奧氏體不銹鋼管道導(dǎo)波信號(hào)分析技術(shù)研究

胡 棟* 李杜偉 陳增江 陸 斌 翟永軍

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 前言

奧氏體不銹鋼管道具有優(yōu)良的高低溫韌性及強(qiáng)耐腐性等特點(diǎn)[1-2]，在化工行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。為了保證這類(lèi)管道的運(yùn)行安全，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范要求，需對(duì)其進(jìn)行定期檢驗(yàn)，在定期檢驗(yàn)過(guò)程中，通常采用滲透、超聲或射線(xiàn)檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手段，這類(lèi)技術(shù)具有高度的局部檢測(cè)特征，檢測(cè)效率較低，容易產(chǎn)生漏檢。

超聲導(dǎo)波是一種新興的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)技術(shù)[3]，通過(guò)在被檢工件表面布置傳感器，既可實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)十米甚至上百米的全截面檢測(cè)工作，在管道檢測(cè)工作中也具有較好的適用性。Kwun 等[4]利用磁致伸縮效應(yīng)在帶有煤焦油磁漆防腐層的埋地管道中激勵(lì)出T（0, 1）模態(tài)并對(duì)管道進(jìn)行缺陷檢測(cè)，分析了信號(hào)的衰減特性后指出，隨著檢測(cè)頻率增大，檢測(cè)信號(hào)衰減也越嚴(yán)重。華中科技大學(xué)的武新軍等[5]研究了基于磁致伸縮效應(yīng)縱向?qū)РＰ筒⑵鋺?yīng)用于管道檢測(cè)。

由于奧氏體不銹鋼晶粒粗大且具有明顯的各向異性，使超聲導(dǎo)波信號(hào)衰減幅度較大，同時(shí)粗晶體易使超聲導(dǎo)波產(chǎn)生散射、衍射和折射，極大降低了回波信號(hào)的信噪比，對(duì)缺陷的判別產(chǎn)生影響。采用多點(diǎn)測(cè)試的方法能夠降低反向反射和多次反射的干擾，但無(wú)法解決噪聲信號(hào)引起的草狀回波影響。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于匹配追蹤算法對(duì)奧氏體不銹鋼管道導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行處理，從時(shí)域和頻域的角度進(jìn)行信號(hào)分析技術(shù)研究，提高奧氏體不銹鋼管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)的可行性。

1 奧氏體不銹鋼導(dǎo)波信號(hào)時(shí)頻去噪理論

1.1 奧氏體不銹鋼中的導(dǎo)波

奧氏體不銹鋼管道中的聲波控制方程、應(yīng)力-應(yīng)變方程和應(yīng)變-位移方程分別如式（1）、式（2）、式（3）所示[6]。

假設(shè)導(dǎo)波在無(wú)限大介質(zhì)中傳播，其具有以下形式：

矩陣A為三協(xié)晶系個(gè)性異性材料的普遍表達(dá)式，當(dāng)矩陣A的所有項(xiàng)都不為零時(shí)，三個(gè)方向的位移互相耦合。因此各向異性材料中不存在獨(dú)立的純縱波和純橫波模態(tài)。

1.2 匹配追蹤去噪原理

匹配追蹤算法（Matching Pursuits）是一種自適應(yīng)信號(hào)分解算法[7]，它把信號(hào)表示為與其結(jié)構(gòu)匹配波形（原子）的線(xiàn)性展開(kāi)，然后根據(jù)信號(hào)的局部特征從字典庫(kù)中選擇合適的基函數(shù)自動(dòng)匹配，從而實(shí)現(xiàn)噪聲抑制。匹配追蹤算法具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，因此適用于對(duì)奧氏體不銹鋼導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)的去噪處理。

匹配追蹤算法的原子可通過(guò)窗函數(shù)g（t）平移、伸縮或頻率調(diào)制而成[8]，窗函數(shù)g（t）滿(mǎn)足‖g‖＝1，g（0）≠0 且g（t）的積分也不為零,得到的原子可用式（6）表示：

2 磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)試樣

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)西南研究院生產(chǎn)的MsSR3030R 長(zhǎng)距離超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由MsSR3030R 主機(jī)、數(shù)據(jù)采集分析軟件和磁致伸縮傳感器三部分構(gòu)成。磁致伸縮傳感器由帶狀交流線(xiàn)圈、線(xiàn)圈適配器和薄鐵鈷帶組成。帶狀線(xiàn)圈與線(xiàn)圈適配器結(jié)合在一起可以指定模式、頻率及導(dǎo)波的方向。薄鐵鈷帶需要利用永磁體進(jìn)行磁化，一方面可以加強(qiáng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度，另一方面利用鐵鈷帶的磁致伸縮效應(yīng)使其中的粒子產(chǎn)生振動(dòng)，并機(jī)械耦合到被檢材料產(chǎn)生超聲導(dǎo)波[15]，從而突破了檢測(cè)材質(zhì)的限制，使磁致伸縮超聲導(dǎo)波可以應(yīng)用到任何材料，包括鐵磁性和非鐵磁性材料。在鐵鈷帶上產(chǎn)生磁針伸縮效應(yīng)具有很大的優(yōu)勢(shì)：（1）具有較高的MsS 靈敏度；（2）不需要笨重的磁鐵提供直流偏磁化；（3）始終如一的傳感器性能，不會(huì)因?yàn)闄z測(cè)位置及檢測(cè)試件的不同，而導(dǎo)致檢測(cè)性能不同。

2.2 奧氏體不銹鋼檢測(cè)樣管

實(shí)驗(yàn)采用的檢驗(yàn)樣管如圖1 所示，樣管材質(zhì)為304L，管道壁厚 =6 mm，外徑為219 mm，總長(zhǎng)度約為30 m。該樣管由三段無(wú)縫管焊接制成，每段長(zhǎng)約10 m，共加工11 處缺陷，以左端為0 點(diǎn)，缺陷位置及參數(shù)如表1 所示。

圖1 奧氏體不銹鋼樣管

表1 缺陷位置及參數(shù)

3 時(shí)頻處理及信號(hào)分析

3.1 原始檢測(cè)信號(hào)分析

采用64 kHz 傳感器激發(fā)扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,1)導(dǎo)波對(duì)樣管進(jìn)行檢測(cè)，以傳感器左方為正方向，獲取正、負(fù)兩個(gè)檢測(cè)信號(hào)，如圖2、圖3 所示。

圖2 負(fù)方向檢測(cè)信號(hào)

圖3 正方向檢測(cè)信號(hào)

圖2、圖3 中橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為幅值，除焊縫管端等強(qiáng)反射信號(hào)可見(jiàn)外，缺陷信號(hào)幾乎被噪聲信號(hào)湮沒(méi)，信噪比約為10 dB。

3.2 原始信號(hào)匹配追蹤去噪處理

圖4、圖5 分別為正、負(fù)方向原始信號(hào)經(jīng)匹配追蹤去噪后的結(jié)果，經(jīng)去噪處理后，信噪比提高了約6 dB，表征管道缺陷的低幅值信號(hào)出現(xiàn)。

圖4 負(fù)方向檢測(cè)信號(hào)匹配追蹤處理結(jié)果

圖5 正方向檢測(cè)信號(hào)匹配追蹤處理結(jié)果

由于管道實(shí)際長(zhǎng)度為30 m，將處理后的信號(hào)按實(shí)際距離截取有用區(qū)域，并將負(fù)方向信號(hào)反轉(zhuǎn)與正向信號(hào)拼接，拼接后的圖像如圖6 所示。

圖6 中，以探頭位置MsS1 為0 點(diǎn)，左側(cè)為負(fù)方向信號(hào)，右側(cè)為正方向信號(hào)，缺陷用代號(hào)D 表示，焊縫用代號(hào)W 表示，X 和Y 分別代表反向反射信號(hào)與多重反射信號(hào)，EP 為管端信號(hào)，經(jīng)去噪處理后，樣管中的缺陷均可識(shí)別。

圖6 信號(hào)去噪后的拼接圖像

圖7 為拼接圖像的頻譜圖，頻譜圖橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為頻率分布，頻譜圖中信號(hào)與拼接圖像中信號(hào)按距離一一對(duì)應(yīng)，缺陷及特征結(jié)構(gòu)的信號(hào)頻率約為64 kHz，與激勵(lì)頻率一致。

圖7 合成信號(hào)頻譜圖

4 結(jié)論

（1）直接采用T（0，1）模態(tài)導(dǎo)波進(jìn)行奧氏體不銹鋼管道檢測(cè)時(shí)，信噪比較低，缺陷難以識(shí)別。

（2）采用匹配追蹤算法對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理后，信噪比提高至6 dB 以上，能夠獲取低幅值缺陷信號(hào)信息。

（3）采用匹配追蹤算法對(duì)奧氏體不銹鋼導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)去噪后，能夠有效識(shí)別環(huán)形切槽、凹坑和密集鉆孔缺陷，廣泛覆蓋了奧氏體不銹鋼管道的各類(lèi)型缺陷，基于匹配追蹤的奧氏體不銹鋼管道導(dǎo)波檢測(cè)具有可行性。