基于超聲導(dǎo)波的管道裂紋檢測模擬研究

張蒲根 張燁 丁菊 劉書宏

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院)

基于超聲導(dǎo)波的管道裂紋檢測模擬研究

張蒲根*張燁 丁菊 劉書宏

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院)

采用有限元方法模擬導(dǎo)波L（0，2）模態(tài)，對管道上的裂紋缺陷進(jìn)行了研究，通過改變裂紋的寬度和長度定量分析裂紋缺陷的回波特征，并根據(jù)特征形態(tài)進(jìn)行深入分析。結(jié)果表明：裂紋寬度對反射波在周向上的分布具有一定影響；裂紋反射面積小于管道橫截面積的3%時，導(dǎo)波的反射系數(shù)低于5%，從而難以被檢測到。

導(dǎo)波 管道 裂紋缺陷 模擬 有限元方法 反射系數(shù)

超聲導(dǎo)波作為一種新型的無損檢測手段，具有快速、精確的檢測能力，已廣泛應(yīng)用于石油、天然氣和電力等領(lǐng)域。目前導(dǎo)波在管道檢測方面已取得非常大的進(jìn)展[1-3]。國外，P．Cawley等[4]利用有限元方法，分別研究了導(dǎo)波在不同直徑管道上的軸向、周向裂紋的反射系數(shù)。D.N.Alleyne等[5]通過模擬的方法研究了導(dǎo)波反射系數(shù)和缺陷之間的關(guān)系。M.J.S.Lowe等[6]研究了導(dǎo)波在裂紋處的反射模擬狀態(tài)。國內(nèi)，孫廣開等[7]應(yīng)用ANSYS有限元軟件建立了管道模型，通過對接收信號的分析，較為準(zhǔn)確地定位了缺陷位置。為了探究裂紋對超聲導(dǎo)波檢測的影響規(guī)律，本研究以有限元模擬方法采用導(dǎo)波L（0，2）模態(tài)對管道上的裂紋缺陷進(jìn)行檢測研究，通過改變裂紋的寬度和長度定量分析裂紋缺陷的回波特征，并根據(jù)特征形態(tài)進(jìn)行深入分析。

1 有限元模擬方法

采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬，并采用英國帝國理工大學(xué)開發(fā)的DISPERSE頻散軟件對外徑為70 mm、壁厚為3.5 mm的薄壁管道進(jìn)行頻散曲線繪制。圖1（a）所示為0～250 kHz的直管道群速度頻散曲線，由圖可知導(dǎo)波L（0,2）模態(tài)在80～140 kHz范圍內(nèi)頻散程度相對較小，傳播速度比其他模態(tài)大，據(jù)此可區(qū)分導(dǎo)波L（0,2）模態(tài)和其他模態(tài)。本次模擬的激發(fā)頻率選用140 kHz。激發(fā)信號采用10個周期經(jīng)漢寧窗函數(shù)調(diào)制的正弦單音頻信號，如圖1（b）所示。激發(fā)10個周期的波形，這樣既可以保證明顯的波形，又可避免由于波形周期較多而引起波形疊加現(xiàn)象。

圖1 模型及激發(fā)波形

激勵信號的表達(dá)式如式（1）所示：

式中，x（t）為信號幅值（m），t為激勵時間（s），fc為激勵頻率（Hz），n為信號周期。

利用ANSYS進(jìn)行模擬仿真的步驟大致為：前處理、加載并求解、結(jié)果后處理。建立合適的模型是有限元分析的基礎(chǔ)。由于管道的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，所以采用直接建模的方法，自底向上建立模型，即從點到線，再從面到體。ANSYS軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。其類型包括普通的線單元、面單元、體單元，還有特殊單元，如接觸單元、間隙單元和表面效應(yīng)單元等。本模擬采用的是三維實體單元Solid164。網(wǎng)格劃分及裂紋缺陷如圖1(c)、(d)所示。

載荷條件是對物體實際工況的模擬，載荷施加的方法將直接影響分析過程以及分析結(jié)果的正確性、精確性。本文將導(dǎo)波信號施加在管道的一端，采用路徑的方式選擇管端的一組節(jié)點，如圖1(c)所示，激發(fā)信號施加在這些節(jié)點上。根據(jù)預(yù)估的導(dǎo)波傳播時間，設(shè)置求解時間。由于所需要激發(fā)的模態(tài)為L（0,2）模態(tài)，所以選擇軸向振動方向。

在ANSYS中結(jié)果后處理有兩種模式，一種是通用結(jié)果后處理器POST1，另一種是時域后處理器POST26。其中時域后處理器POST26用于跟蹤指定結(jié)果與施加載荷歷程之間的關(guān)系。本研究采用動力學(xué)分析，使用時域處理器可查看模型指定位置的分析結(jié)果隨時間、頻率的變化情況，即得到時域波形圖，進(jìn)而對缺陷的位置進(jìn)行判斷。

試驗對象為外徑70 mm、壁厚3.5 mm、長度2000 mm的碳鋼管道。管道材料參數(shù)如表1所示。

表1 管道材料參數(shù)

1.1 裂紋寬度對導(dǎo)波檢測的影響

模擬采用長2 m的管道，裂紋設(shè)置在距離激發(fā)端1 m處，裂紋為擴展角度45°的通透裂紋。裂紋寬度依次為：0.5，1，1.5，2，2.5，3 mm。數(shù)據(jù)接收及處理方法如下：（1）利用各接收節(jié)點的數(shù)據(jù)繪出反射系數(shù)圓柱圖（反射系數(shù)=反射回波幅值/激發(fā)波幅值）；（2）根據(jù)圖2（a）所對應(yīng)的特征，分別在33.75°和191.25°位置處劃分分界線，并將圓柱坐標(biāo)圖分成A、B兩部分；（3）分別在A、B兩部分找到最大反射系數(shù)值，并進(jìn)行線性分析，如圖 2（b）所示。

圖2 接收節(jié)點圓柱坐標(biāo)圖和極值點坐標(biāo)圖

由圖2（a）、（b）可以看出:（1）缺陷所在的A部分，隨著裂紋寬度的增大，反射系數(shù)隨之減小；而B部分，反射系數(shù)逐漸增大。這表明裂紋寬度能夠?qū)Ψ瓷洳ㄔ谥芟蛏系姆植籍a(chǎn)生一定的線性相關(guān)影響。（2）在不同的裂紋寬度下，A部分和B部分的反射系數(shù)之和維持在0.280～0.285之間，可以理解為兩部分的能量之和維持不變；即不管裂紋寬度為多少，導(dǎo)波反射的總能量不變。

1.2 裂紋長度對導(dǎo)波檢測的影響

模擬管道長度為2 m，裂紋距離激發(fā)端1 m，裂紋的寬度設(shè)置為2 mm，裂紋長度以裂紋擴展角表示，依次為 11.25°，22.5°，33.75°，45°，56.25°，67.5°，78.7°，90°，裂紋處于管道周向節(jié)點12附近（32個節(jié)點一圈）。根據(jù)圖3（a）所對應(yīng)的特征，分別在節(jié)點6和節(jié)點17位置處劃分分界線，并將圓柱坐標(biāo)圖分成A、B兩部分；分別在A、B兩部分找到最大反射系數(shù)值，并進(jìn)行線性分析，如圖3（b）所示。

圖3 接收節(jié)點坐標(biāo)圖和極值點坐標(biāo)圖

由圖 3（a）、（b）可以看出:（1）各缺陷程度下反射系數(shù)曲線在周向缺陷處（節(jié)點12附近）出現(xiàn)局部峰值；在其對角（節(jié)點28）處也出現(xiàn)了極大值。（2）裂紋擴展角越大，反射系數(shù)也越大；當(dāng)裂紋擴展角為11.25°（即3%的管道橫截面積）時，反射系數(shù)特征不明顯，并且反射系數(shù)低于5%。（3）A、B部分的最大反射系數(shù)都隨著擴展角減小而減小。

2 結(jié)論

（1）導(dǎo)波反射系數(shù)與裂紋缺陷的反射面大小呈線性關(guān)系，與裂紋寬度無關(guān)，反射面越大，反射系數(shù)也越大；當(dāng)反射面小于3%時，反射系數(shù)低于5%，從而難以判斷缺陷。

（2）裂紋寬度能對反射波在周向上的分布產(chǎn)生一定的線性相關(guān)影響，裂紋寬度越大，裂紋在周向位置處的反射系數(shù)就越小，其對角位置反而越大。

（3）當(dāng)采用壓電式傳感器進(jìn)行導(dǎo)波短距離檢測時，建議分別進(jìn)行信號接收，并根據(jù)傳播距離和回波幅度判斷裂紋缺陷在周向上的位置。

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Simulation Research of Piping Crack Detection Based on Ultrasonic Guided Wave

Zhang Pugen Zhang Ye Ding Ju Liu Shuhong

The finite element simulation of guided wave L(0,2)modes is used to study the crack defects in the piping.By changing the width and length of crack defects,the echo characteristics of crack defects are quantitatively analyzed.And the analysis is carried out based on the characteristic morphology.The results show that the width of the crack has some influence on the circumferential distribution of the reflected wave.When the crack reflection surface is less than 3%of the cross sectional area of the pipe,the reflectivity of guided wave is less than 5%,which is difficult to be detected.

Guided wave;Pipe;Crack defect;Simulation;Finite element method;Reflection coefficient

TQ 050.7

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.013

2016-12-12)

*張蒲根，男，1988年生，碩士。上海市，200062。