一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列及制备方法技术

本发明专利技术涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列及制备方法，包括：借助扩展有限元法，研究管道环焊缝周向裂纹的声发射传播特性；建立管道环焊缝周向裂纹声发射阵列模型，分析阵列的波束方向图，确定压电陶瓷传感器的数量；设计2列的传感器拓扑方式，借助柔性印刷电路技术制造柔性阵列。柔性阵列包括柔性聚酰亚胺薄膜、印刷电路、SMA通信接口及8个压电陶瓷传感器。本发明专利技术首次提出了应用于管道环焊缝周向裂纹监测的传感阵列，阵列制造工艺简便易于与管道焊缝结构集成；每列4个压电陶瓷传感器的设计方式增强了阵列传感的指向性，提高了周向裂纹声发射的可采集性，2列的排布方式简化了声发射信号的分析难度。号的分析难度。号的分析难度。

【技术实现步骤摘要】
一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列及制备方法


[0001]本专利技术涉及无损检测
，尤其涉及一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列及制备方法。

技术介绍

[0002]在管道的安装及服役过程中，环焊缝是最容易出现裂纹的区域之一。焊接过程中，焊接接头处的淬硬组织及氢元素的扩散可能产生周向裂纹；服役过程中，循环载荷、冲击及残余应力等共同作用于应力集中的弧坑等区域也可能产生周向裂纹。据统计，近6年来环焊缝失效占据了管道失效总数的38.2％，并且失效的原因多为周向裂纹扩展导致的管道开裂。
[0003]目前，管道焊缝的巡检的主要手段仍以超声检测技术为主，该技术所采用阵列的信号频率范围多为低于100kHz的低频段，难以实现环焊缝小尺寸周向裂纹的检测。此外，阵列的布设方式未考虑环焊缝周向裂纹声发射的传播特性，增加了周向裂纹声发射有效采集的难度。最后，阵列的形式也难以与焊缝及其附近区域集成，增加了系统的复杂度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列及制备方法，采用2列的排布方式可借助间距计算来计算声发射的传播时间，便于直接计算周向传播声发射信号的波速，简化了声发射信号的分析难度。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列，包括印刷电路、设于印刷电路上的柔性聚酰亚胺薄膜、以及设于柔性聚酰亚胺薄膜上的若干个压电陶瓷传感器，若干个压电陶瓷传感器呈阵列分布，每个压电陶瓷传感器的正负引脚均通过环氧树脂固定在柔性聚酰亚胺薄膜的电极上，所述柔性聚酰亚胺薄膜的电极的表面镀有镍层和金层；
[0007]其中，环焊缝周向裂纹的声发射信号通过柔性聚酰亚胺薄膜的电极、印刷电路和SMA通信端口与信号采集模块连接。
[0008]优选地，所述压电陶瓷传感器为8个，8个压电陶瓷传感器呈2列排布，每列排布有4个压电陶瓷传感器，每个压电陶瓷传感器并联连接，2列压电陶瓷传感器均通过环氧树脂沿管道环焊缝周向固定。
[0009]优选地，每个压电陶瓷传感器呈圆形状，每个压电陶瓷传感器的排布方向与管道焊缝方向垂直设置，且若干个压电陶瓷传感器等间距分布，且相邻2个压电陶瓷传感器的中心间距为1cm。
[0010]通过采用上述技术方案：采用每列4个压电陶瓷传感器的设计方式增强了阵列传感的指向性，提高了周向裂纹声发射的可采集性，2列的排布方式简化了声发射信号的分析难度。
[0011]本专利技术还提供了一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列的制备方法，包
括以下步骤：
[0012]步骤S1、借助扩展有限元法，研究管道环焊缝周向裂纹的声发射传播特性；
[0013]步骤S2、建立管道环焊缝周向裂纹声发射阵列模型，分析阵列的波束方向图，确定压电陶瓷传感器的数量；
[0014]步骤S3、设计2列的压电陶瓷传感器拓扑方式，借助柔性印刷电路技术制造柔性阵列。
[0015]优选地，在步骤S1中，需借助扩展有限元理论，仿真模拟环焊缝周向裂纹不同扩展过程，提取和分析仿真结果，具体包括：
[0016]步骤S101、借助有限元建模与分析软件ABAQUS，建立含环焊缝的管道三维数值模型并进行划分网格；
[0017]步骤S102、为保证环焊缝区域周向裂纹扩展仿真的精确性，需针对拟设置周向裂纹区域的网格尺寸进一步细分：
[0018][0019]式中d为周向裂纹附近单元网格的最大尺寸，G为钢管材料的临界能量释放率，E为杨氏模量，v为泊松比，f为钢管材料的屈服强度；
[0020]步骤S103、选取管道环焊缝为裂纹扩展区域，并在此区域定义预制的初始周向裂纹；
[0021]步骤S104、计算管道环焊缝周向裂纹尖端的J积分：
[0022][0023]式中T为积分路径，W为应变能密度，ds为弧元素，T
i
为面力分量，u
i
为位移分量；
[0024]步骤S105、基于步骤S104计算的J积分，计算管道环焊缝周向裂纹尖端的应力强度因子：
[0025][0026]式中K为应力强度因子，J为步骤S104计算的J积分，E为杨氏模量；
[0027]步骤S106、根据管道环焊缝周向裂纹扩展后的裂纹尺寸，更新扩展有限元模型并重新计算应力强度因子，得到周向裂纹不同扩展阶段下的仿真计算结果；
[0028]步骤S107、提取周向裂纹在不同扩展阶段的应力分布特点，分析周向裂纹声发射的传播特性，指导阵列的拓扑设计。
[0029]优选地，考虑到管道环焊缝宽度较窄及周向裂纹声发射中多模态成分的幅值较小，传感器的数量不宜过多。因此，在步骤S2中，建立阵列的检测模型，分析阵列的波束方向图以确定压电陶瓷传感器的数量，具体包括：
[0030]步骤S201、假设阵列中的各传感器的间距为d，传感器的数量为N，设第一个传感器为参考点，设周向裂纹扩展处的观测点P与参考传感器的距离为r，可由P处的场强来推导均匀直线多模态传感阵列的方向图函数，线阵在P点可感应的周向裂纹声发射为：
[0031][0032]式中是方向图函数，θ是P点与参考传感器在法线方向的夹角，是相位，λ为波长；
[0033]步骤S202、基于步骤S202，可推导得阵列的阵列因子AF，再经过化简、取模与归一化得到阵列的阵列因子的表达式：
[0034][0035]步骤S203、为对比阵列中不同数量的压电陶瓷传感器对于环焊缝周向裂纹声发射的空间分辨能力，在考虑焊缝较窄宽度下建立不同传感器数量的线阵信号模型，计算并绘制阵列的波束方向图。
[0036]优选地，在步骤S3中，基于步骤S2优化传感器数量后，设计阵列的拓扑结构并制作柔性阵列，具体包括：
[0037]步骤S301、沿管道周向，垂直环焊缝等距离分布步骤S2优化数量的压电陶瓷传感器，以环状布设的方式排布2列压电陶瓷传感器；
[0038]步骤S302、一路传感器分配一个SMA通信接口，设计所有的通信端口均位于柔性阵列的右侧；
[0039]步骤S303、设计所有导线均为不交叉的单层电极结构，借助柔性印刷电路技术制造柔性阵列。
[0040]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0041]1、本专利技术首次提出应用于管道环焊缝周向裂纹监测的传感阵列。
[0042]2、本专利技术采用阵列的拓扑设计方式符合周向裂纹声发射的传播规律。
[0043]3、本专利技术采用每列4个压电陶瓷传感器的设计方式增强了阵列传感的指向性，提高了周向裂纹声发射的可采集性。
[0044]4、本专利技术采用2列的排布方式可借助间距计算来计算声发射的传播时间，便于直接计算周向传播声发射信号的波速，简化了声发射信号的分析难度。
附图说明
[0045]图1为本专利技术的三维建模示意图；
[0046]图2为本专利技术的周向裂纹初步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列，其特征在于，包括印刷电路、设于印刷电路上的柔性聚酰亚胺薄膜、以及设于柔性聚酰亚胺薄膜上的若干个压电陶瓷传感器，若干个压电陶瓷传感器呈阵列分布，每个压电陶瓷传感器的正负引脚均通过环氧树脂固定在柔性聚酰亚胺薄膜的电极上，所述柔性聚酰亚胺薄膜的电极的表面镀有镍层和金层；其中，环焊缝周向裂纹的声发射信号通过柔性聚酰亚胺薄膜的电极、印刷电路和SMA通信端口与信号采集模块连接。2.根据权利要求1所述的一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列，其特征在于，所述压电陶瓷传感器为8个，8个压电陶瓷传感器呈2列排布，每列排布有4个压电陶瓷传感器，每个压电陶瓷传感器并联连接，2列压电陶瓷传感器均通过环氧树脂沿管道环焊缝周向固定。3.根据权利要求2所述的一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列，其特征在于，每个压电陶瓷传感器呈圆形状，每个压电陶瓷传感器的排布方向与管道焊缝方向垂直设置，且若干个压电陶瓷传感器等间距分布，且相邻2个压电陶瓷传感器的中心间距为1cm。4.一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、借助扩展有限元法，研究管道环焊缝周向裂纹的声发射传播特性；步骤S2、建立管道环焊缝周向裂纹声发射阵列模型，分析阵列的波束方向图，确定压电陶瓷传感器的数量；步骤S3、设计2列的压电陶瓷传感器拓扑方式，借助柔性印刷电路技术制造柔性阵列。5.根据权利要求4所述的一种管道环焊缝周向裂纹声发射监测的柔性阵列的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，需借助扩展有限元理论，仿真模拟环焊缝周向裂纹不同扩展过程，提取和分析仿真结果，具体包括：步骤S101、借助有限元建模与分析软件ABAQUS，建立含环焊缝的管道三维数值模型并进行划分网格；步骤S102、为保证环焊缝区域周向裂纹扩展仿真的精确性，需针对拟设置周向裂纹区域的网格尺寸进一步细分：式中d为周向裂纹附近单元网格的最大尺寸，G为钢管材料的临界能量释放率，E为杨氏模量，v为泊松比，f为钢管材料的屈服强度；步骤S103、选取管道环焊缝为裂纹扩展区域，并在此区域定义预制的初始周向裂纹；步骤S104、计...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡泮，华亮，史润苗，王思，沐子轩，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：