管道超声导波损伤检测与特征识别

发布时间：2017-07-20 10:16

  本文关键词：管道超声导波损伤检测与特征识别

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【摘要】：管道在能源、化工、城市建设等领域发挥着重要作用。腐蚀、变形等损伤是管道运营过程中的重大安全隐患,定期对管道进行无损检测是保障其安全运营的重要措施。超声导波技术现已广泛应用于工业管道的损伤检测,具有检测距离长、效率高、成本低等诸多优势。然而,受管道中导波激发效率、导波与损伤相互作用复杂性等因素的影响,损伤的特征识别问题仍面临挑战。这一问题的解决对于掌握管道的健康状况,进而开展管道剩余寿命评估以及管道维护和维修至关重要。 本文的目的是基于管道超声导波检测进一步发展影响损伤特征识别实现的各项关键技术,探索可用于损伤特征识别的新策略和新方法。为此,本文从导波检测参数的优化选择,管道中导波的高效激励方法与换能器设计,损伤回波特征信息的高效提取技术以及导波与新型损伤的相互作用等方面开展了深入研究。 本文首先分析了空心圆管中纵向模态导波的频散特性与检测频率选择问题。根据导波频散现象,建立了缺陷回波分辨距离与激励信号参数间的量化关系,分析了检测频率优化选择问题。以导波频散引起的信号分辨距离为依据,计算了不同几何尺寸管道中纵向模态导波非频散段的限制频率。研究表明,限定或最小化缺陷回波分辨距离,可获得最佳的导波激励信号周期及检测频率或频段。根据导波频散特性随管道几何尺寸的变化规律,得到了导波限制频率与管道直径和壁厚的几个重要函数关系。这些函数关系为管道检测时快速确定合适的检测频率范围提供了依据。 管道中激发高信噪比的期望模态导波是获得良好管道检测效果的关键因素之一。为此,本文分析了管道检测常用的轴对称模态导波的高效激励问题。首先建立了基于不同类型换能器的载荷模型,利用简正模态展开技术建立了导波激励声场与边界载荷的量化关系,进而从机理上阐述了载荷方向、载荷周向分布参数等因素对导波激励的影响,并提出了导波高效激励所需的边界载荷条件。针对轴对称模态导波激励过程中出现的非轴对称载荷,提出了一种载荷补偿策略并进行了实验验证。该策略能够有效抑制非轴对称模态导波的产生,同时也有助于改善导波信号的噪声水平。 回波信号包含了丰富的损伤几何特征信息,提取并分析这些特征信息有助于识别损伤的几何特征。采用数值模拟和实验研究相结合的方法,分析了管道中轴向非连续双损伤处扭转模态导波T(0,1)的反射特征。在此基础上,发展了一种基于优化波形字典的匹配追踪方法,该方法能够高效的对总体损伤回波进行分解,进而方便的提取反映损伤几何特征的各项参数信息。研究表明,依据各分解信号的相位变化可准确识别管道中存在的轴向连续单损伤与非连续双损伤；分解后的前、后损伤响应信号时间历程差异直接并准确反映了非连续双损伤的轴向间距；分解后的前损伤响应信号幅度有效反映了前损伤的大小。 变形是管道的主要失效模式之一。本文通过开展实验研究,分析了管道局部凹陷变形处导波的反射特征,探讨了利用导波技术开展管道变形检测的可行性以及变形损伤的特征识别问题。研究表明,由于管道几何结构的扰动,纵向模态导波L(0,2)传播至变形区域时会发生反射,且由于变形区域的非轴对称性,部分L(0,2)导波将转换为弯曲模态导波F(1,3)并发生反射；当检测频率一定时,L(0,2)导波反射系数随管道变形率的增加而增大,反射的L(0,2)和F(1,3)导波幅度为评估变形损伤的严重程度及其几何对称性提供了参考；对于同一变形损伤,L(0,2)导波反射系数随检测频率增加而减小,且变化趋势与L(0,2)导波沿管壁的径向位移分布随频率的变化关系相似,这种特性为管道检测时识别变形损伤提供了重要依据。由此可见,超声导波用于管道变形检测是一种具有潜在吸引力的新型检测技术。 考虑在役管道检测,本文设计了一种新型导波检测系统。系统包括以剪切型压电晶片为敏感元件的换能器及其卡具阵列,导波激励接收硬件子系统以及分析软件。卡具阵列采用模块化设计思想,各模块之间通过销轴连接进而使阵列具备一定的柔性和可扩展性。实验结果表明：环向布置的换能器阵列可在管道中高效激励单一的T(0,1)导波,检测系统能够有效辨识大于3%管道横断面积的腐蚀损伤。发展了一种用于小口径管线在线检测的新型传感器阵列。该阵列同样采用剪切型压电晶片作为敏感元件,具有柔性、轻质的特点,可表面贴装于任意尺寸的管线外壁,进而实现管线状态的实时检测。 本文研究结果和结论对于更好的开展管道超声导波检测工程应用,提高损伤特征辨识的准确性,拓展导波技术应用于不同类型损伤检测的适用性等方面具有指导意义。
【关键词】：管道检测 超声导波 损伤特征识别 特征提取 变形检测
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP274.53
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-11
• 目录11-15
• CONTENTS15-19
• 图目录19-23
• 表目录23-24
• 主要符号表24-25
• 1 绪论25-45
• 1.1 问题提出与研究意义25-26
• 1.2 国内外相关研究进展26-42
• 1.2.1 研究概况26-27
• 1.2.2 管道中导波的传播理论与传播特性27-32
• 1.2.3 管道中导波的激励与接收32-36
• 1.2.4 管道中非连续结构处导波散射与特征辨识36-42
• 1.3 本文主要研究思路与内容42-45
• 1.3.1 论文研究内容42-43
• 1.3.2 研究路线与研究方法43-44
• 1.3.3 论文结构纲要44-45
• 2 管道中导波传播特性与检测参数选择45-70
• 2.1 引言45-46
• 2.2 空心圆管中的导波46-57
• 2.2.1 频散方程46-51
• 2.2.2 导波传播特性与模态选择51-57
• 2.3 导波频散与频率选择57-68
• 2.3.1 导波频散57-60
• 2.3.2 限制频率定义60-61
• 2.3.3 频率选择61-68
• 2.3.4 讨论68
• 2.4 本章小结68-70
• 3 多元载荷条件下管道中轴对称模态导波激励分析70-94
• 3.1 引言70-71
• 3.2 激励机理71-75
• 3.2.1 简正模态展开法71-72
• 3.2.2 纵向模态导波激励72-74
• 3.2.3 扭转模态导波激励74-75
• 3.3 同向与反向载荷条件下扭转模态导波激励分析75-82
• 3.3.1 载荷模型75-76
• 3.3.2 同向与反向切变载荷分析76-79
• 3.3.3 实验结果与分析79-82
• 3.3.4 小结82
• 3.4 非轴对称载荷条件下纵向模态导波激励分析82-94
• 3.4.1 问题提出82-83
• 3.4.2 载荷方向不一致影响83-85
• 3.4.3 预紧力不一致影响85-86
• 3.4.4 数值分析86-89
• 3.4.5 补偿策略89-90
• 3.4.6 实验结果与分析90-92
• 3.4.7 小结92-94
• 4 基于匹配追踪方法的管道轴向损伤特征识别94-114
• 4.1 引言94
• 4.2 数值分析与实验设置94-97
• 4.2.1 数值分析94-95
• 4.2.2 实验设置95-97
• 4.3 管道轴向损伤导波反射特征97-102
• 4.3.1 连续轴向单损伤导波反射97-99
• 4.3.2 非连续轴向双损伤导波反射99-102
• 4.4 优化波形字典的匹配追踪方法102-106
• 4.4.1 匹配追踪方法102-103
• 4.4.2 优化波形字典构建103-105
• 4.4.3 回波信号MP分解与重构105-106
• 4.5 管道轴向损伤特征识别106-113
• 4.5.1 基于MP方法的损伤特征识别方案106-108
• 4.5.2 连续单损伤与非连续双损伤类型识别108-109
• 4.5.3 双损伤轴向位置估计109-111
• 4.5.4 双损伤大小估计111-113
• 4.6 本章小结113-114
• 5 管道局部变形超声导波检测与几何特征辨识114-134
• 5.1 引言114-115
• 5.2 管道变形表征115-117
• 5.3 检测试验117-121
• 5.3.1 凹陷变形模拟118-120
• 5.3.2 试验装置120-121
• 5.4 结果分析121-128
• 5.4.1 回波信号特征与变形几何参数的关系121-125
• 5.4.2 反射系数与变形率的关系125-128
• 5.5 讨论128-132
• 5.5.1 变形损伤导波检测可行性分析128
• 5.5.2 变形损伤几何特征对导波反射的影响128-131
• 5.5.3 变形损伤特征辨识131-132
• 5.6 本章小结132-134
• 6 管道超声导波检测系统设计134-153
• 6.1 引言134-135
• 6.2 换能器设计135-138
• 6.2.1 敏感元件设计135-137
• 6.2.2 换能器封装设计137-138
• 6.3 换能器阵列设计138-141
• 6.3.1 设计思想138-139
• 6.3.2 详细设计139-141
• 6.4 数据采集与传输处理系统设计141-143
• 6.4.1 硬件子系统设计141-142
• 6.4.2 分析软件设计142-143
• 6.5 检测实验与结果分析143-147
• 6.6 小口径管导波在线检测147-151
• 6.6.1 传感器阵列设计147-148
• 6.6.2 检测实验及结果分析148-151
• 6.7 本章小结151-153
• 7 结论与展望153-157
• 7.1 本文结论153-155
• 7.2 创新点摘要155
• 7.3 展望155-157
• 参考文献157-168
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果168-170
• 致谢170-171
• 作者简介171-172

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：567526