厚壁管道周向兰姆波模态分析及缺陷检测实验研究

发布时间：2020-07-05 10:54

【摘要】：厚壁管道在核电站中占有非常重要的地位,被形象比喻为核电站的“血管”,其健康状况的好坏,对国家能源战略发展和社会安定起着至关重要的作用。常用的无损检测手段难以快速扫查并检出厚壁管道中的缺陷,而周向兰姆波沿管道周向传播,沿轴向进行快速扫查,可实现对厚壁管道的全范围检测。本文基于周向兰姆波理论,从理论频散特性、传播特性和模态成分识别、缺陷检测等方面开展了厚壁管道周向兰姆波检测技术的研究工作。首先,基于周向兰姆波基本理论,比较了薄壁管道与厚壁管道的周向兰姆波频散曲线,计算了不同尺寸参数厚壁管道中周向兰姆波的频散曲线、频率与入射角关系以及模态位移分布,对周向兰姆波的频散特性进行了理论研究。计算发现周向兰姆波频散曲线与壁厚的大小紧密相关,而对外径的变化不敏感;结合文献资料与分析结果,最终确定选取激励频率0.5MHz、入射角30~60°进行检测方法研究;管道壁厚的变化会影响各模态的振动位移分布特征,其中CL3~CL6模态位移分布较为均匀,有利于发现整个壁厚范围内的缺陷。其次,针对周向兰姆波在厚壁管道中传播的复杂性,从检测参数对传播信号影响、不同厚壁管道中周向兰姆波传播特性等方面对周向兰姆波的传播特性进行了深入研究。考虑信号的幅值大小和时域分辨率,确定后续实验的激励信号周期数取为10,不同入射角度对周向兰姆波的传播信号影响较大,随着入射角减小,信号的波包宽度增大,0.5MHz频率分量对应的模态数量增多,频散变严重。对三个不同壁厚的厚壁管道,通过波包幅度和波包宽度两个波形参数分析研究了周向兰姆波的传播特性,厚壁管道中周向兰姆波传播波幅会随传播距离增大呈波动性衰减,波包宽度则几乎呈线性增大。然后,基于连续小波变换对不同入射角下壁厚25mm管道中传播的周向兰姆波传播模态进行了拟合识别,并分析了各个模态的衰减,不同入射角度在厚壁管道中传播的主要模态不同,主要模态导波幅值随着传播距离增大而呈波动性变化。最后,在三个不同壁厚的厚壁管道试块上设计了一系列缺陷,开展了厚壁管道周向兰姆波检测的检测能力与检测灵敏度、缺陷回波模态分析、缺陷回波传播机理等关键问题的研究。实验结果表明,通过入射角度的适当选取可以实现厚壁管道内外壁缺陷的检出;不同入射角的检测灵敏度不同,对于内壁缺陷,仅在入射角37°时能检出6mm缺陷,对于外壁缺陷,入射角55°对外壁缺陷最为敏感,在壁厚25mm管道中最小可发现外壁1mm缺陷,壁厚较小管道的外壁缺陷检测灵敏度更高。外壁缺陷回波在传播距离较远处会发生频散和模态转换,缺陷尺寸大小则会影响模态成分的分布。利用几何声学原理对入射角37°检测壁厚25mm管道时缺陷回波的传播机理进行了分析,结果发现此时的缺陷回波存在横波成分,且横波占主要能量,导致了缺陷回波幅值随传播距离增大呈规律性地波动变化。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM623

【参考文献】