發(fā)布時間：2020-03-23 00:06

【摘要】：翅片管、內(nèi)螺紋管等螺旋周期結(jié)構(gòu)管道,因其換熱效率高而廣泛應(yīng)用于石化、電力等行業(yè)。由于長期處于高溫、高壓、高濕和物料沖刷等工作環(huán)境中,容易發(fā)生安全事故,需要對其進(jìn)行定期檢測。超聲導(dǎo)波檢測具有單點(diǎn)激勵、長距離檢測的優(yōu)勢,有望發(fā)展成為一種有效的螺旋周期結(jié)構(gòu)管道檢測方法。然而,螺旋周期結(jié)構(gòu)管道幾何形狀復(fù)雜且類型多樣,不僅增加了超聲導(dǎo)波傳播特性的分析難度,也給導(dǎo)波信號處理方法、傳感器研制等提出了新挑戰(zhàn)。為此,本學(xué)位論文開展螺旋周期結(jié)構(gòu)管道超聲導(dǎo)波檢測模型及應(yīng)用研究。根據(jù)螺旋周期結(jié)構(gòu)沿管道的空間分布規(guī)律,提出螺旋周期結(jié)構(gòu)管道超聲導(dǎo)波檢測半解析有限元理論,并結(jié)合典型管道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立管外和管內(nèi)螺旋周期結(jié)構(gòu)管道超聲導(dǎo)波檢測模型,揭示超聲導(dǎo)波在螺旋周期結(jié)構(gòu)管道中的傳播特性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性,給出削弱螺旋周期結(jié)構(gòu)影響的激勵參數(shù)選取原則。該研究擴(kuò)展了半解析有限元法的應(yīng)用范圍,同時提供了適用于不同類型螺旋周期結(jié)構(gòu)管道超聲導(dǎo)波傳播特性的求解方法,為超聲導(dǎo)波應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。針對所述半解析有限元理論處理含缺陷管道導(dǎo)波傳播問題的局限性,建立含缺陷的螺旋周期結(jié)構(gòu)管道超聲導(dǎo)波檢測三維有限元仿真模型,通過研究軸對稱模態(tài)導(dǎo)波在管外和管內(nèi)螺旋周期結(jié)構(gòu)中的信號衰減特性和缺陷響應(yīng)特性,揭示螺旋周期結(jié)構(gòu)管道缺陷超聲導(dǎo)波檢測機(jī)理,為導(dǎo)波檢測距離評估和缺陷定量提供理論依據(jù)。針對螺旋周期結(jié)構(gòu)管道超聲導(dǎo)波現(xiàn)場應(yīng)用中遇到的焊縫和支架等局部結(jié)構(gòu)特征,利用信號增強(qiáng)器模擬管道局部結(jié)構(gòu)特征對導(dǎo)波傳播特性的影響,依據(jù)彈性波反射理論和信號波形疊加原理,從信號傳播角度給出可同時在激勵、接收和缺陷檢測過程中實(shí)現(xiàn)信號增強(qiáng)的方法,獲取了不同類型管道局部結(jié)構(gòu)特征的傳感器布置方式,并明確信號增強(qiáng)條件和信號增強(qiáng)器使用原則,可指導(dǎo)螺旋周期結(jié)構(gòu)管道現(xiàn)場檢測的具體實(shí)施。結(jié)合上述理論研究結(jié)果,研制出適用于加熱爐翅片管這一典型螺旋周期結(jié)構(gòu)管道的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)縱向模態(tài)導(dǎo)波檢測傳感器,可檢測出壁厚截面積損失1.2%的翅片管缺陷,解決了空間受限工況下超聲導(dǎo)波應(yīng)用的難題。利用焊縫和180度彎頭對導(dǎo)波信號的衰減作用,實(shí)現(xiàn)翅片管超聲導(dǎo)波檢測距離可控,消除彎頭部分對檢測信號的影響�，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明,所研制的傳感器可用于在役加熱爐翅片管檢測。研究工作為螺旋周期結(jié)構(gòu)管道超聲導(dǎo)波傳播特性的獲取提供了求解方法,不僅豐富了周期結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的相關(guān)研究,而且有助于推動超聲導(dǎo)波應(yīng)用于螺旋周期結(jié)構(gòu)管道檢測。
【圖文】：

(a) 翅片管（管外翅片結(jié)構(gòu)） (b) 內(nèi)螺紋管（管內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)）圖 1.1 典型螺旋周期結(jié)構(gòu)管道相比于普通光管，螺旋周期結(jié)構(gòu)管道除了管道部分會發(fā)生壁厚減薄、裂紋和穿孔效形式外，螺旋周期結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)磨損、腐蝕和開裂等新的失效形式[5]，最終導(dǎo)致泄漏，造成環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。此外，螺旋周期結(jié)構(gòu)還易引起流體產(chǎn)生旋流[6]，加速上述失效形式的產(chǎn)生和發(fā)展。因此，不僅需要在設(shè)計(jì)過程中保證較大的安全系且需要對管道進(jìn)行定期檢測以保證其安全運(yùn)營�，F(xiàn)有的管道檢測方法主要有磁粉、滲透檢測、漏磁檢測、渦流檢測和常規(guī)超聲檢測等[7-8]。然而，由于螺旋周期結(jié)道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，上述檢測方法應(yīng)用均受到一定程度的限制。其中，管外排布的螺旋結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致磁粉和滲透等表面缺陷檢測方法不再適用[9]，而管內(nèi)排布的螺旋周期結(jié)引起漏磁、渦流、常規(guī)超聲等檢測方法的檢測靈敏度降低[10]。超聲導(dǎo)波檢測作為一種快速發(fā)展的無損檢測方法，通過選擇合適的激勵參數(shù)和定裝少量傳感器可實(shí)現(xiàn)整個構(gòu)件截面不同位置的缺陷檢測，適用于桿、管和板等多種

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文的細(xì)分程度。若頻率 ω 的計(jì)算步長過大，則群速度的計(jì)算結(jié)果存在較大的數(shù)值誤小頻率 ω 的計(jì)算步長，則群速度的計(jì)算精度提高，但計(jì)算時間會增加。為解決，Bartoli 提出另一種群速度計(jì)算方法[73]，計(jì)算過程只需要單點(diǎn)實(shí)數(shù)對(k, ω)信避免了求解域細(xì)分程度對計(jì)算精度的影響，，且無需進(jìn)行模態(tài)分離， RmLmmRmmLmmmmkkCgUMUUKKU 2 2 T23T (2.，LmU 和RmU 分別是一階特征方程的左特征向量和右特征向量。其中，右特征向量率 ωm處的第 m 個導(dǎo)波模態(tài)對應(yīng)的截面各節(jié)點(diǎn)位移分布，即導(dǎo)波模態(tài)的截面振基于上述分析步驟，利用 Mathematics 計(jì)算軟件對所述螺旋周期結(jié)構(gòu)管道超聲半解析有限元理論進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程，以實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波傳播特性的快速求解。具程如圖 2.1 所示。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG115.285

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2595834