趙鈺龍　李震　于灝

摘 要：管狀工程結(jié)構(gòu)的工業(yè)應(yīng)用特別廣泛，這就使得其結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)尤為重要。本文使用一發(fā)一收的布局，應(yīng)用耦合在鋁管表面的壓電傳感器檢測(cè)缺陷，結(jié)果表明，使用周向?qū)Р梢詸z測(cè)管道損害，其結(jié)果可以為管道檢測(cè)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：管道 無(wú)損檢測(cè) 周向?qū)Р?/p>

中圖分類號(hào)：U461.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（b）-0029-02

與其他檢測(cè)方法不同，周向?qū)Рㄑ刂軤罱Y(jié)構(gòu)的周向傳播，可以通過(guò)調(diào)整激勵(lì)參數(shù)選擇任意的圓周路徑，使導(dǎo)波成螺旋線式掃過(guò)管道整體，從而用更少的傳感器達(dá)到更全面的檢測(cè)，這使得周向?qū)Рㄔ诠軤钗矬w健康監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用成為熱點(diǎn)[1]。但在使用周向?qū)Рz測(cè)管道缺陷和特征時(shí)，導(dǎo)波的頻散特性以及無(wú)數(shù)模態(tài)的存在使得檢測(cè)復(fù)雜化，這就需要模擬驗(yàn)證其檢測(cè)性為工業(yè)應(yīng)用提供借鑒。周向?qū)Рㄔ诠艿乐械膫鞑ピ缬醒芯?，Grace等人以柱體為研究對(duì)象構(gòu)筑了周向?qū)Р▊鞑ツＰ?，得到在此邊界條件下的衰減規(guī)律和速度[2]；Kawald等應(yīng)用線聚焦HeNe激光器與干涉儀在管道上激勵(lì)超聲導(dǎo)波，激勵(lì)出多個(gè)模態(tài)的周向?qū)Р╗3]。

1 有限元模擬仿真

管道外直徑104mm，壁厚2mm，如圖1所示。無(wú)缺陷時(shí)以一發(fā)一收的方式，頻率為500kHz進(jìn)行激勵(lì)。在仿真超聲導(dǎo)波傳播過(guò)程時(shí)，網(wǎng)格尺寸le與波長(zhǎng)的關(guān)系應(yīng)滿足：

（1）

式中，λmin為計(jì)算中的超聲波中最小的波長(zhǎng)。

θ角為橫波探頭偏振方向與x軸的夾角，首先沿y軸方向放置，即橫波探頭的偏振方向與x軸的夾角θ為90°。信號(hào)采集后改變方向，使θ角分別為120°、135°、150°分別采集信號(hào)。

建立管道缺陷長(zhǎng)20mm、寬2mm沿管道徑向貫穿，其人工缺陷長(zhǎng)邊與管道軸向方向一致（即縱向缺陷），如圖1所示。橫波探頭激勵(lì)C-SH波激勵(lì)信號(hào)橫波探頭與接收信號(hào)橫波探頭相隔圓周角度360°，x方向上的距離隨著激勵(lì)角度而變化。在此，以一發(fā)一收的方式進(jìn)行模擬，激勵(lì)信號(hào)為5周期漢寧窗調(diào)制的正弦波信號(hào)，激勵(lì)頻率為500kHz。

2 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算首先出現(xiàn)的包速度為3278.80m/s，與500kHz頻率下此管道C-SH0模態(tài)理論群速度基本一致。

當(dāng)θ角為90°時(shí)，只激勵(lì)出C-SH0模態(tài)，以首個(gè)C-SH0模態(tài)波包傳播距離為一個(gè)管道周長(zhǎng)，即327mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算波速為3224.30m/s，與理論群速度的相對(duì)誤差為1.1%。又陸續(xù)收到數(shù)個(gè)波包，傳播距離間距均為管道軸長(zhǎng)的整數(shù)倍，即為波包在管道周向多次傳導(dǎo)所致。

當(dāng)θ角為120°時(shí)，由于調(diào)整了橫波探頭的偏振方向，使其偏振方向既不與管道軸向方向一致，也不與管道周向方向一致，此時(shí)可同時(shí)激勵(lì)出C-SH0模態(tài)與C-S0模態(tài)。首個(gè)C-SH0模態(tài)波包幅值比θ角為90時(shí)首個(gè)C-SH0模態(tài)波包幅值小。

當(dāng)θ角為135°時(shí)，首個(gè)C-SH0模態(tài)波包幅值隨著θ角度不斷增大而不斷減小。

當(dāng)θ角為150°時(shí)，首個(gè)C-SH0模態(tài)波包相較于θ角為90°、120°、135°時(shí)幅值持續(xù)減小。第一個(gè)C-S0模態(tài)波包相較于θ角為120°、135°時(shí)幅值持續(xù)減增大。

檢測(cè)缺陷時(shí)θ角為120°，此時(shí)周向?qū)Рㄑ貓A周傳播一周，兩傳感器之間直線距離為566mm，缺陷位于激勵(lì)傳感器與接收傳感器之間的中點(diǎn)上。由模擬結(jié)果可知自激勵(lì)點(diǎn)到缺陷的實(shí)際距離誤差為3.74mm，相對(duì)誤差為2.9%，相對(duì)誤差較小，可以滿足檢測(cè)需要。

3 結(jié)論

第一，當(dāng)橫波探頭偏振方向與管道軸向方向一致時(shí)，可在管道中激勵(lì)C-SH0模態(tài)。

第二，橫波直探頭在管道中激勵(lì)C-SH0模態(tài)可用于缺陷檢測(cè)，能滿足檢測(cè)需求。

參考文獻(xiàn)

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