水下管道安全性检查中的超声导波技术

　　水下管道和海上竖管是海上石油和天然气生产的基础设施。 由周围海水和管道内容物造成的管道腐蚀是最严重的问题之一。 为了保证这些管道的安全，亟需合适的技术来定期检查海上管道的完整性。

　　由潜水员和水下机器人（ROV）进行的水下管道检查非常传统[1],但 仍然十分有用 . 虽然人眼的识别、理解和分析能力十分重要，但是不能检查管道内部的缺陷，这需要一定的经验。 磁粉检测技术已经广泛应用于检测水下管道的表面断裂[2]. 然 而 ,这项技术需要由潜水员实施 ,并且需要清理检查区域。 漏磁法被用于在线检查，但是不能识别管壁厚度的渐变。 超声检测是另外一种管道缺陷识别方法。 这种方法适用于管壁厚度测量、焊缝检查和内容物及内部腐蚀检测。 但是超声检测法也要由潜水员实施， 而且由于检测时间较长，经济性较差。 除了超声波检测，使用在线检查设备来测量管道的各种特征量也在管道行业获得了持续的认可[3]. 这些设备用来为管道运营商提供信息， 例如管道缺陷的类型和位置。

　　在线设备自行携带电池、录音机和里程表，因此，这些设备的广泛应用常常由于海上管道的各种状况而遇到挑战。

　　超声导波技术是一种用于管道检查的无损检测（NDE）方法，因为它具备传播距离长、省时和成本低等优点，使得这项技术极具吸引力。 几十年来，很多学者都研究了导波测试技术和其在管道检查领域的应用[4]. 导 波检查系统由以下核心部件构成：用于激励和接收导波的传感器阵列；用于把这些传感器夹在管道上的固定装置。 有很多种具有应用前景的传感器技术，用于在管道中激发导波[5]. 但 是 ,在之前的技术中，现存的固定装置不具备灵活性，这也就意味着不同直径的管道检查需要不同尺寸的固定装置，这增加了检查系统的成本。在这项研究中，设计并制造了可拆式传感器系统，产生超声导波来检验水下管道的安全性。 首先，对导波在水下管道上的传播特性进行了理论分析，来为水下管道检查选择合适的导波类型；然后，生产和安装了包括传感器和固定装置的传感器系统。 为了验证现有传感器的性能，进行了一系列的测试。 最后，讨论了实验结果。

　　1 频散特性和模式选择

　　1.1 理论背景

　　Gazis 给 出了各向同性圆管上的波传播频率方程的详细推导。 圆管有无限多个传播模式，这些模式都是频散的。 这些模式叫做纵向模式（L（0,M））、扭转模式（T（0,M））和挠曲模式（F（n,m）），n 是周向阶数，M 是模式数。 导波传播特性被研究了很多年，包括中空的各向同性管道、充满液体的管道和浸入液体的真空管道[4]. 下面简要回顾一下与此相关的研究。

　　如图 1 所示一个无限长的充满并浸入液体的管道。 内径和外径分别为 a 和 b. 如果这是一个各向同性的弹性体，纵向轴对称自由振动位移可以由势能分解所得到，即：ur={-aA1[J1（ar）+Y1A2（ar）]+iζ[J1B1（βr）+Y0B2（βr）]}ei（ax+ζz）（1）uz={iζA1[J0（ar）+Y0A2（ar）]-β[J0B1（βr）+Y0B2（βr）]}ei（ax+ζz）（2）其中，ur和 uz分别是径向和轴向位移分量，Jn（x）和 Yn（x）分别是第一种和第二种阶数 n 的巴塞尔（Bessel）函数。

　　1ufr=-af[J1C1（afr）+Y1C2（afr）]ei（ax+ζz）（3）ufz=iζ[J0C11fr）+Y0C2（afr）]ei（ax+ζz）（4）管道外液体的振动位移分量可以重新写成：

　　ufr=-afH（2）1D1（afr）ei（ax+ζz）（5）ufz=iζH（2）0D1（afr）ei（ax+ζz）（6）等式（1）~（6）中的常数 A1,A2,B1,B2,C1 和 D1 是由管道的侧向边界条件决定的。 考虑以下两种情况：

　　1）浸入液体的真空管道：[σrr,σrz]r=a=[0,0],[σrr,σrz,ur]r=b=[σfrr,σfrz,ufr]r=b（7）
　　
　　2）浸入并充满液体的管道：[σrr,σrz,ur]r=a,b=[σfrr,σfrz,ufr]r=a,b（8）其中，σrrσrz是管道上的应力分量，σfrr和 σfrz是液体中的应力分量。 为方程（7）或（8）得到了齐次方程组的 6 个常量 A1,A2,B1,B2,C1和 D1. 方 程组有解的充要条件是方程组系数行列式的值是零，这导出了导波的频散方程。

　　1.2 频散曲线
　　
　　如图 2 和图 3 所示分别表示充满并侵入无限水中的管道上传播导波的纵向和扭转模式相速度和群速度频散曲线。

　　与在真空中的真空管道上导波的频散特性相比，有以下几点不同：1）水下管道上的导波比真空管道上相同频段的导波包括更多的模式，这就增加了激励单一、纯粹模式导波的难度；2）管道与其中液体的相互作用产生了水下管道上 L（0m）模式的导波，这一模式也可由真空管道上导波的“分裂”而获得，这也意味着导波频散特性更加严重；3）在低频产生了一个新的模式，这一模式由水和管道的相互作用产生，记做α 模式。 Aristégui 等人通过测量波速验证了这个模式的存在。

　　关于 α 模式传播特性的更多资料可以参见参考资料[6]. 对 于T（0,1）模 式 ,如图 3 所 示 ,管道中的水对频散特性几乎没有影响。

　　1.3 模式选择

　　为了简化无损检测中对接收信号的解析，非常需要激励一个单一模式的波。 事实上，在长距离检测中，激励一个无频散频段的模式是至关重要的，否则，随着在结构上的传播，波包的形状将会发生变化， 信号的峰值也会朝着噪声基底衰减。 在所有的导波模式里，L（0,2）和 T（0,1）是实际管道检测中最具吸引力的模式，因为：1）在宽频带上无频散；2）容易激励纯粹的形式， 并不产生任何弹性波；3） 由于位移和应变在管道壁厚度方向上是几乎一致的，所以对于内表面和外表面上的缺陷是同样敏感的。

　　然而，如图 2（b）所示，水下管道上的 L（0,2）模式高度频散。 也就是说，很难在水下管道上激励单一的 L（0,2）模式的导波。 而且，L（0,2）模式在壁厚方向上存在径向位移。 径向位移可以从管道上带走能量，导致导波能量的损失，进而缩短传播距离。对于 T（0,1）模式，如图 3 所示，管道中的水对频散特性几乎没有影响[6]. 此外 ,由于液体不能承载剪切波 ,对于仅由剪切位移构成的 T（0,1）模式，是没有能量泄露到液体中的。 根据以上分析，T（0,1）是用于水下管道检查最具吸引力的模式，本项工作将着重研究这一模式。