李 欢，刘 元，刘相蕊，马 峰，马登龙，谢军太

(1.西安西电高压开关操动机构有限责任公司 陕西 西安 710018；2.西安交通大学机械工程学院 陕西 西安 710049；3.西安交通大学中国西部质量科学技术研究院 陕西 西安 710049)

0 引 言

管道运输作为一种最常见的物质输送手段，主要应用于长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。随着近些年来我国经济的飞速发展，石油、天然气之类的产品输送量大幅度增长，由此对管道的使用量也日益增长，这就给管道的使用和维修提出了更为严格的要求。管道本身可能存在一定的缺陷，而且多数的管道在工作中往往受到高压、高温、冲击和恶劣环境的影响，导致管路腐蚀和损伤，由此产生泄漏事故比例较高。因此研究管道缺陷检测，对管道腐蚀和损伤预测以及防范重大恶性事故具有重要意义。

目前，管道缺陷检测技术很多，如超声检测、漏磁检测、远场涡流检测，射线检测等多种缺陷检测方法，但这些无损检测技术都有不同程度的缺点，如必须逐点检测，速度慢，外敷层剥离，而且对损伤部位难以精确定位，进而影响管道损伤事故的维修决策。而超声导波检测技术由于其传播距离远，衰减小，可以检测管道的整个截面信息等特点，在管道缺陷检测中具有巨大的优势[1-2]。

近年来，众多学者在超声导波管道探伤的激励信号参数选取、导波模态及频率的选择、缺陷检测的定量分析等方面做了大量研究[3-6]。但是在现有缺陷定量研究中大多以缺陷在管道上某一方位的定量分析为主，针对超声导波对管道缺陷不同方位灵敏度的对比分析较少。因此，本文拟开展超声导波管道探伤模拟试验。首先进行管道检测频率的选取，对比同等材料、尺寸条件下直管与弯管的适宜激励频率范围差异；其次研究管道缺陷在轴向、周向及径向3个方位尺寸的变化与缺陷回波幅值的对应关系，以实现管道缺陷的三维定量分析及对比，对缺陷形成早期的微弱阶段的预防、控制具有重要意义。

1 超声导波管道缺陷检测原理

超声导波检测技术是采用机械应力波沿着延伸结构传播[3]，可广泛应用于不同类型管道的检验，有时单一的位置检测可达数百米。管道的超声导波检测中低频率传感器阵列覆盖管道的整个圆周，产生的轴向均匀的波沿着管道上的传感器阵列的前后方向传播。设备运用传感器阵列的脉冲设置激发和探测信号。在管道横截面变化或局部变化的地方会产生回波[7-9]，基于回波到达的时间，通过特定频率下导波的传播速度，能准确地计算出该回波起源与传感器阵列位置间的距离，从而实现管道缺陷的识别与定位。最常用的激励导波为L(0,2)模态导波，L(0,2)模态易于激发，在相当长范围内处于非频散状态，并且其波速往往领先于其它模态导波，有利于缺陷波形在时间轴上与其它杂波分离开来[10-12]，因此本文拟采用L(0,2)模态导波作为管道激励信号，基本检测原理如图1所示。

图1 基于超声导波检测技术的管道探伤原理

2 管道超声导波数值模拟研究

2.1 管道几何模型建立

管道的材料属性为: 杨氏模量：210 GPa；泊松比：0.3；密度：7 900 kg/m3。

设置直、弯管的几何参数为: 外径89 mm，壁厚4.5 mm，管道长度2 m，其中弯管弯头的曲率半径为管道外径的3倍，二者均无焊缝结构。

管道的内外都设置为真空条件，管道左端为信号激发端，右端设置为固定约束，激发节点与接收节点数目均为16。网格划分整体由扫掠生成，缺陷附近网格为自由四面体网格，并做加密处理。

此外，将导波反射系数定义为缺陷回波或端面回波与初始激励波的幅值之比，将16个接收节点信号之和取平均作为管道回波信号。管道模型设置如图2所示。

图2 管道模拟设置示意图

2.2 管道的激励信号参数选取

选用L(0,2)模态导波对管道缺陷进行模拟检测研究，激发导波类型为调制汉宁窗函数，其表达式为：

(1)

式(1)中：x(t)为信号幅值，m；fc为激励导波的中心频率，Hz；n为信号周期数；t为时间，s。

激发导波的周期选定为5，激发源在仿真中用轴向位移函数代替，因此模拟中的信号幅值均以m为计量单位。

综上所述，对复发性分泌性中耳炎患者采用咽鼓管吹张注入地塞米松结合口服药物进行治疗的临床方法能显著提高患者的临床治疗效果，并降低患者治疗后的复发率，尤其适合有全身使用激素禁忌证的患者及不接受鼓膜切开鼓室置管的患者，值得临床广泛推广应用。同时咽鼓管吹张技术亦是近年来国内新开展咽鼓管球囊扩张技术治疗分泌性中耳炎的基础原理，操作简单，损伤小，不需住院，医疗费用相对较低，可减轻患者的经济负担，非常适合基层医院的推广。但该研究方法样本不大，以及远期效果还需更多临床样本观察。

在实际的超声导波损伤检测中，往往多模态并存，这些模态成分彼此叠加给接收信号处理带来了困难，因此选择合适的激励信号频率可以有效的抑制其他模态成分的干扰而最大程度地激发L(0,2)模态，从而有利于提高缺陷回波的幅值。本次试验通过模拟不同激励频率下超声导波在管道中的传播效果以确定适用于本文所述材质管道的频率范围。由于同一条件下无缺陷管道和带缺陷管道的适用激励频率相近，而无损管道模拟计算量较小，故以无损管道作为模型进行探讨。在进行数值模拟时，保持其他参数不变，以激励频率为唯一变量，频率范围为30～160 kHz，以10 kHz为步长递增计算对直管和弯管分别进行试验。

不同激励频率下无损直管的部分模拟数据如图3中的(a)、(b)、(c)所示。可以发现当激励频率分别为50、100、150 kHz时，端面回波的幅值明显依次减小，幅值的减小代表管道中超声导波的衰减较快，这会使导波信号的信噪比过低从而影响缺陷检测。

不同激励频率下无损弯管的部分模拟数据如图3中的(d)、(e)、(f)所示，对比直管可发现，相同条件下，弯管中的导波端面回波幅值更小，这表明导波在弯管中的衰减损耗相较于直管更为严重。

图3 不同激励频率下无损管道的接收信号

将直管和弯管的端面回波反射系数与激励信号频率的对应关系各自绘制成曲线如图4所示。

图4 管道的最佳中心激励频率选取

可看出直管接收信号的端面回波幅值随激励频率由30～50 kHz呈现递增规律而之后呈现下降趋势，而弯管端面回波的反射系数最大值在中心激励频率为40 kHz的时候发生，考虑到频率扫描间隔选取会影响反射系数峰值的读取，因此直管和弯管的适宜激励频率可视为比较接近。此外，不同于直管，弯管对应的曲线在130～160 kHz范围内有轻微上升趋势，这也表明，导波在弯管中的传播情况更为复杂，需进一步探讨。总体来说，直管的最佳中心激励频率的选取对同等材质、尺寸弯管的对应参数选取具有指导意义。

3 管道缺陷定量分析

一般来说，在恶劣的环境因素及管道的特定工作性质作用下，管道的泄漏是一个相对缓慢的过程，定量的研究管道缺陷的形状尺寸，对于在缺陷形成早期的微弱阶段就及时预防、控制具有重要意义。基于超声导波检测技术，本文拟从裂纹型缺陷在直管上的周向、径向及轴向3个方位对缺陷的大体尺寸开展数值模拟研究。

3.1 管道缺陷周向定量分析

以2.2节中模拟所得到的直管最佳检测中心频率50 kHz作为参数对带裂纹直管进行数值模拟，以裂纹周向开口30°～330°为缺陷尺寸范围，以30°为检测步长。裂纹参数设置见表1。

表1 缺陷周向定量实验尺寸设置

裂纹的具体周向尺寸换算公式为：

(2)

式(2)中：S为裂纹周向尺寸，mm；Deg为裂纹周向开口角度，(°)；D为管道外直径，mm；b为管道壁厚，mm。

通过模拟得到不同裂纹尺寸的弯管接收信号部分数据如图5中的(a),(b),(c)所示。可以明显看出，随着裂纹尺寸的增大，裂纹的回波幅值也呈递增趋势。此外，随着裂纹回波的增大，相应的端面回波幅值也逐渐变小，正符合能量守恒定律，也一定程度上验证了此次数值模拟的正确性。

依据不同周向尺寸裂纹下的管道缺陷反射系数与对应裂纹尺寸关系，绘制缺陷尺寸与缺陷相关关系曲线如图5(d)所示，当图中各离散点的拟合曲线为一次多项式时，拟合效果较为理想，可推测缺陷回波幅值与缺陷周向尺寸大体上呈线性关系。

3.2 管道缺陷径向定量分析

以检测中心频率50 kHz作为参数对带裂纹直管进行数值模拟，以裂纹径向长度0.5～4.5 mm为缺陷尺寸范围，以0.5 mm为检测步长对直管缺陷进行径向定量分析。裂纹参数设置见表2。

表2 缺陷径向定量实验尺寸设置

如图6中的(a)、(b)、(c)所示，分别为在其它参数设置均相同的条件下，裂纹径向长度分别为1，2.5，和4 mm时的管道回波曲线，可看出随着裂纹径向长度的增加，缺陷回波的幅值有着明显的增加。进一步在图6(d)中，对各个缺陷反射系数—径向尺寸的离散数据进行拟合，当拟合曲线为三次多项式时，拟合曲线光滑，拟合效果较好，从图中可知，随着裂纹径向尺寸的线性增大，缺陷反射系数不仅随之增大，而且增大的速率越来越快，二者呈现明显的非线性关系，这与前述缺陷周向定量分析得出的规律有很大的不同。

图6 管道缺陷径向定量分析

3.3 管道缺陷轴向定量分析

以检测中心频率50 kHz作为参数对带裂纹直管进行数值模拟，以裂纹轴向长度0.5～4.5 mm为缺陷尺寸范围，以0.5 mm为检测步长对直管缺陷进行轴向定量分析。裂纹参数设置见表3。

表3 缺陷轴向定量实验尺寸设置

一般来说，缺陷回波的幅值大小应取决于超声导波在管道内传播过程中被反射回来的波形成分大小，因此，与导波传播方向成垂直角度的缺陷截面理论上可取得最佳的波形反射效果，而与导波传播方向夹角较小或趋于相同的缺陷截面则可能因反射导波成分太少而使缺陷漏检。

如图7中的(a),(b),(c)所示，随着管道裂纹轴向尺寸的增大，裂纹的回波幅值也有所增加。但在裂纹轴向长度设置数量级与2.2节中裂纹径向长度一致时，裂纹回波幅值的增长速度却慢了许多。如图7(d)所示，拟合曲线的斜率极小，变化缓慢，接近于直线，这也映证了L(0,2)模态导波对轴向尺寸为主的纵向缺陷并不敏感。

图7 管道缺陷轴向定量分析

4 结 论

通过对无损管道及带缺陷管道的超声导波检测进行数值模拟研究，所得结论如下：

1)直管的最佳中心激励频率的选取对同等材质、尺寸弯管的对应参数选取具有指导意义。

2)L(0,2)模态导波对于以径向尺寸与周向尺寸为主的管道缺陷比较敏感，对以轴向尺寸为主的管道缺陷不太敏感。