海洋平台立管导波检测的数值仿真和实验研究

Ｕ Ｚ ＶＡＬ Ｕ
末端 回波 。通过 分 析 回 波信 号 ， 可 以 确 定缺 陷轴
向位 置 。如图 １ 所示 ， 接 收端距 管端 ， 缺 陷处距 管端 ， 裂 纹 回波 到 达 接 收端 的 时 间为 ｔ ， 导波 波 速为 ｃ ， 则 可 由公式 （ Ｃ Ｘ ｔ ＋ ） ／ ２确 定 缺 陷距
＼ ／
，
＼ ． ／
到达 的 区域 ， 从 而 使 它可 以在 海洋 平 台立 管检 测
方 面得到应 用 。
Ｌ
导波 检测 的依 据 是 基 于 其 自身 的 频 散 特 性
的， 想全 面了解 检 测 导波 的模 态选 择 和 导 波 的实 质， 就必须 对 频散 现 象充 分 熟 悉 。笔 者从 频 散 现 象 出发 ， 通过 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ数值 仿真 的手段 阐述 了导波 检测 对海洋 平 台立管 进行检 测 的可行性 … 。
常见 的导 波 包 括 板 波 （ 沿着薄板传播 ， 沿 薄 管材 管壁 内传播 也称 管 波 ） 、 表 面波 （ 沿着 工 件表
离激励 端距 离 。
接 收端
激 励 端
缺 陷 处
面传 播 ） 及棒 波 （ 沿 细 的棒 材 传 播 ） 等， 属 于超 声
波检 测 的范 围。与 其 他 的无 损 检 测 方法 相 比 ， 导 波检 测 的精 度更 高 ， 检 测距离 更远 ， 能够 检测难 以
时间变 化的 方式 出现 ， 所 以把 导 波检 测 中的导 波 频率（ ｋ Ｈ ｚ ） 转 换 为 周 向载 荷 的位 移 （ Ｖ Ａ Ｌ Ｕ） 即 可
１ ． １ 导波速 度计 算
在导 波传播 的非频 散 路 径 范 围 内 ， 相速 度 与
群 速 度 基 本 保 持 一 致 ，取 杨 氏 波 速 Ｃ ＝
性模量 ２ １ ０ Ｇ Ｐ ａ 、 密度７ ８ ５ ０ ｋ ｇ ／ ｍ 、 泊松 比 ０ ． ３ 。建 立管 道模 型 ， 尺寸为长 ２ ． ４ ５ ｍ、 外直径 １ ５ ２ ｍ ｍ、 壁 厚５ ． ５ ａ ｒ ｍ 的 长 直 管 。选 择 有 限 元 软 件 中 的 壳 单 元 Ｓ Ｈ Ｅ Ｌ Ｌ ６ ３ ， 建立 几 何 模 型 并 划 分 网格 ， 为 了模 拟海 洋立 管在 受 到 外 力 作用 下 而 形 成 的 缺 陷 ， 在 管道 模 型 中 部 距 离 管 道 激 励 端 （ 右端 ） １ １ ０ ０ ｍｍ
处， 将 四 分 之 一 圆周 单元 格 除 去 ， 用来仿真 ２ ５ ％
置 与 数值 模 拟 的 结 果相 同 。
关 键 词 导 波检 测 海 洋 立 管 数 值 模 拟 管 道 缺 陷定 位
中图分类号 Ｔ Ｈ ８ ６ ５ 文 献标 识码 Ａ 文 章 编 号 １ ０ ０ ０ － ３ ９ ３ ２ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ８ － １ ０ ４ ０ － ０ ４
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ６ — １ ８ （ 修改稿 ） 基金项 目： 国 家质 检 公 益 基 金 资 助项 目 （ ２ ０ １ ２ １ ０ ０ ２ ６ ）
第 ８期
俞树荣等． 海洋平台立管导波检测的数值仿真和实验研究
２ ． ２ 管道模 型参 数 的确定 及 网格划 分
￣
／ Ｅ ／ ２ ｐ （ １ ＋ ｕ ） 为横波波速、 Ｃ ＝Ｊ Ｅ ／ ｐ （ １ 一 ｔ ， ） 为
模 拟其传 递过 程 ， 具 体见表 １ 。
纵波 波 速 ， 其 中 为 波 导 弹 性 模 量 、 Ｐ为 介 质 密 度、 为 泊松 比 。 １ ． ２ 缺陷定 位原理
管 进 行检 测 的 可行 性 。运 用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ有 限 元 分 析 ， 通 过 书 写命 令 流 的 方 式 建 立 海 洋 立 管 模 型 ， 将模 型 中 的 部 分 单 元格 删 除 以模 拟 管道 缺 陷 ， 在 激 励 端加 载 周 向 栽荷 模 拟 产 生 ￡ （ ０ ， ２ ） 模 态导波 ， 通 过 分 析 激 励 信 号 传 递 和遇 到缺 陷返 回情 况 ， 可 以得 到 缺 陷距 离 管端 的轴 向距 离。 然后 进 行 现 场 实验 ， 得 到 的 缺 陷 位
１ 理 论 及 原 理
图 １ 缺 陷 定 位 原 理
２ 数 值 仿 真 分 析
２ ． １ 单元 选择
纵 向导 波在管 道 中 传播 的过 程 ， 可 以通 过 加 载 周期 性 的周 向 载荷 来 模 拟 实 际 传 播 情 况 。 因 此， 模拟 中选 用有 限元 软件 中的壳 单 元 Ｓ Ｈ Ｅ Ｌ Ｌ ６ ３ 来 进行仿 真实 验 。因为导 波检测 的结果 以频 率 随
１ ０ ４ ０
化
工
自 动 化Fra Baidu bibliotek
及 仪
表
第４ ０卷
海 洋 平 台立 管 导 波检 测 的数 值 仿 真 和 实验 研 究
俞 树 荣 马 龙 丁 敏
（ 兰 州 理 工 大学 石 油 化 工 学 院 ， 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ）
摘 要 从 频散 现 象 出发 ， 运用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ数 值 仿 真 和 现 场 实验 双 重 方 法 ， 阐述 了导 波 检 测 对 海 洋 平 台 立
频率 ７ ０ ｋ Ｈ ｚ的 正 弦 信 号 调 制 。 传 播 总 时 间 ｔ＝
１ ． ２ ｍｓ ， 载 荷 作 用 时 间约 为 ０ ． ９ ｍ ｓ ， 时 间 步 长
由于海 洋 立管 的材 质 为 双 相不 锈 钢 ， 故仿 真
实验选 用 双相 不锈钢 钢 管材料 ， 其参 数 分别 为 ： 弹
表１ 位移 一 频 率类 比参数
周 向位 移
ＵＸ ＵＹ
导 波频 率
ＵＸ
激 励信 号在 管道 中传 播 时 ， 在 缺 陷处 会 发 生 反射 和透射 现象 。一部 分信号 发生 反射形 成裂 纹 回波 ， 剩余 的透 射 继续 传 播 ， 遇 到 管端 返 回 ， 形 成
ＵＹ ＵＺ ｋ Ｈｚ