超声导波管道缺陷检测数值模拟

　　管道在石油、化工、天然气和城市建设等行业中,起着非常重要的作用。随着管道网络的迅速发展,由于服役期延长、介质腐蚀、老化等因素的影响,管道事故频繁发生。管道缺陷的无损检测方法一直是人们研究的热点。与结构的常规超声无损检测方法相比,超声导波技术可以大大节省检测时间并提高检测效率。因此,管道的长距离超声导波快速检测研究近年来受到国内外无损检测学者的极大关注。

　　英国帝国理工大学对纵向及扭转超声导波的特性进行了研究并提出基于纵向及扭转模态的超声导波检测技术,研究表明70 kHz的L(0,2)模态与20kHz的T(0,1)模态具备较好的检测特性。实际应用中,英国研制的teletest导波检测设备采用不同频率的L(0,2)与T(0,1)模态导波相结合的方法检测管道缺陷,对不同尺寸管道采用的L(0,2)模态导波的频率范围为50~100 kHz,T(0,1)模态导波的频率范围为20~100 kHz。

　　1　理论基础

　　1.1　频散曲线

　　英国帝国理工大学开发的disperse软件可以计算出一定频段范围内各种模态导波在相应管道中传播的频散曲线,图1为disperse软件计算出的各模态导波在内直径77.9 mm、壁厚5.5 mm的40钢管中的频散曲线。

　　1.2　导波波速

　　在导波沿波导传播的非频散路径范围内,相速度与群速度基本保持一致,取杨氏波速cL=为横波波速,其中E为波导弹性模量、ρ为介质密度、v为泊松比。

　　1.3　检测原理

　　导波在波导中传播时,遇到缺陷会发生反射、透射和模态转换,产生携带结构缺陷信息的反射回波,对接收的信号进行处理,即可判断缺陷的位置。图2为缺陷定位原理图。

　　假设距激励端L处有一裂缝,接收端位于距激励端L′处,从激励到接收到回波信号时间间隔为t,纵波波速为c,则可由公式确定缺陷距激励端距离

　　2　数值模拟

　　2.1　模型构建

　　实验选用外直径219 mm、壁厚10 mm、长4 m的20钢管,弹性模量为210 GPa、泊松比为0.28、密度为7 800 kg/m ³。在ANSYS中选择Solid45单元,建立几何模型并划分网格生成有限元模型,在模型中部删除相应单元模拟ECL值6%的切槽缺陷。图3为相应的有限元模型。

　　2.2　导波激励

　　应用瞬态动力学分析方法在ANSYS中模拟导波的激励及传播,时间段为0~1.5 ms。参考图1中内直径77.9 mm、壁厚5.5 mm的40钢管的频散曲线,在一定频率范围内模拟导波在外直径219mm、壁厚10 mm、长4 m的20钢管中的传播情况,选择适宜的激励信号中心频率。实验选用汉宁窗调制的10周期50 kHz正弦信号激励L(0,2)模态导波,选用汉宁窗调制的5周期30 kHz正弦信号激励T(0,1)模态导波。图4、图5为单节点处L(0,2)和T(0,1)模态导波激励信号的数值模拟。