基于权值差除法的MsS超声导波管道检测试验研究吴斌1,刘秀成1,辛军2,安国平1,刘增华1,何存富1(1.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京京100029)100124;2.北京市特种设备检测中心,北摘要:将基于磁致伸缩效应的MsSR3030系统用于管道中的缺陷检测。超声导波在管道中传播速度受管道材质、防腐漆层等因素影响将发生变化,降低MsS一3064型磁致伸缩传感器的方向控制水平,导致管道检测信号中包含异向检测信号。为消除异向检测信号,提出一种权值差除的方法,对正反向检测信号做Hilbert变换,再利用小波函数分解重构得出信号包络线,赋予正反信号包络线一定权值后做减法,可以有效消除不需要的异向信号,提高检测信号的可识别性。关键词:超声导波;波速;方向控制;权值差除法中图分类号:TE973.6文献标识码:A文章编号:1001—4837(2010)01—0012一05doi:10.3969/j.issn.100l一4837.20lO.01.004ExperimentalStudyonUltrasonicGuidedWaVeInspectionBasedofPipelineUsingonMagnetostrictiVeSensorTechnologyWeightSubtractionMethodWUBinl,LIIJ】|【iu—chen91,XINJ哪2,ANG啪一piIl91,LIUZeng_h岫1,HEC岫一fulTechnolo舒,BeijingUniYersityofTech—Special(1.Collegenology,ofMechanicalEngineeringandAppliedElectmnicsl00124,China;Beijing2.BeijingEquipmentInspection&TbstingCenter,Beijing100029,China)Abstract:MsSR3030inspectionsystembasedonmagnetostrictiveefjf’ectwasusedfordefectdetectioninpipes.ThepropagationvelocityofultrasonicguidedwaVesinthepipewillincludingpipematerialandanti—coITosionpaintingcoating.sultinabe如ctedbysomef如tors,1.e—Changeonthepropagationvelocity诫Hlow—leveldirectioncontroloftheMsS一3064magnetostrictivesensor,andfinaHytheunwantedsignalfromtheoppositesidewiUbeintmducedtothedetectionsubtractionmethodwasproposedfbrthesignalpI.ocessingwhichsignal.First,Hilbertsi印alinthesettingdirectjon.weightcane珏bctivelyeliminatetheoppositesidetransfo彻w酗印pliedendowingthemwithcantoboththepositi、reandnegativedetectionFinaUy,thesi舯als.r11lent}leenvelopsoftllesignalsusingwaveletanalysiswerereconstllJcted.sub岫ctionbe附eenthe伽oenvelopcurves幽eracertainweightweightsubm扰tionmethode珏.ectivelysubtmctedunwantedw鼬perfb珊ed.signalprocessingbyusingsi驴alsrenected舶moppositesideandim-methodpIDVet|ledistinguishabilityofinspectionsignals.Keywords:ul柏sonicgIlidedwaves;pll叩agationvelocity;directioncon仰l;weig}It蛐b呦ction万方数据第27卷第1期压1前言压力容器在石油化工行业中广泛使用,压力容器间通过管道连接,用来输送油、气、水等流体物质,管壁的减薄或腐蚀容易引起管路泄漏和爆炸事故,有效的管道腐蚀缺陷检测技术对于保障压力容器正常运转意义重大。传统的无损检测技术难以适合长距离管道检测任务,超声导波具有传播距离远、检测速度快的特点,使得超声导波技术在压力容器长连接管道检测中得到越来越广泛地应用。目前国际上先进的超声导波检测设备主要有英国PI公司的Teletest和英国GuidedWave公司的wavemakerG3系统以及美国西南研究院的MsSR3030系统,前两者基于压电效应激励和接收超声导波,而只有MssR3030系统是基于磁致伸缩效应来激励和接收超声导波,可用于管道和板类结构的缺陷检测。基于磁致伸缩效应的超声导波技术在长距离管道腐蚀和周向裂纹缺陷检测中应用广泛。其具有检测距离远,检测精度高和磁致伸缩传感器(Magne—tost—ctiveSensor,MsS)安装简单且不受管道直径等优点¨’21。文中利用MsSR3030系统,采用MsS一3064型磁致伸缩传感器对一段涂有防腐漆层,带外包覆层的实验管道试样进行检测,对检测信号的分析表明超声导波在管道中传播速度的变化将降低Mss一3064型传感器的方向控制水平,导致接收信号中包含大量异向检测信号。为消除异向检测信号,提出了一种有效的正反信号权值差除法用于信号处理。2MsS超声导波技术当超声波在诸如板和管道等介质中传播时,将会在界面来回反射,产生复杂的波型转换以及波形耦合。这种经介质边界制导传播的超声波称为超声导波。管道中超声导波可沿周向传播,称其为周向导波,也可沿轴向传播,分别称为纵向模态L(0,m)、弯曲模态F(,l,m)和扭转模态71(0,n)旧J。与纵向模态相比,扭转模态径向位移和轴向位移均为0,而切向位移不为o,这为扭转模态用于管道周向和轴向等不同类型缺陷检测提供了理论依据,扭转模态中r(0,1)模态超声导波在无包覆层单层弹性万方数据力容器总第206期管道中无频散,用于管道检测时与管道尺寸无关且不受管道外包覆层和管内非粘性流体介质的影响一’5J,适合于实际管道的检测。磁致伸缩效应是指铁磁性材料受磁场作用时,它的尺寸大小、形状会发生变化的效应;磁致伸缩逆效应是指当铁磁物体在原有恒定磁场作用下,同时受外力作用发生形变瞬间会引起内部磁场发生变化的效应‘6|。H.Kwun等【7,副利用磁致伸缩传感器激励超声导波应用于长距离管道检测。在此利用基于MsS超声导波技术的管道检测系统MssR3030激励频率64kHz的r(0,1)模态用于管道检测。3磁致伸缩传感器Mss超声导波技术在管道检测中可以采用脉冲回波和一发一收两种激励接收方式,当系统工作在上述两种模式时传感器对应地分别与图l所示的PE和C接口相连接。在对管道进行超声导波检测时,通常采用脉冲回波法‘91。PEM8SR3030C<旧旧卜长Ms叁翟皂掣图lMsSR3030系统脉冲回波法工作模式F系统连接图MsS一3064为MsSR3030系统中常用的一种磁致伸缩传感器。该传感器通过控制排线线圈的匝数和间距以及铁钴合金带的宽度,可以激励出频率64kHz的r(0,1)模态超声导波,其中排线线圈匝数为20,线圈宽度与铁钴合金带一致为25.4mm,等于频率64kHz的r(0,1)模态超声导波在碳钢管道中传播的二分之一波长¨0I。如图l所示,MsS一3064型磁致伸缩传感器通过控制2个相距l/4波长的激励源S.和S:来实现对激励超声导波的方向控制,使其沿检测方向单向传播。激励源S。和s:之间的距离为12.7咖,为磁致伸缩传感器的固定参数。4超声导波方向控制单个Mss传感器往正反双向产生超声导波,以・13・CPvT基于权值差除法的M8S超声导波管道检测试验研究Vol27.N012010相同的灵敏度对每个方向进行检测,同时接收双向的反射信号,单个传感器采集的数据复杂难以分析。为简化数据模式和利于数据分析,利用2个相距波长的传感器,控制2个激励源发射脉冲之间的时间差为l/4周期,2个接收器接收信号之间的时间差为l/4周期,实现超声导波的单向激励控制。S。和.s:为单个Mss传感器,当.s。和.s:严格相距l/4波长时,最终s,和.s:激励源信号叠加可以得到理想的方向控制结果,如图2(a)所示,正向的信号幅度得到加强,反向的信号基本被消除。(a)相距1/4波长(b)相距l/3波长图2S。和s2间距不同时方向控制结果频率64kHz的丁(o,1)模态在普通单层碳钢管道中的传播速度约为:移=3240m/s,1/4波长:1/4A=∥(4×.力=12.66mm,与传感器中.s,和S2的间距12.7比可以看出此时正向的信号幅度得到加强,但幅度比图2(a)小,同时往反向也激励出超声导波。mm接近。实际管道检测过程中,当管道材质5正反信号权值差除法变化、涂覆防腐层或带外包覆层时,会造成超声导波在管道中传播的波速发生变化,波长也随之改变,造成5。和.s:的实际间距将会大于或小于12.7mm,从而降低传感器的超声导波方向控制水平。图2(b)表示在S,和&之间相距1/3波长时的方向控制结果,图中虚线为图2(a)所示理想方向控制结果,相为研究超声导波在管道中传播速度的变化对Mss一3064型传感器的方向控制水平的影响,设计制作了实验管道系统,管道外径108mm,壁厚6mm,管道表面涂有0.5mm厚防腐漆层并做包覆处理,如图3所示。图3试验管道结构示意将Mss一3064型传感器安装于图3所示传感器位置,采集得到信号波形如图4所示。通过数据分析,可以得出图4(a)的回波2为正向检测到的第一・14・条焊缝回波信号,其时间位置为1.272吣,实际测量第一条焊缝距传感器1955mm,由此得到r(o,1)模态在管道中的传播波速秽=(1955×2)/1.272=万方数据第27卷第l期压3073.9In/s,l/4A=∥(4×/)=3073.9/(4×64)=12.0mm,小于传感器固定的参数值12.7胁。根据图2(b)所示的模拟结果,波速的变化将导致在选择单向激励时,向另一方向也同时激励出超声导波。如图4(b)中回波2即为选择反向激励时接收到的正向焊缝回波。时间硝m8)(a)正向检测时间HmB)(b)反应检测图4MsS一3064型传感器接收信号波形为解决超声导波单向控制较差引起的信号分析难问题,提出正反信号权值差除方法:当实测得到的频率64kHz的F(0,1)模态在管道中的传播速度与口=3240—n/s相差较大时,单点检测应分别选择正和反2个激励方向对管道进行检测,对得到的2组信号做Hilbert变换,再利用小波函数分解重构求取信号包络线。当选定正向为检测方向后,赋予反向检测信号包络线一定的权值卢(o<p<1)。正向检测信号包络线减去经过权值处理和调整的反向检测信号包络线,即可去除实际检测信号中的反向检测万方数据力容器总第206期信号成分。如传感器单向激励时,正向传播能量为最大值的70%,反向传播能量为最大值的35%左右,可对反方向的检测信号赋予权值口=0.5,将正向检测信号减去赋予相应权值的反向检测信号即可去除正向检测信号中的反向检测信号成分。采用正反信号差除法对图4所示检测信号进行处理,分别赋予正反向检测信号权值卢=O.4和卢=0.2构造出图5中的差除信号。比较图5(a)中反向检测信号和构造差除信号包络线,可以识别出反向检测信号中存在的正向检测信号成分,对比结果可差除8个正向回波信号。根据差除回波的时间位置计算得出其空间位置与正向检测时经过的焊缝和缺陷位置一致,对差除信号的标记将降低信号的分析难度。正半轴一反向检测信号包络线差除回波l负半轴一构造差除信号包络线,吨芋燃:每塑波洲举瞰8越O.05馨21018距离L(m)(a)反向检测信号处理结果O.35回濒正半轴一正向检测信号包络线负半轴一构造差除信号包络线>—,-气蓥o.15姚回回。泓旧==蜂川圳Ⅵ鳓ll且波ll卜21018距离“m)(b)正向检测信号处理结果图5利用权值差除法处理得到的波形6实际管道检测结果和分析・15・CPvT基于权值差除法的Mss超声导波管道检测试验研究Vol27.Nol2010图5(b)所示正向检测信号包络线中包含的反向检测信号少,将超声导波正向经过的焊缝依次标记为焊缝l,焊缝2,焊缝3,…。根据各回波的时间位置可以计算得出其空间位置,将计算结果与焊缝的实际位置进行对照,如表l所示。表l图5(b)所示波形各回波计算位置与回波计算位置管道结构实际位置编号厶(mm)管道结构£2(mm)l2020.42焊缝l1955.0022331.06焊缝22190.6032642.5l焊缝32426.2045514.63焊缝45426.2056560.19缺陷6541.2068555.97焊缝58426.2078903.17焊缝68661.8089161.38焊缝78897.40912108.97焊缝811897.401015255.99端面15047.40从表1的对照结果来看,回波1~4与焊缝l一4,回波6~9与焊缝5~8在位置上有很好的对应。根据回波5计算得出的空间位置与管道周向裂纹实际位置相对误差为[(6560.19—6541.20)/6541.20]×100%=o.29%。根据回波10计算得出的空间位置与管道端面实际位置相对误差为[(15255.99—15047.4)/15047.4]×100%=1.39%。可以看出,利用MsS导波技术对管道进行检测时,r(0,1)模态超声导波在管道中传播13m,穿越4道焊缝后仍然可检测到周向长度为40mm的穿透性缺陷,对应的管道截面缺失当量为12.48%。r(0,1)模态在管道中传播近30m,穿越8条焊缝,2个1800弯头后反射回来的端面回波仍然具有比较好的信噪比。7结语实际管道条件如材质变化等将引起超声导波传播速度的变化,使得Mss一30“型磁致伸缩传感器在使用过程中方向控制水平下降,在选定方向的检测信号中包含异向检测信号。提出了一种正反信号权值差除的方法,通过对正反检测信号做Hilbert变换和小波函数分解重构求取出信号包络线,分别赋予正反信号包络线一定的权值后做减法,可以标记出异向检测信号回波。・16・万方数据对传感器方向控制水平影响要素的研究以及提出的正反信号权值差除方法,将有利于Mss超声导波技术在管道检测中的信号分析和处理,为Mss超声导波技术应用于管道健康检测、评估奠定了一定的基础。参考文献:[1]KwunH,DyIle8c.Long一砌geGuidedwaveI璐pectionofPipeUsingtheM昭letostrictiveSe他orTechnolo影一FeasibilityofDefectcharacterization[J].ProceedingsofSPIE—TheIntemationaJSocietyforOpticalEngineer-iIlg,1998,3398:28—34.[2]KwunH,BanelsK.Magnetostrictivesensor7rechnologyandItsApplications[J].ultr鹬onics,1998,36:17l—178.[3]RoseJ.ultrasonicwavesinSolidMedia[M].unitedI(ingdom,c舢【lbridge:CarIlbridgeUnivers畸Press,1999.154—162.[4]刘增华,吴斌,何存富,等.扭转模态在充水管道缺陷检测的实验研究[J].仪器仪表学报,2006,27(6):1587—1589.[5]KwunH,BaItelsKA,DynescP.Di8persionofLongitu-dinalWavesPropagatinginLiquid—FilledCylindricalshells[J].JoumaIofAc叫sticalsocietyofAmerica,1999,105(5):260l一2611.[6]王悦民,康宜华,武新军.磁致伸缩效应及其在无损检测中的应用研究[J].华中科技大学学报,2005,33(1):434—437.[7]l(’mnH,Bartel8KA.M89netostrictiveSe脚r’Ijechnolog)r明dItsApplicatio璐[J].Ultrasonics,1998,36:17l一178.[8]KwunH,HanleyJ,HoltA.Detectionofco肿sioninPipeu8ing£lleMagllecostrictiveSensorTechnique[J].PnceedingsofSPIE—TheIntemationalS0cietyfor0pticalEn西neering,1995,2459:140—148.[9]焦敬品,何存富,吴斌,等.管道超声导波检测技术研究进展[J].实验力学,2002,17(1):1—9.[10]何存富,刘增华,吴斌.传感器在管道超声导波检测中的应用[J].传感器技术,2004,23(11):5—8.收稿日期:2009一ll一27作者简介:吴斌,男,教授,主要从事工程波动力学及现代测控技术与方法的研究,通讯地址:100124北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学基础楼203。