Page 49 - 《应用声学》2023年第4期

第 42 卷 第 4 期 王畅等： 弯管缺陷尺寸与位置对超声波传播特性影响 711

side of the receiving end decreases. With the increase of defect depth and defect depth and area, the time
domain signal energy of the upper PZT decreases first. When the defect depth reaches 75% (6 mm) of the
elbow thickness, the time domain signal energy of the upper PZT increases again. The defect with the same
geometric size is located in the elbow θ = 0 . With the increase of ψ, the time domain signal energy of the
◦
upper PZT decreases first and then increases. The defect with the same geometric size is located in the elbow
ψ = 20 . As θ increases, θ and E sub show a monotonically increasing relationship. It can be seen from the
◦
above results that there is a correlation between the geometric size and position of the elliptical erosion defect
and the time domain signal energy of the receiving end. Based on this, the geometric size and position of the
defect can be evaluated by energy change.
Keywords: Elbow; Elliptical erosion defects; Time domain signal energy; Defect location and size

测中应用的 L(0,2) 及 T(0,1) 模态导波在管中的传
0 引言
播过程进行数值模拟研究，给出直管缺陷回波反射
弯管主要用于改变流体输送方向，且具有耐高 系数与缺陷横截面积各影响因素之间的关系曲线，
压、低阻力的优点，在国民经济建设与发展中发挥 可以近似判定缺陷的几何尺寸，说明利用超声波导
的作用越来越大 [1] 。但在服役过程中，弯管相比于 波检测方法研究弯管椭圆形冲蚀缺陷的扩展具有
直管更容易发生腐蚀、变形和冲蚀等损伤形成凹坑 可行性。周琛等 [1] 提出了基于 L(0,2) 超声导波检
缺陷 [2] ，对管道安全运行造成隐患。因此，有必要对 测技术，对损伤管道以及焊接管道进行识别与定位，
弯管冲蚀缺陷进行研究与分析，实现对弯管缺陷大 并提出了评估管道结构损伤程度的方程。实验结果
小与位置的无损评估，减少事故的发生。 表明 [1] ，超声导波在直管中传播与理论误差在 1%
弯管缺陷存在弯管内表面，在弯管服役过程 以内，说明利用超声波导波检测方法研究弯管椭圆
中，无法通过目视检测方法实现有效的排查。国 形冲蚀缺陷的位置变化具有可行性。李宁等 [11] 通
内外学者对管路结构的无损检测已做了大量的研 过人工模拟冲蚀超声检测试验，表明原始信号的
究。目前，国内外用于管道检测的主要方法有漏磁 时域能量值随冲蚀比的增大而减小，且提出的基于
通方法和超声导波方法 [3] 。漏磁通方法可细分为 分数阶傅里叶变换 (Fractional Fourier transform,
感应线圈法和霍尔效应法；超声导波方法 [4−5] 是近 FrFT)的扫频滤波算法可以有效滤除原始信号中的
年来兴起的一种新型高效的无损检测方法，分为接 噪声信号，滤波后的信号能量衰减率对弯头冲蚀程
触式检测方法 (如压电式)、非接触式检测方法 (如 度更加敏感，说明此方法提高了管道弯头冲蚀超声
磁致伸缩传感器方法)。超声导波检测方法具有传 检测的精度，但是并未具体地研究缺陷位置变化及
播距离远、衰减小的特点，非常适用于横截面形状 几何尺寸变化与接收到的能量之间的关系。
一致、轴向尺寸较长的固体材料 [6] 。本文采用基于 本文通过超声数值模拟方法，以接收到的超声
压电陶瓷的接触式检测方法，相比于非接触式检测 波时域信号能量为特征参量，研究弯管椭圆形冲蚀
方法，具有更高的准确性及可靠性，且压电传感器 缺陷 [12−13] 的几何参数和位置对接收到的超声波

(Piezoelectric ceramic transducer, PZT)采用1激4 时域信号能量的影响，研究其变化规律，实现对弯管
收的布局方式，与传统的 1 激 1 收相比能更有效地 缺陷大小和缺陷位置的评估。首先，在椭圆形冲蚀
监控接收端信号。 缺陷几何参数对时域信号能量的影响研究中，主要
何存富等 [7] 利用超声导波技术在弯管中进行 考虑椭圆形冲蚀缺陷深度变化、椭圆形冲蚀缺陷面
了缺陷检测的实验研究，实验结果表明，超声导波检 积变化以及椭圆形冲蚀缺陷深度和面积变化的 3 种
测技术可以对弯管不同位置和不同形貌的缺陷进 情况；其次，研究椭圆形冲蚀缺陷位置对时域信号能
行检测。朱龙翔等 [8] 研究了弯管几何参数对弯管 量的影响，主要考虑外拱背角度 ψ (弯管轴向角度)
中导波传播特性的影响。周进节等 [9] 研究了时反前 变化与圆周角θ (弯管周向角度)变化；最后，通过几
后缺陷回波反射系数随透裂纹扩张过程的变化规 何参数的特征参量对仿真数据点进行多项式拟合，
2
律。董为荣等 [10] 运用有限元分析法，对目前现场检 并使用决定系数R 评价拟合效果。