基于导波检测技术的管道在线健康评估方法研究

More or less damages or leakages exist in various pipes in service, which result in economic and resources waste. Guided wave technology has been demonstrated to be effective at detecting defects in pipes. However, the inspection is only sensitive to relatively large defects. Futhermore, the technique is unable to fully characterize a flaw without some prior knowledge regarding the state of the flaw. In the current research, a novel pipe-line health evaluation method, based on the time reversal guided wave inspection method using one signal generator tunnel, is proposed. Around this theme, theoretical research, numerically simulation and experiments will be carried out. At first, a new distributed array of transducers will be developed for inciting time reversal signals one by one with different time intervals. Secondly, characterization of defects using the relationship between the amplitudes of the time reversal detection echoes and the signal intercepting windows is an active area of research. In addition, the impact of defect location, pipe condition, temperature, humidity, and pressure on the wave propagation will be considered. Finally, a online monitoring model for pipe will be given based on historical detection signals.

各类长距离充液（气）管道在运行中都存在着不同程度的损伤（截面损失）及泄漏问题，造成了很大的经济和资源浪费。超声导波技术非常适合长距离管道的高效检测，但现有方法存在对小缺陷的检测灵敏度不高，不能在缺陷形态未知的情况下判别缺陷尺寸以完成对管道全面健康评估的问题。本课题的主要研究内容是提出一种基于导波检测技术的管道在线健康评估新方法，并对该方法进行理论分析、数值模拟和实验验证。该方法采用基于时间反转理论的单通道管道导波检测新方法：在传感器单元轴向位置可调的新型传感器阵列基础上，通过时间反转激励信号的错时激励，实现单通道的时间反转导波检测；通过时间反转导波检测时的缺陷反射率随信号截取窗宽变化关系曲线辨识缺陷特征；综合考虑管道几何参数、温湿度、压力等因素对传感器及波的传播特性的影响，利用在线监测的传感器阵列，构建缺陷位置、缺陷特征综合评估模型，以实现管道在线健康评估。

超声导波检测方法在近年得到广泛关注，但在走向实际使用的过程中，仍有许多亟待解决的问题。本课题围绕基于导波理论的管道检测方法，在传感器激励方式、激励信号的选择、缺陷的辨识及环境参数的影响方面做了相关研究。.首先，提出了基于错时激励方法的单通道管道导波检测新方法，即利用传感器位置差异补偿时间反转激励信号时间差，仅用一个信号激励通道激励总的激励信号，通过传感器的定时切换，错时在各传感器单元激励各不相同的时间反转激励信号，以实现时间反转波聚焦的目的。同时，还讨论了激励频率、传感器个数、时间反转窗宽及信号截取的时间起点等因素对聚焦检测效果的影响。.传统导波检测过程中，一般需要预先选择导波模态，并确定激励频率。为解决这个过程中的盲目性以及所带来的资源的耗费问题，本课题研究了如何采用宽频信号作为激励产生响应，并通过算法获得其频带范围内任意单频激励信号对应的响应的方法。该方法能够让测试者在保证响应结果可读性的前提下，针对不同类型缺陷找到其敏感的频段和导波模态，大大降低了结构缺陷漏检风险，并为后续缺陷辨识提供了丰富的信息。.针对导波检测实践中大家最为关心的缺陷辨识问题，本课题也进行了较为深入的研究。首先，在时反导波检测的基础上，选择了缺陷反射率——时反窗宽关系曲线作为特征参数用于表征缺陷，并在此基础上，建立样本库，在样本数量充足的情况下，通过聚类分析、神经网络等方法，在库中寻找到与待检测缺陷特征最为接近的样本，以达到评判缺陷特征，获取缺陷类型、尺寸等相关信息的辨识目的。当采用宽频导波激励后，丰富的信息让我们可以进一步将缺陷反射率与频率建立联系，利用宽屏响应到单频调制信号响应求解算法得到对应不同频率的单频响应信号，并分别计算对应缺陷反射率，作为BP神经网络的训练样本，进行缺陷类型和参数的辨识。.此外，针对管道导波检测过程中，环境因素，包括温度、压力等参数对传感器及波的传播特性造成的影响，本课题也进行了一定的分析。分析表明，由温度或外加载荷引起的信号时移基本遵从线性变化规律，且载荷变化还可能对传播方向有依赖性，在结构健康监测中不能被忽略。未来在位置导波结构健康检测系统中的工作必须明确考虑实际的载荷环境防止由载荷变化引起的错误信息出现。