作者:张伟伟
出版社:电子工业出版社
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管道超声导波及其混沌检测技术试读:
前言
管道运输被誉为继公路运输、铁路运输、水路运输、航空运输之后的第五大运输工具,在国民经济建设中占有重要地位。为了保障管道运输安全,自20世纪90年代以来,科研人员提出了长距离管道超声导波检测技术。该技术只需要在管道的一个位置进行测试,便可对50~100m长的管道进行检测,减少了埋地管道的大面积开挖,对于含外履层的管道也只需要去除检测部位的外履层即可。因此,超声导波检测技术一经提出就受到了学者和工程人员的重视。然而,由于超声导波在传播过程中的衰减性,并且不可避免地会受到噪声和测量误差的影响,在长距离管道中超声导波信号必然会表现出强噪声下的弱信号特征,致使检测效率降低。为了进一步扩展检测距离和提高检测效率,自2010年开始,作者开始关注弱信号的混沌振子检测技术,并与长距离管道超声导波检测技术相结合,提出了长距离管道超声导波的混沌检测技术,重点对导波信号的混沌检测原理、损伤指标选取、检测系统设定、噪声影响、实验技术等几个方面进行了研究,本书着重介绍上述几个方面的研究成果。全书共7章,第1~2章介绍管道运输现状和长距离管道的常规检测技术,并介绍超声导波检测技术;第3章介绍混沌系统与弱信号检测技术;第4~5章讨论基于混沌系统相轨图和以Lyapunov指数作为损伤指标的弱导波信号识别方法;第6章开展实验研究,以检验混沌检测技术的可行性;第7章借助Matlab-GUI讨论混沌检测系统的软件开发。
本书之所以能够完稿,得益于我的导师马宏伟教授给予的无私帮助和支持!此外,武静博士协助完成了本书的部分数值算例。在完成书稿的过程中,与太原科技大学赵子龙教授、梁清香教授和戴保东教授进行了多次有益的讨论。
特别感谢国家自然科学基金项目(11872261)和山西省自然科学基金(201801D121012)的资助。
由于作者水平所限,书中难免会有错误和疏漏,希望读者给予批判指正!作 者2019年3月第1章 绪论1.1 管道运输与安全
管道运输是国家综合运输的重要组成部分,也是衡量一个国家能源与运输业是否发达的主要标志。然而,管道在其服役期不可避免地面临着腐蚀、埋地(或架设)地区环境恶化及人为破坏等因素的潜在威胁,一旦发生破裂,后果不堪设想。例如,1960年,美国的Trans-Western公司发生一起输气管道脆性破裂事故,该管道管径762mm,钢级X56,裂缝长度达13km,是至今为止破裂裂缝最长的管道事故。据文献[1]报道,Transcanada公司在1985—1995年共发生7起油气管道应力腐蚀破裂事故,引起爆炸或火灾。1971—1994年,欧洲平均每年发生油气管道失效事故13.8起,仅花费的清理费用就超过970万美元。1981—1996年,前苏联发生输气管道失效事故752起。1989年,苏联乌拉尔山隧道附近的输气管道发生爆炸事故,烧毁两列列车,伤亡1024人(其中约800人死亡),成为世界范围内最惨痛的油气管道事故。
文献[2]统计了美国在1994—2003年发生的管道工程事故,若不包括配送和分输管道发生的事故,其间天然气管道发生的事故、人员伤亡如图1.1所示。从图1.1中可以看出,天然气管道事故量呈波动形态,但考虑到美国扩建、新建的天然气管道,事故发生频率应为下降趋势。从人员伤亡和财产损失统计来看,最突出的特征是发生重大人员伤亡和重大财产损失的情况,呈现出一定的周期性,也就是说管道运输存在一个事故高发的周期,这种现象可能与管道建设周期有一定的相关性。图1.1 美国1994—2003年发生的管道工程(不包括配送和分输管道)事故
欧洲天然气管道事故数据管理组织(Europe Gas Pipeline Incident Data Group,EGIG)是一家专门统计和交流欧盟天然气管道[3]事故和管道安全管理的组织。该组织2018年3月的报告显示,1970—2016年,欧洲每年每1000千米的天然气管道发生事故的频率在下降。如图1.2所示,管道失效频率的平均数在逐年下降,且近似呈线性关系,46年间由0.9次/(年·1000km)左右下降至0.4次/(年·1000km)以下,下降趋势明显。而每5年的动态平均值在波动中下降,46年间由0.9次/(年·1000km)左右下降至0.2次/(年·1000km)以下,效果明显。如图1.3所示为1970—2016年每年的事故总量,由图1.3可以看出,自1995年以来,事故总量总体降低。考虑管道建设长度的增加,这些统计在一定程度上反映了欧盟各国天然气管道技术的先进水平和较高的管道管理水平。图1.2 欧洲1970—2016年管道事故发生频率(摘自EGIG网站)图1.3 欧洲1970—2016年管道事故总量(摘自EGIG网站)[1]
我国油气管道的失效事故明显高于发达国家,这与早期建设的管道管材选择不合理、钢管制造质量和施工质量不良、输送介质中腐蚀介质含量超标等因素有很大关系。在管道失效事故中,无论是什么原因造成的,管道最终都会以破裂或爆裂的形式失效,从而导致漏油、漏气,甚至引发火灾和爆炸等事故。随着管道运输业的逐步发展,管道安全管理逐渐形成一门新的学科——管道完整性管理学。该学科旨在通过油气管道完整性管理降低管道事故发生率,同时避免不必要和无计划的管道维修和更换,从而获得巨大的社会效益和经济效益。管道完整性管理不仅涉及自然科学与工程技术,同时还包括政策、法律、经济、管理等社会科学。其中,管道适用性评价是管道完整性管理的重要组成部分,它主要包括管道的力学分析、材料分析和检测方法三[4]个部分,如图1.4所示。其中,便捷、有效的检测方法为管道缺陷评估提供了可能,因此其对于管道工程的适用性评价至关重要。图1.4 管道适用性评价的三角关系1.2 长距离管道检测
长距离管道检测属于无损检测范畴,主要应用于质量管理、在役检测和质量鉴定三个方面。无损检测技术的发展经历了无损探伤(Non-destructive Inspection)、无损检测(Non-destructive Testing)[5]和无损评价(Non-destructive Evaluation)三个阶段,其内涵从只关注构件内部缺陷,发展到关心内部缺陷和工艺参数,再到综合评价构件的适用性。传统的无损检测方法主要包括超声波检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测、渗透检测等,最新的方法主要有激光全息无损检测、声振检测、微波无损检测、声发射检测、红外无损检测等。但这些方法的检测范围有限,通常只能检测构件表面或厚度方向的缺陷,而对于石油、天然气等长距离输送管道的检测,则必须沿着管道方向逐点扫描,考虑到油气管道的特长距离及埋地或外包保护层等特点,这些方法就变得费时、费工,且无法圆满完成任务。目前,针对长距离油气管道的检测,主要在管道外侧按适当间隔设置相应的检测元件,以检测管道发生泄漏事故的可能性。其主要方法包括电缆阻抗检测法、特性阻抗变化法、分段试压法、放射物检测法、示踪剂检测法和水击[6]波检测法。
1. 电缆阻抗检测法
电缆阻抗检测法由加拿大开发,在管道建设时,将一种能与油气进行某种反应的电缆沿管道铺设,泄漏发生时泄漏油气与电缆发生反应,改变电缆的阻抗特性并将此信号传回检测中心。电缆既是传感器又是信号传输设备,利用阻抗、电阻率和长度的关系确定泄漏的程度和位置。虽然其检漏定位精度较高,但是检漏反应时间较长,气体或轻质油的检漏反应时间需要几分钟到几十分钟,重质油的检漏反应时间需要几十小时,且不适用于已建管道系统。
2. 特性阻抗变化法
20 世纪80 年代,日本开发了一种同轴电缆,由非透水而透油性好的绝缘材料构成。将这种电缆靠近管道铺设,可以检测到管道的微量漏油。该类型传感器采用多孔聚四氟乙烯(PTFE)作为绝缘材料,传感器的孔隙是由强韧的PTFE纤维形成的网状结构,气孔率控制在规定的范围内。在漏油时传感器上的绝缘体PTFE选择性地渗入油质,使其部分阻抗降低,以检测漏油。其特点是既可以检测微量漏油和漏油点的位置,也可以检测水和石油的混合状态,检测速度比电缆阻抗检测法快;但这种方法也不适用于已建管道系统。
3. 分段试压法
分段试压法是指沿管道分段关闭截断阀门,观测关闭段压力下降的变化,从而判断泄漏的程度和位置。但由于检测时需要管道分段停运影响正常生产,而且不能及时、准确地进行定位检测,长距离输送管道的检测工作量较大、检测时间较长,因此这种方法无法实时检测管道运行状况。
4. 放射物检测法
放射物检测法开发于1955年,所用的放射性标记物有嗅-82、碘-131、钠-24等。检测范围涉及水管道、油管道、气管道。这种方法检测操作周期长,不适用于管道的在线实时检测,现在已经很少使用了。
5. 示踪剂检测法
示踪剂检测法作为管道在线无损评价技术,目前仍有一定的地位。在管道输送的流体中掺入液体示踪剂,当管道泄漏时,流体从管道中流出。流体中的示踪剂挥发,并通过分子扩散弥散到周围的土壤中,收集并分析这些气体以检测管道的泄漏。但其缺点是检测反应速度较慢,检测周围环境变化的工作量较大,不能精确定位。
6. 水击波检测法
当管道发生泄漏时,泄漏处因流体物质损失而引起局部流体密度减小,导致出现瞬时压差和速度差,这种瞬时压差和速度差就会成为波源,向管道和流体介质中传播低压波(压力以泄漏前为参考),即水击波。在泄漏点两端或泵站设置传感器拾取水击波信号,根据两端拾取压力波的梯度特征和压力变化率的时间差即可确定泄漏程度和泄漏位置。水击波检测法可迅速检测10%~20%以上的突发性大量泄漏,在快速诊断法中占据重要地位,已成为输油管道防漏检测的重要手段。但是,管道在实际运行中,压力信号中混杂了大量的噪声。噪声和干扰信号的幅度甚至可以将泄漏引发的有用信号淹没,如果不能对原始压力信号进行有效的滤波,该方法将严重失效。
上述检测技术在一定程度上为长距离输送管道的安全检测提供了可能,但是这些方法又都是以管道泄漏为前提的。然而,在油气泄漏后进行检测,存在环境污染和爆炸的威胁,并不是理想的长距离输送管道检测方法。利用管道机器人,也称为管爬机(Pipe Pig)在管道中爬行实现管道的缺陷检测是长距离输送管道的另外一种思路。该项技术已经在长距离输送管道中获得了较好的应用评价。它可以携带一种或多种传感器及操作装置,如CCD摄像机、位置和姿态传感器、超声波传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等,在操作人员的控制下[7]进行一系列管道检测维修作业。一套完整的管道机器人系统,由移动载体(行走机构)、管道内部环境识别检测系统、信号传递和动力传输系统、控制系统组成,其中移动载体是管道机器人的核心部分。据文献[8]介绍,管爬机借助高精度漏磁或超声传感器阵列,依靠先进的信号处理和数据存储系统,结合地面解析分析设备可检测出管道内2~3mm的壁厚变化、腐蚀坑、裂纹及应力情况,并将缺陷定位在1m之内。
管道机器人为长距离输送管道的早期缺陷检测提供了良好的解决方法,但是由于管道是封闭系统,而且其内部存在水平直管、弯管、斜坡管、垂直管、三通及变径等,在很大程度上对管道机器人提出了更高的设计要求。另外,管道机器人检测还需要清空管道内的介质,不能满足在线检测。20世纪90年代末,欧洲、美国一些学者、企业提出了超声导波检测技术,该方法沿着管道长度方向激发低频应力波,具有衰减低、传播距离长等优点,只需要一个测点就可对较长距离输送管道实现检测,且不需要清空管道,可以实现管道的在线检测,为长距离输送管道的无损检测提供了新的思路。本书将针对管道超声导波的检测原理、仿真技术及实验技术进行较为全面的介绍。考虑超声导波在经过长距离传播后,由于衰减、频散、模态转换等特性,将呈现为强噪声下的弱信号特征,为了提高强噪声下弱信号的检测能力,本书提出了利用混沌敏感性检测强噪声下弱导波信号的检测技术,该技术有望进一步扩展超声导波的检测距离和提高检测灵敏度。
本书第1章介绍管道运输与常规的管道检测技术背景。第2章介绍超声导波的基本概念,结合ANSYS通用软件进行有限元仿真,较为形象地介绍了超声导波检测管道缺陷的基本原理和方法。第3章介绍混沌与混沌检测技术,以及如何利用混沌系统敏感性进行弱信号检测。第4章和第5章分别介绍了以相轨图和Lyapunov指数为指标的强噪声下弱导波信号的混沌检测技术,推导、分析了指标对导波信号的敏感性和对噪声信号的免疫力。第6章详细介绍了管道超声导波的实验技术,并结合混沌检测系统进行实测信号识别。第7章基于Matlab-GUI,探讨了开发混沌检测系统的可行性,为超声导波的工程应用提供了一些参考。第2章 超声导波检测技术2.1 超声导波的基本概念
超声导波检测技术(Ultrasonic Guided Wave Testing)是利用物质波在固体中的传播特性提出的一种新技术,超声导波检测技术的理[9]论基础是Rayleigh和Lamb等人关于有界结构中应力波传播的理论成果。其具体原理为:固(液)体弹性介质(如管道、杆件、平板等)往往具有一个或多个弹性边界表面,当超声波在弹性介质中传播时,由于边界弹性表面的存在,超声波会在边界表面上发生反射、折射、透射等现象,并伴随复杂的模态转换,产生干涉。如图2.1所示,由于薄板有两个边界表面,应力波只能在边界表面之间传播,具有这类特性的结构介质被形象地称为“波导”,而在其中传播的应力波被称为“导波”。图2.1 薄板中的导波传播示意图
类似地,当应力波在管道中传播时,管壁对应力波进行“导引”,谓之“波导”,而在此中传播的应力波即为“导波”(管道导波)[10]。该技术与传统超声波检测有显著的不同,传统超声波沿管道厚度方向激发,采用逐点扫描完成管道检测,超声导波采用低频声波沿管道长度方向激发,因此,超声导波的检测范围是“线”而非“点”,一次检测中的检测范围就可达到几十米至上百米。图2.2给出了传统超声波检测与超声导波检测的区别。图2.2 传统超声波检测与超声导波检测的区别
除此之外,超声导波应用于管道检测还具有其他优点。首先,超声导波声场遍布整个管道,无论是对表面缺陷还是对内部缺陷都具有一定的识别精度;其次,超声导波的激发和接收全部在管道外壁进行,不需要停止油气输送作业;最后,利用超声导波对油气管道进行检测,只需要在管道一个位置进行测试,便可对整个管道进行检测,对于埋地管道减少了大面积开挖,对于含外履层管道也只需要去除检测部位的外履层即可。因此,该技术具有快捷、便利、高效等特点,受到了国内外学者、工程人员的重视。本质上,固体中的超声导波也是应力波,即在材料局部有瞬态加载时,介质质点应力状态随时间推移而发生空间分布和幅值上的变化,本书将不再严格区分应力波和超声导波,而将其视为同一事物从不同角度的解读和理解。半个多世纪以来,由于地震科学、工程爆破、爆炸加工、爆炸合成、超声波和声发射等技[12]术需求,极大地推动了应力波技术的发展,为发展超声导波检测技术提供了丰富的理论基础。本节将首先给出超声导波和应力波的一些基本概念,然后在此基础上逐步展开对管道超声导波的进一步讨论。2.1.1 超声波
人们可以听见的声波频率为20Hz~20kHz,如果声波频率低于20Hz则被称为“次声波”,如果声波频率大于20kHz则被称为超声波,次声波和超声波是人不能直接听到的。管道超声导波是指在管道中传播频率大于20kHz的声波,该频率段声波具有传播速度快、易激发和易接收等特点,成为无损检测中的重要工具。判断一个声波是否为超声波,其依据就是声波的频率范围。一个概念通常可以有多个分类标准,下面的应力波分类将从介质振动质点、传播方向及传播特性三个方面进行。2.1.2 应力波分类
从一般的波动理论可知,当介质质点的振动方向与声波的传播方向垂直时为横波,此时应力状态以剪切为主,故又谓“剪切波”;当介质质点的振动方向和声波的传播方向同轴时为纵波,介质质点在声波的传播方向上呈现疏密特性,故又谓“疏密波”。
这两种波从波源发出,可在整个介质中传播。设想一个无限大的介质中有一波源,这两种波将以球面形不断地向外传播,当能量衰减为0时停止。因为这两种波可以在整个介质中传播,所以又称为“体积波”。介质中的波除体积波外,还有一类波被称为“表面波”,它的传播能量在离开自由表面或两种材料交界面后迅速衰减,主要能量集中在表面和交界面附近进行传播,人们形象地称其为“面波”。
在表面波的研究中,Rayleigh波(1887年)沿弹性半空间的自由表面传播,速度比剪切波还要小,它引起的振动随离开表面距离的增加按指数规律迅速减小;Stoneley波(1924年)可在两个弹性半空间交界面附近传播;Love波(1911年)和前两者相比,其介质质点振动方向以水平横向为主,是应力波在表面层经过多次全反射后,被收[12-13]集在表面层中的水平偏振剪切波。
上述应力波与导波之间的关系分类如图2.3所示。图2.3 应力波与导波之间的关系分类2.1.3 群速度和相速度
应力波的传播本质是瞬态载荷在介质局部突然加载、卸载,这样最开始只有局部受到外载荷作用而偏离平衡位置。随着时间的推移,这种不平衡才由局部向周围逐渐传播形成波动。波的传播过程实际上是能量的传播过程,我们把能量的传播速度称为应力波的群速度,而质点真实的速度称为相速度。反映在应力波信号上,群速度通常由脉冲波包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度代替;相速度为波包上相位固定的一点沿传播方向的传播速度。图2.4所示为接收到的同时发射的两个模式的超声导波,假定它们传播的距离一致,由于模式1导波较模式2导波靠前,则可以认为模式1导波的群速度比模式2导波的群速度快。如图2.5所示,波形a为激励与接收换能器在一定距离时得到的波形,波形b为激励与接收换能器增大到Δl距离后得到的波形。在图2.5所示的两个波形中,两个等相位点的时间差为t;2两个波形包络幅度最大值点的时间间隔为t。据此可以估算出该波形1所对应导波模态的相速度与群速度为:,(2.1)
式中,C表示相速度;C表示群速度。需要指出的是,对于导波pg模态而言,群速度快并不意味着相速度快,群速度与相速度的关系为:(2.2)图2.4 多模式导波接收波形图2.5 群速度与相速度关系
式中,为圆频率。群速度和相速度的不同直接导致应力波在传播过程中的频散现象。当时,表明该模态波形没有发生频散变化;当时,称为正常频散,此时波包是被拉开的;当时,称为非正常频散,此时波包是被压缩的。如图2.6所示为在厚度为2.76mm钢板中,0.4MHz的A2模态导波传播50mm和100mm后的波形,激励信号为10个单音频加Hanning窗调制信号。由于频散比较严重,在经过100mm的传播后,信号的时域宽度明显增加,且信号的幅度明显变小。引起导波频散现象的原因有两种:一种是波导几何尺寸影响导致的,称为几何频散;另一种是材料本构导致的,称为物理频散。(a)传播50mm后的波形(b)传播100mm后的波形图2.6 频散现象示意图2.1.4 多模态特性
频散和多模态特性是超声导波应用中的两个重要指标,频散特性可以帮助我们预测所激发导波的传播特点,研究导波的模态相当于把导波的真实传播进行“正交分解”,使问题得以简化。由于管道的几何特点,选择两个参考基准线,图2.7中基准线1是管道截面的圆形曲线,基准线2是管道的中心线。根据文献[8],以这两条线为基准,记(n,m)为管道模态阶数,其中,n为环向模态阶数,m为纵向模态阶数。根据管道导波的传播特征,将轴对称纵向模态称为L模态(n=0),将轴对称扭转模态称为T模态(n=0),将纵向非轴对称模态和高阶扭转模态称为F模态(),简记为:纵向模态:L(0,m) (轴对称模态)扭转模态:T(0,m) (轴对称模态)弯曲模态:F(n,m) (非轴对称模态)
为了形象、直观地说明管道模态,我们利用ANSYS软件建立一段长0.2m的管道,其他参数为:内径76mm,管壁厚5.5mm,弹性模量E=200GPa,密度,泊松比。
管道模型选取Shell 181单元进行单元划分,环向设置32个单元,纵向单元长度为2mm,有限元网格模型如图2.7所示。图2.7 模态分析模型有限元网格图
如图2.8所示为两端自由圆管前几阶的振动模态,以此来观察应力波在传播过程中的模式。
如图2.9所示为圆管横截面的环向振动模态示意图,当管道中周向质点的振动方向为垂直于管壁方向且n=0时,管道振动模态为轴对称的L(0,m)模态。再结合图2.8确定m的值,如果图2.8(a)中管道纵向没有振动节点,则m=1;如果图2.8(b)中管道纵向有一个振动节点,则m=2;以此类推。图2.8 两端自由圆管的振动模态
在图2.9中观察弯曲模态的环向振动模态,当n=1时,质点是沿单一径向振动的,在图2.9中为沿竖直方向振动;当n=2时,质点沿相互垂直的两个方向振动,在图2.9中为沿竖直方向和水平方向振动;当n=3时,管道中的质点沿三个直径方向(沿圆周均匀分布)振动;当n=4时,管道中的质点沿四个直径方向(沿圆周均匀分布)振动,可见周向质点振动的节点数等于2n。图2.8所示的T模态质点振动模态可做同样分析,当时,振动的节点数也等于2n(注:节点是指振动模态上不动的点,即不发生位移的点)。图2.9 圆管横截面的环向振动模态示意图[14]
图2.10为内半径83.2mm、壁厚5.5mm钢管的频散曲线。从图2.10中可以看出,大部分导波在低频段存在截止频率,在同一频率下可以有多种模态导波并存,随着频率的增加,其导波模态数也逐渐增加,这就是导波的多模态性。频散曲线是导波研究的重要理论依据,它不但可以估计应力导波的传播速度,还可以帮助我们选择合适的导波模态。(a)相速度频散图2.10 管道应力波的频散曲线(b)群速度频散图2.10 管道应力波的频散曲线(续)
图2.10是利用DISPERSE频散计算软件计算的空心管道中的导波相速度和群速度频散曲线。从图2.10中可以看出,在某一频率下,存在大量导波模态,因此,在导波检测中激发单一模态几乎不可能。不过,大部分弯曲模态导波都存在截止频率,在截止频率以下该模态的导波不会被传播。利用传感器技术,选择频散较小的单一模态导波在管道中激发已经成为超声导波检测的重要理论基础,它可以大大简化超声导波的信号分析工作,提高超声导波的检测效率。2.2 超声导波的基本方程
研究弹性管道中超声导波的传播问题,在力学上称为弹性动力学问题,即研究弹性体对动力载荷的响应问题。其特点是加载过程使物体产生显著的加速度,且由加速度引起的惯性力对物体的变形和运动有明显影响。
考虑图2.11中所示的管道,任取微元体,设单位质量内受到的体力(不包括惯性力)为,材料密度为,应力张量和应变张量分[13,15]别为和,质点位移为,则该微元体满足控制方程:
试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]