管道无损检测超声轮式换能器的研制

2015-03-30 10:34:24   来源:ck365   

关键字: 管道  无损检测  超声轮式换能器

在导出柱坐标下多层媒质中波传播传输矩阵的基础上,选取合适的材料、参数,研制出超声轮式换能器,得到了与传输矩阵理论预期相一致的回波信号.自行设计研制了由超声轮式换能器、驱动系统以及微型计算机控制的信号采集与处理系统组成的管道爬行器.对PVC(polyvinyl chloride)管道上人造缺陷的实验测定结果表明,超声轮式换能器的测厚精度优于±0.2 mm.

油气管道系统是现代社会和国民经济中十分关键的传输系统.目前对管道的制作,管线的设计、安装和运行都有严格的标准及规范,但由于管道自身的腐蚀、材料老化、自然界或人为因素产生的地理环境变迁,都可能造成管线损坏,发生油、气泄漏,造成严重的经济损失和环境污染.因此,管道的在线无损检测是当前十分重要的研究课题.

目前主要的管道无损检测技术有漏磁、超声、涡流和摄像等方法[1],其中漏磁爬行器开发得最早,它对裂纹有很高的鉴别率,但难以精确测定腐蚀的缺陷深度,也不能用于非铁磁材料的管道检测.因此,能精确测量缺陷深度的超声爬行器成为被关注的热点.目前已开发了用于输油管线检测,以清管器为载体的超声爬行器(pigging system)[2],但对于输气管线的检测,超声换能器与管壁之间的声耦合,成为急需克服的关键问题.

在管道内爬行的超声轮式换能器是解决声耦合的可能途径,本文在导出柱坐标下多层媒质中波传播的传输矩阵表达式的基础上,对轮式超声换能器进行理论和实验研究,并自行设计和研制了超声波管道爬行器,对PVC管道外壁的人造缺陷进行了实验检测,证实了该技术的有效性.

1 柱坐标中多层媒质传输矩阵理论

研制的轮式超声换能器如图1所示,宽带超声换能器安装在轮轴上,它通过轮内充满的硅油将声波耦合到PVC滚轮及管道内、外壁.忽略轮子及管壁的弯曲,在理论上可等效为图2的多层媒质中波的传播问题.

 

\

 

通常多层媒质中的波传播采用直角坐标系下的传播矩阵计算[3-6].但由于实际应用的压电换能器都是圆形,声场也是轴对称的.因此,采用柱坐标系导出传输矩阵与实际情况更一致.

根据弹性波理论,对于轴对称情况下,第m层媒质的质点位移μm可用其势函数Φm和Hm来表示

 

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令Hmθ=Ψ,Φm和Ψm满足波动方程

 

\

 

式中:c1m=λm+2μmρm和c2m=μmρm分别是材料的纵波和横波声速,其中ρm为材料的密度,λm和μm是材料的拉梅常数.

换能器发出的纵波垂直于各层媒质的界面,声波的模式转换忽略不计时,媒质内只有纵波传播.因此,只需求解标量势Ф.这时媒质中的法向位移及应力可表示为

 

\

 

对式(2)中的t做Laplace变换:(r,z,s) =∫∞0Φ(r,z,t)e-stdt,其中s =σ+jω是t在变换域对应的变量,σ为任意实数,j= -1,ω是频率.

 

\

 

对r做0阶Hankel变换:Φ*(p,z,t) =∫∞0Φ(r,z,t)rJ0(pr)dr,其中,p是r在变换域对应的变量为阶贝塞尔函数解为

 

\

 

式中:系数Am和Bm由边界条件确定.

[1] [2] [3]

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编辑:什么鱼
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