超聲導(dǎo)波在管道防腐層破損檢測(cè)中的傳播特性.pdf

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1、第38卷第2期無(wú)損探傷Vo1．38NO．22014年4月NDTApril．2014超聲導(dǎo)波在管道防腐層破損檢測(cè)中的傳播特性*楊理踐冷冰邢燕好(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)1l0870)摘要：針對(duì)管道防腐層的破損問題，研究了超聲導(dǎo)波在雙層介質(zhì)中的傳播速度和能量衰減，提出一種基于超聲導(dǎo)波傳播特性的管道防腐層剝離檢測(cè)方法。采用有限元仿真構(gòu)建鋼板模型和耦合有機(jī)玻璃板的鋼板模型，在兩種模型下進(jìn)行受力振動(dòng)，分析超聲導(dǎo)波傳播速度的變化。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論和仿真結(jié)果。結(jié)果表明，超聲導(dǎo)波在耦合有機(jī)玻璃板的鋼板中比在裸鋼板

2、中的傳播速度小、能量衰減快。關(guān)鍵詞：超聲導(dǎo)波；雙層介質(zhì)；傳播特性；有限元仿真中圖分類號(hào)：TG115．28文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671—4423(2014)02—07—04油氣管道由于埋地時(shí)間長(zhǎng)久，外防腐層會(huì)出現(xiàn)同理，橫波速度的一般表達(dá)式為：脫落、剝離等現(xiàn)象，嚴(yán)重的還可能導(dǎo)致管道泄漏[1]。C一(if_)／(2)目前國(guó)內(nèi)外管道防腐層剝離檢測(cè)方法大多數(shù)是通過(guò)lD超聲導(dǎo)波為橫波和縱波的來(lái)回反射在板內(nèi)的傳管道上方地面測(cè)量或防腐層性能的間接測(cè)試而完成播，當(dāng)超聲導(dǎo)波在雙層介質(zhì)中傳播時(shí)，在每種介質(zhì)的的[。超聲導(dǎo)波是一種在厚度與激勵(lì)聲

3、波波長(zhǎng)為相邊界處會(huì)有波型轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，生成縱波和橫波。導(dǎo)同數(shù)量級(jí)的聲波導(dǎo)中由縱波和橫波合成的特殊形式波在雙層介質(zhì)的交界面斜入射到另外一種介質(zhì)中，的應(yīng)力波l_3]，它在不同介質(zhì)層中表現(xiàn)出不同的傳播在固體內(nèi)的兩個(gè)平行的邊界上產(chǎn)生來(lái)回的反射，并特性。利用超聲導(dǎo)波的傳播特性對(duì)管道防腐層剝離以復(fù)雜的形式沿平行板面的方向傳播。進(jìn)行檢測(cè)具有實(shí)際意義。雙層介質(zhì)的層與層之間剛性連接，并包含一個(gè)本文研究了超聲導(dǎo)波在雙層介質(zhì)中的速度特性交界面，雙層結(jié)構(gòu)如圖1所示。以及能量衰減特性?；贏NSYS有限元仿真環(huán)境，建立鋼板和有機(jī)玻璃板模型，實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)

4、波在不同介質(zhì)層中傳播的仿真，分析其傳播特性，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1超聲導(dǎo)波在雙層介質(zhì)中的傳播特性圖1雙層結(jié)構(gòu)不意圖超聲導(dǎo)波在雙層介質(zhì)中的傳播特性包括傳播速雙層結(jié)構(gòu)每一層的場(chǎng)變量用角標(biāo)Tt表示，如h度特性與能量衰減特性。表示第Tt層的厚度，“”表示第層的位移場(chǎng)。1．1超聲導(dǎo)波的傳播速度每一層的位移場(chǎng)滿足Navier位移運(yùn)動(dòng)方程_4]：?jiǎn)我徊牧系膹椥越橘|(zhì)，橫波和縱波的速度只與材料的特性有關(guān)?？v波的一般表達(dá)式為：”z+(”+”)V(·甜n)一l0(3)C一(,ttz／z)1／2(1)式中一第層的密度lD”式中p一材料的密度；、Lam

5、∈常數(shù)；一三維拉普拉斯算子。、一材料的Lam6常數(shù)。*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60927004、61141004)；十二五國(guó)家科技部支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAK06B01—03)8無(wú)損探傷第38卷利用Helmhohz分解將位移場(chǎng)分解為無(wú)旋場(chǎng)和建立耦合有機(jī)玻璃板的鋼板模型，如同2所示。無(wú)散場(chǎng)兩部分，即：“”一·+×∥(4)式l1，和為每一層的勢(shì)函數(shù)。對(duì)于超聲導(dǎo)波情7圮，勢(shì)函數(shù)的通解形式為：j5”一cexp{ik[zsin()+ycos(~')]}+(：exp{ik[zsin(0~．)一ycos(0[)]}(5)一

6、cexp{ik[zsin(01})+ycos(O~i)]}+圖2耦合有機(jī)玻璃板的鋼板模型示意圖(、exp{談[zsin(0))一ycos(0~)]}(6)定義鋼板的尺寸為長(zhǎng)0．2m、寬0．1m、厚5mm，式fI1，是和k、為縱波和橫波的波數(shù)：有機(jī)玻璃板的尺寸為長(zhǎng)0．2m、寬0．1m、厚4mm。走一co／C；'(7)并為有限元仿真提供材料的屬性。一co／'C~；(8)采用掃掠式網(wǎng)格劃分，劃分的尺寸大小為5。(、、(C和(、為任意常數(shù)；和爺為縱波和加載正弦交變力，方向向上，最大值為10N，頻率為橫波傳播療向與法線方向的夾角。對(duì)

7、于超聲導(dǎo)波情200kHz，持續(xù)時(shí)間為一個(gè)周期。加載后的波形振動(dòng)況，方向的位移欠量“三0，另外兩個(gè)方向的位移情況如圖3所示。欠量?jī)x為Y和的數(shù)，可通過(guò)令勢(shì)函數(shù)巾：一三0，一(Y，)和一(，)來(lái)實(shí)現(xiàn)]。?上述公式n丁知，超聲導(dǎo)波在雙層介質(zhì)中是以縱波和橫波的模式向前復(fù)雜傳播的。超聲導(dǎo)波在雙層介質(zhì)t11f專播具有可行性，并且傳播速度與每一層介質(zhì)的波速有關(guān)。(Pa)1．2超聲導(dǎo)波的能量衰減~6,378122757l84l352455l3306舳l368270429648卿026552404超聲導(dǎo)波在介質(zhì)巾傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其

8、能鰱會(huì)逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為超聲導(dǎo)波的能圖3波形振動(dòng)情況示意罔衰減現(xiàn)象。超聲導(dǎo)波在理想介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，能量利用ANSYS的后時(shí)問處理功能，拾取節(jié)點(diǎn)編的衰減儀來(lái)自于聲波的擴(kuò)散，但}}1于實(shí)際中管道的號(hào)為1800的節(jié)點(diǎn)，分別查看單層鋼板模型和耦合了表面常綴蓋防腐層等物質(zhì)，這些覆蓋物對(duì)于超聲導(dǎo)有機(jī)玻璃板的鋼板模