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管道結(jié)構(gòu)作為工業(yè)運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，廣泛應(yīng)用于石油、化工以及核能等領(lǐng)域。在運(yùn)行周期中，受運(yùn)輸介質(zhì)、外界環(huán)境等因素影響，管道容易發(fā)生腐蝕、變形甚至破裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致管道泄漏、環(huán)境污染甚至人員傷亡等嚴(yán)重事故。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)管道損傷具有重要意義，不僅可以預(yù)防事故，還能延長(zhǎng)管道的使用壽命，獲得更顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

 

無損檢測(cè)技術(shù)在不損壞檢測(cè)部件及其使用功能的同時(shí)能夠有效檢測(cè)損傷，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)管道的檢測(cè)中。

 

無損檢測(cè)技術(shù)主要包括超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)、漏磁檢測(cè)和磁粉檢測(cè)等。渦流檢測(cè)速度快且自動(dòng)化程度高，但僅限于導(dǎo)電材料的表面檢測(cè)，無法精確檢測(cè)厚壁鋼管；磁粉檢測(cè)靈敏度高、操作簡(jiǎn)便，但僅適用于磁性材料的表面缺陷檢測(cè)；射線檢測(cè)精度高，可檢測(cè)整體缺陷，但輻射對(duì)人體有害且成本較高；超聲檢測(cè)更適合局部缺陷的精確檢測(cè)，而無法進(jìn)行長(zhǎng)距離部件檢測(cè)?，F(xiàn)有方法的局限性凸顯了對(duì)高效、精準(zhǔn)損傷檢測(cè)技術(shù)的需求。

 

超聲導(dǎo)波能夠沿著管道壁長(zhǎng)距離傳播，其聲場(chǎng)可以覆蓋整個(gè)部件的壁厚，具有低衰減和高穿透等特性，能夠有效檢測(cè)部件表面和內(nèi)部缺陷，顯著提高檢測(cè)效率。考慮到油氣管道損傷檢測(cè)的重要意義和目前損傷檢測(cè)技術(shù)的多樣性，以及基于超聲導(dǎo)波的管道損傷檢測(cè)研究的綜合評(píng)述有限，下面針對(duì)超聲導(dǎo)波在管道損傷檢測(cè)中的研究應(yīng)用進(jìn)行綜述。

 

超聲導(dǎo)波及其檢測(cè)技術(shù)原理

 

超聲引導(dǎo)波（UGW）是一種能夠在特定幾何結(jié)構(gòu)（如管道、板材或軌道）中傳播的特殊超聲波，被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)部件內(nèi)部缺陷。

 

在彈性介質(zhì)中，超聲波（包括超聲引導(dǎo)波）在遇到不同介質(zhì)或部件結(jié)構(gòu)變化時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射和模式轉(zhuǎn)換。而在復(fù)雜的檢測(cè)結(jié)構(gòu)中，如多層材料或曲面管道，超聲波在經(jīng)歷多次反射或折射后，信號(hào)的處理和表征更加復(fù)雜，且會(huì)產(chǎn)生超聲引導(dǎo)波，其通常被稱為蘭姆（Lamb）波。

 

超聲導(dǎo)波的頻散與多模態(tài)

 

頻散和多模態(tài)是管道中波傳播的兩個(gè)關(guān)鍵特征，主要受到波導(dǎo)中導(dǎo)波頻率等相關(guān)傳播特性的影響。

 

在頻域中，頻散會(huì)導(dǎo)致不同頻率分量的相位偏離，使得具有相同初始相位的頻率分量在波導(dǎo)中傳播時(shí)發(fā)生展寬，進(jìn)而降低頻率分辨率；在時(shí)域中，頻散會(huì)引起信號(hào)展寬和波形的變化，從而降低空間分辨率，且頻率分量的相速度變化會(huì)導(dǎo)致波形失真，頻域和時(shí)域中的頻散信號(hào)與非頻散信號(hào)的傳播示意如圖1所示。

 

圖1 頻域和時(shí)域中的頻散信號(hào)與非頻散信號(hào)的傳播示意

 

通過利用多模波導(dǎo)的傳播和這些缺陷的反射，可以有效檢測(cè)非軸對(duì)稱缺陷。

 

通常情況下，采用解析或半解析有限元方法求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的頻散曲線，例如余旭東等通過半解析有限元方法的計(jì)算框架，實(shí)現(xiàn)了對(duì)周向?qū)Рl散關(guān)系的精確求解，頻散曲線如圖2所示，該方法對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面進(jìn)行有限元離散，在波傳播方向采用解析描述，從而將三維問題轉(zhuǎn)化為二維求解，能夠準(zhǔn)確計(jì)算具有任意材料屬性、層數(shù)和環(huán)向截面形狀的復(fù)合圓管中的導(dǎo)波頻散關(guān)系，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)和材料表征。

 

圖2 周向?qū)Рǖ南嗨俣阮l散曲線：CLT為周向蘭姆類（厚度）模態(tài)波，CHS為周向水平剪切模態(tài)波，其中導(dǎo)波數(shù)字代表模態(tài)波的階數(shù)

 

導(dǎo)波的頻散效應(yīng)和多模態(tài)行為會(huì)顯著增加回波信號(hào)的處理難度，但是不同模態(tài)和高階模態(tài)簇的導(dǎo)波對(duì)不同的管道缺陷具有不同的敏感度。因此，多模態(tài)激勵(lì)也為檢測(cè)各種類型的管道缺陷提供了更多的應(yīng)對(duì)策略。

 

超聲導(dǎo)波的激勵(lì)與接收

 

近年來，導(dǎo)波激勵(lì)的研究主要集中在目標(biāo)模態(tài)的激發(fā)等方面，目的是減少多模態(tài)帶來的信號(hào)處理復(fù)雜性并提高缺陷的檢測(cè)精度。

 

特定導(dǎo)波模態(tài)如L(0,1)和L(0,2)縱向模態(tài)對(duì)周向裂縫較為敏感，而T(0,1)模態(tài)則對(duì)軸向裂縫檢測(cè)效果更佳。

 

空心圓柱體縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的激勵(lì)示意如圖3所示。每個(gè)導(dǎo)波模態(tài)都有固有的截止頻率，這是其能夠存在的最低頻率。通過選擇低于高階模態(tài)截止頻率的激勵(lì)頻率，可以有效地實(shí)現(xiàn)低階模態(tài)的獨(dú)占激勵(lì)，從而避免高階模態(tài)的干擾和信號(hào)復(fù)雜性。

 

圖3 空心圓柱體縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)激勵(lì)示意

 

管道檢測(cè)中常用的導(dǎo)波激發(fā)和接收方法包括：脈沖回波法、一發(fā)一收法、壓電換能陣列以及激光激發(fā)與干涉接收法。

 

在脈沖回波法中，同一個(gè)換能器或換能器陣列既用于激發(fā)導(dǎo)波，也用于接收反射回的導(dǎo)波信號(hào)，因依賴波的反射來確定缺陷信息，故脈沖回波法適用于識(shí)別距離激發(fā)點(diǎn)較近的缺陷。

 

而在一發(fā)一收模式中，一個(gè)換能器或換能器組用于激發(fā)導(dǎo)波，另一個(gè)換能器或換能器組用于接收，一發(fā)一收模式可以提供缺陷的更多信息，并且能夠檢測(cè)長(zhǎng)距離管道中的缺陷。脈沖回波法和一發(fā)一收模式的原理示意如圖4所示。

 

圖4 脈沖回波法和一發(fā)一收模式原理示意

 

導(dǎo)波激勵(lì)與接收方法的選擇取決于多種因素，例如檢測(cè)距離、缺陷類型、環(huán)境條件以及設(shè)備和成本。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波單模態(tài)激發(fā)，研究人員利用換能器陣列選擇性激發(fā)。

 

超聲導(dǎo)波的衰減

 

超聲波的檢測(cè)范圍受到各種衰減因素的限制，包括能量的擴(kuò)散和吸收。在彈性介質(zhì)中，波前頻散是較為普遍的現(xiàn)象；但在黏彈性介質(zhì)中，其不僅表現(xiàn)出波前頻散，還伴隨著能量吸收行為。

 

導(dǎo)波的衰減主要包括擴(kuò)散衰減、散射衰減和吸收衰減，如圖5所示。在無損檢測(cè)中，可根據(jù)衰減與材料缺陷程度的線性效應(yīng)，使用信噪比衡量信號(hào)的衰減。

 

圖5 導(dǎo)波衰減示意

 

此外，研究還表明管道埋地環(huán)境以及埋地材料對(duì)導(dǎo)波衰減的影響非常顯著，黏土環(huán)境中導(dǎo)波能量的衰減遠(yuǎn)高于沙土環(huán)境中。

 

超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理和技術(shù)特點(diǎn)

 

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)主要通過激發(fā)低頻超聲導(dǎo)波在檢測(cè)部件內(nèi)散射，從而捕捉部件內(nèi)的缺陷以檢測(cè)部件損傷。管道超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)技術(shù)的原理示意如圖6所示。

 

圖6 管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)原理示意

 

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在各種材料的損傷檢測(cè)中應(yīng)用廣泛，其檢測(cè)信號(hào)中幾乎包含了結(jié)構(gòu)中的所有信息。與其他檢測(cè)技術(shù)相比，其主要有以下優(yōu)勢(shì)：

 

全面檢測(cè)。可在整個(gè)構(gòu)件中的任意位置進(jìn)行單點(diǎn)激勵(lì)，誘導(dǎo)顆粒振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)構(gòu)件的全面覆蓋檢測(cè)。

 

長(zhǎng)距離檢測(cè)。針對(duì)材料屬性，選擇合適的導(dǎo)波模態(tài)，能夠減小導(dǎo)波衰減。更小的衰減意味著導(dǎo)波能夠在材料中傳播的距離更遠(yuǎn)，從而能夠在不移動(dòng)設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)。

 

缺陷適應(yīng)性強(qiáng)。超聲導(dǎo)波具有多模態(tài)特性，適用于檢測(cè)各種不同類型的缺陷。通過控制導(dǎo)波的模態(tài)和頻率可以對(duì)不同類型的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，提高檢測(cè)精度的同時(shí)還能獲取多維度的檢測(cè)信息。

 

檢測(cè)效率高。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)成本相對(duì)較低，在特定位置安裝換能器即可進(jìn)行檢測(cè)，方便且易操作。

 

超聲導(dǎo)波換能器的研究進(jìn)展

 

管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)主要包括換能器及其陣列、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框架示意如圖7所示。

 

圖7 超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架示意

 

在超聲導(dǎo)波檢測(cè)過程中，導(dǎo)波的頻散和多模態(tài)特性使得導(dǎo)波模態(tài)轉(zhuǎn)換、波形變寬以及信噪比降低等問題普遍存在，因此，精確選擇激發(fā)和接收導(dǎo)波的換能器具有重要作用。

 

根據(jù)其傳導(dǎo)機(jī)理，換能器主要分為壓電換能器、磁致伸縮換能器、電磁聲換能器和激光換能器。

 

壓電換能器

 

激勵(lì)導(dǎo)波的兩種傳統(tǒng)壓電換能器包括斜入式換能器和梳狀換能器，其發(fā)射原理如圖8所示。

 

圖8 斜入式換能器和梳狀換能器導(dǎo)波發(fā)射原理示意

 

斜入式換能器通過有機(jī)玻璃楔塊來激勵(lì)導(dǎo)波，其中楔塊使得L波以一定角度入射到板結(jié)構(gòu)中。梳狀換能器由一系列排列成梳齒狀的壓電元件組成，能夠產(chǎn)生相位同步的導(dǎo)波。

 

目前常用的壓電換能器包括鋯鈦酸鉛（PZT）換能器和聚偏氟乙烯薄膜（PVDF）換能器。

 

PZT換能器利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，從而激勵(lì)超聲導(dǎo)波。PZT的研究主要集中在開發(fā)特定導(dǎo)波模態(tài)激發(fā)的換能器和研究耦合層的影響等方面。

 

PZT換能器的溫度敏感性和電極連接的可靠性問題是目前研究中面臨的挑戰(zhàn)。PZT材料對(duì)溫度變化較為敏感，因此需要在一定溫度范圍內(nèi)工作。此外，在高頻、高壓應(yīng)用環(huán)境中，PZT材料與電極連接的質(zhì)量和耐久性限制了換能器的可靠性和使用壽命。

 

PVDF換能器主要通過聚偏氟乙烯材料的壓電效應(yīng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換來激勵(lì)導(dǎo)波。PVDF材料具有很高的柔性，可以彎曲和變形，可應(yīng)用在曲線或復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)中，因此該材料可靈活定制電極以適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)形狀。3種PVDF換能器的實(shí)物如圖9所示。

 

圖9 PVDF換能器實(shí)物

 

磁致伸縮換能器

 

磁致伸縮換能器通過磁致伸縮效應(yīng)生成導(dǎo)波信號(hào)，通常由磁致伸縮材料芯、勵(lì)磁線圈和感應(yīng)線圈組成。

 

當(dāng)交變電流通過勵(lì)磁線圈時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)使磁致伸縮材料內(nèi)部磁疇重新排列，材料發(fā)生周期性形變，從而產(chǎn)生超聲導(dǎo)波。

 

磁致伸縮換能器具有高靈敏度、寬頻帶、非接觸式操作以及高效率等優(yōu)勢(shì)，在管道無損檢測(cè)中應(yīng)用廣泛。

 

電磁聲換能器

 

電磁聲換能器（EMAT）的工作原理主要是通過洛倫茲力和磁致伸縮效應(yīng)激發(fā)和接收超聲導(dǎo)波，如圖10所示。

 

圖10 基于洛倫茲力和磁致伸縮效應(yīng)的電磁聲換能器結(jié)構(gòu)示意

 

基于洛倫茲力的EMAT利用動(dòng)態(tài)電流在固體中感應(yīng)渦流，并與偏置磁場(chǎng)相互作用，從而激發(fā)彈性波，因此僅適用于導(dǎo)電材料。

 

而基于磁致伸縮效應(yīng)的EMAT通過壓磁效應(yīng)激發(fā)導(dǎo)波，適用于鐵磁性材料或貼有高磁致伸縮貼片的試件。通過設(shè)計(jì)換能器內(nèi)的線圈和磁體參數(shù)，能夠優(yōu)化換能器并產(chǎn)生多種模式的導(dǎo)波以及復(fù)雜波型。

 

基于洛倫茲力的換能器導(dǎo)波激發(fā)原理決定了該裝置能夠完成非接觸式操作，利于其為在高溫或均勻移動(dòng)的工況環(huán)境下工作，更值得注意的是，高溫環(huán)境會(huì)影響永磁鐵和線圈的性能，因此需要在裝置中設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。

 

而基于磁致伸縮效應(yīng)用于管道結(jié)構(gòu)中激勵(lì)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波的電磁聲換能器，預(yù)磁化的應(yīng)用意味著會(huì)存在退磁等不穩(wěn)定因素，而激發(fā)縱波、彎曲波等不利導(dǎo)波。

 

超聲導(dǎo)波信號(hào)處理技術(shù)

 

導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)分析技術(shù)主要包括缺陷波包的提取、多模態(tài)分離以及復(fù)雜信號(hào)的處理。其中，信號(hào)的復(fù)雜性主要由導(dǎo)波多模態(tài)特性以及缺陷的復(fù)雜性導(dǎo)致的，而噪聲成分是由環(huán)境因素的干擾引起的。

 

針對(duì)上述問題，目前研究的熱點(diǎn)主要集中在小缺陷信號(hào)的增強(qiáng)與識(shí)別，頻散效應(yīng)和近場(chǎng)缺陷導(dǎo)致重疊波包的分離上。

 

小缺陷信號(hào)的增強(qiáng)與識(shí)別

 

在超聲導(dǎo)波檢測(cè)過程中，小缺陷難以被準(zhǔn)確檢測(cè)，其主要原因包括小缺陷回波信號(hào)微弱以及噪聲信號(hào)的覆蓋。近年來，研究人員對(duì)小缺陷的超聲導(dǎo)波檢測(cè)問題提出了許多針對(duì)性的方法。

 

波包識(shí)別技術(shù)被提出用于處理小缺陷回波信號(hào)，通過設(shè)計(jì)與小缺陷信號(hào)相匹配的濾波器，能夠增強(qiáng)目標(biāo)波包的檢測(cè)效果，使小缺陷信號(hào)在噪聲背景中更加突出。

 

ROSTAMI等提出了一種稀疏表示與基于色散的匹配追蹤（SDMP）算法，用于減少在管道檢測(cè)中使用導(dǎo)波時(shí)的頻散效應(yīng)。數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了其在復(fù)雜環(huán)境下導(dǎo)波信號(hào)分離和缺陷檢測(cè)中的有效性。

 

PEDRAM等引入了分頻處理（SSP）技術(shù)，通過將超聲導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)分解為多個(gè)子頻帶并進(jìn)行非線性濾波處理，顯著提高了信號(hào)質(zhì)量和信噪比；優(yōu)化的SSP參數(shù)使其在檢測(cè)帶涂層或埋地管道時(shí)，能夠有效減小頻散波模式對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響，增強(qiáng)對(duì)小缺陷的檢測(cè)能力，可將信噪比提高約40 dB。

 

YANG等提出了基于一種可調(diào)Q因子群稀疏小波變換（GS-TQWT）的超聲導(dǎo)波焊縫缺陷檢測(cè)特征提取方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法相對(duì)于傳統(tǒng)方法在噪聲環(huán)境中能更準(zhǔn)確地提取缺陷回波且計(jì)算成本更低，適合實(shí)時(shí)檢測(cè)。

 

吳錦豪等采用基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的導(dǎo)波檢測(cè)方法，通過L(0,2)模態(tài)導(dǎo)波檢測(cè)燃?xì)夤艿赖牧鸭y，該方法能夠使導(dǎo)波聚焦在缺陷位置，增強(qiáng)信號(hào)能量，放大小缺陷的回波信號(hào)。

 

多模態(tài)分離

 

超聲導(dǎo)波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生多種模態(tài)，這些模態(tài)在傳播特性和速度上有所不同，因此提出模態(tài)分離和提取方法，分析并分離多模態(tài)信號(hào)，進(jìn)而通過導(dǎo)波模態(tài)特性與缺陷特性之間的關(guān)聯(lián)識(shí)別缺陷。

 

HAYASHI等提出了一種基于正態(tài)模態(tài)展開的導(dǎo)波模態(tài)分離和提取方法來處理管道缺陷信號(hào)，該方法在分離軸對(duì)稱波和非軸對(duì)稱波方面表現(xiàn)良好。

 

陳樂等研究了彎曲導(dǎo)波模態(tài)的分離和頻散補(bǔ)償?shù)姆椒?，該方法將?dǎo)波信號(hào)時(shí)頻變換后的數(shù)據(jù)與理論時(shí)頻曲線對(duì)比，獲得導(dǎo)波的頻散補(bǔ)償，最后與波包信號(hào)進(jìn)行疊加，更利于缺陷的識(shí)別和定位。

 

黃吉等利用軸對(duì)稱導(dǎo)波在非對(duì)稱結(jié)構(gòu)傳播時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢B(tài)導(dǎo)波的特性以及不同模態(tài)導(dǎo)波的振動(dòng)幅值和相位特性，對(duì)混合模態(tài)的特征進(jìn)行匹配并分類，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模態(tài)分離，該方法在試驗(yàn)中被證實(shí)能夠很好地分離和提取導(dǎo)波信號(hào)。

 

王小丫等基于頻散傳遞函數(shù)建立了導(dǎo)波模態(tài)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而提出基于導(dǎo)波基函數(shù)投影變換的模態(tài)分離方法，實(shí)現(xiàn)了混合模態(tài)信號(hào)的分離與單模態(tài)信號(hào)的提取。

 

KONG等提出了一種貝葉斯濾波方法用于自適應(yīng)提取和分離超聲導(dǎo)波的多模態(tài)信號(hào)。

 

LI等通過二維傅里葉變換將多階模態(tài)的時(shí)空信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，而后基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法從多模態(tài)的頻域信號(hào)中提取頻譜峰，并重構(gòu)單模態(tài)導(dǎo)波的時(shí)域信號(hào)；通過與理論結(jié)果進(jìn)行比較，證明了該方法能夠在多模態(tài)信號(hào)中分離出高純度單模信號(hào)。

 

挑戰(zhàn)與展望

 

雖然針對(duì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的研究已經(jīng)較為深入，但該技術(shù)領(lǐng)域仍然存在以下挑戰(zhàn)：

 

1、隨著材料科學(xué)的深入研究，復(fù)合材料和增材制造的部件將大量應(yīng)用到管道運(yùn)輸行業(yè)，因此，針對(duì)復(fù)合材料的特性與增材制造部件的復(fù)雜性，需要研究相適應(yīng)的超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)，確保檢測(cè)方法的適用性和可靠性。

 

2、超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)與其他檢測(cè)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用是目前針對(duì)復(fù)雜工況下管道檢測(cè)的熱門策略，能夠?qū)崿F(xiàn)多模態(tài)、高精度的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)。

 

3、針對(duì)埋地管道的損傷檢測(cè)仍然處于初步研究階段，面對(duì)復(fù)雜工況（如高溫、高壓、復(fù)雜地質(zhì)條件）的檢測(cè)需要進(jìn)一步的研究，并需要開發(fā)適用于特定工況的檢測(cè)方法。

 

作者：左萬君，戴西斌（江西省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院）

 

江華（江西省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院撫州分院）

 

第一作者簡(jiǎn)介：左萬君，碩士，高級(jí)工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究工作。

 

來源：《無損檢測(cè)》2024年11期