导波

更新时间:2022-05-02 19:49

导波, 是井内波场中斜射到井壁上,在井壁间多次反射和沿井传播,并径向干涉的那些波。对于地层横波速度大于井中流体波速的硬地层,井中以大于横波全反射角射向井壁的波,即使经过井壁间多次反射,能量也不会散失到井外,这部分波径向干涉形成驻波所对应的导波,沿井传播没有衰减,统称为传播模式。伪瑞利波和斯通利波就属于这一类。

发展历史

国外起步较早,通过建立导波理论解释物理现象,再应用到无损检测领域。目前导波激励方法的研究更多集中在传感器的选择上,其中以压电传感器最为普遍。此外还有压电薄膜技术(PVDF)、磁致伸缩技术和电磁(EMAT)技术。

由于研究波导结构中导波同缺陷关系问题的复杂性,因此对管道传播特性和缺陷检测原理,目前主要通过数值计算的方法研究理想条件下导波同结构中待检测缺陷的相关关系。

目前研究导波问题主要通过两种数值计算方法:有限元法和边界元法。

导波介绍

在无限均匀介质中传播的波称为体波,体波有两种:一种叫做纵波(或称疏密波、无旋波、拉压波、P波);一种叫做横波(或称剪切波、S波),它们以各自的速度传播而无波形耦合。

而在一弹性半空间表面处,或两个弹性半空间表面处,由于介质性质的不连续性,超声波经过一次反射或透射而发生波形转换。随后,各种类型的反射波和透射波及界面波均以各自恒定的速度传播,而传播速度只与介质材料密度和弹性性质有关,不依赖于波动本身的特性。然而当介质中有多于一个的界面存在时,就会形成一些具有一定厚度的“层”。位于层中的超声波将要经受多次来回反射,这些往返的波将会产生复杂的波形转换,并且波与波之间会发生复杂的干涉。

若一个弹性半空间被平行于表面的另一个平面所截,从而使其厚度方向成为有界的,这就构成了一个无限延伸的弹性平板。位于板内的纵波、横波将会在两个平行的边界上产生来回的反射而沿平行板面的方向行进,即平行的边界制导超声波在板内传播。这样的一个系统称为平板超声波导。在此板状波导中传播的超声波即所谓的板波。

板波是超声无损检测中最常用的一种导波形式,由20世纪初究无限大板中正弦波问题而得名。除此之外,圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波导。其共同特性是由两个或更多的平行界面存在而引入一个或多个征尺寸(如壁厚、直径等)到问题中来。在波导中传播的超声波称为超声导波,在圆柱和圆柱壳中传播的导波称为柱面导波。

那些以小于横波全反射角射向井壁又多次在井壁间反射的波,每在井壁反射一次,就会有部分能量透射到井外,这部分波在井内传播径向也产生干涉效应形成导波。由于能量不断的被泄漏到井外,这类导波是衰减的,称为泄漏模式波,或简称漏模。以纵、横波临界角射向井壁的反射波,称为回响波,也构成导波的一部分。

分类及形成

当介质中有一个以上的交界面存在时,就会形成一些具有一定厚度的“层”。位于层中的超声波将要经受多次来回反射,这些往返的波将会产生复杂的波形转换且波之间发生复杂的干涉。若一个弹性半空间被平行于表面的另一个平面所截,从而使其厚度方向成为有界的,这就构成了一个无限延伸的弹性平板。位于板内的纵波、横波将会在两个平行的边界上产生来回的反射而沿平行板面的方向行进,即平行的边界导致超声波在板内传播。这样的一个系统称为平板超声波导。除此之外,圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波导。在波导中传播的超声波称为超声导波。

导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射,并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。分为圆柱体中的导波以及板中的SH波、SV波、兰姆波(Iamb)和漏兰姆波,导波的实质是一种以超声频率或声频率在波导中(如管、板、棒、绳等)平行于边界传播的弹性波。导波实际上是一系列谐波的叠加。

导波的最基本的参数为群速度和相速度

相速度:单个质点传播方向的速度;

群速度:弹性波的包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度波能量的速度。

导波检测技术

概念

导波检测技术就是利用导波在传播过程中如果遇到缺陷或边界就会被反射回来的原理。

优越性

1.只要在管道上某一段部位(约0.5米长)安装探头卡环,便可对卡环两侧各数十米长度的管道进行100%的快速检测。

2.可以检测空中和水下管道而无需在空中或水下作业 。

3.可以检测被保温或绝热材料包覆的管道,除安放探头的位置外,无需破坏包覆层

4.可以检测难以接近区段的管道,例如有管夹,支座,套环的管段,被墙壁,容器壁,其它管子或结构件阻碍的管段,桥梁下的管道以及穿越道路,堤坝的管道,而无需破坏造成障碍的结构。

5.可在运行状态下进行在线检测。

6.检测现场无需用电,无污染、不影响周围工作,2~3人即可进行操作,每天检测长度达5公里(视现场条件)。

设备

导波检测设备主要由计算机处理单元、导波收发装置、探头组模块三大部分及其它辅助工具组成。

实际应用

导波容易检出的缺陷包括局部腐蚀,冲蚀,机械损伤,成群的点蚀以及环向裂纹。对均匀腐蚀,个别点蚀,轴向裂纹,焊缝中的小缺陷则不敏感。但如果轴向裂纹和焊缝中的缺陷足够大,也是可以检出的。

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