[發明專利]一種基于時間反轉周向Lamb波的大口徑厚壁管道缺陷定位方法

有效

• 申請號: 201310309390.6
• 申請日: 2013-07-22
• 公開（公告）號: CN103389339A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: 劉增華;徐慶龍;龔裕;何存富;吳斌
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/44
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明涉及大口徑厚壁管道缺陷檢測定位方法，屬于超聲波無損檢測領域。尤其涉及一種基于時間反轉周向Lamb波的大口徑厚壁管道缺陷定位方法。

背景技術

厚壁管指的是外徑和壁厚之比小于20的管狀鋼結構。大口徑厚壁管在石油、化工和火力發電等領域應用廣泛，由于管道工作在高溫高壓環境中且管內外壁易接觸腐蝕性介質，在使用過程中易發生多種形式失效而導致泄漏事故，造成嚴重環境污染事故和重大經濟損失。因此，找到一種適用于大口徑厚壁管道的可靠、高效、低成本缺陷檢測技術，及時發現厚壁管道中微小缺陷，避免或減少相關事故發生顯得十分重要。

超聲導波檢測技術具有檢測范圍大、效率高等特點，特別適合于板、管、桿等波導的大范圍健康檢測。其中，以縱向模態和彎曲模態為代表的管道縱向導波在小口徑長輸管道檢測中已經得到了廣泛應用，其有效檢測距離可達數十米。然而，縱向導波并不適用于大口徑厚壁管道檢測：一方面，為了激勵出較為純凈的縱向模態，通常需要沿管壁周向等間隔對稱布置若干數量的傳感器，檢測大口徑管需要大量的傳感器，檢測成本高；另一方面，縱向導波在厚壁管道中衰減加快，傳播距離大打折扣。周向導波是近年來興起的一種用于管道檢測的新技術，尤其適用于大口徑管道檢測。周向Lamb波是周向導波的一種，通過沿管道周向傳播，其單次最大檢測距離為管道一周。對于周長數米的大口徑管道，檢測效率相當可觀，與傳統無損檢測方法相比有很大的優勢。然而，利用耦合在大口徑厚壁管道外表面的傳感器進行檢測時，周向Lamb波對管壁微小缺陷，尤其是內壁小缺陷的辨識度較低。

為解決上述問題，本發明提出一種基于時間反轉周向Lamb波的大口徑厚壁管道缺陷定位方法。時間反轉是一種基于實驗操作的信號處理方法，能夠實現多通道信號的自適應聚焦。通過將超聲導波信號聚焦在缺陷位置，缺陷回波信號幅值能夠得到顯著提升，進而提高信號的信噪比。此外，時間反轉方法還能夠補償導波的頻散效應，進一步提高波包幅值并縮短波包時間寬度，增加導波檢測信號的辨識度。目前，尚無關于時間反轉周向Lamb波的公開研究報告，而時間反轉縱向導波的研究也多集中于缺陷回波幅值提升方面，對于時間反轉縱向導波缺陷定位的研究成果十分少見，由于時間反轉激勵信號十分復雜，難以找到一個用以定位缺陷的基準時間點。因此，基于時間反轉聚焦方法的缺陷定位一直是急需解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于時間反轉周向Lamb波的大口徑厚壁管道缺陷定位方法。將管道中的缺陷視為一個波源，周向Lamb波與缺陷相互作用產生的散射信號可以被認為是由該波源發出，這些散射信號被多通道傳感器接收、截取并翻轉后又被二次激勵出來。根據時間反轉聚焦原理，信號必將在波源（即缺陷）位置聚焦，從而產生具有較高幅值的缺陷回波信號，由此根據回波信號可判斷缺陷的存在。同時，根據時間反轉對周向Lamb波頻散和多模態效應的補償特性，直達信號也將發生部分聚焦，以此為時間基準，實現了大口徑管道缺陷的周向定位。

為實現上述目的，本發明采用的技術手段是一種基于時間反轉周向Lamb波的大口徑厚壁管道缺陷定位方法。本方法需要借助以下儀器設備：任意信號發生器、數據采集系統、計算機、周向Lamb波激勵接收傳感器（或傳感器陣列）和功率放大器（可選）。可通過以下兩種情況實現該過程：應用傳感器陣列和多通道信號激勵接收系統進行檢測；應用一對傳感器和單通道信號激勵接收系統進行檢測。另外，用此方法得到的最大有效檢測范圍是半周長，如需對整個圓周進行全面檢查，需要正向和反向布置傳感器并進行兩次檢測。

與現有超聲導波管道檢測方法相比，本發明具有以下優點：

1、本發明將管道中的缺陷視為一個波源，將周向Lamb波與缺陷相互作用產生的散射信號視為由該波源發出，這些散射信號被多通道傳感器接收、截取并翻轉后又被二次激勵，實現了多通道超聲導波信號的自適應聚焦。

2、利用時間反轉聚焦原理，信號必將在波源（即缺陷）位置聚焦，從而產生具有較高幅值的缺陷回波信號，由此根據回波信號可判斷缺陷的存在，實現了大口徑厚壁管道內壁小缺陷的檢測。

3、本檢測方法創新性地提出一種適用于大口徑厚壁管道的缺陷定位方法，解決了時間反轉超聲檢測中時間基準難找、缺陷難定位等問題。

附圖說明

圖1為多通道信號激勵接收系統檢測原理圖

圖2為單通道信號激勵接收系統檢測原理圖

圖3為缺陷定位原理圖

圖4為內壁軸向缺陷的首次接收信號

圖5為內壁軸向缺陷的時間反轉接收信號

圖6為內壁軸向缺陷的多通道時間反轉聚焦信號