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《北京工业大学》 2018年
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基于电磁声表面波的厚壁管道表面裂纹定量检测方法研究

邓鹏  
【摘要】:厚壁管道能够承受高温高压,是锅炉“四大管道”系统的关键组成部分,广泛应用于火力发电领域。由这类管道泄漏或爆裂引起的生产事故,严重威胁到工人人身安全和国家财产安全。因此,广泛采用无损检测技术,开展厚壁管道健康状况监测,防止管道失效造成严重损失,显得十分必要。在现有的检测方法中,常规无损检测手段效率低且难以实现定量检测,而一般的超声导波检测技术对大直径厚壁管道的检测难度较大。表面波传播距离远、检测范围广,对表面及近表面裂纹十分敏感,能且仅能在大厚度试件中传播,对提高厚壁管道的缺陷检测水平具有重要意义。因此,本文基于电磁声表面波技术,发展了厚壁管道表面波检测方法,以实现对厚壁管道表面裂纹的快速、准确检测。在高性能电磁声表面波传感器研制方面,试验研究了传感器中心频率、声场指向性等与回折线圈各参数的关系,分析了影响电磁声传感器(Electromagnetic acoustic transducers,EMATs)在自激自收模式下接收信号信噪比的因素,实验得到了信噪比随线圈与磁铁间隔的变化曲线;仿真研究了线圈层数、导线分裂次数,以及磁铁高宽比对传感器激励性能的影响。在此基础上,改进传感器组装工艺,提高了传感器的实用性,测试结果表明,所研制的电磁声表面波传感器具有较高的信噪比和能量转换效率。对于表面波在试件中的传播特性,利用有限元法(Finite element method,FEM)模拟了表面波在钢板及管道中的传播,并进行了实验验证。研究发现,钢板中的表面波具有非频散特性,波速和相位的仿真值和测量值基本吻合;管道中表面波的群波速恒定,相速度、衰减特性、渗透深度等则与管道曲率以及表面波的传播方向有关。同时,研究了表面波在试件端部直角棱边的散射特性,获得了倒角和倒圆角尺寸对表面波反射和透射系数的影响关系。针对厚壁管道的缺陷检测,试验分析了表面波对不同类型缺陷的敏感程度,集成了一套基于自动扫查机器人的厚壁管道表面波扫查成像系统,通过优化选取检测频率和扫描步长,实现了对不同管道内、外壁缺陷的扫查成像检测。根据表面波在直角棱边的散射特性,提出了一种针对小径深比异型管道内壁周向裂纹的检测新方法,在该方法中,创新性地将传感器放置在管道端面并沿径向配置,利用透射波进行检测;结果表明,透射表面波的传播能力满足检测需求,并且检测过程不受管道曲率的影响,提升了小径深比异型管道的缺陷检测水平。最后,针对缺陷深度定量检测,发展了一种基于多频多参数表面波检测的矩形槽深度定量表征方法,并提出了一种基于低频透射波与延迟透射波到达时间差的模拟裂纹深度定量表征方法。利用有限元法研究了矩形槽深度和宽度对表面波反射/透射系数的影响,得到了缺陷深度多频定征曲线,实验分析了回折线圈导线长度对反射/透射系数测量值准确性的影响,并获取了矩形槽和模拟裂纹的深度估计值。结果表明,模拟裂纹处的表面波反射系数测量值偏小,深度较大时表征结果误差较大。通过对透射波信号的分解和重构,研究了低频透射波和延迟透射波到达时间差与裂纹深度的相互关系。结合表面波反射/透射系数和透射波分量时间差,实现了对模拟裂纹缺陷深度的定量表征。电磁声表面波传感器的应用提高了测量可重复性,多频检测则提高了测量精度并扩展了深度定量检测范围。同时,利用透射波两个分量的到达时间差则降低了传感器安装精度的要求。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG115.28

【参考文献】
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