衛(wèi)小龍 杜國(guó)鋒 周 凱 馬 騏 袁洪強(qiáng) 余澤禹

(1.荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2.長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 3.長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院)

0 引 言

管道作為現(xiàn)行的主要運(yùn)輸手段之一，廣泛應(yīng)用于石油、天然氣等資源的傳輸，被稱為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈，是加快國(guó)家發(fā)展、均衡資源分布、維護(hù)國(guó)防穩(wěn)定的重要組成部分。傳輸管道需要焊接，受到外力、腐蝕等因素破壞或者焊接質(zhì)量不合格時(shí)，容易造成管道泄漏，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境和居民生活帶來難以挽回的重大損失。因此，管道焊縫健康監(jiān)測(cè)是一個(gè)具有重要意義的研究課題。目前，焊縫檢測(cè)常用的手段有射線檢測(cè)和超聲波檢測(cè)[1]。射線檢測(cè)精度高、顯示直觀、易于判別，不足之處是缺陷的檢出受透照角度影響，且該方法應(yīng)用于實(shí)際工程中時(shí)檢測(cè)成本較高，檢測(cè)效率較低，對(duì)操作人員身體危害較大[2]。超聲波檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)成本相對(duì)較低，檢測(cè)速度快，設(shè)備便于攜帶；然而檢測(cè)結(jié)果顯示不直觀，容易漏檢，并且要求傳感器靠近檢測(cè)部位[3]。在這種背景下，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)隨著在基本理論、數(shù)值仿真模擬、試驗(yàn)技術(shù)等方面的快速發(fā)展，特別是近幾年商業(yè)化的應(yīng)用，以其具有長(zhǎng)距離、大范圍、效率高等優(yōu)勢(shì)[4]，得到了廣大學(xué)者的高度關(guān)注。

管道導(dǎo)波理論是在 19 世紀(jì)末的柱面導(dǎo)波傳播理論基礎(chǔ)上展開的[5]。B.L.POCHAMMER和C.CHREE最早研究了自由棒中的導(dǎo)波傳播，隨后眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上研究了縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的頻散曲線以及群速度的求解?；诳v向L(0，2)模態(tài)在特定區(qū)域內(nèi)不產(chǎn)生頻散行為的特性和對(duì)管道缺陷檢測(cè)靈敏度較高的優(yōu)點(diǎn)，R.JARVIS等[6-7]分析了頻散曲線，并針對(duì)管道中導(dǎo)波散射問題進(jìn)行了大量管道切槽類缺陷研究。T.HAYASHI等[8]、A.DEMMA等[9]將導(dǎo)波應(yīng)用于彎曲管道的無損評(píng)估，導(dǎo)波在管道中傳播的理論發(fā)展在初期很困難，僅在數(shù)值仿真技術(shù)階段來研究。接著T.HAYASHI引入了一種半解析有限元方法，大大提高了計(jì)算效率。在此基礎(chǔ)上，S.HEINLEIN等[10]結(jié)合數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究，對(duì)一系列具有不同彎曲半徑的管道進(jìn)行了分析。在縱向模態(tài)導(dǎo)波激勵(lì)下，得出由于管道彎曲的存在，模態(tài)在彎曲部位發(fā)生了轉(zhuǎn)換，最終給出了彎管的彎曲半徑和長(zhǎng)度對(duì)入射波透射率的影響。除了縱向模態(tài)波之外，扭轉(zhuǎn)模態(tài)波對(duì)于研究人員也非常有吸引力，原因在于扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0，1)沒有頻散，傳播速度穩(wěn)定，因此也是較為常用的模態(tài)之一。在導(dǎo)波與缺陷的交互作用方面，J.LEE等[11]使用互易定理求解管道缺陷引起的最低軸對(duì)稱扭轉(zhuǎn)模態(tài)散射的封閉形式。Y.W.KIM等[12]對(duì)軸向和傾斜缺陷進(jìn)行了定量研究，分析了裂紋長(zhǎng)度和傾角對(duì)反射的影響。R.CARANDENTE等[13]對(duì)不同形狀的管道三維 (3D)缺陷進(jìn)行分析，研究復(fù)雜缺陷輪廓對(duì)反射系數(shù)的影響。在換能器方面，NIU X.等[14]研究了缺陷類型、缺陷尺寸和傳感器排列之間的關(guān)系，對(duì)換能器的布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種用于檢測(cè)管道缺陷的有效方法。在管道涂層方面，R.KIRBY等[15]重點(diǎn)分析扭轉(zhuǎn)模態(tài)的行為，并量化瀝青涂層對(duì)軸對(duì)稱缺陷產(chǎn)生的反射系數(shù)的影響。在工程實(shí)際方面，N.ANDRUSCHAK等[16]利用對(duì)腐蝕類型缺陷和支撐條件的反射特征，發(fā)明了一種檢測(cè)管道支架腐蝕缺陷的篩選方法。李立等[17]、李子明等[18]、鄭陽等[19]、劉增華等[20-21]，在管道缺陷檢測(cè)、定位、定量、成像以及傳感器研發(fā)等方面都做了大量研究工作。

綜上所述，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)已廣泛用于直管、彎管以及含包覆層管道缺陷的檢測(cè)。然而，當(dāng)管道中存在焊縫結(jié)構(gòu)時(shí)，超聲導(dǎo)波遇到焊縫會(huì)發(fā)生頻散以及模態(tài)轉(zhuǎn)換，大大增加了缺陷檢測(cè)難度，導(dǎo)致近些年相關(guān)研究成果較少?；诖?，筆者提出了相似路徑的管道焊縫缺陷識(shí)別方法，利用傳播路徑相同的超聲導(dǎo)波信號(hào)相同的原理，通過對(duì)比不同周向位置采集到的超聲導(dǎo)波信號(hào)，結(jié)合傳播路徑的缺陷指數(shù)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)管道焊縫區(qū)域缺陷識(shí)別。研究結(jié)果可為管道焊縫缺陷檢測(cè)提供參考。

1 基于相似路徑的超聲導(dǎo)波缺陷識(shí)別方法

1.1 相似路徑的構(gòu)造

對(duì)于管道焊縫區(qū)域，由于超聲導(dǎo)波散射特性相對(duì)復(fù)雜，難以對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。通過合理設(shè)置信號(hào)激勵(lì)和采集點(diǎn)，利用管道和焊縫的對(duì)稱性，構(gòu)造相似信號(hào)傳播路徑，使不同信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)激勵(lì)出的超聲導(dǎo)波經(jīng)過相同的空間歷程到達(dá)信號(hào)采集點(diǎn)。將管道沿軸向展開，外表面展開為一個(gè)矩形，如圖1所示。在焊縫兩側(cè)分別設(shè)置1條平行于焊縫軸線的信號(hào)激勵(lì)帶和信號(hào)采集帶，用于標(biāo)定信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)和信號(hào)采集點(diǎn)的位置。等間距設(shè)置N個(gè)信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)，在采集帶位置設(shè)置N個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)，信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)和采集點(diǎn)分別依次編號(hào)為Ai和Si，i=1，2，…，N。連接任意一個(gè)激勵(lì)信號(hào)的傳感器和一個(gè)信號(hào)采集傳感器，形成信號(hào)激勵(lì)-傳感路徑，記為Pij，其中i和j分別表示信號(hào)激勵(lì)傳感器和信號(hào)采集傳感器編號(hào)，例如P12表示連接信號(hào)激勵(lì)傳感器A1和信號(hào)采集傳感器S2的路徑。由于管道周向的封閉性，信號(hào)激勵(lì)傳感器AN同樣可以與信號(hào)采集傳感器S1連接形成激勵(lì)-傳感路徑PN，1，與路徑P12信號(hào)傳播空間歷程相似。

圖1 管道展開圖和采集點(diǎn)設(shè)置圖Fig.1 Schematic diagram of flattened pipeline and measuring point distribution

根據(jù)設(shè)定的信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)和采集點(diǎn)的位置，構(gòu)造相似信號(hào)傳播路徑。考慮到常見的焊縫缺陷類型，選用信號(hào)激勵(lì)傳感器和采集傳感器編號(hào)相近的路徑(編號(hào)值差不超過2)，即對(duì)于第i個(gè)信號(hào)激勵(lì)傳感器Ai，可設(shè)置5條路徑，分別為Pi，i-2、Pi，i-1、Pi，i、Pi，i+1、Pi，i+2(若傳感器編號(hào)大于N，則實(shí)際傳感器編號(hào)=原始傳感器編號(hào)-N)。根據(jù)管道、焊縫、信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)以及信號(hào)采集點(diǎn)的對(duì)稱性，傳感器編號(hào)差相等的路徑為相似路徑，即Pi，i為相似路徑，Pi，i-1和Pi，i+1為相似路徑，Pi，i-2和Pi，i+2為相似路徑。

1.2 缺陷信號(hào)的提取與缺陷識(shí)別方法

對(duì)于理想焊縫，在保持與1.1節(jié)(相似路徑)中信號(hào)激勵(lì)和采集設(shè)置一致的情況下，相似激勵(lì)-傳感路徑對(duì)應(yīng)的超聲導(dǎo)波信號(hào)相同，通過對(duì)比相似路徑的信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)提取。然而，由于焊接工藝問題，實(shí)際管道焊縫結(jié)構(gòu)并非都是理想焊縫，即焊縫在周向上的特性并非完全相同，如果這種差異過大，對(duì)缺陷信號(hào)提取產(chǎn)生影響，即2條不受缺陷影響的相似路徑信號(hào)之間會(huì)存在差異，這種差異會(huì)被識(shí)別為缺陷信號(hào)。針對(duì)這個(gè)問題，可采用相鄰路徑信號(hào)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)提取。事實(shí)上，管道焊縫區(qū)域的特征一般是連續(xù)變化(若存在突變，則可將突變視為缺陷)[22-23]，若相鄰路徑間隔足夠小，則可減小焊縫本身不均勻?qū)θ毕菪盘?hào)提取的影響。采用相鄰路徑對(duì)比的缺陷信號(hào)提取方法可表示為：

(1)

根據(jù)提取出的缺陷散射信號(hào)，可計(jì)算相關(guān)路徑表征缺陷的指數(shù)，具體的計(jì)算公式可以表示為：

(2)

式中：Di，j表示對(duì)應(yīng)于路徑的缺陷指數(shù)；E表示信號(hào)能量。

(3)

式中：S(t)為所關(guān)注信號(hào)時(shí)間段的缺陷指數(shù)；t1和t2表示所關(guān)注信號(hào)的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

根據(jù)計(jì)算的缺陷指數(shù)，結(jié)合設(shè)定的信號(hào)激勵(lì)-傳感路徑，確定焊縫缺陷位置，缺陷指數(shù)越大，表示路徑受缺陷影響越大。

2 管道焊縫區(qū)域缺陷識(shí)別數(shù)值仿真

2.1 模型建立

采用ABAQUS有限元軟件建立帶焊縫管道模型，管長(zhǎng)L=1 000 mm，外徑和內(nèi)徑分別為600和580 mm，壁厚d=10 mm，密度為7.8 g/cm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。在管道中心處設(shè)置一條焊縫，焊縫寬度為20 mm，在焊縫左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)置一列平行于焊縫的節(jié)點(diǎn)，作為信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)和信號(hào)采集點(diǎn)。信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)共有8個(gè)，分別記為A3～A10(為了與信號(hào)采集點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng))，信號(hào)采集點(diǎn)共12個(gè)，分別記為S1～S12。信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)和信號(hào)采集點(diǎn)距離焊縫中心均為110 mm，相鄰2個(gè)信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)和信號(hào)采集點(diǎn)的距離都是20 mm。信號(hào)激勵(lì)-傳感路徑設(shè)置如圖2所示。在缺陷檢測(cè)中，依次采用一個(gè)信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)激勵(lì)超聲導(dǎo)波，采用與其相鄰的5個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)采集超聲導(dǎo)波信號(hào)，共40條激勵(lì)-傳感路徑。例如，當(dāng)采用信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)A5激勵(lì)超聲導(dǎo)波時(shí)，采用S3～S7信號(hào)采集點(diǎn)采集信號(hào)。采用在信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)中施加集中力載荷的方式激勵(lì)超聲導(dǎo)波，集中力的方向?yàn)檠毓艿婪ㄏ蛳蛲猓?lì)信號(hào)采用漢寧窗調(diào)制的10周期信號(hào)，信號(hào)中心頻率為60 kHz，信號(hào)采集點(diǎn)采集管道軸向位移信號(hào)。在管道焊縫上設(shè)置圓形貫通缺陷，直徑為10 mm。

圖2 缺陷檢測(cè)激勵(lì)-傳感路徑設(shè)置Fig.2 Configuration of defect detection excitation-sensing paths

2.2 缺陷定位結(jié)果

根據(jù)數(shù)值仿真設(shè)置的激勵(lì)-傳感路徑，可提取出其中的相似路徑。首先將路徑進(jìn)行分組，取相互平行的路徑為同一組相似路徑進(jìn)行分析，每一組包括8條路徑，具體見表1。理論上，第1組和第5組、第2組和第4組分別為相似路徑，然而為了缺陷信號(hào)提取方便，本節(jié)采用表1中的分組方式。為方便表達(dá)，本小節(jié)采用路徑編號(hào)的方式，對(duì)同一組路徑依次進(jìn)行編號(hào)，分別記為P1～P8，其中P1表示信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)為A3的路徑，P2表示信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)為A4的路徑，并以此類推。

表1 缺陷檢測(cè)相似路徑分組Table 1 Groups of similar paths for defect detection

圖3為管道超聲導(dǎo)波傳播數(shù)值仿真位移云圖。超聲導(dǎo)波從信號(hào)激勵(lì)點(diǎn)出發(fā)，同時(shí)往不同方向傳播，采用的是單點(diǎn)激勵(lì)方式，因此在管道中不會(huì)快速形成管道超聲導(dǎo)波，其傳播類似于板類結(jié)構(gòu)的Lamb波。事實(shí)上，大口徑管道可近似看作具有一定曲率的曲面薄壁結(jié)構(gòu)，因此超聲導(dǎo)波的傳播類似于薄壁結(jié)構(gòu)中的Lamb波。圖3中可見超聲導(dǎo)波在遇到焊縫和缺陷時(shí)都會(huì)發(fā)生類似的相互作用，故穿過缺陷的信號(hào)比不穿過缺陷的信號(hào)情況更加復(fù)雜，更加難以解釋，因此直接識(shí)別焊縫缺陷信號(hào)比較困難。

圖3 管道超聲導(dǎo)波傳播數(shù)值仿真位移云圖Fig.3 Displacement nephogram derived from numerical simulation of ultrasonic guided wave propagation in pipeline

圖4所示為不同分組健康區(qū)域(不受缺陷影響的區(qū)域)和受缺陷影響區(qū)域相鄰路徑位移信號(hào)對(duì)比。

圖4 不同分組健康區(qū)域和受缺陷影響區(qū)域相鄰路徑信號(hào)對(duì)比Fig.4 Comparison of adjacent path signals between healthy and defect-affected areas between different groups

由圖4可見，健康區(qū)域路徑距離缺陷較遠(yuǎn)，受缺陷影響較小，因此信號(hào)中幾乎不含缺陷信號(hào)；而受缺陷影響區(qū)域路徑信號(hào)中會(huì)包含缺陷信號(hào)。對(duì)于不同分組，健康區(qū)域路徑信號(hào)符合較好，說明數(shù)值仿真模型管道和焊縫的對(duì)稱性較好，受缺陷影響區(qū)域相鄰路徑信號(hào)之間存在差異，這種差異是缺陷引起的。因此，通過對(duì)比相鄰路徑信號(hào)，可獲取結(jié)構(gòu)焊縫處的缺陷信號(hào)。

圖5給出了不同分組路徑的原始信號(hào)與提取的缺陷信號(hào)對(duì)比。其中缺陷信號(hào)按照式(1)的方法進(jìn)行提取。

圖5 不同路徑原始信號(hào)與缺陷提取信號(hào)對(duì)比Fig.5 Comparison of original and defect extraction signals of different paths

由圖5可知，分組1路徑P2和分組3路徑P1中都提取出了明顯的缺陷信號(hào)，而分組5路徑P3中未提取到缺陷信號(hào)。根據(jù)設(shè)置的缺陷位置和對(duì)應(yīng)的激勵(lì)傳感路徑可知，分組1中路徑P2通過缺陷中心，分組3中路徑P1通過缺陷中心，而分組5所有路徑均離缺陷較遠(yuǎn)。

因此，缺陷信號(hào)提取結(jié)果與數(shù)值仿真實(shí)際設(shè)置的缺陷信息相符合。

圖6給出了不同分組路徑的缺陷指數(shù)，其中缺陷指數(shù)按照式(2)計(jì)算。對(duì)于分組1，缺陷指數(shù)在路徑P1～P3處較大，在路徑P2處達(dá)到最大，在路徑P4和P7處較小，這說明了路徑分組1中P2受缺陷影響最大。對(duì)于分組2，路徑P1～P7缺陷指數(shù)較小，路徑P8缺陷指數(shù)最大。然而與分組1缺陷指數(shù)相比，分組2所有缺陷指數(shù)都比較小，說明了相比于分組1路徑P2，分組2路徑受到缺陷影響較小。事實(shí)上，根據(jù)缺陷位置、尺寸以及設(shè)置的激勵(lì)-傳感路徑，缺陷恰好介于分組2的P1和P2路徑(路徑A3-S2和A4-S3)之間，故分組2中沒有路徑穿過缺陷。對(duì)于分組3，路徑P1缺陷指數(shù)最大，路徑P5缺陷指數(shù)最小，其余路徑缺陷指數(shù)約為路徑P1的，這說明分組3的P1路徑受缺陷影響最大。對(duì)于分組4和5，其路徑缺陷指數(shù)較小，說明分組4和分組5中所有路徑受缺陷影響較小。

圖6 不同分組路徑缺陷指數(shù)Fig.6 Defect indexes of paths by groups

綜合分組1～分組5的路徑缺陷指數(shù)可知，分組1中路徑P2和分組3中路徑P1穿過缺陷中心，即缺陷中心位于這兩條路徑交點(diǎn)處，這與實(shí)際設(shè)置的缺陷位置相符合，如圖7所示。

圖7 缺陷中心定位Fig.7 Locations of defect centers

3 管道焊縫區(qū)域缺陷檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

焊縫缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)試驗(yàn)在不銹鋼焊接管道上進(jìn)行，如圖8所示。管道長(zhǎng)1 000 mm，外徑610 mm，內(nèi)徑590 mm，壁厚10 mm。在管道中間設(shè)置一條焊縫，焊縫寬20 mm，在焊縫中特定周向位置處預(yù)制有3種缺陷，分別為未焊透缺陷(長(zhǎng)23 mm)、裂紋缺陷(長(zhǎng)10 mm)和未熔合缺陷(長(zhǎng)18 mm)。采用固定距離移動(dòng)式傳感器組對(duì)管道焊縫進(jìn)行掃描，以檢測(cè)焊縫缺陷。采用超聲導(dǎo)波損傷診斷系統(tǒng)控制信號(hào)的激勵(lì)和采集，激勵(lì)信號(hào)為漢寧窗調(diào)制的10周期正弦信號(hào)，信號(hào)中心頻率為90 kHz。

圖8 管道焊縫缺陷檢測(cè)試驗(yàn)Fig.8 Pipeline weld defect detection testing

管道焊縫缺陷檢測(cè)示意圖如圖9所示。在管道展開平面上，對(duì)于選定的缺陷檢測(cè)區(qū)域，建立平面直角坐標(biāo)系，其中Y方向與焊縫平行，缺陷檢測(cè)區(qū)域下端對(duì)應(yīng)Y=0。將傳感器組從缺陷檢測(cè)區(qū)域沿平行于焊縫的Y方向進(jìn)行掃描，每次信號(hào)采集完成之后平移一個(gè)步長(zhǎng)再采集數(shù)據(jù)，直至完成整個(gè)缺陷檢測(cè)區(qū)域掃描。試驗(yàn)中選取的待檢測(cè)焊縫長(zhǎng)度為480 mm，共設(shè)置25條信號(hào)激勵(lì)-傳感路徑，依次記為P1～P25，相鄰2條路徑距離間隔為20 mm，每條路徑處采集一組信號(hào)。試驗(yàn)中未焊透缺陷中心位于路徑P3對(duì)應(yīng)的周向位置處，裂紋缺陷中心位于路徑P14對(duì)應(yīng)的位置處，未熔合缺陷中心位于路徑P20處。管道焊縫缺陷檢測(cè)試驗(yàn)圖如圖10所示。

圖9 管道焊縫缺陷檢測(cè)示意圖Fig.9 Schematic diagram of pipeline weld defect detection

圖10 管道焊縫缺陷檢測(cè)試驗(yàn)圖Fig.10 Illustrative diagram of pipeline weld defect detection testing

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

圖11為健康區(qū)域(不受缺陷影響區(qū)域)超聲導(dǎo)波信號(hào)對(duì)比。傳感器采集信號(hào)中有2個(gè)明顯波包，第一個(gè)是串?dāng)_信號(hào)(無效信號(hào))，第二個(gè)為由信號(hào)激勵(lì)傳感器激勵(lì)出的穿過焊縫的超聲導(dǎo)波信號(hào)，故只需關(guān)注第二個(gè)波包信號(hào)，以下所提的信號(hào)均表示第二個(gè)波包信號(hào)。

圖11 健康區(qū)域不同路徑信號(hào)對(duì)比Fig.11 Comparison of signals from different paths in healthy areas

對(duì)于路徑P5和路徑P6，兩者信號(hào)基本重合，一致性較好。這是由于兩者為相鄰路徑，在管道周向上距離間隔為20 mm，距離相對(duì)較近，焊縫在這2條路徑對(duì)應(yīng)周向位置處的性質(zhì)差異不大，即這2條路徑相似性較好。對(duì)于路徑P5和P7、P5和P8，兩者之間間隔一條路徑，在管道周向上的間距為40 mm。這2條路徑信號(hào)在幅值上存在少量差異，這是由于這2條路徑在周向上間隔距離較遠(yuǎn)，焊縫在這2條路徑對(duì)應(yīng)的周向位置處的性質(zhì)存在一定差異，這2條路徑雖然都未受到缺陷影響，但受到焊縫的影響，兩者已不是理論上的相似路徑。分析可知，由于實(shí)際結(jié)構(gòu)焊縫往往在周向上特性并不完全一致，故相鄰路徑信號(hào)之間更具有對(duì)比性，且為了保證缺陷識(shí)別的可靠性，相鄰路徑之間的間距不宜過大。

未熔合缺陷(路徑P3)附近不同路徑信號(hào)對(duì)比如圖12所示。由于缺陷正對(duì)P3路徑，且長(zhǎng)度較小，故只有P3路徑穿過缺陷，受缺陷影響較大，其余路徑受缺陷影響較小。路徑P1和P2信號(hào)基本重合，表面這2條路徑受到缺陷的影響都比較小，與以上分析相吻合。路徑P2和P3的信號(hào)存在明顯差異，路徑P3的信號(hào)幅值小于路徑P2，說明路徑P3在穿過未熔合缺陷時(shí)，部分能量發(fā)生了反射，故透射波能量減小。同理，路徑P3幅值小于路徑P4。路徑P4和P5信號(hào)基本重合，說明這2條路徑受缺陷影響都比較小。分析結(jié)果可知，在路徑P1和P2處采集到的信號(hào)為超聲導(dǎo)波穿過缺陷之后的透射信號(hào)，這2條路徑受缺陷影響較小。當(dāng)傳感器組掃描至路徑P3時(shí)，由于此時(shí)正對(duì)缺陷中心，傳感器采集到的信號(hào)是超聲導(dǎo)波穿過焊縫和缺陷的信號(hào)，此時(shí)信號(hào)相比于相鄰路徑發(fā)生了變化。當(dāng)傳感器組通過未熔合區(qū)域之后，采集到的信號(hào)為受未熔合缺陷影響較小的信號(hào)。因此，通過對(duì)比相鄰路徑信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)缺陷周向位置識(shí)別。

圖12 未熔合缺陷附近不同路徑信號(hào)對(duì)比Fig.12 Comparison of signals from different paths near unfused defects

圖13為裂紋缺陷區(qū)域不同路徑信號(hào)對(duì)比。

圖13 裂紋缺陷區(qū)域不同路徑信號(hào)對(duì)比Fig.13 Comparison of signals from different paths in the crack defect area

由圖13可知，與未熔合缺陷情況類似，路徑P11～P13受裂紋缺陷影響較小，故相鄰路徑信號(hào)對(duì)比差異較??；路徑P14正對(duì)裂紋中心，故P14與相鄰路徑信號(hào)之間都有一定差異，其中路徑P14與P13信號(hào)幅值和相位都有一定差異；而路徑P14與P15之間信號(hào)差異小于路徑P14與P13。結(jié)果同樣說明，通過對(duì)比相鄰路徑信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)缺陷周向位置識(shí)別。

通過對(duì)比相鄰路徑信號(hào)計(jì)算得到的所有路徑缺陷指數(shù)如圖14所示，其中缺陷指數(shù)按照式(2)和式(3)給出的方法計(jì)算。由圖14可知，有3條路徑缺陷指數(shù)明顯比較大，分別為路徑P3、P14和P20，這3條路徑分別正對(duì)未熔合缺陷、裂紋缺陷和未焊透缺陷中心。除了路徑P3、P14和P20之外，其余路徑缺陷指數(shù)都比較小，最大缺陷指數(shù)都小于這3條路徑缺陷指數(shù)的。這說明采用這種相似路徑的方法識(shí)別焊縫缺陷精度較高，即可實(shí)現(xiàn)較小缺陷的識(shí)別。

圖14 不同路徑缺陷指數(shù)Fig.14 Defect indexes of different paths

4 結(jié) 論

(1)提出了基于相似路徑的管道焊縫缺陷無基準(zhǔn)超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法。通過合理設(shè)置信號(hào)激勵(lì)和采集點(diǎn)，利用管道和焊縫的對(duì)稱性，設(shè)置多條信號(hào)激勵(lì)-傳感路徑。根據(jù)提取出的缺陷散射信號(hào)，可計(jì)算相關(guān)路徑表征缺陷的指數(shù)。結(jié)合設(shè)定的信號(hào)激勵(lì)-傳感路徑，確定焊縫缺陷位置，缺陷指數(shù)越大，表示路徑受缺陷影響越大，最終實(shí)現(xiàn)管道焊縫缺陷的周向定位。

(2)管道焊縫缺陷檢測(cè)數(shù)值仿真，以驗(yàn)證所提出的基于相似路徑焊縫缺陷檢測(cè)方法的有效性。數(shù)值仿真在焊縫上設(shè)置了圓形通孔缺陷，同時(shí)設(shè)置了相互交叉的相似路徑，通過路徑缺陷指數(shù)識(shí)別出通過缺陷路徑，進(jìn)而利用通過缺陷路徑的交點(diǎn)實(shí)現(xiàn)缺陷中心的識(shí)別。

(3)通過對(duì)比相鄰路徑信號(hào)計(jì)算得到的所有路徑缺陷指數(shù)，有3條路徑缺陷指數(shù)明顯比較大，分別為路徑P3、P14和P20，這3條路徑分別正對(duì)未熔合缺陷、裂紋缺陷和未焊透缺陷中心。數(shù)值仿真和試驗(yàn)結(jié)果都證明了基于相似路徑的方法在管道焊縫缺陷檢測(cè)中的有效性。