传播距离对管中导波传播特性的影响
传播距离对管中导波传播特性的影响
他得安易勇,刘镇清
(复旦大学电子工程系,上海200433)(同济大学声学研究所,上海200092)摘要:在自由管材的情况下,分析了传播距离和管材中较低阶纵向导波模式波包幅度的关系。理论及实验结果表明,对于不同检测距离和内径2壁厚比的管材,检测中应用不同的导波模式,所用的激发脉冲周数和频厚积也应不同。在管材中激发和接收的导波模式中,L(0,2)模式的波包幅度较大,而L(0,1)模式的波包幅度较小,理论和实验结果是一致的。
关键词:超声检验;管材;传播距离;导波模式
中图分类号:TG115.28文献标识码:A文章编号:100026656(2003)1120553204
INFLUENCE OF PROPAGATION DISTANCE ON THE CHARACTERISTICS OF ULTRAS ONIC GUIDED WAVE PROPAGATION IN PIPES
TA De2an
(Department of Electronic Engineering,Fudan Universit y,Shanghai200433,China)
Y I Yong,LIU Zhen2qing
(I nst itute of Acoustics,Tongji University,Shanghai200092,China)
Abstr act:The relationship between the wave2packet amplitude of ultrasonic longitudinal lower order guided waves and t he propagation distances in free pipes was analyzed.Theoretical and experimental results showed that different modes of guided waves,cycles of pulse and fr equency2thickness products should be selected for the pipes of differ ent propagat ion distances and ratios of inner2radius to thickness.The wave2packet amplitude of guided wave mode L(0,2)excited and re2 ceived in a pipe was higher than that of mode L(0,1).The results of theor y and experiment wer e in good agreement.
Keywords:Ultrasonic testing;Pipe;Propagation distance;Guided wave mode
近年来,利用超声导波检测管状结构受到人们的极大重视[1~4]。由于超声导波具有检测效率高、速度快和可检测整个厚度范围等优点,在材料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注。
广义地讲,导波无损检测根据传播距离分为两类。1小范围的应用。利用导波获得试样中其它传统方法不能稳定获得的信息。其领域包括材料的弹性特性测定[5]及近表面缺陷的检测(如粘合点的检测[6])等。在这些情况下,灵敏度是最关键的,一
收稿日期:2002210221
基金项目:国家自然科学基金资助项目(10074050);上海市博士后科学基金资助项目般说来也是选择合适导波模式的主要准则。o大范围的应用。其目的是快速检测结构的整个面积,包括轧钢中分层的检测,复合材料、管道[3,4]及平板的检测。实际上,导波是由合适的换能器在结构的某一位置上激发的一能量短脉冲(入射信号)。这一短脉冲信号通常是采用具有一定带宽的脉冲来激励,不同频率分量的超声波(即多种模式的导波)将以不同的速度传播,这就意味着超声波的脉冲形状(即波包)要随传播距离的变化而变化。如果频散现象较严重,信号波包的峰值幅度随传播距离的增加而迅速减小,降低信号的信噪比,导致信号特征的提取与识别难度增加,使得长距离检测非常困难。
在大多数结构中存在可能传播的多种导波模式。这些模式一般都是频散的(其速度随频率而变化)。各导波模式的频散现象随传播距离、内径2壁
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第25卷第11期2003年11月无损检测
NDT
Vol.25No.11
Nov.2003
厚比、频厚积和激发脉冲周数的不同而不同。为选择合适的导波模式,有必要分析传播距离等参量对导波传播特性的影响,下面进行理论和实验分析。
1波包幅度的定义
为说明导波频散特性,有必要测量一个波包的时间宽度或波包幅度以及确定定义波包始末的方法。定义宽度最简单的方法是将在一时间点上的波形包络降在一特定的参考级下。在这里特定传播距离上的幅度用这一距离上的波形包络的峰值作参考,用这种方法测量频散波包的幅度随传播距离减小的量值,即传播距离的函数[7]。这一有用事实形成了下面描述预测频散传播方法的基础。
在传播过程中,频散波包的扩展在时间和空间上是线性的。这意味着频散波形的包络两端是以两个不同速度(假设为v mi n和v max)传播的,这一速度的不同引起了波包宽度的增大。如果这两个速度和在空间上某一点的波包宽度已知,则可计算出空间上其它任意点的波包宽度,由此宽度可计算出波包幅度。用这种方法描述的两个速度值是从导波模式的群速度频散曲线[8]上得到的。
当一个波包通过结构中某一点,在这一点上所记录的波包信号是时间的函数,如果波包前沿和后沿通过该点的时间为t1和t2。然后记录同一波包经过距上述点l的第二个点的时间,波包前沿和后沿通过的时间为t3和t4。则波包前后沿通过第二个点的时间可用它们的速度来表示。因为导波波包前后沿的速度为v max和v min,因此,波包传播距离l 后前后沿的时间为[7]
t3=t1+l
v max t4=t2+l
v min
(1)
如果最初波包的时间宽度为T i n,经过传播距离l后的时间宽度为T out,则
T out=T d+T in(2)式中T d)))频散引起的波包宽度的增加
用群速度方法来预测频散,则T d可写为
T d=l
1
v min
-
1
v max(3)
经过传播距离l后,波包幅度的减小量可表示为[7]
$A=C#T d=C#l
1
v min
-
1
v max
(4)
式中C)))常数
频散的影响使导波在结构中传播时,其波形包络在空间和时间上扩展。图1是在铜管(内径2壁厚比r/d=10)中激发5周的脉冲时,在频厚积为012M H z#mm时,数值模拟L(0,1)和L(0,2)的时间踪迹图。
从图1看出,L(0,1)的波包宽度随波包传播距离的增加而增加,而波包幅度随传播距离的增加而减小。而L(0,2)模式在频厚积为0.2MHz#mm时,频散非常小,且L(0,2)模式的波包宽度总是小于相应传播距离上L(0,1)模式的波包宽度。且L(
0,2)模式的群速度大于L(0,1)
模式的群速度,所以在同样的传播距离上,L(
0,2)模式总是比L(0,1)模式先到达。
(a)传播距离为20mm处的时间踪迹
(b)传播距离为100mm处的时间踪迹
(c)传播距离为200mm处的时间踪迹
图1L(0,1)和L(0,2)模式的时间踪迹
2信号采集系统简介
实验装置(图2)主要包括H P54600A型数字存储示波器(100MHz)、泛美5052UA型超声分析仪、IEEE488总线、收发两用纵波宽带直探头(泛美)以及IBM PC机等。
利用5052UA型超声分析仪来激发、接收和放
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图2实验测试系统框图
大超声信号,用泛美公司生产的四种宽带纵波换能器分别进行检测,其中心频率/直径分别为011MH z/3.81cm,0.25MHz/3.81cm,0.5MH z/ 3181cm和1.0MH z/3.81cm。实验采用脉冲回波法,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测得L(0,2)模式;如果将与换能器耦合的管端外表面切去,成楔形时可同时测得L(0,2)和L(0,1)模式。回波信号经超声分析仪放大后送往数字存储示波器进行模2数转换和显示,然后再经IEEE488接口总线由计算机进行采集和分析处理,其采样频率都为20MHz。整个采集过程全部由计算机控制实现。
3传播距离与波包幅度的关系
图3是激发脉冲周数为1周,检测的频厚积为0.5MH z#mm时,各内径2壁厚比下的传播距离和波包幅度的关系,图中线条表示理论结果,各种符号表示实验结果。显然,在各内径2壁厚比下波包幅度随传播距离的增加而减小。
从图3看出,对于L(0,1)模式,波包幅度随内径2壁厚比的增大而增加,但当内径2壁厚比较大(如>4)时,随内径2壁厚比的增大波包幅度的增加不太显著。而对于L(0,2)模式,在各传播距离上,内径2壁厚比在4左右时,波包幅度最大。当传播距离<1.0m时,在各传播距离上,内径2壁厚比为1.5左右管中的波包幅度大于内径2壁厚比为8.5左右管中的波包幅度;而当传播距离>1.0m时,在各传播距离上,内径2壁厚比为1.5左右管中的波包幅度小于内径2壁厚比为8.5左右管中的波包幅度。因此,在图3试验条件下,用L(0,2)模式进行检测时,当检测距离较短时,内径2壁厚比较大时的检测灵敏度较高;当检测距离较长时,内径2壁厚比较小时的检测灵敏度较高。理论和实验结果是一致的。
图4是内径2壁厚比为7,激发脉冲周数为1
周
(a)L(0,1)
模式
(b)L(0,2)模式
图3不同内径2壁厚比下,L(0,1)和L(0,2)模式的
传播距离和波包幅度的关系
时,各频厚积下传播距离和波包幅度的关系。图中线条为理论结果,各符号表示实验结果。显然,在各频厚积下,波包幅度也随传播距离的增加而减小。
从图4可以看出,对于L(0,1)模式,在各传播距离上,波包幅度随频厚积的增大而增加;而对于L(0,2)模式,当频厚积在0.25MH z#mm左右时,各传播距离上的波包幅度最大;当频厚积在1.0M H z#mm左右时,各传播距离上的波包幅度最小。因此,在图4试验条件下,用L(0,1)模式检测时应在较大的频厚积下进行;用L(0,2)模式检测时,应当在0.25MHz#mm附近检测。理论结果和实验结果也是一致的。
4结论
在各内径2壁厚比和频厚积上,激发脉冲周数为1周时,针对检测距离变化对自由管中各模式波包幅度的影响进行了分析。理论和实验结果表明:
(1)对不同检测距离和内径2壁厚比的管材,检测中应用不同的导波模式,所用的激发脉冲周数和频厚积也应不同。
(2)用L(0,1)模式进行检测时,在各传播距离上,检测所用的频厚积较大时,内径2壁厚比越大,检
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(a)L(0,1)模
式
(b)L(0,2)模式
图4 不同频厚积下L(0,1)和L(0,2)模式
传播距离和波包幅度的关系
测灵敏度越高。
(3)用L (0,2)模式检测时,在检测频厚积为015MH z #mm 情况下,内径2壁厚比为4左右时,检测灵敏度较高。另一方面,内径2壁厚比为7左右时,
在各传播距离上,应在频厚积为0.25MHz #mm 附近检测。
(4)对管材进行检测时,L(0,2)模式的波包幅度较大,L(0,1)模式的波包幅度较小(图5)。图5是内径2壁厚比为7,所用频厚积为0.5MHz #mm,激发脉冲周数为1周的情况下所得的理论和实验结果,
可见理论和实验结果是一致的。
图5 激发脉冲周数为1周时L(0,1)和L(0,2)模式
传播距离和波包幅度的关系
参考文献:
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图1 埋藏裂纹的
超声波波形
丝(一般是两端尖中间粗)。裂纹在超声仪器上的回波高度大,波幅宽,会出现多峰(图1)。探
头平移时,反射波连续出现,波
幅有变动;探头转动时,波峰有上下错动现象。
埋藏裂纹通常是在制造时产生的,但有时也会在使用中产生。由于位于焊缝中间,不与腐蚀介质接触,相对于表面裂纹而言,所受的应力较小,危害性也较小。但在使用过程中,尤其是在交变载荷或频繁间歇操作时,有可能产生裂纹扩展至表面或穿透,产生破坏,因此对埋藏裂纹的处理要重视,一旦发现必须采取严格的措施予以挖补修复。2.2 未焊透和未熔合
未焊透在射线底片上呈两侧整齐的细直黑线,一般在焊缝中部;根部未熔合在射线底片上是一侧整齐且黑度较大的细直黑线,一般在焊缝中间;坡口未熔合在射线底片上呈连续或断续的黑线,一般在焊缝中心至边缘1/2处;层间未熔合在射线底片上是黑度较小的不规则块状阴影。超声波探伤时,探头平移未焊透波形稳定,从焊缝两侧探伤均能得到大致相同的反射波;当超声波垂直入射到表面时,回波高度大,但如探伤方法和折射角选择不当,则可能漏检;未熔合反射波在探头平移时,波形较稳定,两侧探测时,反射波幅不同,有时只能从一侧探到。
未焊透和未熔合均为制造缺陷,处于焊缝中间,不与腐蚀介质接触,因此,相对于表面裂纹而言,危害性较小,但同样也存在诱发裂纹的可能。探伤中若发现存在诱发裂纹,应按上述埋藏裂纹的处理原则进行必要的挖补修复。倘若没有新的裂纹产生,那么视具体尺寸、位置及使用条件等,对近表面缺陷进行挖补修复,其它的可不作处理。2.3 气孔和夹渣
气孔在射线底片上呈黑色圆点,也有呈黑线(线
状气孔)或其它不规则形状的,边缘轮廓圆滑,中心黑度大,至边缘减小。夹渣在底片上呈黑点、黑条和黑块,形状不规则,变化无规律。钨夹渣在射线底片上呈极亮白点。气孔和点状夹渣在超声探伤仪器上回波高度低(图2),波形较稳定,从各个方向探测时反射波高大致相同,但探头稍一移动波形就消失。两者的区别在于气孔内气体的声阻抗小,反射率高,波形陡直尖锐;而夹渣内含的金属或非金属夹渣的声阻抗大,反射波低,且夹渣面粗糙,波形宽,呈锯齿形。密集气孔为一簇反射波,其波高随气孔大小而不同,当探头定点转动时,
会出现此起彼落的现象。
(a)气孔(b)点状夹渣
图2 气孔和点状夹渣的超声波波形
气孔和夹渣均为制造缺陷。经过大量在用压力容器检验,发现绝大部分气孔不会发展成裂纹,潜在危险小,可适当放宽容限。因此,如检验时没有发现气孔边缘有新的裂纹产生时,可不作处理;若发现有新的裂纹产生时,则应按上述原则进行挖补修复。对于夹渣也可适当放宽容限,但对于一些自身高度较大、断面形状扁平或呈三角形、端部夹角狭长和尖锐的夹渣,应适当挖补修复。
3 结语
介绍了在用压力容器常见的表面和埋藏缺陷,分析了检测方法,指出缺陷的成因、表现及危害程度,并提出了解决方案。对裂纹类危害严重的缺陷应予以重视,坚决修磨,其它不同类型的缺陷可视具体情况适当放宽或挖补修复,为在用压力容器的安全使用提供参考。
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