螺旋周期结构管道超声导波检测模型及应用

发布时间：2020-03-23 00:06

【摘要】：翅片管、内螺纹管等螺旋周期结构管道,因其换热效率高而广泛应用于石化、电力等行业。由于长期处于高温、高压、高湿和物料冲刷等工作环境中,容易发生安全事故,需要对其进行定期检测。超声导波检测具有单点激励、长距离检测的优势,有望发展成为一种有效的螺旋周期结构管道检测方法。然而,螺旋周期结构管道几何形状复杂且类型多样,不仅增加了超声导波传播特性的分析难度,也给导波信号处理方法、传感器研制等提出了新挑战。为此,本学位论文开展螺旋周期结构管道超声导波检测模型及应用研究。根据螺旋周期结构沿管道的空间分布规律,提出螺旋周期结构管道超声导波检测半解析有限元理论,并结合典型管道的结构特点,建立管外和管内螺旋周期结构管道超声导波检测模型,揭示超声导波在螺旋周期结构管道中的传播特性。实验验证模型的正确性,给出削弱螺旋周期结构影响的激励参数选取原则。该研究扩展了半解析有限元法的应用范围,同时提供了适用于不同类型螺旋周期结构管道超声导波传播特性的求解方法,为超声导波应用奠定理论基础。针对所述半解析有限元理论处理含缺陷管道导波传播问题的局限性,建立含缺陷的螺旋周期结构管道超声导波检测三维有限元仿真模型,通过研究轴对称模态导波在管外和管内螺旋周期结构中的信号衰减特性和缺陷响应特性,揭示螺旋周期结构管道缺陷超声导波检测机理,为导波检测距离评估和缺陷定量提供理论依据。针对螺旋周期结构管道超声导波现场应用中遇到的焊缝和支架等局部结构特征,利用信号增强器模拟管道局部结构特征对导波传播特性的影响,依据弹性波反射理论和信号波形叠加原理,从信号传播角度给出可同时在激励、接收和缺陷检测过程中实现信号增强的方法,获取了不同类型管道局部结构特征的传感器布置方式,并明确信号增强条件和信号增强器使用原则,可指导螺旋周期结构管道现场检测的具体实施。结合上述理论研究结果,研制出适用于加热炉翅片管这一典型螺旋周期结构管道的链式结构纵向模态导波检测传感器,可检测出壁厚截面积损失1.2%的翅片管缺陷,解决了空间受限工况下超声导波应用的难题。利用焊缝和180度弯头对导波信号的衰减作用,实现翅片管超声导波检测距离可控,消除弯头部分对检测信号的影响。现场应用结果表明,所研制的传感器可用于在役加热炉翅片管检测。研究工作为螺旋周期结构管道超声导波传播特性的获取提供了求解方法,不仅丰富了周期结构声学特性的相关研究,而且有助于推动超声导波应用于螺旋周期结构管道检测。
【图文】：

结构管

(a) 翅片管（管外翅片结构） (b) 内螺纹管（管内螺纹结构）图 1.1 典型螺旋周期结构管道相比于普通光管，螺旋周期结构管道除了管道部分会发生壁厚减薄、裂纹和穿孔效形式外，螺旋周期结构也会出现磨损、腐蚀和开裂等新的失效形式[5]，最终导致泄漏，造成环境污染和经济损失。此外，螺旋周期结构还易引起流体产生旋流[6]，加速上述失效形式的产生和发展。因此，不仅需要在设计过程中保证较大的安全系且需要对管道进行定期检测以保证其安全运营。现有的管道检测方法主要有磁粉、渗透检测、漏磁检测、涡流检测和常规超声检测等[7-8]。然而，由于螺旋周期结道的结构特点，上述检测方法应用均受到一定程度的限制。其中，管外排布的螺旋结构会导致磁粉和渗透等表面缺陷检测方法不再适用[9]，而管内排布的螺旋周期结引起漏磁、涡流、常规超声等检测方法的检测灵敏度降低[10]。超声导波检测作为一种快速发展的无损检测方法，通过选择合适的激励参数和定装少量传感器可实现整个构件截面不同位置的缺陷检测，适用于杆、管和板等多种

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华中科技大学博士学位论文的细分程度。若频率 ω 的计算步长过大，则群速度的计算结果存在较大的数值误小频率 ω 的计算步长，则群速度的计算精度提高，但计算时间会增加。为解决，Bartoli 提出另一种群速度计算方法[73]，计算过程只需要单点实数对(k, ω)信避免了求解域细分程度对计算精度的影响，，且无需进行模态分离， RmLmmRmmLmmmmkkCgUMUUKKU 2 2 T23T (2.，LmU 和RmU 分别是一阶特征方程的左特征向量和右特征向量。其中，右特征向量率 ωm处的第 m 个导波模态对应的截面各节点位移分布，即导波模态的截面振基于上述分析步骤，利用 Mathematics 计算软件对所述螺旋周期结构管道超声半解析有限元理论进行计算机编程，以实现超声导波传播特性的快速求解。具程如图 2.1 所示。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG115.285

【参考文献】