基于超声导波声弹特性的非介入式小管径管道压力检测方法与机理研究

As the major components bearing high pressure, the pressure pipeline is widely used in gas, oil, heating, and farm irrigation. Line pressure overload is a disastrous accident, reason for the pressure detection is extremely important in service. This project focused on the developing a novel method for noninvasively measuring small diameter pipeline pressure, studying acoustoelastic and wave characteristics of the pipe under internal pressure, determining the sensitive mode for the pipeline pressure, analyzing the influence factors of pressure detection, demarcating acoustoelstic constant in comprehensive consideration, in order to realize the accurate detection of small diameter pipeline pressure. Specific content mainly includes: Studying the propagation characteristics of UGW in pressure pipeline based on Murnaghan hyperelastic model, revealing the influence mechanism of acoustoelasticity by FEM simulation and experimental verification; establishing modified model of acoustoelastic constants by analyzing the influencing factors of pipeline pressure measurement, such as fluid characteristics and environmental temperature. Forming a novel noninvasive measurment method of small diameter pipeline pressure based on acoustoelastic effect of ultrasonic guided wave As a result, a new idea is provided for noninvasively measuring pipeline pressure, it also can broaden application domain of Structural health inspection using UGW technology.

压力管道作为重要的高压承载部件，广泛用于输气、输油、供热、液压系统及农田灌溉等领域。管道压力超载极易造成灾难性的事故，故对其在役压力检测极其重要。本项目立足发展非介入式小管径管道压力检测方法，研究超声导波在管道承受内压时的声弹波动特性，确定声弹敏感模态，分析压力检测影响要素，综合考虑标定声弹常数，以实现基于超声导波声弹特性的非介入式小管径管道压力检测。具体内容主要包括：基于Murnaghan超弹模型的特征频率法研究压力管道中超声导波的传播特性，通过有限元模拟与试验验证，揭示压力对声弹特性的影响机理；利用理论分析、数值求解与试验的方法，研究液体特性及环境温度对管道压力检测的影响规律，建立声弹常数影响因素修正模型；研制数据采集同步设备，标定声弹常数；综合考虑多种因素，形成基于超声导波声弹特性的小管径管道压力检测方法。本项目在拓宽超声导波结构健康检测应用领域同时，可丰富非介入式管道压力检测方法。

管道压力超载已成为影响机械装备使用可靠性的关键因素，超声导波声弹性效应在压力检测方面具有潜在的优势，可实现非介入式检测。然而，超声导波在考虑管道内压力的影响时，由于需考虑应变能的影响，波动特性较为复杂。为究明管类结构在承受内压时超声导波在其中的传播特性，项目组基于Murnaghan超弹模型建立了具有初始应力条件的非线性波动方程，数值求解了柱面导波在初始应力条件下的频散特性，建立了声弹频散曲线，分析各模态激励频率对压力的敏感性，并对管道内压检测模型进行了数值模拟。研制磁致伸缩传感器与搭建可控式液压管路压力检测试验系统，采用纵向L（0,2）和扭转T（0,1）模态对管道内压检测进行了试验研究，具体研究结果如下：. （1）柱面导波声弹性效应受激励频率影响较大，不同激励频率点声弹系数具有明显的差异，且声弹系数频散较大，适合压力检测的模态与激励频率需综合考虑可激励性、频散性和声弹敏感性。. （2）数值模拟结果表明：L（0,1）模态在频厚积低于0.12MHz.mm时，L(0,2)模态在0.4-0.72MHz.mm频厚积范围内较为适合用于压力检测。. （3）根据导波半波长与频率之间的关系，设计了106kHz的纵向模态导波磁致伸缩传感器与可调频的扭转模态磁致伸缩传感器。采用COMSOL模拟了磁致伸缩传感器激励导波在管道中的传播，为避免端面回波的影响激励传感器与接收传感器的布置距离需大于450mm。. （4）环境温度对声弹压力检测的影响较大，需在实测时标定温度；声弹系数趋势与理论结果吻合性较好，但数值存在较大的偏差；106kHz L(0,2)纵向模态压力检测精度较低；32kHz T(0,1) 扭转模态受压力作用会发生频散；64kHz T(0,1)模态的声弹性效应较强，但误差较大；128kHz T(0,1)模态考虑温度的影响时，可实现管路的非介入式压力检测。. 本研究工作可有效指导试验与工程应用中基于超声导波方法的液压管路压力非介入式测量，对于丰富与探索非介入式压力测量方法和提高机械装备的使用可靠性，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。