基于模式转换波的管道结构TOFD检测近表面盲区抑制方法技术

一种基于模式转换波的管道结构TOFD检测近表面盲区抑制方法，属于无损检测技术领域。该方法采用由超声探伤仪、TOFD探头、倾斜有机玻璃楔块和扫查装置组成的TOFD检测系统，沿管道外壁实施TOFD周向扫查与图像采集。读取扫查图像中缺陷上、下端点模式转换波弧顶位置深度及偏心距，并结合管道曲率半径、TOFD探头中心间距及缺陷端点之间的声传播关系，计算得到近表面盲区内缺陷的深度、长度和倾斜角度。该方法操作简单，无需复杂的信号处理过程，即可大幅抑制管道结构TOFD检测近表面盲区，并能够实现近表面盲区内缺陷的精准定量，可推广应用于工业管道检测。

Near-Surface Blind Zone Suppression Method for TOFD Detection of Pipeline Structures Based on Mode Converted Wave

【技术实现步骤摘要】
基于模式转换波的管道结构TOFD检测近表面盲区抑制方法
本专利技术涉及一种基于模式转换波的管道结构TOFD检测近表面盲区抑制方法，其属于无损检测

技术介绍
管道结构广泛应用于石油化工、电力和天然气等行业。在焊接和安装过程中受人为因素影响，或运行过程中受介质、压力综合作用，管道内部产生不同程度缺陷，必须实施无损检测。超声衍射时差法(TimeofFlightDiffraction,TOFD)是当前应用较广泛的一类无损检测技术，具有检测灵敏度高、精度高和效率高等优点。然而，TOFD检测时直通波信号易与衍射纵波信号混叠，形成近表面盲区。特别是对管道结构实施周向扫查时，表面曲率及探头中心间距增大导致管道近表面盲区深度增加，近表面较大范围内的缺陷难以实现检出与定量。目前，TOFD检测近表面盲区抑制方法主要包括三类：调整TOFD检测参数，如提高检测频率和降低探头中心间距；结合频谱分析和自回归谱外推等方法提高接收信号的时间分辨力；采用经过多次反射后，渡越时间更长的衍射信号进行近表面盲区内缺陷检测。现有方法适用于平板结构的TOFD检测近表面盲区抑制，但未针对性考虑管道结构表面曲率对近表面盲区和缺陷定量检测的影响。本专利技术提出了一种基于模式转换波的管道结构TOFD检测近表面盲区抑制方法，有效实现盲区内缺陷的深度、长度和倾斜角度精准定量检测。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于模式转换波的管道结构TOFD检测近表面盲区抑制方法。其目的是针对管道结构进行TOFD检测周向扫查时，管道曲率导致近表面盲区深度增加，缺陷端点衍射纵波湮没在直通波信号中，无法对盲区内缺陷定量检测的问题，利用模式转换波、TOFD探头中心间距、管道外壁曲率半径和缺陷端点深度之间的声传播关系，基于费马定理和TOFD周向扫查图像，实现管道结构TOFD检测近表面盲区的大幅抑制，以及缺陷深度、长度和倾斜角度定量。本专利技术采用的技术方案是：一种基于模式转换波的管道结构TOFD检测近表面盲区抑制方法，针对管道结构进行TOFD检测周向扫查时，管道曲率导致近表面盲区深度增加，近表面缺陷端点衍射纵波湮没在直通波信号中，难以对缺陷定量的问题，利用模式转换波、TOFD探头中心间距、管道曲率半径和缺陷上、下端点之间的声传播关系，基于费马定理和TOFD周向扫查图像，实现管道结构TOFD检测近表面盲区的大幅抑制，以及缺陷深度、长度和倾斜角度定量；其特征是：所述方法采用如下步骤：(a)TOFD检测参数确定根据被检管道的材料、几何尺寸及待检测范围优选TOFD检测参数，包括TOFD探头频率、楔块角度、探头中心间距、检测增益和采样频率；(b)检测数据采集管道近表面盲区内存在沿轴向分布的面积型缺陷，缺陷上、下端点分别设为A和B；采用步骤(a)中确定的TOFD检测参数，控制TOFD探头沿管道外壁进行周向扫查，获得扫查图像并对直通波校准；(c)缺陷端点深度定位设管道外壁曲率半径为R，壁厚为T，O点为管道圆心，材料横、纵波声速分别为cS和cL；TOFD探头中心间距为2S，两探头连线中心点为O′，直通波脉冲宽度为tp，则管道结构TOFD检测近表面盲区理论深度D为对于缺陷上端点A，设上端点模式转换波弧顶位置对应传播声时为tA，则扫查图像中模式转换波弧顶位置深度d″A为定义缺陷上端点模式转换波与衍射纵波之间的弧顶水平间距为偏心距ΔSA，上端点模式转换波弧顶位置处的AO′间距为d′A；读取扫查图像中的d″A与ΔSA，根据TOFD检测时探头位置与缺陷端点之间的几何关系，可知上端点传播声时tA满足式(3)联立式(2)和式(3)整理可得式(4)中S、ΔSA、d″A、cS和cL参数均为已知量，反演得到d′A；结合管道外壁曲率半径R，缺陷上端点A到圆心O的距离dAO可由式(5)计算得到根据缺陷上端点到圆心的距离dAO，得缺陷上端点距管道外表面的垂直深度dA为同理，读取缺陷下端点模式转换波弧顶位置深度d″B与偏心距ΔSB，计算给出缺陷下端点深度dB；(d)缺陷长度定量定义缺陷上、下端点到圆心的夹角，即∠AOB为β，其对应管道外壁弧长为L；根据TOFD周向扫查图像知，L等于模式转换波上、下端点对称点之间的横向间距，则β由式(7)给出联立缺陷上、下端点深度dA和dB，得缺陷长度H为(e)缺陷取向定量定义缺陷上端点到圆心的线段AO与缺陷面所成夹角为取向角α，利用式(8)给出的缺陷长度H，根据三角函数关系计算得到α为根据上述步骤，同时得到管道结构TOFD检测近表面盲区内缺陷的上、下端点深度、长度和倾斜角度。本专利技术的有益效果是：这种基于模式转换波的管道结构TOFD检测近表面盲区抑制方法，利用TOFD检测周向扫查一次性获取大范围检测数据，提高了检测效率；根据扫查图像中缺陷端点模式转换波弧顶位置深度和偏心距信息，以及探头中心间距、管道外壁曲率半径与缺陷端点之间的声传播关系，实现管道结构近表面盲区抑制，并同时获得近表面盲区内缺陷的端点深度、长度和倾斜角度等信息；该方法操作简单，可有效应用于工业管道检测，辅助提高检测人员效率。附图说明下面结合附图和实例对本专利技术做进一步说明。图1是本专利技术采用的TOFD检测系统示意图。图2是加工近表面埋藏型裂纹的管道试块图。图3是管道近表面盲区内裂纹定量检测示意图。图4是上端点深度3.0mm、长度3.0mm倾斜裂纹的周向扫查图像。具体实施方式基于模式转换波的管道近表面缺陷TOFD定量检测方法，采用的超声检测系统如图1所示，其中包括超声检测仪、一对TOFD超声探头、一对纵波楔块、机械扫查装置等。具体检测及处理步骤如下：(a)试验对象如图2所示碳钢管道试块，其外壁半径R＝148.0mm，壁厚T＝30.0mm，材料纵波声速cL＝5890m/s，横波声速cS＝3230m/s。试块近表面区域加工了上端点深度3.0mm、下端点深度5.6mm、长度3.0mm、倾斜角度30°的轴向裂纹。(b)如图3所示，采用中心频率10MHz的TOFD超声探头实施检测。主要检测参数包括：纵波楔块角度70°、楔块前沿长度6.0mm、探头中心间距2S＝40.0mm、采样频率100MHz、检测增益80dB、扫查步进0.30mm、A扫描时间窗口起始位置设置为直通波到达接收探头之前。(c)利用TOFD探头对碳钢管道试块中的埋藏型裂纹进行周向扫查，获得图4所示的TOFD检测B扫查图像。其中，直通波脉冲宽度约为0.30μs，由式(1)计算可得TOFD检测近表面盲区理论深度为6.25mm。显然，裂纹上、下端点衍射纵波信号均混叠在直通波中，裂纹位于TOFD检测盲区内，但模式转换波与直通波清晰分离，可利用模式转换波对裂纹进行定量。读取图像中裂纹上端点模式转换波弧顶位置深度d″A＝9.32mm，偏心距ΔSA＝18.4mm；下端点模式转换波弧顶位置深度d″B＝13.79mm，偏心距ΔSB＝15.8mm。(d)将裂纹上、下端点模式转换波弧顶位置深度d″A和d″B，偏心距ΔSA和ΔSB代入式(4)反演得到d′A与d′B，进一步由式(6)计算得到裂纹上、下端点深度分别为dA＝3.03mm和dB＝5.46mm。(e)从图4中读取模式转换波上、下端点对称点之间的横向间距L＝0.6mm，得到裂纹上、下端点到圆心的夹角β＝0.23°，将已知数据代入式(8)，可得裂纹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模式转换波的管道结构TOFD检测近表面盲区抑制方法，针对管道结构进行TOFD检测周向扫查时，管道曲率导致近表面盲区深度增加，近表面缺陷端点衍射纵波湮没在直通波信号中，难以对缺陷定量的问题，利用模式转换波、TOFD探头中心间距、管道曲率半径和缺陷上、下端点之间的声传播关系，基于费马定理和TOFD周向扫查图像，实现管道结构TOFD检测近表面盲区的大幅抑制，以及缺陷深度、长度和倾斜角度定量；其特征是：所述方法采用如下步骤：(a)TOFD检测参数确定根据被检管道的材料、几何尺寸及待检测范围优选TOFD检测参数，包括TOFD探头频率、楔块角度、探头中心间距、检测增益和采样频率；(b)检测数据采集管道近表面盲区内存在沿轴向分布的面积型缺陷，缺陷上、下端点分别设为A和B；采用步骤(a)中确定的TOFD检测参数，控制TOFD探头沿管道外壁进行周向扫查，获得扫查图像并对直通波校准；(c)缺陷端点深度定位设管道外壁曲率半径为R，壁厚为T，O点为管道圆心，材料横、纵波声速分别为cS和cL；TOFD探头中心间距为2S，两探头连线中心点为O′，直通波脉冲宽度为tp，则管道结构TOFD检测近表面盲区理论深度D为...

【技术特征摘要】
1.一种基于模式转换波的管道结构TOFD检测近表面盲区抑制方法，针对管道结构进行TOFD检测周向扫查时，管道曲率导致近表面盲区深度增加，近表面缺陷端点衍射纵波湮没在直通波信号中，难以对缺陷定量的问题，利用模式转换波、TOFD探头中心间距、管道曲率半径和缺陷上、下端点之间的声传播关系，基于费马定理和TOFD周向扫查图像，实现管道结构TOFD检测近表面盲区的大幅抑制，以及缺陷深度、长度和倾斜角度定量；其特征是：所述方法采用如下步骤：(a)TOFD检测参数确定根据被检管道的材料、几何尺寸及待检测范围优选TOFD检测参数，包括TOFD探头频率、楔块角度、探头中心间距、检测增益和采样频率；(b)检测数据采集管道近表面盲区内存在沿轴向分布的面积型缺陷，缺陷上、下端点分别设为A和B；采用步骤(a)中确定的TOFD检测参数，控制TOFD探头沿管道外壁进行周向扫查，获得扫查图像并对直通波校准；(c)缺陷端点深度定位设管道外壁曲率半径为R，壁厚为T，O点为管道圆心，材料横、纵波声速分别为cS和cL；TOFD探头中心间距为2S，两探头连线中心点为O′，直通波脉冲宽度为tp，则管道结构TOFD检测近表面盲区理论深度D为对于缺陷上端点A，设上端点模式转换波弧顶位置对应传播声时为tA，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：金士杰，林莉，马天天，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21