管道腐蝕缺陷超聲導波檢測仿真研究-開題報告

XX大學畢業(yè)設計（論文）開題報告題目 管道腐蝕缺陷超聲導波檢測仿真研究 專 業(yè) 名 稱 測控技術與儀器班 級 學 號 學 生 姓 名 指 導 教 師 填 表 日 期 20xx 年 4 月 9 日一 選題的依據及意義 截止到2012年上半年，我國建成的油氣管道總長度約9.3萬千米。油氣管道投入使用的后期是事故的高發(fā)期，我國油氣管道己經進入老齡化，如果能夠對管道進行周期性檢測，對有腐蝕的管道采取加固或者更換的方法，可以有效延長管道的使用年限。從上個世紀60年代，美國、英國等國對油氣管道檢測技術開啟了全面研究?，F(xiàn)在常用的管道無損檢測方法有:超聲波檢測、射線檢測、漏磁檢測和渦流檢測。漏磁檢測方法是先將管道磁化，然后用磁傳感器陣列檢測管道的磁通量，再判斷缺陷的腐蝕程度。超聲波檢測方法是利用管道內檢測器的傳感器陣列發(fā)射接收信號，將信號存儲在系統(tǒng)中，根據壁厚的變化，分析信號判斷缺陷的存在。但是上述兩種檢測方法在檢測原理上是移動檢測探頭逐點掃描檢測管道腐蝕情況，而且不能對管道實行實時監(jiān)測。同時，現(xiàn)在的油氣管道大多數都有包覆層，或者是埋地管道，這些檢測方法需要在剝離包覆層將管道開挖，或者將檢測器放入管道內之后才可以進行檢測，這將極大地增加檢測的工程量、檢測費用和檢測風險，并且會降低檢測效率。超聲導波檢測技術是近年來才發(fā)展起來的管道無損檢測技術，與常規(guī)超聲波技術相比較，有很多優(yōu)勢。第一，在構件一點激勵超聲導波，由于導波本身所具有的特性，它沿構件傳播過程衰減很小，可以傳播很遠距離，最遠可達幾十米;第二，探頭接收到的信號中包含了有關激勵點和反射點間構件整體性的信息，因此，超聲導波技術實際上檢測的是一條線，而不是一個點，這樣就克服了常規(guī)管道檢測方法逐點掃描的缺點，適合長距離管道大范圍的缺陷檢測。第三，超聲導波可以在充液、帶保護層的管道中傳播，在管道運行的狀態(tài)下也可以進行檢測。由于超聲波頻率較低，檢測時不用禍合劑，也不用對放置探頭的管道表面作特殊處理，可大大降低檢測成木。第四，超聲導波在管狀波導中傳播時，在管的內外表面和中部都有質點振動，聲場遍及整個壁厚，這說明超聲導波檢測可同時檢測管道表面缺陷和管道內部缺陷。利用超聲導波檢測技術進行油氣管道檢測時具有快速、可靠、經濟且不需要剝離管道外保護層等優(yōu)點，是長距離管道無損檢測前沿發(fā)展方向。因此，研究超聲導波技術在油氣管道缺陷檢測中的應用具有重要意義和發(fā)展前景。 ANSYS是世界上著名的大型有限元分析軟件, 具有完備的前、后處理功能, 強大的求解器以及多種方便而實用的二次開發(fā)技術, 被廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造和土木工程等一般工業(yè)及科學研究。然而, 作為通用軟件不免在某些專業(yè)領域中有所欠缺,如不具備直接進行彎管缺陷導波檢測數值模擬的功能。針對上述問題,提出采用ANSYS提供的二次開發(fā)技術進行彎管缺陷導波檢測的數值模擬,為今后ANSYS在彎管導波檢測中的廣泛應用奠定了良好的基礎,同時也為今后研制和開發(fā)大型檢測分析軟件提供了一條新的途徑。相對于實地的實驗，仿真具有實驗所沒有的優(yōu)勢，實驗的成本比仿真來的大，周期都要比仿真來的長。仿真可以在實驗條件不足的情況下完成相關的研究，降低各種損耗。所以在實驗不太方便進行的情況下，仿真是一種不錯的選擇。二 國內外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）體波是指能夠在無限波導中傳播的波，而導波則是指由于波導邊界的存在而產生的波。根據介質中的質點振動方向和波在介質中的傳播方向是否相同，可以將波分為縱波和橫波，縱波和橫波以各自的傳播速度向前傳播而沒有發(fā)生波形禍合。使用波的頻率f歸類并且以人的可感覺頻率進行分界，可以將聲波分為三類，依次為次聲波(f20Hz）、可聞聲波(20Hzf20kHz) 。超聲導波的理論和應用在國外的研究都比較早。研究者們從二十世紀初開始對不同波導中傳播的彈性波進行了理論分析，然后進行了實驗驗證，延伸到與實際管道接近的空心圓柱體的柱面導波的研究，最終應用到無損檢測領域中。 H.Lamb1和J.Rayleigh2研究了在各向同性的板中自由狀態(tài)下的彈性波的傳播特性。D.C.Gazis3首先推導出壁厚和內徑比越大，空心圓柱殼的解會越接近Lamb波的解，之后1959年D.C.Gazis4,5又對空心圓柱體中的波在三維上的傳播進行了分析，推導出兩種模態(tài)(縱向拉伸波和扭轉波)的理論模型。并通過數值計算，得到含有許多模態(tài)的頻散曲線及不同模態(tài)的截止頻率。M.V.Brook6等在管道一端施加法向載荷激勵脈沖，利用激勵出的軸向超聲導波對管道進行檢測，證明了用柱狀導波對管道進行缺陷檢測的可行性。M.G.Silk和K.F.Bainton7利用壓電超聲探頭從熱交換管道的內部激勵超聲導波，利用L(0,1)模式導波對管道進行檢測，這是由于和M.V.Brook不同的激勵方式造成的。Brook等于1990證明了軸對稱縱向導波即L(0,2)模態(tài)適用于管道檢測8。P.cawley和D.N.Anwyne進步將超聲導波無損檢測技術應用到工廠中的在役管道9。 20世紀開始利用超聲導波對管道進行缺陷檢測，美國賓夕法尼亞大學和英國帝國理工大學在這方面做了很多研究。Ditri進一步指出了導波中不同模態(tài)之間的特征，并且說明模態(tài)的特征和模態(tài)存在的數量以及模態(tài)的中心頻率有關10。Alleyne和Lowe等通過試驗論證了縱向導波在70360kHz的頻率范圍內群速度是最快的，而且頻散是最小的，并對空管道中的扭轉、彎曲和縱向模態(tài)進行了數值計算11。D.N.Allwyne等提出L(0,2)模態(tài)，因為這個模態(tài)在一定的頻帶內呈現(xiàn)非頻散特性，并且在很多模態(tài)中傳播速度最快12。1997年，美國賓西法尼亞大學的Rose教授提出了內插式錐型壓電傳感器進行在管道內激勵、接收導波的思路13。 由于管道彎頭處焊縫的出現(xiàn)導致檢測效率的降低，美國的Joseph L. Rose和Xiao Bang Zhao對管道彎頭處的缺陷進行了研究20。 近年來，英國帝國理工大學P.cawley和M.J.S.Lowe等人利用脈沖回波法激勵超聲波脈沖，并對由缺陷引起的回波信號進行分析，通過回波幅值的大小判斷缺陷的程度，對導波回波信號提高信噪比運用多種方法處理分析對比14,15,16,17。國外SiqueiraMH在2004年就是用小波處理信號提高信噪比18。Peter W.Tse2012年提出新的方法MP處理數據，不僅可以提高信噪比，而且可以直接準確的判斷缺陷軸向位置19，但是這些方法的缺陷定位都需要有較高的專業(yè)水平才能從回波信號中獲得缺陷的信息。 國內對超聲導波的研究起步較晚，雖然己經掌握了管道腐蝕檢測技術，但在實際管道檢測中還處于起步階段，大多數在理論研究、傳感器和實驗室研究階段，并且缺少較為專業(yè)的技術人員。徐可北分析了反射回波和傳播中支點振動方向的關系21。劉振清綜述了國內外的超聲波技術、聲發(fā)射技術、新型超聲非接觸換能方法等無損檢測方法22,23。周正干、馮海偉24研究了導波在不同介質和結構中的頻散特性。他得安，劉振清25,26等提出如何選取導波的中心頻率，指出了導波的模態(tài)受到管道的直徑和壁厚影響。程載斌，王志華，馬宏偉等重點對應力波在管道檢測的應用進行了研究，他們通過用有限元軟件ANSYS對超聲縱向導波對管道裂紋進行檢測做了數值模擬，根據缺陷回波信號的到達時間和反射系數的大小判斷缺陷的位置和大小程度27,28。劉鋒、馬宏偉對激勵信號的周期、頻率進行研究，對雙裂紋和單裂紋進行試驗，以及能量反射率和能量透射率的研究29。焦敬品等對超聲導波在管道中的傳播特性，試驗檢測方法以及數值模擬方面進行了研究30。徐新生、郭杏林等討論了應力波在檢測到缺陷時的反射和透射性質，然后根據反射回波的時間和強度來判斷出缺陷所在的位置和大小，并且驗證理論模型和方法在檢測中是有效的31。齊瑞才、郭杏林試驗驗證管道的周向缺陷、軸向缺陷以及點蝕缺陷對回波信號產生的影響32。姜秀娟、張文雍、徐鴻利用ANSYS軟件對管道的裂縫和焊縫進行建模并仿真，對各種不同腐蝕程度的缺陷進行回波研究分析得出波形和局部損失的關系，對所給出的所研究的材料物性泊松比、密度、彈性模量不同變化條件下33,34。何存富、劉增華等對超聲導波檢測中的所用到的傳感器的特性，工作原理以及在有包覆層的管道、充水管道中各種導波不同模態(tài)的傳播特性進行了研究分析。王智、何存富主要對采用分布式PZT傳感器在管道中如何激勵和接收導波，分布式可以抑制不同導波模態(tài)的波形，建立了一套實驗裝置，并且利用這套實驗裝置對管道進行檢測，通過處理和分析反射回的信號幅值，達到對缺陷的識別和判斷缺陷位置35。何存富、李隆濤等對薄壁管道的周向導波進行了重點研究，試驗論證了激勵模態(tài)與斜探頭楔型角的關系，并且運用理論分析和數值模擬研究周向導波在管道中的傳播特性，并使用建立的超聲導波檢測系統(tǒng)，對己加工出缺陷的試驗管道進行檢測，論證了周向導波檢測的正確性。何存富、王秀彥等利用縱向導波L(0,2)模態(tài)對90。彎管己加工的人工缺陷進行超聲導波檢測試驗。何存富，鄧菲重點研究使用時間反轉的處理方法對超聲導波進行信號進行研究、缺陷的參數識別和數值分析。吳斌對如何對導波回波信號進行處理進行了研究，可以更準確的分析回波信號。國內關于導波檢測技術的模態(tài)頻率選擇激發(fā)、探頭環(huán)傳感器以及各種影響回波幅值因等多方面都進行了研究，在檢測結果信號方面，主要研究如何提高信號比，而在使用何種方法表示缺陷可以提高缺陷的定位則比較少。三 研究內容及實驗方案1 研究內容本課題主要采用ANSYS有限元數值分析模擬軟件對無腐蝕管道和有腐蝕管道進行模擬。2 實驗方案1建立實體模型，設置模型參數2. 劃分網絡以得到有限元模型3. 設定邊界條件4. 施加激勵以及載荷并進行求解 5. 計算結果進行處理，或者輸出四 目標，主要特色及工作進度1 研究目標應用超聲導波對管道的內部腐蝕進行檢測，通過仿真來探究其中的規(guī)律。2 主要特色利用仿真有著試驗所沒有的優(yōu)勢，仿真可以在實驗條件不足的情況下進行研究，同時更能準確的反應出研究結果。3 工作進度2015.3.92015.3.20 前期資料收集、調研2015.2.212015. 4.09 撰寫開題報告，開題 2015.4.062015.5. 1 建立模型、開展關于本課題的仿真研究2015.5.062015.6. 1 分析、整理數據，歸納總結2015.6.062015.6.26 撰寫畢業(yè)論文、準備畢業(yè)答辯五參考文獻1 H.Lamb. 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