图 1 频域和时域中的频散信号与非频散信号的传播示意
编辑：无损检测证书挂靠网 时间：2024-12-03 11:48:08
作者简介:
左万君（1981—）,男,硕士,高级工程师,主要从事特种设备检验检测研究工作
管道结构作为工业运输的重要组成部分,广泛应用于石油、化工以及核能等领域。在运行周期中,受运输介质、外界环境等因素影响,管道容易发生腐蚀、变形甚至破裂等现象,导致管道泄漏、环境污染甚至人员伤亡等严重事故。因此,及时、准确地检测管道损伤具有重要意义,不仅可以预防事故,还能延长管道的使用寿命,获得更显著的经济和社会效益。
无损检测技术在不损坏检测部件及其使用功能的同时能够有效检测损伤,已广泛应用于工业管道的检测中。无损检测技术包括超声检测（UT）、超声导波检测（GWT）、涡流检测（ECT）、射线检测（RT）、漏磁检测（MFL）和磁粉检测（MT）[1-2]。其中,涡流检测速度快且自动化程度高,但仅限于导电材料的表面检测,无法精确检测厚壁钢管[3]；磁粉检测灵敏度高、操作简便,但仅适用于磁性材料的表面缺陷检测[4]；射线检测精度高,可检测整体缺陷,但辐射对人体有害且成本较高；超声检测更适合局部缺陷的精确检测,而无法进行长距离部件检测[5]；超声导波能够沿着管道壁长距离传播,其声场可以覆盖整个部件的壁厚,具有低衰减和高穿透等特性,能够有效检测部件表面和内部缺陷,显著提高检测效率。
现有方法的局限性凸显了对高效、精准损伤检测技术的需求。考虑到油气管道损伤检测的重要意义和目前损伤检测技术的多样性,以及基于超声导波的管道损伤检测研究的综合评述有限,文章针对超声导波在管道损伤检测中的研究应用进行了综述。主要阐述了超声导波检测技术的基本原理,讨论了超声导波损伤检测过程中采用的模态激励方法,重点介绍了超声导波换能器与信号处理及识别技术的研究进展。
超声引导波（Ultrasonic-Guided Waves,UGW）是一种能够在特定几何结构（如管道、板材或轨道）中传播的特殊超声波,被广泛应用于检测部件内部缺陷。在弹性介质中,超声波（包括超声引导波）在遇到不同介质或部件结构变化时会发生反射、折射和模式转换。模式转换是在超声波传播过程中,特别是在界面处,波从一种模式转换为另一种模式,例如纵波可能在反射或折射时部分转换为横波,反之亦然。而在复杂的检测结构中,如多层材料或曲面管道,超声波在经历多次反射或折射后,信号的处理和表征更加复杂,且会产生超声引导波,其通常被称为兰姆（Lamb）波。
频散和多模态是管道中波传播的两个关键特征,主要受到波导中导波频率等相关传播特性的影响。在频域中,频散会导致不同频率分量的相位偏离,使得具有相同初始相位的频率分量在波导中传播时发生展宽,进而降低频率分辨率；在时域中,频散会引起信号展宽和波形的变化,从而降低空间分辨率,且频率分量的相速度变化会导致波形失真[6],频域和时域中的频散信号与非频散信号的传播示意如图1所示（图中振幅无量纲）[7]。通过利用多模波导的传播和这些缺陷的反射,可以有效检测非轴对称缺陷。通常情况下,采用解析或半解析有限元方法求解复杂结构的频散曲线,例如余旭东等[8]通过半解析有限元方法的计算框架,实现了对周向导波频散关系的精确求解,频散曲线如图2所示[图中CLT为周向兰姆类（厚度）模态波,CHS为周向水平剪切模态波,其中导波数字代表模态波的阶数],该方法对波导结构的横截面进行有限元离散,在波传播方向采用解析描述,从而将三维问题转化为二维求解,能够准确计算具有任意材料属性、层数和环向截面形状的复合圆管中的导波频散关系,适用于复杂结构的无损检测和材料表征。BARZEGAR等[9]提出待定的信号处理程序对黏结铝板进行频散曲线估计,该方法基于带通滤波器、快速傅里叶变换和带通高斯滤波器对获取的信号进行处理,减小了频散曲线的评估误差。
导波的频散效应和多模态行为会显著增加回波信号的处理难度,但是不同模态和高阶模态簇的导波对不同的管道缺陷具有不同的敏感度。因此,多模态激励也为检测各种类型的管道缺陷提供了更多的应对策略。
近年来,导波激励的研究主要集中在目标模态的激发等方面,目的是减少多模态带来的信号处理复杂性并提高缺陷的检测精度。特定导波模态如L（0,1）和L（0,2）纵向模态对周向裂缝较为敏感,而T（0,1）模态则对轴向裂缝检测效果更佳。空心圆柱体纵向模态和扭转模态的激励示意如图3所示。每个导波模态都有固有的截止频率,这是其能够存在的最低频率。通过选择低于高阶模态截止频率的激励频率,可以有效地实现低阶模态的独占激励,从而避免高阶模态的干扰和信号复杂性[10]。
管道检测中常用的导波激发和接收方法包括：脉冲回波法、一发一收法、压电换能阵列以及激光激发与干涉接收法。在脉冲回波法中,同一个换能器或换能器阵列既用于激发导波,也用于接收反射回的导波信号,因依赖波的反射来确定缺陷信息,故脉冲回波法适用于识别距离激发点较近的缺陷[11]。而在一发一收模式中,一个换能器或换能器组用于激发导波,另一个换能器或换能器组用于接收,一发一收模式可以提供缺陷的更多信息,并且能够检测长距离管道中的缺陷[12]。脉冲回波法和一发一收模式的原理示意如图4所示。
导波激励与接收方法的选择取决于多种因素,例如检测距离、缺陷类型、环境条件以及设备和成本。为了实现导波单模态激发,研究人员利用换能器阵列选择性激发。VEIT等[13]发现对于基本间距小于目标波长的传统相控阵探头,能够在恒定相位速度（与频率无关）下激发高阶模态导波。KHALILI等[14]的研究表明SH1模态的导波适合检测浅层缺陷,并研究了在约为3 MHz/mm条件下SH1单模态导波激发的策略,提出可以使用单个永久周期性磁铁（PPM）电磁声学换能器生成由SH1模态主导的导波信号。
超声波的检测范围受到各种衰减因素的限制,包括能量的扩散和吸收。在弹性介质中,波前频散是较为普遍的现象；但在黏弹性介质中,其不仅表现出波前频散,还伴随着能量吸收行为。导波的衰减主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减,如图5所示。RAO等[15]采用全波形反演结合螺旋信号分离方法和正则技术建立了包含衰减的反演模型,并进一步分析了衰减对输液管道中螺旋导波的影响。BARRY等[16]统计了超声波衰减与低碳钢强度的相关性,发现当波衰减从0.24 dB/mm增加到0.36 dB/mm时,钢的强度从460 Mpa降低到290 Mpa,进而发现波的衰减水平可以用于检测钢结构的强度。在无损检测中,可根据衰减与材料缺陷程度的线性效应,使用信噪比衡量信号的衰减。
此外,研究还表明管道埋地环境以及埋地材料对导波衰减的影响非常显著,黏土环境中导波能量的衰减远高于沙土环境中的[17]。HUAN等[18]采用阵列环作为导波激励和接收方法,研究了埋地管道中T（0,1）导波的衰减特性,结果表明环氧涂层、煤焦油涂层和聚乙烯泡沫涂层具有优异的超声波隔离功效。曹伟烨等[19]研究了黏性埋地材料对矩形横截面杆件中SH导波传播的影响规律,并建立了基于SH波的埋地管道泄漏监测方法,该方法能够定量表征土壤湿度,准确判断管道泄漏情况,测量相对误差不超过8%。
超声导波检测技术主要通过激发低频超声导波在检测部件内散射,从而捕捉部件内的缺陷以检测部件损伤。导波在部件内部传播时遇到不连续的横截面（如裂缝和凹痕）,会在边界处发生反射、透射和模态转换,使得接收到的回波信号发生改变；通过对接收的回波信号进行处理,分析信号的延时性以及波速,能够获得部件内缺陷的轴向位置,进而对部件的整体或局部健康状态进行评估。管道超声导波无损检测技术的原理示意如图6所示,主要过程包括：
① 脉冲发射机产生特定频率的脉冲信号,经功率放大器送至导波换能器并转换为超声导波；
② 导波在管道中传播并检测缺陷；
③ 换能器将接收到的回波信号转换为电信号；
④ 处理与分析信号,识别异常波形,推断缺陷位置和大小。
超声导波检测技术在各种材料的损伤检测中应用广泛,其检测信号中几乎包含了结构中的所有信息。与其他检测技术相比,其主要有以下优势。
（1）全面检测。可在整个构件中的任意位置进行单点激励,诱导颗粒振动,实现对被测构件的全面覆盖检测。
（2）长距离检测。针对材料属性,选择合适的导波模态,能够减小导波衰减。更小的衰减意味着导波能够在材料中传播的距离更远,从而能够在不移动设备的情况下实现长距离检测。
（3）缺陷适应性强。超声导波具有多模态特性,适用于检测各种不同类型的缺陷。通过控制导波的模态和频率可以对不同类型的缺陷进行检测,提高检测精度的同时还能获取多维度的检测信息。
（4）检测效率高。超声导波检测技术成本相对较低,在特定位置安装换能器即可进行检测,方便且易操作。
管道超声导波检测系统主要包括换能器及其阵列、硬件系统和软件系统,其结构框架示意如图7所示。在超声导波检测过程中,导波的频散和多模态特性使得导波模态转换、波形变宽以及信噪比降低等问题普遍存在,因此,精确选择激发和接收导波的换能器具有重要作用。根据其传导机理,换能器主要分为压电换能器[20]、磁致伸缩换能器[21]、电磁声换能器[22]和激光换能器[23]。
激励导波的两种传统压电换能器包括斜入式换能器和梳状换能器,其发射原理如图8所示。斜入式换能器通过有机玻璃楔块来激励导波,其中楔块使得L波以一定角度入射到板结构中。梳状换能器由一系列排列成梳齿状的压电元件组成,能够产生相位同步的导波。目前常用的压电换能器包括锆钛酸铅（PZT）换能器和聚偏氟乙烯薄膜（PVDF）换能器。
PZT换能器利用压电陶瓷材料的逆压电效应产生高频振动,从而激励超声导波。PZT的研究主要集中在开发特定导波模态激发的换能器和研究耦合层的影响等方面。MIAO等[24]发现当d24压电单元数量略大于最大周向弯曲模态时,压电环便可以激发单个T(0,1)模态导波。PZT换能器的温度敏感性和电极连接的可靠性问题是目前研究中面临的挑战。PZT材料对温度变化较为敏感,因此需要在一定温度范围内工作。此外,在高频、高压应用环境中,PZT材料与电极连接的质量和耐久性限制了换能器的可靠性和使用寿命。
PVDF换能器主要通过聚偏氟乙烯材料的压电效应进行能量转换来激励导波。PVDF材料具有很高的柔性,可以弯曲和变形,可应用在曲线或复杂形状的结构中,因此该材料可灵活定制电极以适应不同的结构形状。3种PVDF换能器的实物如图9所示[25-27]。近年来,针对PVDF换能器的设计与优化研究已经获得了一些成果。DING等[28]设计了一种有PVDF薄膜和梳状电极组成的换能器,该换能器能够激发单个A0和S2模态导波,并能够高精度定位多类型损伤。LIU等[29]将PVDF-TrEF（共聚偏氟乙烯-三氟乙烯）溶剂沉积在结构表面,形成柔性涂层,通过该涂层能够激发ZVG（零群速度）波,试验结果表明,与传统的ZVG导波激发方式相比,该接触式的激发方法能够显著提高检测的可靠性、窄带激励的便利性、检测的抗干扰性以及原位检测的能力。
磁致伸缩换能器通过磁致伸缩效应生成导波信号,通常由磁致伸缩材料芯、励磁线圈和感应线圈组成。当交变电流通过励磁线圈时,产生的磁场使磁致伸缩材料内部磁畴重新排列,材料发生周期性形变,从而产生超声导波[21]。磁致伸缩换能器具有高灵敏度、宽频带、非接触式操作以及高效率等优势,在管道的无损检测中应用广泛。ARJUN等[21]利用有限元建模分析,优化了磁致伸缩探头的发射器和接收线圈的宽度,并通过等效电路模型优化了发射器和接收线圈的匝数。XIE等[30]设计了一种新型薄膜磁致伸缩贴片导波换能器（MPT）,其由Hyperco 50A合金贴片和双层柔性印刷电路（FPC）组成。该换能器通过偏置磁场和动态磁场线圈的相互作用生成并接收单模态且几乎无频散的S0模态导波,具有轻便、柔性和高转换效率的优势,适用于曲面薄壁结构的健康监测。WANG等[31]设计并开发了一种多通道磁致伸缩换能器,通过设计优化换能器的线圈宽度和间距,以实现高效的SH0导波激发与接收。磁致伸缩换能器的发展与磁致伸缩材料的性能紧密相关,开发高磁饱和强度和更优机械性能的材料是促进磁致伸缩换能器应用的基础。
电磁声换能器（Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT）的工作原理主要是通过洛伦兹力和磁致伸缩效应激发和接收超声导波。基于洛伦兹力的EMAT利用动态电流在固体中感应涡流,并与偏置磁场相互作用,从而激发弹性波,因此仅适用于导电材料。而基于磁致伸缩效应的EMAT通过压磁效应激发导波,适用于铁磁性材料或贴有高磁致伸缩贴片的试件。通过设计换能器内的线圈和磁体参数,能够优化换能器并产生多种模式的导波以及复杂波型。基于洛伦兹力和磁致伸缩效应的电磁声换能器结构示意如图10所示[32]。
基于洛伦兹力的电磁声换能器的结构示意如图10（a）所示。LIU等[33]用双层周期光栅线圈优化了换能器,以增加所激发的SH导波能量。基于洛伦兹力的换能器导波激发原理决定了该装置能够完成非接触式操作,利于其为在高温或均匀移动的工况环境下工作,更值得注意的是,高温环境会影响永磁铁和线圈的性能,因此需要在装置中设计冷却系统。肖菲等[34]研究了管道内高温对横波、纵波的传播影响,并设计了具有风冷和水冷结构的换能器,此外,接触式操作可能会导致换能器的转换效率低,以及导波信噪比的下降,从而需要增加输入和输出放大信号的功率。为此,LAN等[35]通过建立EMAT有限元二维模型,研究了结构参数和声学参数对换能器能量转换效率的影响并对其进行了优化设计,此外还发现用1K107型非晶纳米晶体材料对磁路进行优化能够显著增强导波信号强度。杜灿勋等[36]通过多物理场有限元仿真方法,模拟研究了不同磁铁和线圈组合对换能器性能的影响,发现减小磁铁提离距离和适当减小磁铁宽度可以增加磁场强度,而后对电磁超声导波的激发和传播过程进行了优化。董明等[37]设计了一种变尺寸蝶形线圈EMAT,该EMAT能够通过改变线圈不同部位导线的宽度和间距以及不同部位的换能效率,进而达到增强横波抑制纵波的效果。
基于磁致伸缩效应用于管道结构中激励扭转导波的电磁声换能器的结构示意如图10（b）所示。预磁化的应用意味着会存在退磁等不稳定因素,而激发纵波、弯曲波等不利导波。KANNAN等[38]提出使用具有较大矫顽力磁场的贴片材料来避免退磁,因为这些材料在外加磁场撤去后能更好地保持磁性,抗退磁能力强,从而确保磁致伸缩换能器能在长时间使用和外界磁场干扰下仍稳定工作。ZHANG等[39]设计了一种具有弯曲模态选择性激励的螺旋梳状磁致伸缩贴片换能器,该换能器能够激发高阶弯曲模态导波控制波向,并实现以7.2%的断面损失率检测管道缺陷。KIM等[40]发现在MHz量级频率范围内激发扭转导波须考虑阻抗匹配的影响,以避免磁致伸缩贴片内的波反射而产生的畸变。姜颖等[41]研究了线圈宽度、间距和磁致伸缩贴片厚度对换能效率的影响,并设计优化了适用于黏结结构损伤检测的换能器。
导波检测信号分析技术主要包括缺陷波包的提取、多模态分离以及复杂信号的处理。其中,信号的复杂性主要由导波多模态特性以及缺陷的复杂性导致的,而噪声成分是由环境因素的干扰引起的[42]。针对上述问题,目前研究的热点主要集中在小缺陷信号的增强与识别,频散效应和近场缺陷导致重叠波包的分离上。
在超声导波检测过程中,小缺陷难以被准确检测,其主要原因包括小缺陷回波信号微弱以及噪声信号的覆盖。近年来,研究人员对小缺陷的超声导波检测问题提出了许多针对性的方法。波包识别技术被提出用于处理小缺陷回波信号,通过设计与小缺陷信号相匹配的滤波器,能够增强目标波包的检测效果,使小缺陷信号在噪声背景中更加突出[43]。ROSTAMI等[44]提出了一种稀疏表示与基于色散的匹配追踪（Sparse representation with dispersion-based matching pursuit,SDMP）算法,用于减少在管道检测中使用导波时的频散效应。该算法通过设计一个基于有限元模拟的过完备和冗余字典,最大限度地模拟实际导波信号,并实现信号的稀疏表示；数值模拟和试验结果均验证了其在复杂环境下导波信号分离和缺陷检测中的有效性。PEDRAM等[45]引入了分频处理（SSP）技术,通过将超声导波检测信号分解为多个子频带并进行非线性滤波处理,显著提高了信号质量和信噪比；优化的SSP参数使其在检测带涂层或埋地管道时,能够有效减小频散波模式对信号质量的影响,增强对小缺陷的检测能力,可将信噪比提高约40 dB。YANG等[46]提出了基于一种可调Q因子群稀疏小波变换（Group sparse tunable Q-factor wavelet transform,GS-TQWT）的超声导波焊缝缺陷检测特征提取方法,该方法利用导波信号的群稀疏特性,通过TQWT算法分解信号、求解子带系数,并进行小波重构,从而提取缺陷回波；试验结果表明,相对于传统方法,GS-TQWT在噪声环境中能更准确地提取缺陷回波且计算成本更低,适合实时检测。吴锦豪等[47]采用基于时间反转的导波检测方法,通过L（0,2）模态导波检测燃气管道的裂纹,该方法能够使导波聚焦在缺陷位置,增强信号能量,放大小缺陷的回波信号。
超声导波在传播过程中会产生多种模态,这些模态在传播特性和速度上有所不同,因此提出模态分离和提取方法,分析并分离多模态信号,进而通过导波模态特性与缺陷特性之间的关联识别缺陷。HAYASHI等[48]提出了一种基于正态模态展开的导波模态分离和提取方法来处理管道缺陷信号,该方法在分离轴对称波和非轴对称波方面表现良好。陈乐等[49]研究了弯曲导波模态的分离和频散补偿的方法,该方法将导波信号时频变换后的数据与理论时频曲线对比,获得导波的频散补偿,最后与波包信号进行叠加,更利于缺陷的识别和定位。黄吉等[50]利用轴对称导波在非对称结构传播时转变为弯曲模态导波的特性以及不同模态导波的振动幅值和相位特性,对混合模态的特征进行匹配并分类,进而实现模态分离,该方法在试验中被证实能够很好地分离和提取导波信号。王小丫等[51]基于频散传递函数建立了导波模态数学模型,进而提出基于导波基函数投影变换的模态分离方法,实现了混合模态信号的分离与单模态信号的提取。KONG等[52]提出了一种贝叶斯滤波方法用于自适应提取和分离超声导波的多模态信号。LI等[53]通过二维傅里叶变换将多阶模态的时空信号转换为频域信号,而后基于动态规划方法从多模态的频域信号中提取频谱峰,并重构单模态导波的时域信号；通过与理论结果进行比较,证明了该方法能够在多模态信号中分离出高纯度单模信号。
文章简要介绍了超声导波和超声导波检测技术的原理和主要流程,综述了近年来针对导波激发与接收、频散与衰减的研究进展,而后重点介绍了超声导波换能器、小缺陷信号的增强与识别和导波模态分离的研究成果。其中,设计与优化换能器的主要目标是实现选择性模态导波的激发与接收,增强导波信号,提高换能器对服役环境的适应能力,而信号处理技术则主要应对导波的复杂性,降低信号的处理难度以及提高对小缺陷的检测能力。文章所述的设计方案与方法为超声导波检测能力的提升和检测装置的升级提供了坚实的理论支撑,有着重要的工程应用价值。虽然针对超声导波检测技术的研究已经较为深入,但该技术领域仍然存在以下挑战。
（1）随着材料科学的深入研究,复合材料和增材制造的部件将大量应用到管道运输行业,因此,针对复合材料的特性与增材制造部件的复杂性,需要研究相适应的超声导波检测技术,确保检测方法的适用性和可靠性。
（2）超声导波检测技术与其他检测技术的结合应用是目前针对复杂工况下管道检测的热门策略,能够实现多模态、高精度的结构损伤检测。
（3）针对埋地管道的损伤检测仍然处于初步研究阶段,面对复杂工况（如高温、高压、复杂地质条件）的检测需要进一步的研究,并需要开发适用于特定工况的检测方法。
