基于磁致伸缩效应的换热管导波振动检测理论与方法研究

With the implementation of the petrochemical, nuclear and other key projects, how to detect a large number of heat exchanger tubes quickly and accurately during the shutdown period is a problem. The guided wave testing method can be applied to detect the tubes quickly, but the detecting precision cannot meet the requirements. As the length of the heat exchange tube is finite, the magnetostrictive guided wave vibration method is proposed based on the new phenomena observed in the formation and attenuation of the steady-state vibration with the magnetostrictive guided wave excitation. In this method, the excitation frequency is greater than 10 kHz. And the number of cycles of the excitation is several thousands which make finite length heat exchanger tubes to the steady vibration. The time- frequency characteristics in the formation and attenuation process of the steady-state vibration with the magnetostrictive guided wave excitation is studied and the relation between the defects and the vibration response is established to explore a high precision testing method for the heat exchanger tubes. The main works includes: studying vibration characteristics of the finite length hollow cylinder under the long time guided wave excitation; establishing the model of the zero-state response and the zero-input response of the finite length hollow cylinder with the guided wave excitation; studying the characteristics and laws of defects in the system response; studying the signal processing method to extract the defect characteristics from the experimental and simulated signals. The results of this project will provide a new idea for the guided wave testing method.

随着石化、核电等重大工程的实施，如何在检修期间实现大量换热管的快速检测是一个难题。虽然导波检测技术能够实现换热管的快速检测，但无法满足检测精度要求。针对换热管长度有限这一特点，本项目以磁致伸缩导波激励下换热管稳态振动形成和衰减过程中观察到的新现象为基础，提出换热管磁致伸缩导波振动检测方法，其特色在于激励信号频率大于10kHz，周期数达几千个，足以让换热管达到稳态振动。通过研究换热管磁致伸缩导波激励下稳态振动形成和衰减过程中的时频特性，建立缺陷与振动响应之间的联系，探寻一种换热管高精度检测方法。主要研究内容包括长时导波激励下有限长空心圆柱体的振动特性、导波激励下有限长空心圆柱体振动的零状态和零输入响应模型、缺陷在零状态和零输入响应过程中的表征及其规律、以实验和仿真信号为基础提取缺陷特征的信号处理方法。本项目的研究成果将为导波检测提供一种新思路。

换热器在石油、化工、核电等重大工程中作为重要的能量交换装置，其完整性对于保证产品质量，有效利用能源具有重要作用。而换热管则是承载这一功能的关键部件，如何在有限的检修期间实现大量换热管的快速检测是一个难题。本项目在磁致伸缩伸缩瞬态导波检测技术和换热管长度有限这一特点的基础上，研究了换热管长时激励下的磁致伸缩导波检测方法。由于长时激励下输入的能量远大于脉冲激励，所以该方法可实现换热管的高精度检测。本项目主要研究的内容为：（1）在圆柱体波动方程的基础上，结合轴向有限长边界条件求解了无输入和长时简谐波输入下有限长空心圆柱体的三维波动方程，研究了有限长空心圆柱体纵向振动输入下的自由振动特性和强迫振动特性，确定了强迫振动主要包含激励频率和管道纵向固有频率而自由振动特性仅包含管道纵向固有频率的特征。由于激励频率能量较大，且在稳定振动阶段仅有振幅和频率这两个特征信息量有限，而自由振动阶段存在多个固有频率且各频率的幅值随着时间变换包含了较丰富的信息，确定了利用自由振动阶段的固有频率进行缺陷检测的基本特征。（2）利用半解析有限元方法建立基于零状态和零输入响应的导波振动检测模型，通过控制输入信号的时长（周期数），研究了稳态振动的形成过程。利用零状态响应研究了稳态振动形成的系统响应特性，前阶段信号由两部分组成即激励频率和特定的固有频率，后阶段仅包含激励频率；利用零输入响应研究了信号衰减阶段的系统响应特性，该阶段信号仅包含特定的固有频率。（3）利用模型确定了缺陷的表征和规律，稳态导波检测方法主要依据检测位置质点稳态阶段的振动状态对缺陷定位，削弱了导波频散和多模态特征对检测信号的影响；缺陷对应位置质量的减少，影响了特定固有频率和对应衰减速度，而衰减速度与缺陷大小成单调关系，另外固有频率也随着缺陷大小发生偏移。（4）利用互相关方法的信号增强方法，通过波源的方向控制实现了波源分解提高检测信号的信噪比。研究了稳态导波形成过程中系统Lyapunov指数与缺陷的对应关系，缺陷的产生将导致Lyapunov指数由负数变为正数，从而为小缺陷检测提供了支持。本项目在理论上通过以上研究建立了瞬态导波和稳态振动之间的联系，得到了整体振动和局部波动的规律，扩展了波动和振动理论；在应用上得到了长时激励下有限长管道的缺陷表征及规律，为换热管的快速检测提供了支撑。