多模態(tài)導(dǎo)波工業(yè)管道診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種工業(yè)管道缺陷診斷方法，尤其設(shè)及一種多模態(tài)導(dǎo)波工業(yè)管道診斷 方法，屬于工業(yè)管道安全檢測與防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 各種管道廣泛應(yīng)用于我們的生產(chǎn)和生活中，尤其在電力、石油、化工、天然氣W及 城市自來水等工業(yè)部口，起著重要的作用。但是近年來工業(yè)管道安全問題的嚴(yán)重性已凸現(xiàn) 出來，爆炸傷亡重大事故頻發(fā)，而因泄漏造成的停工停產(chǎn)事故已難計其數(shù)。管道運(yùn)輸安全已 成為影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會安定的一個突出的問題。為了在管道出現(xiàn)缺陷之后能夠最快、最 精確地檢測到缺陷位置所在，亟需一種有效的缺陷檢測方法。多模態(tài)導(dǎo)波管道診斷儀利用 超聲導(dǎo)波檢測管道的缺陷具有快速、經(jīng)濟(jì)、可靠并且無需剝離外包層等優(yōu)點(diǎn)，是管道缺陷檢 測的一種更快、更靈敏、更前沿的發(fā)展方向。
[0003] 多模態(tài)導(dǎo)波管道診斷儀是能夠?qū)崿F(xiàn)對管道缺陷進(jìn)行在線早期診斷的檢測儀器，相 對于傳統(tǒng)的超聲檢測方法其檢測范圍更廣，檢測長度能達(dá)到上百米。超聲導(dǎo)波的檢測原理 是利用傳感器陣列環(huán)在管道上激勵超聲導(dǎo)波，導(dǎo)波在管道壁內(nèi)傳播，其遇到管道內(nèi)的缺陷 時產(chǎn)生回波，通過接收缺陷的回波信號來實(shí)現(xiàn)對缺陷的定位、定量與定性。
[0004] 國外針對導(dǎo)波技術(shù)研究的同時也開發(fā)出相應(yīng)的檢測設(shè)備，如PlantIntegrity公 司生產(chǎn)的長距離油氣管道導(dǎo)波檢測設(shè)備、英國焊接公司生產(chǎn)的Teletest檢測設(shè)備和英國 超聲導(dǎo)波公司的wavemaker檢測設(shè)備等，但是國外設(shè)備僅選用單一模態(tài)的方式進(jìn)行檢測， 無法適應(yīng)不同缺陷對敏感度的要求。另外，國外導(dǎo)波儀器僅對傳感器進(jìn)行單路依次采集，并 非實(shí)時采集。由于運(yùn)用復(fù)雜的算法進(jìn)行處理，整個檢測時間需花費(fèi)10s左右，且國外儀器價 格昂貴，引進(jìn)成本較高。
[0005] 文獻(xiàn)"小型超聲導(dǎo)波管道檢測系統(tǒng)的研究和開發(fā)"，采用的是單模態(tài)進(jìn)行檢測，對 管道不同缺陷的適應(yīng)性較差，該系統(tǒng)采集方法僅對單個傳感器進(jìn)行采集，采集實(shí)時性較差， 并且沒有對后期信號處理技術(shù)進(jìn)行敘述，沒有對缺陷大小和類型進(jìn)行判別。
[0006] 專利CN20299473抓所公開的管道超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)沒有采取多種模態(tài)對管道進(jìn) 行檢測，且對缺陷檢測流程和識別方法未敘述，另外，該系統(tǒng)沒有采取消除反向回波技術(shù)， 無法判斷缺陷的正確方位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種多模態(tài)導(dǎo)波工業(yè)管道診斷方法，該診斷裝置通過多通 道時延信號激勵系統(tǒng)分時分別激勵對稱的L(0,2)模態(tài)導(dǎo)波和對稱的T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波，提 高缺陷檢測的敏感度，當(dāng)調(diào)整傳感器陣列為縱向分布時激勵出軸對稱的L(0, 2)模態(tài)導(dǎo)波， 當(dāng)調(diào)整傳感器陣列為橫向分布時，激勵出軸對稱的T(0, 1)模態(tài)導(dǎo)波，導(dǎo)波在傳播過程中遇 到缺陷時L(0, 2)模態(tài)轉(zhuǎn)換成非對稱的彎曲F(l，3)模態(tài)，T化1)模態(tài)轉(zhuǎn)換成非對稱的彎曲 F(1，2)模態(tài)，獲得回波信號中的轉(zhuǎn)換模態(tài)特征參數(shù)，選擇轉(zhuǎn)換模態(tài)特征參數(shù)進(jìn)行分析，通過 后期算法建立模態(tài)對稱曲線對轉(zhuǎn)換模態(tài)進(jìn)行量化，結(jié)合DAC時程衰減曲線對缺陷進(jìn)行實(shí)時 在線檢測，對管道缺陷的實(shí)時診斷，并對缺陷進(jìn)行定位、定量、定性和早期診斷。
[000引本發(fā)明的目的通過W下技術(shù)方案予W實(shí)現(xiàn)：
[0009] 一種多模態(tài)導(dǎo)波工業(yè)管道診斷方法，多模態(tài)導(dǎo)波工業(yè)管道診斷裝置包括計算機(jī)1、 主機(jī)2、傳感器陣列環(huán)3,所述主機(jī)1包括處理器4、兩個激勵通道5、存儲器6、電源7、模數(shù) 轉(zhuǎn)換器10、調(diào)理電路11、多路采集卡12、轉(zhuǎn)換開關(guān)13、接口設(shè)備14 ;所述激勵通道5包括數(shù) 模轉(zhuǎn)換器8、功率放大器9 ;所述存儲器6、電源7與處理器4相連，所述處理器4與接口設(shè) 備14相連，所述接口設(shè)備14與計算機(jī)1相連，所述處理器4與數(shù)模轉(zhuǎn)換器8相連，所述數(shù) 模轉(zhuǎn)換器8與功率放大器9相連，所述壓電傳感器陣列環(huán)3由3組相同規(guī)格和數(shù)量的傳感 器構(gòu)成，其中兩組為信號激勵環(huán)，分別連接所述兩個激勵通道5的功率放大器9 ;另一組作 為信號采集環(huán)與所述多路采集卡12的輸入端相連，所述多路采集卡12包括5組采集卡，每 組采集卡有8路獨(dú)立采樣通道，采集卡的40路采樣通道分別對接單個傳感器，所述多路采 集卡12的輸出端與調(diào)理電路11相連，所述多路采集卡12的輸出端還與轉(zhuǎn)換開關(guān)13相連， 所述轉(zhuǎn)換開關(guān)13將多路采集卡12輸入的信號并聯(lián)后傳輸至調(diào)理電路11，所述調(diào)理電路11 與模數(shù)轉(zhuǎn)換器10相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器10與處理器4相連；多模態(tài)導(dǎo)波工業(yè)管道診斷方法 包括W下步驟：
[0010] 1)將傳感器環(huán)陣列縱向均勻分布，兩組信號激勵環(huán)間距為C/(4*f。)，其中C為激 勵導(dǎo)波波速，f。為激勵信號的中屯、頻率；
[0011] 2)輸入波形頻率f。、波形的周期數(shù)n、檢測管道長度、傳感器個數(shù)，兩通道的延遲 時間為C/(4*f。)，由計算機(jī)根據(jù)用戶輸入波形頻率和周期數(shù)生成窗函數(shù)調(diào)制的脈沖數(shù)字波 形，傳送至主機(jī)的處理器，波形公式為：
[0012]
[001引y(t)為激勵信號函數(shù)，t為傳播的時間；
[0014] 3)主機(jī)將數(shù)字波形分別送入兩個激勵通道中，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬波形，再 經(jīng)調(diào)理和放大，延時驅(qū)動激勵傳感器陣列環(huán)，激勵出軸對稱L(0, 2)模態(tài)導(dǎo)波；
[0015] 4)采集通道中的采集卡采集單個傳感器上的回波信號，轉(zhuǎn)換開關(guān)用于將單個傳感 器信號并聯(lián)構(gòu)成整環(huán)信號，最終實(shí)現(xiàn)同時采集單個傳感器信號和整環(huán)傳感器信號，然后對 信號進(jìn)行調(diào)理放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，暫存在存儲器；
[0016] 5)提取整環(huán)傳感器信號幅值包絡(luò)線，并對信號進(jìn)行帶通濾波器濾波處理，濾波器 中屯、頻率為計算機(jī)設(shè)置的激勵頻率，帶寬為l〇Ifflz-30KHz;
[0017] 6)W信號采集環(huán)第一次接收的整環(huán)回波信號為起始波，提取起始波的極大值，根 據(jù)導(dǎo)波衰減公式，繪制DAC時程衰減曲線來進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)特征的區(qū)分和缺陷的定量分析， 所述DAC時程衰減曲線包括法蘭DAC時程衰減曲線、焊縫DAC時程衰減曲線、缺陷DAC時 程衰減曲線，當(dāng)整環(huán)回波信號幅值最高點(diǎn)位于法蘭DAC時程衰減曲線W上區(qū)域時，判定回 波信號為法蘭特征；當(dāng)整環(huán)回波信號幅值最高點(diǎn)位于法蘭DAC時程衰減曲線W下和焊縫 DAC時程衰減曲線W上時，判定回波信號為管道焊縫；當(dāng)整環(huán)回波信號幅值最高點(diǎn)位于焊 縫DAC時程衰減曲線W下和缺陷DAC時程衰減曲線W上區(qū)域時，判定回波信號為疑似缺陷； 所述導(dǎo)波衰減公式如下：
[0018] y=e-°'〇2675x
[0019] 7)將采集到的單個傳感器信號根據(jù)模態(tài)對稱算法處理得到模態(tài)對稱曲線，將模態(tài) 對稱曲線和整環(huán)傳感器信號建立在時間幅值圖下，比較某一時間下整環(huán)傳感器信號與模態(tài) 對稱曲線信號的幅值比0，當(dāng)0大于1時，可判定該時刻下存在缺陷；當(dāng)0大于1/2時， 可判定該時刻下具有早期缺陷；當(dāng)0小于1/2時，判定該時刻下沒有缺陷；
[0020] 所述模態(tài)對稱曲線是通過對單個傳感器信號處理所得，用于量化轉(zhuǎn)換模態(tài)幅值， 處理方法為選擇管道截面任意兩個中屯、對稱傳感器波形相互疊加，然后取平均值進(jìn)行繪 審IJ，如W下算法：
[0021]
[0022]N為組成一環(huán)傳感器的個數(shù)，I~ I為單個傳感器接收信號的幅值，Y為經(jīng)疊 加后的波形幅值；
[0023] 8)對所得的缺陷信號進(jìn)行定位分析，T為通過計算確定的缺陷信號距離激勵波的 間隔時間，根據(jù)激勵出的導(dǎo)波波速C，算出管道在L位置存在缺陷，對缺陷進(jìn)行定位分析，定 位公式如下：
[0024] L=CT/2；
[0025] 9)待一次檢測完成后，調(diào)整傳感器陣列環(huán)為橫向均勻分布在管道外壁，重復(fù)上述 參數(shù)設(shè)定，從而激勵出剪切T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波，由于L(0,2)模態(tài)導(dǎo)波和T(0，1)模態(tài)導(dǎo)波針 對不同的缺陷，其敏感度不一樣，為避免對缺陷的漏檢，在激勵兩種模態(tài)情況下選擇模態(tài)對 稱曲線出現(xiàn)峰值的次數(shù)較多的波形作為可信波形。
[0026] 本發(fā)明的目的還可化圍過W下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)：
[0027] 前述多模態(tài)導(dǎo)波工業(yè)管道診斷方法，其中步驟2)所述波形頻率為傳感器的諧振 頻率，波形周期數(shù)n為10,傳感器的個數(shù)為偶數(shù)，且大于導(dǎo)波檢測中彎曲模態(tài)的最高階數(shù)。 [002引前述多模態(tài)導(dǎo)波工業(yè)管道診斷方法，其中步驟6)中確定的缺陷信號極大值位于 缺陷DAC時程衰減曲線W下50%到10%時，診斷為輕度損傷；當(dāng)極大值位于缺陷DAC時程 衰減曲線W下10%到缺陷DAC時程衰減曲線W上10%時，診斷為中度損傷；當(dāng)極大值位于 缺陷DAC時程衰減曲線W上10%到50%時，診斷為嚴(yán)重?fù)p傷。
[0029] 前述多模態(tài)導(dǎo)波工業(yè)管道診斷方法，對所得缺陷信號進(jìn)行定性分析，將缺陷的類 型分為腐蝕和裂紋，通過建立典型缺陷數(shù)據(jù)庫訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提取整環(huán)信號能量值、相關(guān)系 數(shù)、頻譜半高寬、峰度系數(shù)、偏度系數(shù)特征參數(shù)構(gòu)成一維特征向量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層，用 訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采集樣本進(jìn)行測試，進(jìn)行損傷類型實(shí)時判斷。
[0030] 所述傳感器陣列系統(tǒng)包括壓電傳感器陣列、磁致伸縮傳感器陣列、電磁聲傳感器 陣列。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0031] 1)針對缺陷對不同模態(tài)的敏感度的差異，本發(fā)明通過改變傳感器陣