毕业设计（论文）-管道超声导波检测数值模拟

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1、毕业论文管道超声导波检测数值模拟学生姓名：学号：学院：专业：指导教师：2010年6月中北大学2010届毕业论文1绪论1．1课题背景及研究意义现代管道运输起始于19世纪中叶。随着油气资源的开发以及能源市场的急增，管道运输在世界范围内得到了飞速发展，已经成为国民经济的命脉，管道运输业作为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输业之一，在经济建设和国防工业中发挥着越来越重要的作用[1]。随着管线事故的增多、管龄的增长，由于施工缺陷和腐蚀等问题和人为破坏的存在，管道事故频频发生，给人们的生命、财产和生存环境造成了巨大的威胁。因此，工业发达国家均高度重视管道检测技术的研究和开发，对在

2、役长距离油气输送管道实行强制性的检测，特别是对新建和老龄管道更是十分关注。目前我国多数油气管道已经进入中老年期。为防止管道腐蚀穿孔、爆管等造成的恶性事故的发生，我国每年用于油气管道维修的费用逐步增加。由于检测手段的制约，管道的损伤状况多数不明，往往造成盲目开挖、盲目报废，维修缺少科学性，从而造成人力、物力的巨大浪费。所以，发展一种经济实用、快速高效的管道检测技术成为亟待解决的问题[2]。常规的无损检测方法主要有：(1)射线检测法，如x射线、r射线、b射线等；(2)声学检测法，如超声检测、声发射检测、声显微检测等；(3)电学检测法，如涡流检测等；(4)磁学检测法，如磁粉检测、漏

3、磁检测等。但是常规的无损检测技术检测管道，必须要求沿管道逐点检测，检测速度很慢，而检测的成本却比较高，劳动强度大。绝大部分管道运输的是有腐蚀性的物质，工作条件非常恶劣，而且大部分工业管道都带有外包层使之与外界隔绝，常规无损检测必须剥开外包层，大大增加了检测成本[3]。近年来发展出了一种能够进行快速、长距离、大范围、相对低成本的无损检测方法，即超声导波检测法。在固体中传播的超声导波，由于本身的特性，沿传播路径衰减很小，所以可以克服逐点扫描法的缺点进行长距离、大范围的缺陷检测；并且超声导波也可在充液、带包覆层的管道中传播，使得检测工业管道的费用大大降低[4]。随着超声导波技术的不

4、断发展，超声导波的管道缺陷检测的研究已经逐步从判断缺陷有无和缺陷定位技术，深入到缺陷损伤程度的研究。研究缺陷的损伤程度，主要包括对缺陷几何尺寸和缺陷类型(裂纹、腐蚀、局部变形)第41页共41页中北大学2010届毕业论文的识别等等。为了能够通过超声导波技术实现对缺陷损伤程度的判断，就必须在导波检测所获得的回波信号x和缺陷的几何特征y之间建立一种对应关系f，即建立y=f(x)的关系，也就是获得缺陷几何特征(尺寸、形状等)对缺陷回波信号的影响规律。但是，这需要获得大量的针对不同缺陷的检测信号。在目前的研究基础上，检测信号的获得主要来自于两个方面，一是通过实验获得，二是在实验验证基础

5、上，通过数值模拟的方法获得。相对而言，数值模拟研究的方法具有周期短、成本低、可重复性好，因此，本文就将通过数值模拟的方法，对管道缺陷检测进行研究。通过建立一系列管道缺陷检测的有限元模型以及进行大量的管道缺陷检测的数值模拟和一定数量的对比实验，来获得所需要的数据，研究超声导波检测信号与缺陷几何尺寸之间关系。1.2国内外研究现状Ｊ.Ghosh[5]在1923年首先推导出波在空心圆柱壳中传播的线弹性解，得到纵向轴对称模态的数值解，但是他没有对解的正确性进行讨论和分析。Ｄ.Ｃ.Ｇazis[6]对圆柱空腔中波在三维方向上的传播作了深入研究，推导出了理论模型的两种模态（纵向拉伸波和扭转波

6、）。Ａrmenakas详细讨论了圆柱壳中的弹性波传播理论，指出在管线结构中存在许多模态，并且在相速度频散曲线中给出了可能出现的模态。尽管如此，由于导波的多模及频散特性的复杂性，管中导波的传播性质至今仍未被完全理解[7]。英国帝国理工大学机械工程系的PICawley，A．Demma[8-10]等系统的对裂纹和槽类的缺陷进行了有限元数值模拟，比较全面的获得了裂纹和槽类的缺陷的几何形状的变化对回波信号的影响，并获得了管道上的裂纹和槽型缺陷对反射回波信号的影响关系。在国内外的超声导波检测数值模拟的研究中，P．Cawley，A．Demma等的研究相对来说是最全面和系统的。P．Cawle

7、y等采用有限元方法、使用膜单元模拟了管道上的缺陷对L(0，2)，F(1，3)两种模态导波的反射，并获得了信号的反射率与缺陷的深度和缺陷在周向上的长度的关系曲线，初步建立了缺陷几何尺寸与反射回波信号之间的对应关系。A．Demma,P．Cawley第41页共41页中北大学2010届毕业论文等全面对管道上的槽型缺陷的检测进行了有限元数值模拟，系统地获得了槽型缺陷的几何尺寸的变化对回波信号的影响，从而初步建立了槽型缺陷的几何尺寸与导波回波信号之间的关系。A．Demma,P.Cawley[11]等介绍了膜单元、2