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超声导波在电厂管道完整性监测中的应用研究

王冰  
【摘要】: 电厂管道输送的一般是高温高压,甚至带有辐射性的介质,一旦泄露将会对周围环境、人员造成重大伤害。历史上曾多次发生由于电厂管道泄露而产生的人员伤亡事故。超声导波技术是在传统的超声波检测基础上发展而来的,具有长距离传播、全壁厚检测、不需去除覆盖层等优点,非常适合用于电厂管道的快速检测,且有进行在线监测的潜力。 本课题对超声导波在电厂管路监测中的应用进行了相关研究,研究内容包括: 温度变化引起材料物性改变时,管道中频散曲线的变化。分析了室温到500℃温度下,弹性模量、泊松比、密度对频散曲线的综合影响及各自的影响权重。结果表明当温度改变时,弹性模量的变化对频散曲线的影响最大,低频段的L(0,1)、L(0,2)、T(0,1)模态导波受材料物性影响较小。考虑从管壁外侧施加载荷时导波的易激发性,将L(0,1)模态导波作为检测波,并通过数值模拟验证了利用基于波长匹配原则的单一换能器、梳状换能器对所选模态导波的激励。 利用有限元方法对具有宏观裂纹管道中超声导波的传播进行模拟,验证了基于相匹配原则的斜入射换能器对L(0,2)模态的激励,确定了此时导波反射系数随裂纹的轴向、周向,以及径向尺寸三个参数的变化关系。 常规超声无损检测方法对大的缺陷比较灵敏,而在检测均匀分布的微裂纹或材料性能退化时却并不理想。本论文从数据处理以及非线性两方面入手,分别研究了导波技术对早期微观裂纹检测的可行性。 通过比较时域信号、傅里叶变换得到的频域信号,以及矩阵束方法得到的频散曲线,发现了这三种数据表示方法在导波模态识别中的优缺点。将矩阵束方法得到的频散曲线变化用于管道的微损伤检测中,能够发现微损伤的存在,其灵敏度比时空变换方法更高,且能对微裂纹进行定位。 将超声导波技术与非线性检测方法相结合,可以得到谐导波检测方法。通过对管道中二阶谐纵向导波的激励条件进行数学求解,进一步确定了管道中谐纵向导波的激励点,并研究了谐导波的相对振幅与管道中微裂纹的尺寸之间的变化关系。 本研究为处于不易接触条件下管道的损伤检测和定量评估,提供了一种可行方法。


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