清華大學張宇：油氣儲運設施缺陷磁聲陣列導波散射成像方法研究

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油氣儲運設施缺陷磁聲陣列導波散射成像方法研究

張宇

導師：黃松嶺

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項目背景

金屬板材在工業生產中應用十分廣泛，鋼板是構成油氣儲罐等油氣存儲設施的重要結構。我國浙江鎮海、遼寧大連等的石油戰略儲備基地已建成多台儲量達10萬立方米的原油儲罐，我國的石油儲備能力在2020年前將提升至8500萬噸左右。然而，這些設備中的金屬板材在長期運行過程中，介質腐蝕、材料老化、地質災害、外力衝擊及意外事故等不可避免會使其產生缺陷，若未及時進行檢測修復，會對這些設備的安全穩定運行造成極大的負面影響，極易導致介質泄漏，甚至引起火災和爆炸，造成嚴重的環境污染、經濟損失甚至人員傷亡。為了及時發現金屬板材中存在的缺陷，並採取措施避免事故的發生，維護其安全穩定運行，需要按時對金屬板材等結構件進行檢測，這對於確保人民生命財產安全、保證正常的工業生產生活具有重大意義。

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相關技術簡介

工業在役鋼板的在線檢測方法主要包括渦流檢測、漏磁檢測及超聲檢測等，但每種方法都有自身的適用範圍及局限性。渦流檢測和漏磁檢測由於原理上的特點，難以有效檢測出材料內部的微小裂紋；超聲檢測技術具有穿透能力強、缺陷定位準確度高、靈敏度高、檢測速度快等優點，但常規超聲體波逐點掃描的工作方式難以對大規模金屬板構件進行檢測，而且對多種服役環境探頭無法直接接觸到的金屬板構件更是束手無策。超聲體波在金屬板等波導中傳播時，受波導邊界束縛並經過複雜的反射、干涉及波型轉換，可形成沿波導延伸方向傳播的超聲導波。超聲導波具有衰減小、傳播距離遠、聲場100%覆蓋構件厚度、易於調節導波模態等特點，可實現單端激勵、長距離檢測以及複雜結構和服役環境金屬板構件的持續監測，從而能極大提高檢測效率，具有廣闊的應用前景。

金屬板材結構件檢測工程中，大多只能判斷缺陷的有無並確定其位置，然而更重要的是獲得缺陷的尺寸乃至輪廓形狀等定量化的信息，這些定量信息是評價金屬板材結構健康狀況、指導其維修和維護工作的重要依據。缺陷量化通常採用基於缺陷當量尺寸的直接量化方法，即將與真實缺陷波形特徵相同的標準缺陷的尺寸作為真實缺陷的近似尺寸，可根據需要建立導波檢測的標準缺陷資料庫。這種直接量化方法受限於所能得到的信息量只能獲得近似的求解結果，有時與缺陷真實尺寸差距較大。隨著對金屬板材構件安全的要求日益嚴格，其檢測工程已不能滿足於常規的判斷缺陷有無及獲得缺陷當量尺寸層面，缺陷定量描述必須向缺陷輪廓形狀描述、缺陷高精度成像、缺陷檢測結果可視化方向發展。

在工業金屬板材結構件內傳播的低頻超聲導波一般用於對大面積、長距離結構件進行缺陷掃查；長期以來，若要求對超聲導波檢測出的缺陷進行細緻入微的檢測或成像一般需要藉助於其他方法。而近年來提出的超聲導波成像檢測技術為缺陷的高精度檢測提供了解決方案，使得採用超聲導波對工業金屬板材結構件進行大面積、長距離缺陷掃查的同時，有望實現對缺陷的高精度成像檢測。但由於磁聲換能器換能效率較低，導致缺陷檢測信號信噪比較低，不利於缺陷成像。因此，有必要建立基於磁聲陣列的導波成像檢測方法，從多角度進行陣列所包圍區域的導波檢測，為缺陷的高精度成像提供更為豐富、準確的缺陷信息。

當導波遇到缺陷發生較強程度的散射時，散射的影響和作用佔主導地位，散射作用會使傳統導波成像方法重建的缺陷圖像中產生較多贗像，造成檢測盲區，嚴重影響了金屬材料結構件的缺陷定位及成像精度；雖然有些模式分類及信號處理方法試圖減弱散射檢測信號的影響，但達到的效果並不明顯，並沒有從根本上解決問題，治標不治本。另一方面，實際缺陷的形狀和散射特徵多種多樣，傳統固定式和規則式的感測器陣列結構無法保證對實際缺陷散射特徵的最佳匹配度和靈敏度，導致對實際缺陷的成像精度十分有限。因此，有必要研究基於導波散射的金屬板材缺陷磁聲陣列成像方法。由於導波與缺陷作用機理複雜、缺陷形狀及散射特徵多樣，使得金屬板材缺陷導波散射成像領域的研究缺乏完整的模型和理論指導，特別導波散射缺陷成像模型和演算法、陣列結構與缺陷形狀的關聯映射關係、導波檢測信號走時提取方法等方面仍存在大量的基礎理論問題亟待研究和解決。對這些核心基礎理論問題的深入研究和解決，是金屬板材結構件缺陷導波散射成像檢測的基礎。

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本文的主要研究內容及體系結構

針對上述問題，本文主要研究內容如下：

（1）提出了一種基於磁致伸縮的鋼板SH導波方向可控EMAT。針對鋼板缺陷導波散射檢測對導波模態和特性的需求，研究了鋼板SH導波的傳播特性，選擇了合適的SH導波模態和工作點，對基於磁致伸縮的鋼板SH導波EMAT理論基礎進行了分析，建立了基於鎳帶和回折線圈的EMAT結構；提出了一種全新的基於磁致伸縮的鋼板SH導波方向可控EMAT，對該EMAT的設計思路、預期性能、組成結構、尺寸參數等進行了詳細闡述，並闡明該方向可控EMAT的工作原理和可行性；通過試驗對設計和研發的方向可控EMAT按照一定方向在鋼板中進行SH導波的激發方向聚焦性、在各個方向進行鋼板SH導波激發的幅值或信號強度的一致性等關鍵性能進行了研究和驗證。

（2）提出了窄帶電磁超聲導波檢測信號模態識別和走時提取方法。針對時域混疊不同模態導波檢測信號解釋和分析難題，提出了EMD模態分離和識別方法，研究了其固有模態函數對不同模態導波檢測信號的表徵能力，並研究了在單一模態和多模態工作模式下對SH導波檢測信號的模態分離和識別；基於窄帶電磁超聲導波檢測信號的時頻特徵，提出了一種時頻能量密度析出走時提取方法，並研究了其對導波傳播距離、導波工作頻率和導波頻散特性的靈敏度，實現了窄帶電磁超聲導波檢測信號的走時高精度提取；搭建了鋼板缺陷導波散射檢測試驗平台，對提出的EMD模態識別方法對缺陷導波散射檢測信號的模態識別能力、時頻能量密度析出走時提取方法對缺陷導波散射檢測信號的走時提取精度進行了試驗驗證。

（3）提出了一種定向發射-全向接收磁聲陣列導波散射成像方法。研究了導波與缺陷輪廓邊界發生散射作用的過程，定義了散射點來建立導波散射過程與缺陷輪廓的關係，研究了散射點位置求解的唯一性條件，提出了一種定向發射-全向接收磁聲陣列導波散射成像解析模型；對於鋼板缺陷的實際檢測過程，建立了包含多個方向可控發射EMAT及其發射角度的缺陷輪廓定向發射-全向接收磁聲陣列導波散射成像計算模型和方法步驟；搭建了鋼板規則輪廓缺陷和複雜輪廓缺陷的定向發射-全向接收磁聲陣列導波散射成像模型和方法試驗驗證平台，對提出的定向發射-全向接收磁聲陣列導波散射成像模型和方法重建缺陷輪廓的準確度進行了試驗驗證。試驗結果表明，定向發射-全向接收磁聲陣列導波散射成像方法對規則輪廓缺陷的平均輪廓誤差均在2%以內，對複雜輪廓缺陷的平均輪廓誤差僅為2.21%，能夠對鋼板缺陷的輪廓進行高精度重建。

（4）提出了一種全向發射-全向接收磁聲陣列結構優化及導波散射成像方法。建立了一種全向發射-全向接收磁聲陣列導波散射成像模型，引入導波檢測信號強度隨導波傳播距離的變化關係，通過導波散射衰減係數定量描述了缺陷邊界輪廓散射對導波信號強度的衰減作用；提出了一種全向發射-全向接收磁聲陣列導波散射成像的磁聲陣列結構優化模型，建立了磁聲陣列結構調整前後的導波散射缺陷計算輪廓曲線數據融合方法；搭建了鋼板規則輪廓缺陷和複雜輪廓缺陷的全向發射-全向接收磁聲陣列導波散射成像和磁聲陣列結構優化調整模型和方法試驗驗證平台並進行試驗驗證。試驗結果表明，提出的全向發射-全向接收磁聲陣列導波散射成像方法對規則輪廓缺陷及複雜輪廓缺陷具有較高的輪廓重建精度，經過陣列結構優化調整，規則輪廓缺陷的平均輪廓誤差均在2.5%以內，對複雜輪廓缺陷的平均輪廓誤差為2.67%，實現了對鋼板缺陷輪廓的高精度成像。

本文的整體研究框架如圖1所示。

圖1 本文的整體研究框架

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本文的主要創新點

（1）提出了一種基於磁致伸縮的鋼板SH導波方向可控EMAT，對於採用EMAT和超聲導波檢測鋼板缺陷提供了全新的智能化解決方案。

（2）提出了窄帶電磁超聲導波檢測信號模態識別和走時提取方法，尤其是提出了一種時頻能量密度析出走時提取方法，實現了導波檢測信號走時的高精度提取。

（3）提出了一種定向發射-全向接收磁聲陣列導波散射成像方法，奠定了通過散射點求解缺陷輪廓的理論基礎。

（4）提出了一種全向發射-全向接收磁聲陣列結構優化及導波散射成像方法，首次提出磁聲陣列結構動態優化模型。

團隊介紹

張宇(1990)，男，博士，2017年於清華大學電機工程與應用電子技術系獲博士學位。獲得學術獎勵包括：第43屆日內瓦國際發明展覽會銀獎，中國無損檢測學會斯耐特獎。研究方向為電磁超聲導波檢測。Email: thuzhangyu@foxmail.com。

清華大學電機系趙偉教授、黃松嶺教授團隊目前主要從事現代電磁測量理論、方法和技術，以及無損檢測與評估、油氣管道缺陷在線檢測、漏磁檢測、電磁超聲導波檢測、渦流檢測等領域的研究工作，長期在跨學科層次上從事關鍵基礎科學問題的研究。近年來，團隊共主持並承擔了國家重大科學儀器設備開發專項項目1項和國家自然科學基金6項，以及863專項項目、鐵道部重點項目、國家科技支撐計劃課題和國際合作項目多項。獲得省部級和行業科技獎勵10餘次。團隊發表論文200餘篇，其中被SCI檢索60餘篇、EI收錄90餘篇，出版專著及教材10部，獲發明專利30餘項。

聲明

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