基于激光超声的管道表面裂纹缺陷检测机理研究

发布时间：2017-06-16 06:10

  本文关键词：基于激光超声的管道表面裂纹缺陷检测机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：管道被广泛应用于各个重要领域,长期处在高温或腐蚀等恶劣环境中。随着服役时间增长,极易产生疲劳破坏进而导致裂纹出现,从而引发管道介质泄漏等事故。激光超声检测技术具有完全非接触、无需耦合剂、适合远距离检测、激发超声波带宽大、空间分辨率高等优点,弥补常规超声技术的不足,特别适用于高温、腐蚀、核辐射等恶劣环境中管道的检测。本文结合管道表面裂纹缺陷检测的迫切需求,采用基于热固耦合的有限元模拟方法与基于激光超声的实验相结合,研究激光超声表面波与管道表面裂纹相互作用的机理。采用基于热固耦合原理的有限元方法模拟激光在管道中激发超声波的过程,考察脉冲激光源功率密度及在管道表面产生的瞬态温度梯度分布;研究管道有、无表面裂纹缺陷情况下的超声振动特征;分析裂纹深度对超声振动信号、缺陷一次回波频谱和超声应力场传播特性的影响。有限元模拟为实验研究研究提供理论技术基础。采用模块化设计,搭建激光超声管道检测系统,用脉冲激光激发超声波,基于双波混合原理的激光干涉仪接收超声波,量化分析信噪比达到最佳状态的各模块参数,利用分数阶微分方法提取表面波缺陷回波信号。研究脉冲激光功率密度对超声表面波信号的影响;分析管道有、无裂纹时的超声信号特征以及激光超声表面波对表面缺陷的反应;探究表面波缺陷回波缺陷特征提取前后的B扫描结果;分析表面裂纹缺陷深度与两次缺陷回波时间间隔的关系。综合对比分析实验研究结果与有限元模拟结果,对研究过程作出评价,分析得到脉冲激光在管道激发超声波及其与表面裂纹缺陷相互作用的机理。
【关键词】：管道 激光超声 有限元方法 表面裂纹缺陷 模式转换
【学位授予单位】：北京石油化工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U178
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究进展12-14
• 1.2.1 激光超声的研究概况12-13
• 1.2.2 圆管中激光超声的研究进展13-14
• 1.3 激光超声检测技术在管道检测方面的应用14-19
• 1.4 本文研究目标和内容安排19-21
• 第二章 激光超声检测技术基本理论21-29
• 2.1 超声波的激光产生机理21-23
• 2.1.1 热弹机理21-22
• 2.1.2 烧蚀机理22-23
• 2.2 超声波的非接触检测技术23-27
• 2.2.1 非干涉检测技术23-25
• 2.2.2 干涉仪检测技术25-27
• 2.3 本章小结27-29
• 第三章 管道激光超声检测有限元模拟29-47
• 3.1 有限元的基本思想29-32
• 3.1.1 热传导方程的有限元解法29-30
• 3.1.2 瞬态热传导有限元模型边界值选择30
• 3.1.3 热传导方程有限元表达式30-31
• 3.1.4 热弹方程有限元求解31
• 3.1.5 热固耦合31-32
• 3.2 有限元模拟网格大小与时间步长的选择32-34
• 3.2.1 网格大小32-33
• 3.2.2 时间步长33
• 3.2.3 激光和材料的有关参数33-34
• 3.3 数值模拟结果及分析34-46
• 3.3.1 激光功率密度计算34-36
• 3.3.2 瞬态温度场求解36-38
• 3.3.3 热固耦合后管道内超声波传播情况38-39
• 3.3.4 扫描激光源检测管道表面缺陷及特性分析39-41
• 3.3.5 裂纹深度对超声表面波影响41-43
• 3.3.6 脉冲激光在管道激发的超声波应力场43-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 激光超声检测系统设计47-55
• 4.1 激励模块48
• 4.2 检测模块48-53
• 4.2.1 AIR1550TWM干涉仪49
• 4.2.2 双波混合干涉检测技术的原理49-50
• 4.2.3 检测模块参数实验与特性分析50-53
• 4.3 数据采集模块53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 管道表面裂纹缺陷激光超声检测实验研究55-73
• 5.1 激光功率密度对超声信号影响55-56
• 5.2 激光在管道产生超声波的信号特征56-60
• 5.3 基于分数阶微分的信号处理方法60-61
• 5.4 激光超声表面波与缺陷相互作用的特性研究61-70
• 5.4.1 声表面波对表面缺陷的反映61-65
• 5.4.2 激光超声管道B扫描检测65-68
• 5.4.3 超声表面波缺陷回波特性分析68-70
• 5.5 本章小结70-73
• 第六章 结论与展望73-75
• 6.1 结论73-74
• 6.2 展望74-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-81
• 研究成果及发表的学术论文81-83
• 作者及导师简介83

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