管道导波检测中激发频率的选择

管道导波检测中激发频率的选择 及灵敏度分析

摘要：采用超声纵向导波对热交换管进行检测。首先利用导波的频散曲线，选定了检测的最佳导波模式I(O,2)，然后用位移分布、应力分布及总能量密度分布等选取了用该模式检测特定管道的频厚积，最后通过试验分析了管道导波检测的灵敏度。试验结果表明，L(O ，2)模式的波长比缺陷尺寸大10倍时，也能非常清楚地检测到缺陷。

关键词：超声检验；管道；导波；激发频率；灵敏度 中图分类号：TGll5．28 文献标识码：A 文章编号：1000-6656(2005)02-0083-04

Excitation Frequency Choice and SensitiVity Analysis in the InspectiOn 0f

Pipe with UltrasoIlic GIlided Waves

TA De_an ，WANG Wei-qj ，WANG Yuan-yuan ，YU Jian-guo

(Department of Electronic Engineering ，Fudan University ，Shanghai 200433，China) LIU Zhen-qing

(Institute of Acoustics ，Tongji University ，Shanghai 200092，China)

Abstract ：The heat-exchanger pipes could be inspected by ultrasonic longitudinal guided waves ．Firstly the optimal testing mode L(O ，2)was selected according to the dispersion curves of guided waves ，then the frequency-

thickness product was chosen according t0 the displacement ，stress and total energy density(TED)amplitude

distributions ．Finally ，the sensitivity of testing was analyzed in the experiment ．Results showed that the defects inpipes could be detected distinctly even if the wavelength of L(O ，2)mode was 10 times longer than the defect size ．

Keywords ：Ultrasonic testing ；Pipe ；Guided wave ；Excitation frequency ；Sensitivity

管道是炼油厂、化工厂、天然气和电力等部门中很重要的部分，管道检测近年来一直是该领域中设计、制造和用户密切关心的问题，但也是难点。因为裂纹和腐蚀等缺陷在管道内外表面都可能发生，而

且大部分管道被掩盖起来了，如果不除去覆盖部分，既使是外部缺陷也无法用传统的超声无损检测技术来检测。

近年来，由于超声导波具有检测效率高、一次检测覆盖范围大(一般金属管道中超声导波可传播几十米)、速度快和可检测整个管壁等优点[1]，在管道的长距离快速检测和性能评价等方面受到国外无损检测学者的极大关[2-4]。 实际使用中，由于超声导波的产生与传播受到激发频率、管道材料及管壁厚度和半径等条件的严格限制，而且由于导波频率特征方程复杂，其质点振动方式和能流分布又极具特殊性，如何选择导波模式及其激发频率便成为检测的重点。一般而言，导波检测大多是用较低阶模式在较低频厚积情况下进行检测，因此导波检测缺陷的灵敏度便成了人们关注的问题。

以下利用超声导波对发电厂中的热交换管进行检测，首先利用导波的频散曲线，选定了检测的最佳导波模式L(O ，2)，并求得管道中L(O ，2)模式的位移分布、应力分布和总能量密度分布，在此基础上选取了用该模式检测特定管道的频厚积，最后进行了

他得安，王威琪，汪源源，余建国

(复旦大学电子工程系，上海200433) (同济大学声学研究所，上海200092)

刘镇清

a

(a)径向位移ur分布曲线

(b)轴向位移分布曲线

图2 L(0,2)模式的位移分布曲线

图3 L(0,2)模式的轴向和径向应力分布曲线

1～3．轴向应力4．径向应力

传播过程中能量的泄漏起决定作用。根据Rose

等[6]的理论，纵向导波模式每个振荡周期的能量泄

漏可表示为

＜Er＞=Aur*σn (3)

式中A——常数

ur*——管道内外表面上径向位移分量的复共轭

σn——内外表面上的径向应力分量

从上式可见，管内外表面上径向位移分量越大，

能量泄漏也越大。比较图2中径向位移ur和轴向

位移uz分布曲线，可发现在频厚积O.5 MHz・mm

附近，L(O,2)模式的径向位移较小，而轴向位移较

大，所以，从位移分布来看，用1.O MHz的频率激发

时，可能灵敏度比较高。从应力分布的角度来看，在

0.1 MHz・nlrn以下，L(O,2)模式的轴向应力较大，

但在此频厚积以下，L(O,2)模式的群速度小，且频

散性较强，径向位移分量较大，所以当fd<

O,1M H z・m m时不适合检测，而在f d>

1.O MHz・mm时，L(0,2)模式在管内外表面上的

轴向应力减小，所以，在1.O MHz下检测也是合适

的。下面再从总能量密度(TED)分布的角度来看

该选择是否合适。

总能量密度是应变势能密度和动能密度之和。

对于轴对称纵向导波的情况，总能量密度为

[7]

图4 L(O,2)模式的总能量密度分布曲线

2试验结果及检测灵敏度分析

试验装置如文献[8]所示，主要包括HP54622A

型数字存储示波器(100 MHz)，泛美5900PR型超

声分析仪，IEEE488总线，国产收发两用纵波宽带

直探头和IBM PC机等。

试验中采用脉冲回波法，用同一换能器同时发

射和接收超声信号，如果换能器直接与管端面相接

时测得L(0,2)

模式；回波信号经超声分析仪放大后

由式(4)可得L(0，2)模式在钛管中的总能量密

度分布曲线，如图4所示。从图4可见，当fd<

O.3MHz・mrn时，L(0,2)模式在管材中的总能量

密度较大，但L(0,2)模式的群速度小，且频散性较

强，径向位移分量较大；而在fd>O.7MHz・mm

时，管内外表面上的总能量密度减小，所以，根据位

移分布和应力分布的选择，在fd=0.5MHz・mm

附近检测时较合适的。