多模态超声导波管道检测技术的研究

多模态超声导波管道检测技术的研究①

窦林彬 王川方 严有琪 纪鹏

(江苏省特种设备安全监督检验研究院镇江分院 江苏镇江 212009)

摘 要:目前管道检测技术尚难实现大面积、长距离和复杂状态管道的早期裂纹快速检测。而多模态超声导波管道检测技术,利用超声导波,基于小波分析、遗传算法和随机理论,研究激励的方法、信号的采集、分析和管道状态判别的理论和技术,可以实现这一目标。关键词:裂纹检测 多模态 超声导波中图分类号:TH87文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)11(a)-0002-02Abstract:By now pipe’s NDT is difficult to detect crack in great area、long and complex state pipe.Multi-modes ultrasonic guidedwaves in pipe’s NDT can realize this object,by using small waves analyse、inheritance arithmetic and random theory to researchthe means of inspirit、collection and analyse of signal、theory and technology to distinguish pipe state.Key Words:Crack detect;Multi-modes;Ultrasonic guided waves

近年来,管道应用在世界范围内得到了飞速的发展,在经济建设中发挥着越来越重要的作用,已成为现代工业和国民经济的命脉。作为管道事故中最经常发生的泄漏事故一旦发生,不仅造成大量物质损失,泄漏的有毒化学物质还带来环境污染,更为严重地是有可能带来的人身伤亡事故。

国内外虽已掌握了管道腐蚀和泄漏的检测技术,但尚难实现大面积、长距离和复杂状态管道的早期裂纹快速检测。原因是管道状态的复杂、各种裂纹对激励信号的敏感性、回波信号的多模态以及环境噪音损检测领域的技术难点,尚缺乏支撑裂纹检测设备研制的合理技术和方法。

目前检测系统容易检出的缺陷主要是局部腐蚀、冲蚀、机械损伤、成群点蚀以及环向裂纹。对于均匀腐蚀、个别点蚀、轴向裂纹和焊缝中的小缺陷则不敏感,难以检出,不利于长距离管道的检测,并且也很难利用检测信号区分缺陷类型,且需要设备停机才能检测。

本检测技术通过实时采集的数据,对其进行相关分析,研究管道在线裂纹早期检测的新方法,对我国大面积、高数量可靠使用管道运输有着重要的社会经济

意义,同时对于其他设备如压力容器等的状态判定和预测同样具有辐射作用和工程意义。

纵向模态、弯曲模态和扭转模态等等。

(4)导波回波处理。接收柱面导波回波时,应有选择的加强某些模态导波信号,同时利用滤波技术和数字信号处理以使柱面导波回波最佳。

(5)小波分析和遗传算法。采用小波分析对拾取的超声导波信号进行除噪,提取特征成分,并利用遗传算法,对超声导波的信号特征参数进行再组织,自动生成新的特征参数,以建立裂纹大小、类型等管道状态与超声导波回波信号的特征关系。

(6)随机理论。利用随机理论和模糊可能性原理,将已提取出的特征参数变换成服从正态概率密度分布的正态特征参数,进行状态判断,并建立特征参数与管道状态模式的映射关系,实现缺陷回波信号的识别和缺陷定位。

(7)检测设备及软件。检测设备包括传感器、信号放大器、信号采集卡和显示器等。软件包括管道状态信号的采集、分析和判别软件。超声导波检测仪器技术要求(表1)。

1 研究与开发内容

本检测技术基于小波分析、遗传算法和随机理论,针对复杂工作环境中的管道和多种裂纹形态,运用多模式柱状超声导波技术,对管道进行信号的采集、分析,建立特征参数与状态模式的映射关系,实现对埋藏、涂层、包覆管道等缺陷状态和位置的判别。研究与开发内容有以下几点。

(1)失效机理。研究管道的主要失效形式、失效原因和应力分布情况,结合应力疲劳和断裂力学理论,建立管道失效的理论模型,揭示管道裂纹产生的机理,并进行分类。

(2)频散曲线。在管道中传播的超声导波,其波速随导波频率的变化而变化。要利用导波进行管道缺陷检测,就必须清楚了解对于特定管道,波速随频率与壁厚之积变化的关系,为实际管道信号采集、分析和判断奠定基础。

(3)导波选择与激励。研究柱面导波与缺陷的相互作用机制。研究多模式柱面导波与缺陷作用的敏感性和激励波的选择,对多模式导波检测技术进行研究,如采用

的复杂,使得管道在线裂纹检测一直是无.com.cn. All Rights Reserved.2 技术创新

(1)研究柱面超声导波与管道缺陷的相互作用机制,探索特定模态柱状导波的激励方法,提出多模式导波管道在线裂纹检测理论和技术。超声柱面导波像其它体波一样遇到边界会发生反射、透射以及模式转换等现象,检测管道如存在腐蚀、裂纹等缺陷,引起声阻抗的变化,进而引起波的反射、透射等,导致接收信号发生变化。超声导波在管道中传播时,一种模式的导波可能只对某一种缺陷敏感,而对其它类型缺陷不敏感,检测其存在需要多种模态超声柱面导波的激励。研究柱面超声导波与管道缺陷的相互作用机制,考虑管道不同裂

表1

项目 增益范围 指标 100dB 0.1,2.0,6.0步长 项目 闸门 指标 波门高度、宽度 位置连续可调 频带宽度 探测范围 5kHz～300kHz ±30m～50m (理论上±180m, 受限于管道法兰接头) DAC曲线 识别准确率 任意点,可选择 大于95% 使用温度范围 -40℃～160℃ 定位精度 ±10cm 纹特征以确定特定模态柱状导波的选择和

①通讯作者:纪鹏(1984,2—)男,硕士,助理工程师,研究方向:特种设备的检验技术和节能技术的研究与创新,邮箱:1834784@163.com。

2科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION

高 新 技 术

2011 NO.31SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯道裂纹小波分析的基础上,应用遗传算法理论和随机理论,对复杂的多模式超声导波检测,建立特征参数与管道状态模式的映射关系和相应的数据库,实现缺陷回波信号的识别、缺陷定位,状态判别的准确率达95%。

(3)研发多模式超声导波管道裂纹检测仪器及软件。研发采用小波分析、遗传算法

图1

和随机理论,考虑多模式导波检测各种裂纹和缺陷的超声导波检测仪器和应用程序,很好地解决长距离复杂状况管道裂纹无损的检测问题,大大提高了本项目检测仪器对管道状态诊断的简便性和实用性。

3 技术路线

(1)管道特性、激励与信号的采集(图1)。(2)特征参数的提取优化研究(图2)。(3)管道状态判定研究(图3)。

图2

(4)检测样机研制和软件开发(图4)。

4 结语

基于小波分析、遗传算法和随机理论的超声导波检测技术,变管道抢修为在线计划检修,通过有计划地更换个别泄露管段,大大减少管道维修费用,保证管道输送正常。

目前,相比国外同类产品,国产的管道检测产品的市场占有率还很低,大部分市场仍被国外产品所占领。本检测技术及仪器属高技术含量产品,其技术指标和性能指标与国外产品相比毫不逊色,且性价比

图3

.com.cn. All Rights Reserved.很高。

本检测仪器携带方便,操作简单,具有很大的市场前景,可实现管道在线检测和裂纹早期诊断,也可检测管道腐蚀和泄露等问题。本检测仪技术先进、携带方便、操作简单,具有很大的市场前景。

图4

激励方法,探索多模式导波管道在线裂纹检测理论。常规超声波管道检测往往需要设备长时间停机,本检测技术能实现管道的在线检测,避免了因设备停机而带来的经济损失。此类研究工作鲜有报道,国内外现有研究没有形成完整的理论,管道在线多种裂纹检测技术的研究国内外投以很高的热情。

(2)采用小波分析、遗传算法和随机理论,研究信号分解、重构和特征参数提取,

建立管道状态与超声导波的特征关系理论模型。由于不同裂纹缺陷采用不同模式激励导波,以及管道中的导波本身回波的多种模态和频散特性,使信号进行分解、重构、特征提取困难。采用小波分析对拾取的超声导波信号进行除噪,提取特征成分,利用遗传算法,对超声导波的信号特征参数进行再组织,自动生成新的特征参数,以建立裂纹大小、类型等管道状态与超声导波回波信号特征关系。研究工作在前人对管

科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION3