劉秋閣，嚴有琪，陳凱歌，蔣俊俊

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

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基于模態(tài)分離算法的管道焊縫缺陷周向定位研究

劉秋閣1，嚴有琪2，陳凱歌1，蔣俊俊1

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

針對管道焊縫質量的檢測問題，研究了一種基于超聲導波的管道環(huán)焊縫缺陷周向定位方法，可快速確定管道焊縫中的缺陷周向位置。該方法基于超聲導波模態(tài)分離算法，分離出焊縫回波信號中的對稱、非對稱模態(tài)，提取對稱、非對稱模態(tài)峰值，并利用非對稱模態(tài)與焊縫中非對稱缺陷的對應關系，確定缺陷所在周向位置。通過試驗驗證了該方法的正確性，并總結出可檢測缺陷的范圍。

超聲導波；管道焊縫缺陷；周向位置；模態(tài)分離算法；對稱-非對稱模態(tài)

管道作為日常生產生活的主要輸送工具，其使用安全關系到人民的生命財產安全。長距離管道多是焊接而成，焊接缺陷及使用過程中焊縫處產生的缺陷，如裂紋、加渣、未焊透、腐蝕等，均可能引起管道泄漏事故。因此，對管道焊縫質量的檢測對防止管道事故的發(fā)生尤為重要[1]。

目前，現(xiàn)有的X射線檢測、漏磁檢測及TOFD檢測技術在焊縫檢測方面尚不夠便捷快速，難以滿足大范圍快速檢測的需要；超聲導波檢測方法相比傳統(tǒng)檢測方法，對于埋地或包覆層管道，無需挖開管道或去除包覆層就能實現(xiàn)檢測，且一次可檢測上百米，檢測效率高[2-4]。本文在利用超聲導波檢測焊縫缺陷的基礎上，進一步對焊縫的缺陷進行周向定位研究。

1　試驗條件

管道導波焊縫缺陷檢測試驗系統(tǒng)包括數(shù)字示波器、函數(shù)發(fā)生器、前置放大器、前置供電信號分離器、壓電傳感器陣列、管道及計算機，試驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。試驗在常溫下進行，試驗對象為一根帶焊縫的碳鋼管道，長度為5m，規(guī)格為108mm×5mm。

圖1　試驗系統(tǒng)示意圖

距離管道A端2.5m處加工一焊縫，采用氬弧焊焊接方式，管口I型坡口，管道對口間隙為5mm，保證焊縫焊接質量為1級。在第二象限制作凹槽表征腐蝕缺陷，位置如圖2所示。凹槽寬5mm，截面缺損率從10%增加到20%，每增加1%，采一次數(shù)據(jù)。

在A端貼兩環(huán)壓電傳感器作為激勵和接收環(huán)，每環(huán)16片，均勻分布。激勵環(huán)不分組，整環(huán)激勵。接收環(huán)按A、B、C、D、E、F、G、H均分為8組，如圖2所示。激勵頻率60～120kHz，每5kHz采8組數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的信號，分析確定激勵頻率為 80kHz時，采集到的信號最佳。

圖2　接收環(huán)分組方式及缺陷周向位置

2　信號處理方法

根據(jù)符浩等人使用的模態(tài)分離方法[5-6]，針對本試驗設計模態(tài)分離方法如下

S=|SA+SB+SC+SD+SE+SF+SG+SH|

(1)

(2)

(3)

其中，SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG、SH分別為ABCDEFGH象限接收到的信號；S為對稱性特征曲線；SH為水平方向的非對稱性特征曲線；SV為豎直方向的非對稱性特征曲線。

根據(jù)缺陷周向定位方法[7]，進一步設計模態(tài)分離方法

S12=|SA+SB+SC+SD|

(4)

S34=|SE+SF+SH+SG|

(5)

S14=|SA+SB+SH+SG|

(6)

S23=|SC+SD+SE+SF|

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

其中，S12為1、2象限的對稱性特征曲線；S34為3、4象限的對稱性特征曲線；S14為1、4象限的對稱性特征曲線；S23為2、3象限的對稱性特征曲線；SH12為1、2象限的水平非對稱性特征曲線；SH34為3、4象限的水平非對稱性特征曲線；SV14為1、4象限的豎直非對稱性特征曲線；SV23為2、3象限的豎直非對稱性特征曲線。

利用Matlab軟件編寫數(shù)據(jù)處理的程序：首先利用對稱-非對稱性特征曲線算法對采集到的回波信號按照式(1)～式(11)進行相應的處理；其次，利用小波方法，采用db9小波對信號進行4層分解重構，提取第2層和第3層的小波成分并作疊加處理，以濾除雜波、提高信噪比[8-9]；提取信號的包絡線，之后對幅值做歸一化處理；最后繪制波形曲線，并利用已知管道特征的幅值擬合出管道的距離-幅值(Distance-AmplitudeCorrection)曲線組。

DAC曲線組中包括法蘭DAC曲線、焊縫DAC曲線和警戒DAC曲線。法蘭DAC曲線根據(jù)管道端部反射信號幅值衰減情況繪制，通常法蘭信號均在法蘭DAC曲線附近；焊縫DAC曲線是法蘭DAC曲線的20% ，通常情況下焊縫信號的峰值均分布在焊縫DAC曲線附近；而警戒DAC曲線是法蘭DAC曲線的5%，是區(qū)分缺陷信號和噪聲信號的界限，通常情況下噪聲信號的幅值不會超過警戒DAC曲線[10]。

3　試驗結果及分析

使用上述信號處理方法，對所得信號SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG、SH根據(jù)式(1)～式(3)進行處理，得到80 kHz時得到的對稱-非對稱性特征曲線圖，如圖3所示。焊縫在圖3中的位置可根據(jù)式(12)計算得到

(12)

圖3　80 kHz時對稱-非對稱性特征DAC曲線圖

其中，te為DAC曲線圖中激勵波信號時間點；td為缺陷信號所在時間點；ld為管道中缺陷所在位置；C為導波的傳播速度。

在本試驗中C=5 380m/s，te=0.1×10-3s，ld=2.5m，得到焊縫在圖3中的位置td=1.03×10-3s?？梢姾缚p處的對稱性成分幅值偏低，但高出警戒DAC曲線，非對稱性特征曲線幅值明顯高于噪聲DAC曲線，甚至高出警戒DAC曲線，非對稱特征曲線幅值與對稱性特征曲線幅值比值較大，說明焊縫處存在缺陷，與加工缺陷事實一致[11]。

根據(jù)式(4)～式(11)對SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG、SH信號進行處理，繪制兩個象限的對稱-非對稱性特征曲線圖。分析可知，當界面缺損率為10%時，才有較清晰的對稱與非對稱性特征曲線，為利于結果分析，選取截面缺損率20%的焊縫回波對稱-非對稱性特征曲線圖，如圖4所示。

圖4　截面缺損率20%的兩象限對稱-非對稱性特征曲線圖

提取圖4中對稱性及非對稱性特征曲線SH12、S12、SH34、S34、SV14、S14、SV23及S23中焊縫處的峰值，并做比值，得到結果如表1所示。

表1　非對稱/對稱性特征曲線峰值比

由表1可看出，SH34/S34與SV14/S14的比值較小，且均<0.5，即3與4象限對稱、1與4象限對稱，可判定1、3、4象限無缺陷。SH12/S12與SV23/S23的比值均較大，且超過0.5，說明1、2、3象限中存在缺陷。可知1與2象限不對稱、2與3象限不對稱，所以判定2象限存在缺陷，兩次判斷結果一致，且與加工缺陷位置相符，說明該方法的正確性。

4　結束語

通過試驗發(fā)現(xiàn)，與含缺陷象限相關的兩象限非對稱性特征曲線與對稱性特征曲線幅值比較高，一般高于0.5；與不含缺陷象限相關的兩象限非對稱性特征曲線與對稱性特征曲線幅值比較低，一般低于0.5。再根據(jù)幅值比結果，可確定含缺陷的象限。通過試驗驗證了所設計的對稱-非對稱性特征曲線模態(tài)分離算法在快速判定焊縫缺陷周向位置的有效性。且根據(jù)試驗可知，當缺陷截面缺損率達到10%時，才可判斷缺陷周向位置。

該項研究對快判定焊縫缺陷提供了一種有效的檢測方法，但本試驗是在人工加工一個象限缺陷的前提下進行的，目前還無法指出多缺陷的周向位置，且檢測精度較低，對此仍需借助其他檢測方法。

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Circumferential Positioning of Weld Defects in Pipes By the Modal Separation Algorithm

LIUQiuge1,YANYouqi2,CHENKaige1,JIANGJunjun1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China;2.ZhenjiangSub-branch,JiangsuSpecialEquipmentSafetySupervisionInspectionInstitute,Zhenjiang212009,China)

Thequalityoftheweldissignificanttothesafetyofthepipeline.Amethodforcircumferentialdirectionlocationbasedontheultrasonicguidedwaveisstudied,whichcanquicklydeterminethecircumferentialpositionofthedefectintheweld.Basedontheultrasonicguidedwavemodalseparationalgorithm,thesymmetricandasymmetricmodesoftheechosignalareseparated,theamplitudeisextractedandthecircumferentialpositionofthedefectisconfirmed.Thecorrectnessofthemethodisverifiedbyexperiments,andtherangeofthedefectscanbedetectedisconfirmed.

ultrasonicguidedwave;defectinthepipeweld;circumferentialposition;modalseparationalgorithm;symmetricandasymmetricmodes

2015- 12- 21

江蘇省特檢院2012年度科技基金資助項目(KJ(Y)2012049)

劉秋閣(1989-), 女，碩士研究生。研究方向：管道超聲導波無損檢測。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.005

TP391.41; TB559

A

1007-7820(2016)09-015-04