在管道中激励C-SH0模态。

第二，横波直探头在管道中激励C-SH0模态可用于缺陷检测，能满足检测需求。

参考文献

[1] Niethammer M，Jacobs LJ，Qu J，et al.Time-frequency representations of Lamb waves[J]. The Journal of the Acoustical Society of America，2001，109（1）：1841-1847.

[2] O.Grace， R.Goodman.Circumferential waves on solid cylinders[J].Journal of the Acoustical Society of America，1966，39（1）：173-174.

[3] U.Kawald，C.Desmet，W.Lauriks，et al. Investigation of the dispersion relations of surface acoustic wave propagating on a layer cylinder[J].Journal of the Acoustical Society of America，1996，99（2）：926-930.endprint