闭合裂纹振动声调制检测机理及在承压管道检测中的应用研究

由于长期运行在高温、高负荷及腐蚀性介质等恶劣环境中，工业管道及接头处是应力腐蚀裂纹的易发区。而闭合裂纹是一种危害性很大的不稳定性缺陷，在设备运行条件下，即使很小的裂纹，在交变应力、温度等因素作用下，也可能迅速扩展，发生突然断裂，导致灾难性事故的发生，成为影响工业生产安全运行的最大隐患。因此，研究承压管道闭合裂纹无损检测技术具有重要的学术意义和工程实用价值。本课题提出一种承压管道闭合裂纹振动声调制检测方法，主要研究内容包括：低频振动、高频超声与裂纹界面相互作用理论分析，并考虑裂纹表面微观形貌分布特性对超声反射系数及界面刚度的影响；重点进行承压管道闭合裂纹振动声调制检测影响因素试验研究，如低频振动和高频超声的模态和频率、闭合裂纹状态等；同时对闭合裂纹振动声调制检测特征参数表征方法进行研究，提出一种振动声调制闭合裂纹多参数综合评价方法，为电力、石油、化工等领域承压管道无损检测提供技术支撑。

由于长期运行在高温、高负荷、腐蚀性介质等恶劣环境中，工业管道及接头处是应力腐蚀裂纹的易发区。而微（闭合）裂纹是一种危害性很大的不稳定性缺陷，在设备运行条件下，即使很小的裂纹，在交变应力、温度等因素的影响下，也可能迅速扩展，产生突然断裂，导致灾难性事故的发生，成为影响工业生产安全运行的最大隐患。因此，针对电力、石油、化工等行业设备安全运行需要，本项目进行闭合裂纹非线性超声检测方法研究，取得主要成果如下：.1)建立了低频振动、高频超声与闭合裂纹相互作用理论模型，揭示了振动声调制闭合裂纹检测机理。在此基础上，扩展了振动声调制检测方法的基本内涵，提出了一种包涵振动声调制和混频调制两类检测模式的非线性超声调制检测方法；.2)通过理论分析与检测试验，研究了超声调制检测参数，如调制波类型（振动/超声）、激励频率、激励幅值、加载模式（同侧/异侧）等，对闭合裂纹超声调制检测效果的影响。结果表明，超声调制效果受这些检测参数综合影响，其中，检测频率的影响最大。为获得最佳的检测效果，对于振动声调制检测，低频振动和高频超声频率应分别选择在其低频谐振和高频超声谐振频率处；对于混频调制检测，应选择两高频超声信号的激励频率，使得非线性响应中差频分量幅值及和频分量幅值取极大值；.3)开展了闭合裂纹超声调制特征参数表征方法研究。将小波变换应用于振动声调制非线性响应的分析处理，结果发现，小波变换时频分布及高频超声频率处瞬时幅值的特征频率分量可用于结构微裂纹的表征；将双谱分析应用于混频调制非线性响应的分析处理，结果发现，双谱分布中的差频分量及和频分量可用于结构微裂纹的表征；.4)将超声调制应用于板、管及梁等金属构件微损伤检测，结果表明，振动声调制可以实现板中板及管中微裂纹等接触缺陷检测；混频调制技术可以实现梁中疲劳微裂纹定位及定量检测，同时，混频调制技术还可用于管道热损伤的定量评价。. 通过项目研究，发展了一种超声调制非线性检测方法，实现了板、管及梁等金属构件微裂纹及热损伤的定量检测，为工业构件早期损伤评价提供了一种可行的技术方案。