管道中T(0,1)模态导波检测技术的发展与应用现状

赵满全，栗霞飞，刘飞，刘晓东，杜兰

管道中T(0,1)模态导波检测技术的发展与应用现状

赵满全，栗霞飞，刘飞，刘晓东，杜兰

(内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古呼和浩特 010018)

超声导波具有检测速度快、检测范围广等优点，被广泛应用于各类缺陷的检测。而扭转模态作为超声导波的一种对称模态，具有频散小、能量集中、信号单一且易于分析的特点。综述了近年来扭转模态的发展历程，从T(0,1)扭转导波的传播与检测原理入手，对比各类激励探头的激励原理与效果，并对其进行优缺点分析。通过分析导波模态的选取原则和导波在单层管道、双层管道和充液管道中传播的性质，总结激励频率、液体粘度、液体密度等因素对扭转模态导波在管道中传播的影响，进而明确扭转模态的适用范围及适用的信号处理方法，对于今后扭转模态的发展具有借鉴意义。

超声导波；T(0,1)；模态；激励信号

0 引言

由于管道在各行各业中被广泛使用，使得管道的检测成为学者们最关心的问题，由于管道传输的是腐蚀性液体且被长期埋藏于地下，使得管道的使用寿命在逐渐减小[1]。目前多数管道的检测采用逐点扫描的方法，如涡流法、常规超声法和射线检测法等，这些方法效率低，难以实现复杂部位的检测[2]。超声导波是一种广泛使用的损伤检测工具[3]。导波在传播过程中衰减小，可以传播几十米远，具有检测范围广、传播速度快等优点[4-5]。管道中导波的传播方式主要有纵向模态、扭转模态和弯曲模态。纵向模态对管道的周向缺陷敏感，适用于周向裂纹的检测，但是对纵向裂纹不敏感。扭转模态的导波恰好弥补了这种缺点[6]。

帝国理工大学的ALLEYNE等[7]、WILCOX等[8]、LOWE等[9]利用脉冲回波法对长距离管道进行快速检测。DEMMA等[10]研究了单层管中T(0,1)模态对周向缺陷的敏感性。从明等[11]采用转角加载和扭矩加载的方式成功激励出扭转导波模态，并提高了缺陷定位的精度，得出了T(0,1)扭转导波在弯管中的衰减更大这一结果。南安普敦大学的ZEGHARI等[12]研究了扭转导波检测小直径埋地管缺陷的频散特性，发现模态转换会引起高频传播中的混响水平，而且还与换能器的数量有关。

马书义等[13]利用新研制的传感器阵列研究了扭转模态在小口径管中传播的性质，并能够有效识别缺陷，刘增华等[14]利用小组研制的厚度切变型压电陶瓷成功激励出了T(0,1)模态扭转导波。诺丁汉大学的AMIR等[15]探讨了使用方波脉冲串作为粘度传感器来驱动信号源，并提出了一种全自动模拟方波前端的设计，为导波传感器的研发奠定了基础，并启发了在这种应用中利用方波序列的编码激励技术的可能性。

在工业管道较旧的区域存在具有高斯厚度分布的腐蚀区域，导致在检测过程中形成背景噪声，DOBSON等[16]利用有限元方法模拟了扭转导波在粗糙管道中的传播效应，发现当能量散射的模式接近于截止频率时，模态转换达到最大，且模态转换随表面粗糙度的增加而增多，在较大直径管道会发生更多的模态转换。KWUN等[17]研究了涂层管道中扭转导波的衰减情况，发现涂层管道的衰减系数比裸管中的衰减系数大一个数量级，并且随着频率近似线性增加。土层覆盖深度也会影响衰减量。

大多数国内外学者从扭转导波传播的机理、影响因素及其在各种介质中传播的性质方面来研究[18]。由于导波具有多模态和频散的性质，激励频率越高，频散现象就越严重，所以为了得到单一的扭转模态，抑制其他干扰模态的产生就成了研究的重点。随着技术的进步，扭转模态导波将逐渐朝着实用方向发展[19-20]。

1 扭转模态导波检测原理

1.1 检测原理

图1为检测实验原理图。实验材料装置包括带有缺陷(周向缺陷、轴向缺陷、焊缝和弯管内、外侧缺陷)的管道、计算机、数字示波器、任意波形发生器、功率放大器和转换开关[21-23]。大多数学者采用的都是这种同端接收、同端发射的装置，也有一些学者采用异端接收，但最终的目的还是一致的。

1.2 波动原理

图1 检测原理图

图2 双层管结构示意图

当波在任意单层管中传播时，无论该层为何种介质，均满足Navier 位移运动方程[24]，即

2 扭转导波研究进展

2.1 激励方法的选取

纵观近10年的研究工作可以发现，扭转模态导波的激励，基本都是通过研制相应的传感器来实现的。可以实现该模态激励的传感器种类主要有压电式、电磁式和磁致伸缩式[24]。其中电磁式传感器主要有两种类型，分别是洛伦兹力式和磁致伸缩式[25]。

2.1.1 压电式传感器

压电式传感器的工作原理是压电效应，具有体积小、重量轻及灵敏度高的特点，压电式传感器与被测件需要进行液体耦合或者干耦合(不需要耦合剂)[26]。常用的具有压电效应的传感器是压电陶瓷(多晶体)和压电片。压电传感器能经受的检测温度基本在125℃～160℃范围内。马书义等[27]通过将压电片(厚度剪切型压电陶瓷晶片)进行环向布置来激励T(0,1)模态导波，环向均匀布置可以抑制弯曲模态等其他不对称模态的产生，布置方式为：长度方向沿管线周向方向，振动方向布置为沿管线切向方向。如图3所示[28]，传感器阵列所使用的压电片数量要大于导波激励频率处所出现的F(,)模态最高阶数。

图3 传感器阵列图

利用此传感器不仅可以检测出管道中存在的缺陷，还可以探测到管道支撑部位的回波信号，结合其他信号可以有效辨识支撑部位缺陷的情况[28]。刘增华等[29]为了激励T(0,1)模态，选用了厚度切变型压电陶瓷传感器作为导波激励、接收的探头。如图4所示，为了使探头更好地与管道耦合，将探头一端加工成弧面，弧面半径大小等于管道半径[30]。各压电片布置成环状，压电陶瓷环在信号的激励下，在厚度方向产生切变振动，在管壁产生剪切力，从而可以激励、接收T(0,1)模态。何存富等[31]利用厚度剪切压电陶瓷片研究了内层为液体、管道和杆等三种不同的双层管中激励扭转导波的实验，实验结果与理论结果吻合，证明了厚度剪切压电陶瓷片的有效性。

图4 厚度切变型压电陶瓷片

2.1.2 电磁式传感器

采用电磁式传感器不仅可以激励导波信号，还能接收导波信号。整个过程基于两个物理量：洛伦兹力和磁致伸缩力[32]。电磁式传感器通过电磁耦合的方式在管道内部激发、接收导波信号。因此省去了耦合剂，也省去了试件预处理的过程。激励原理如图5所示[33]，线圈放置在磁铁和待测板之间，在板上会产生与导线中电流方向相反的感应电流，感应电流在磁铁提供的静磁场作用下，会产生洛伦兹力，由于洛伦兹力的交替作用，使得板内的质点振动，从而产生SH波。质点振动引起磁场变化，从而使线圈两端的电压发生变化。磁致伸缩传感器结构的形式也是由线圈和磁场组成，不同的是磁铁分布于回折线圈的两边，永磁铁提供的静态偏置磁场方向与铁磁性材料上的感应电流方向平行，因此不会产生洛伦兹力。铁磁性材料的机械变形会使磁场发生变化，从而使线圈中的电流发生变化。利用铁磁性材料的力-磁换能效应可以实现导波的激励与接收，增加线圈的匝数可以增加磁场的强度，如图6所示[34]。RIBICHINI[35]通过试验和仿真，洛伦兹力传感器比磁致伸缩的信号幅值高，而且对材料特性不敏感，适合用来研制激励T(0,1)模态的传感器。

(a) 激励 (b) 激励SH波原理(俯视图)

(a) 激励 (b) 激励SH波原理(俯视图)

KWUN等[36]研制了磁致伸缩传感器，并在钢管中激励扭转模态；龙盛蓉利用有限元软件对磁致伸缩传感器进行了仿真；李志农等[37]用通电的线圈缠绕在管壁上激励动态磁场来产生扭转模态，为了验证仿真的准确性，搭建了实验台，利用功率放大器、A/D转换器、信号发生器对激励的信号进行检测与转换。磁致伸缩效应不仅针对铁磁性材料，而且对非铁磁性材料，如不锈钢等也有作用。朱龙翔等[38]研究了磁致伸缩效应对不锈钢缺陷的检测能力，将传感器固定在铁钴条带，将铁钴条带与轴线成45°方向缠绕在管道上，由于条带的磁导率远远大于不锈钢管道的磁导率，因此管道内磁场方向沿着条带方向，进而在管道中激励出扭转模态，研究表明磁致伸缩传感器可以检测出不锈钢管道存在的缺陷。朱龙翔等[38]利用ANSYS有限元软件对管道周围的节点施加沿和方向的位移，和位移便是沿管道切向。

2.2 模态的选取

超声导波在管道中传播时，会产生三种模态：纵向模态、扭转模态和弯曲模态。纵向模态和扭转模态为对称性模态，弯曲模态为非对称性模态。由于超声导波具有频散和多模态的特性，所以选择一个非频散、易激发的模态至关重要[39]。图7为导波在外径为60 mm，壁厚为3.5 mm的管道中传播的频散曲线，图8为扭转模态的频散曲线图[29]。由图8可以看出，频散曲线图中存在低阶、高阶各种模态，只有T(0, 1)模态至始至终都是一个速度，没有截止频率，没有发生频散现象。而且T(0, 1)的非频散性质使得其具有较宽的检测频率范围，具有传播距离远且不变形的特点。在低频下激励T(0, 1)扭转模态导波时，只有T(0, 1)模态存在，信号集中性强，便于采集、处理信号。ROSE[40]研究了扭转模态导波在充水和未充水管道中的传播特性，研究结果表明，扭转导波在两种管道中的频散曲线一致；又研究了导波在水和其他粘性液体中的传播特性，结果依然一致，说明粘性液体对扭转模态导波的频散、多模态特性没有影响。实验时模态的选取非常重要，不仅要考虑频散性，还要考虑其对研究的响应程度，频散小、响应程度高的模态，才能被用来实验研究。

图7 管道中不同导波模态的频散曲线

图8 扭转模态频散曲线[29]

2.3 传播特性研究

刘增华等[29]研究了T(0,1)扭转模态导波在双层管中的传播特性，实验采用的双层管分别为：内层为管道、内层为杆和内层为液体。理论分析得到，通过改变双层管中频散方程的系数来获得这三种频散方程，实验结果表明，在内层为管道和杆(粘性液体)的情况下，T(0, 1)模态的频散曲线有衰减的可能，当管道充水时，波形没有明显变化，说明水等其他非粘性液体时T(0, 1)扭转模态导波的传播特性没有影响。何文等[46]研究了扭转导波在自由锚杆和锚固锚杆中的传播性质，发现导波在自由锚杆和锚固锚杆中的衰减值都呈线性递增，而且导波在锚固锚杆中传播时，相比自由锚杆时的衰减幅值大，而且反射回波较弱。衡量导波检测有效性的标准是透过率，即经过缺陷后信号的峰峰值与经过缺陷前信号峰峰值之比。李阳等[47]通过模拟与实验研究了激励频率、弯管角度和管道弯曲半径对导波透过率的影响，研究表明当激励频率较高时，导波脉冲变窄，所形成的干涉效果较弱，使得透过率较强。弯管对应不同的角度具有不同的透过率，不同的弯曲角度都会或多或少发生相减干涉，但每个弯曲角度对应的频散曲线都有波谷。孔维梁等[48]研究了液体的粘性和密度对管道中T(0,1)模态传播性质的影响，并论证了液体的层流假设，得出扭转模态的衰减与剪切力有关系：频率越高，剪切力越大，则衰减也越大。液体的粘性主要影响导波的衰减，粘性越大，吸收的能量越多，导波的衰减也越大。液体密度的平方与衰减值成正比，近似于抛物线。李光海等[49]对比了L(0,2)和T(0,1)模态在管道中的传播特性。研究结果表明，T(0,1)模态有着非频散性和衰减小的特点。他还研究了缺陷周向、轴向长度对反射系数的影响，且与缺陷是否贯穿壁厚有关系，发现周向、轴向长度与反射系数成线性关系，当轴向长度的缺陷贯穿管壁时，对反射系数的影响较大。上述学者分别从各个角度研究了扭转模态导波传播的特性，找到了一些影响导波传播的规律，从当初的仿真到今天的实验研究，扭转导波从实验室逐渐走向工业化，为未来的工业化发展奠定了基础。

3 导波检测技术的发展

对于圆管的T(0,1)模态导波检测技术而言，近些年在理论和实验上也有很大的进展。

3.1 理论进展

MUGGLETON等[50]研究了埋地管道中扭转导波的运动，为了导出频散关系，提出了一种无限范围的周围介质假设，利用低频和高频可以深入了解管道内的物理机制，并推导出管壁内扭转波运动直接引起的地标位移表达式。在埋地管道中传播的扭转波以横波的形式辐射到周围土壤中，这种横波可以在地面上探测到，可应用于管道损伤和管道断裂的远程检测。埋地结构缺陷频散的理论分析是一个具有挑战性的问题，需要特定的计算方法才能给出有效且易于处理的解决方案。DUAN[50]提出了一种适用于埋地管道弹性波频散分析的数值模型，建立了一个仅受扭转模态激励的轴对称缺陷模型，提出了一种基于安全的混合方法在均匀埋深剖面上求取特征值的方法，并将其耦和到了非均匀截面的有限元离散元中。导波管道检测是检测管道腐蚀缺陷的一种行之有效的方法，当该方法应用于埋在土壤中的管道时，由于能量辐射到土壤中而引起波衰减，试验往往会受到影响。对于沙质土壤中埋地管道的缺陷检测，LEINOV等[51]研制了一套埋管全尺寸试验装置，对埋于细砂中的管道中导波的传播和衰减特性进行了实验研究，研究发现沙体的压实程度越大，则衰减越大。从而可以对埋地管道中导波的衰减进行模型预测。对于今后的工作应该进一步研究用机械压实器压实沙体对压实效果的影响。除此之外，还应研究沙体含水饱和度、土壤类型和管道涂层对导波在管道中传播特性的影响。

3.2 实验进展

在实验方面，阵列换能器激发接收技术也有新的进展。圆柱形管道的导波损伤检测技术是一种有效的、有前途的长管道损伤检测技术。ZHOU等[52]提出了一种新型平面剪切(d36型)PMNT晶片，用于在金属管道中产生和接收导波。从有限元分析的角度分析了线性PMNT晶片阵列的工作原理，分析了管道结构和破坏性位移波场现象。发现只有有限数量的d36PMNT硅片对称分布才能为圆柱形导波管道提供全面的覆盖、监测和损伤诊断。这项研究对管状结构的损伤成像起到了一定的帮助作用。因为T(0,1)是管状结构中唯一的非频散模态，所以T(0,1)模态的激励对于管道结构完整性的检测和监测具有重要的意义。MIAO等[53]提出了一种压电环形阵列来激发和接收单个T(0,1)模态，它由一系列等间距的面剪切D24 PZT元件组成。研究发现在150 kHz的激励频率下，D24 PZT元件的压电环能抑制所有非轴对称弯曲模态，从而产生单一的T(0, 1)模。此外，这种压电环换能器还能过滤弯曲模态。研制的扭转模态磁致伸缩管道检测系统采用排线式磁致伸缩传感器时，可在管道中激励出低频T(0,1)模态超声导波。为拓展检测系统的工作频率范围，刘秀成等[54]设计了一款柔性印刷感应线圈，该柔性线圈式磁致伸缩传感器可在管道中激励出1.3 MHz的T(0,1)模态超声导波，提高了缺陷检测灵敏度。该线圈具有可直接卷曲贴覆在管道表面，易于拆装等优点。适合应用于实际工程检测。

陈乐等[55]针对磁致伸缩导波检测信号弱、信噪比低的问题，制定了一种双线圈互相关检测技术方案，该技术可以提供接收信号的幅值和信噪比，为提高仪器的检测性能提供了一种思路。

时间反转可以实现导波能量在缺陷处的聚焦。周进节[56]在此基础上研制了一套具有时间反转功能的超声导波检测仪器，与不同换能器组合进行相应的实验研究，提出了两种实现管中导波时反检测的新方法：采用斜入射加载方式和对称激励管道表面安装的压电晶片阵列。根据超声导波时间反转检测方法的需求，设计了一种可以产生时反导波的高压脉冲式激励板卡，以保证在实际检测过程中该激励板卡能根据检测要求快速生成所需要的高压时反波。钟凯慧[57]将实验和数值模拟所得的信号进行时间反转，并加载到了含有相应裂纹的管道模型中，可视化观察了管中导波聚焦过程。并发现时反方法对不同周向、深度尺寸的裂纹都能有效提高检测信号幅值，周向尺寸越小时反检测缺陷回波幅值相对时反前提高倍数越大。现有的时反聚焦方法多数是多通道同步激励与接收，符浩等[58]针对这个问题，提出了利用单通道设备多次采集信号的方法，该方法可以等效实现多通道同步激励-接收效果。采用仿真与实验的手段对该方法进行了验证，结果表明该方法可以提高聚焦后缺陷信号的幅值和信噪比，提高了对小缺陷的检测能力。田振华等[59]基于有限元模拟分析了不同尺寸裂纹对T(0,1)模态传播的影响。基于综合聚焦成像算法，重构了管道的成像分布，该分布可以表示存在裂纹的可能性。聚焦成像结果与管道实际情况一致，直观地反映了裂纹的尺寸和位置。

4 结论

目前超声导波即将与云计算、大数据接轨，形成超声云检测，前人已经在导波方面做出了很多贡献，对于各模态导波，目前深入研究的是纵向模态和扭转模态等对称模态，由于弯曲模态具有非对称性，模态转换性质不稳定，不易研究其传播性质。扭转模态相比于纵向模态而言，具有模态单一、频散小、信号能量集中易于分析、能在非粘性管道中传播且信号不易衰减等优点，使得扭转模态成为时下导波研究中的新热点。虽然扭转模态的研究在逐渐成熟，但是对其理论的进一步研究还有待提高。对于数值模拟仿真，大多数研究的是激励频率、液体粘度对导波传播性质的影响，并没有考虑液体温度、流速对其传播性质的影响。在实验方面基本都是采用相同的实验方案及其设备，对于实验方案的改变是其中的一个突破点。目前扭转导波在实验室中，可以检测板、管的缺陷，对于工业的广泛使用还需进一步努力。其次，对于信号特性的定量、定性分析是整个过程中最重要的一部分，由于被测物几何形状和边界条件的不同，使求解难度增大，产生干扰模态，所以抑制干扰模态的产生也是一个重点。

[1] 王悦民, 宗侣, 朱龙翔, 等. 多弯头管道磁致伸缩导波无损检测技术[J]. 海军工程大学学报, 2015, 27(2): 42-45.

WANG Yuemin, ZONG Lyu, ZHU Longxiang, et al. Guided wave non-destructive testing technology of multi-elbow pi based on magnetostrictive effect[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2015, 27(2): 42-45.

[2] 徐柳娟, 王秋萍. 导波技术在管道损失检测中的应用研究述评[J]. 人民黄河, 2013(3): 124-126.

XU Liujuan, WANG Qiuping. Guided wave technology in pipeline damage detection[J]. Yellow River, 2013(3): 124-126.

[3] LOWE M J S, ALLEYNE D N, CAWLEY P, et al. Rapid long-range inspection of chemical plant pipework using guided waves[J]. Insight, 2001, 43(2): 93-98.

[4] 朱龙翔, 王悦民, 孙丰瑞. 非铁磁性管道磁致伸缩式扭转导波检测[J]. 海军工程大学学报, 2013, 25(2): 30-34.

ZHU Longxiang, WANG Yuemin, SUN Fengrui. Magnetostrictive torsional guided waves testing for norrferromagnetic pipes[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2013, 25(2): 30-34.

[5] 吴斌, 邓菲, 何存富. 超声导波无损检测中的信号处理研究进展[J]. 北京工业大学学报, 2007, 33(4): 342-348.

WU Bin, DENG Fei, HE Cunfu. Review of signal processing in ultrasonic guided waves nondestructive testing[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2007, 33(4): 342-348.

[6] LIU Z H, WU B, HE C F. Detection of longitudinal defect in pipes using torsional modes[J]. Chinese Journal of Mewchanical Engineering, 2006, 19(1): 146-150.

[7] ALLEYNE D N, LOWE M J S, CAWLEY P. The mode conversion of a guided wave by a part-circumferential notches in pipes[J]. ASME J Appl Mesh, 1998, 65(3): 635-641.

[8] WILCOX P, LOWE M J S, CAWLEY P. Long range Lamb wave inspection: the effect of dispersion and modal selectivity[C]//Review of Progress in Quantitative NDE. New York: Plenum Press, 1999: 151-158.

[9] LOWE M, ALLEYNE N, CAWLEY P. The mode conversion of a guided wave by a part-circumferential notch in a pipe[J]. Joumal of Applied Mechanics, 1998, 65(3): 649-656.

[10] DEMMA A, CAWLEY P, LOWE M, et al. The reflection of the fundamental torsional mode from cracks and notches in pipes[J]. J. Acoust.. Soc Am., 2003, 114(2): 611-625.

[11] 从明, 武新军, 孙鹏飞, 等. 换热管缺陷扭转模态导波检测的仿真研究[J]. 压力容器, 2014, 31(5): 65-69.

CONG Ming, WU Xinjun, SUN Pengfei, et al. Simulation research on defect detection of heat exchanger tubes based on torsional guided wave[J]. Pressure Vessel Technology, 2014, 31(5): 65-69.

[12] ZEGHURI B, HOMPHREY V, MOSHREFI-TORBATI M. Dispersion behavior of torsional guided waves in a small diameter steel gas pipe[C]//International Conference on Automation & Computing, 2013: 1-6.

[13] 马书义, 武湛君, 王奕首, 等. 小口径管扭转模态导波在线检测[J]. 压电与声光, 2014, 36(6): 977-981.

MA Shuyu, WU Zhanjun, WANG Yishou, et al. Online inspection of small diameter tubes using torsional guided waves[J]. Piezoel Electrics & Acoustooptics, 2014, 36(6): 977-981.

[14] 刘增华, 吴斌, 何存富, 等. 扭转模态在充水管道缺陷检测的实验研究[J]. 仪器仪表学报, 2006, 27(6): 1587-1589.

LIU Zenghua, WU Bin, HE Cunfu, et al. Defect detection in water-filled pipes using torsional modes[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2006, 27(6): 1587-1589.

[15] AMIR R. Design and implementation of an electronic front-end based on square wave excitation for ultrasonic torsional guided wave viscosity sensor[J]. Sensors, 2016, 16(10): 1-13.

[16] DOBSON J, CAWLEY P. The scattering of torsional guided waves from Gaussian rough surfaces in pipework[J]. J. Acoust. Soc. Am., 2017, 141(3): 1852-1859.

[17] KWUN H, KEITH A B, CHRISTOPHER D. Dispersion of longitudinal waves propagating in liquid-filled cylingrical shells[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1999, 105(5): 2601-2611.

[18] 刘增华, 吴斌, 何存富, 等. 超声导波扭转模态在粘弹性包覆层管道中传播特性研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2005, 13(3): 291-299.

LIU Zenghua, WU Bin, HE Cunfu, et al. Torsional mode of ultrasonic guided wave propagation characteristics in Pipes with viscoelastic coatings[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2005, 13(3): 291-299.

[19] 孔双庆. 管道超声导波检测的数值模拟和实验研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2002.

KONG Shuangqing. Numerical simulation and experimental study of ultrasonic guided wave detection in pipeline[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2002.

[20] 董为荣, 帅健, 许葵. 管道T(0,1)模态导波检测数值模拟研究[J]. 无损检测, 2008, 30(3): 149-152.

DONG Weirong, SHUAI Jian, XU Kui. A numerical simulation study on modal waveguide detection of pipeline T(0,1)[J]. Nondestructive Testing, 2008, 30(3): 149-152.

[21] 何存富, 吴斌. 超声柱面导波技术及其应用研究进展[J]. 力学进展, 2001, 31(2): 203-214.

HE Cunfu, WU Bin. Research progress of ultrasonic cylindrical waveguide technology and its application[J]. Mechanical Progress, 2001, 31(2): 203-214.

[22] 马书义, 武湛君, 王奕首, 等. 基于导波技术的小口径管网实时检测系统[J]. 压电与声光, 2014, 36(1): 124-127.

MA S Y, WU Z J, WANG Y S, et al. The real-time detection system of small-diameter pipe network based on guided wave technology[J]. Piezoelectric and Acoustooptic, 2014, 36(1): 124-127.

[23] 郭秋娟, 蔡贵喜, 董瑞琪. 小口径薄壁管中纵向缺陷的周向超声导波检测[J]. 无损检测, 2009, 31(3): 201-205.

GUO Qiujuan, CAI Guixi, DONG Ruiqi. Circumferential guided waves testing for longitudinal defects in small[J]. Tubes Nondestructive Testing, 2009, 31(3): 201-205.

[24] 王悦民, 杨波. 磁致伸缩导波无损检测[M]. 北京: 科学出版社, 2015.

WANG Yuemin, YANG Bo. Non-destructive testing of magnetostrictive guided waves[M]. Beijing: Science Press, 2015.

[25] LOWE M. Matrix techniques formodeling ultrasonic waves in multilayered media[J]. IEEE Transaction on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control, 1995, 42(2): 525-542.

[26] 王成, 宁建国. 锚杆锚固中导波传播的数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(2): 3946-3953.

WANG Cheng, NING Jianguo. Numerical simulationof guided wave propagation inanchored bolts[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(2): 3946-3953.

[27] 马书义, 武湛君, 刘科海, 等. 非轴对称多元载荷条件下管道中纵向模态导波激励[J]. 振动与冲击, 2015, 34(4): 90-97.

MA Shuyi, WU Zhanjun, LIU Kehai, et al. Longitudinal mode guided wave excitation in pipelines under non-axisymmetric multivariate load conditions[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(4): 90-97.

[28] 肖雄. 换热管内旋转超声检测技术[J]. 压力容器, 2013, 30(9): 60-64.

XIAO Xiong. Ultrasonic testing technology for internal rotation of heat transfer tube[J]. Pressure Vessel, 2013, 30(9): 60-64.

[29] 刘增华, 何存富, 吴斌, 等. 双层管结构中扭转模态传播特性的理论分析与实验研究[J]. 工程力学, 2006, 23(11): 170-176.

LIU Zenghu, HE Cunfu, WU Bin, et al. Theoretical analysis and experimental study on torsional mode propagation in double-layer tube structure[J]. Engineering Mechanics, 2006, 23(11): 170-176.

[30] 何存富, 李伟, 吴斌. 扭转模态导波检测管道纵向缺陷的数值模拟[J]. 北京工业大学学报, 2007, 33(10): 1019-1013.

HE Cunfu, LI Wei, WU Bin. Numerical simulation of longitudinal defects of the torsional modulated waveguide[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2007, 33(10): 1019-1013.

[31] 何存富, 刘增华, 郑璟瑜. 管道导波检测中传感器数量和频率特性研究[J]. 北京工业大学学报, 2004, 30(4): 393-397.

HE Cunfu, LIU Zenghua, ZHENG Jingyu. Research on the number and frequency of sensors in pipeline guided wave detection[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2004, 30(4): 393-397.

[32] 邹宁波, 谌海云, 刘全利, 等. 基于T(0,1)模态超声导波的输气管道腐蚀检测[J]. 无损检测, 2013, 35(9): 19-23.

ZOU Ningbo, CHEN Haiyun, LIU Quanli, et al. Detection of gastransmissio pipeline corrosion using ultrasionic guided waves of T(0,1)mode[J]. Nondestructive Testing, 2013, 35(9): 19-23.

[33] 程载斌, 王志华, 张立军, 等. 管道超声纵向裂纹导波裂纹检测数值模拟[J]. 应用力学学报, 2004, 21(4): 76-80.

CHEN Zaibin, WANG Zhihua, ZHANG Lijun, et al. Numerical simulation of longitudinal crack propagation in pipeline ultrasound [J]. Journal of Applied Mechanics, 2004, 21(4): 76-80.

[34] KIM Y Y, PARK C, CHO S H, et al. Torsional wave experiments with a new magnetostrictive transducer configuration[J]. J. Acoust. Soc. Am., 2005, 117(4): 3459-3468.

[35] RIBICHINI R, CEGLA F, NAGY P B. Experimental and numerical evaluation of electromagnetic acoustic transducer performance on steel materials[J]. NDT&E International, 2012, 45(1): 32-38.

[36] KWUN H, K M S CHOI M, et al. Torsional guided wave attenuation in coal tar enamel coated buried piping[J]. NDT&E Intemational, 2004, 37: 663-665.

[37] 李志农, 孟宁, 龙盛蓉. 激励频率对扭转模态磁致伸缩导波检测性能影响[J]. 华侨大学学报, 2017, 38(5): 632-637.

LI Zhinong, MENG Ning, LONG Shengrong. The influence of excitation frequency on the detection performance of torsional mode magnetostrictive waveguide[J]. Journal of Huaqiao University, 2013, 38(5): 632-637.

[38] 朱龙翔, 王悦民, 孙丰瑞. 磁致伸缩扭转导波管道缺陷检测数值模拟和实验研究[J]. 中南大学学报, 2014, 45(9): 3001-3007.

ZHU Longxiang, WANG Yuemin, SUN Fengrui. Numerical simulation and experimental study on detecting defects in pipes using magneto strictiveT(0,1)mode guided wave[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2014, 45(9): 3001-3007.

[39] 邓菲, 陈洪磊, 张僖. 基于宽频激励的管型结构导波检测[J]. 机械工程学报, 2014, 50(18): 23-28.

DENG Fei, CHEN Honglei, ZHANG Xi. Waveguide detection based on broadband excitation[J]. Journal of mechanical engineering, 2014, 50(18): 23-28.

[40] ROSE J L. A baseline and vision of ultrasonic guided wave inspection potential[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, 2002, 124: 273-282.

[41] 他得安, 刘镇清, 贺鹏飞. 充粘液管材超声纵向导波的无损检测参数选择[J]. 声学学报, 2004, 29(2): 104-110.

TA De’an, LIU Zhenqing, HE Pengfei. Nondestructive testing parameters for ultrasonic longitudinal guided waves of mucous tubes [J]. Acta Austica, 2004, 29(2): 104-110.

[42] KWUN H, KIM S Y, LIGHT G M. Long range guided wave inspection of structures using the magnetostrictive sensor[J]. Joumal of Korean Society of NDT, 2001, 21(4): 383-390.

[43] 刘增华, 吴斌, 何存富, 等. 超声导波扭转模态在粘弹性包覆层管道中传播特性研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2005, 13(3): 291-299.

LIU Zenghua, WU Bin, HE Cunfu, et al. Study on propagation characteristics of ultrasonic guided wave torsion mode in viscoelastic cladding pipeline[J]. Journal of Applied Foundation and Engineering Science, 2005, 13(3): 291-299.

[44] 何存富, 杨士明, 吴斌, 等. 管道中激励和接收扭转模态导波专用探头的研制与应用[J]. 无损检测, 2005, 27(12): 621-624.

HE Cunfu, YANG Shiming, WU Bin, et al. The development and application of the special probe for the excitation and reception of torsional mode guided waves in pipelines[J]. Nondestructive Testing, 2005, 27(12): 621-624.

[45] 何存富, 胡跃刚, 焦敬品, 等. 低阶扭转模态电磁声阵列传感器研制及其在厚壁小径管中的试验研究[J]. 机械工程学报, 2015, 51(2): 14-20.

HE Cunfu, HU Yuegang, JIAO Jingpin, et al. Array of fundamental torsional mode EMATs and experiment in thick-wall pipe with small diameter[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(2): 14-20.

[46] 何文, 王成, 王海菠, 等. 扭转导波在锚固锚杆中传播的数值模拟[J]. 岩土力学, 2011, 32(4): 1223-1228.

HE Wen, WANG Cheng, WANG Haibo, et al. Numerical simulation of torsional guided wave propagation in grouted rock bolt[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(4): 1223-1228.

[47] 李阳, 邹云, 张双楠, 等. T(0,1)模态导波在弯管上传播的仿真与实验[J]. 声学技术, 2017, 36(5): 442-449.

LI Yang, ZHOU Yun, ZHANG Shuangnan, et al. Numerical and experimental research on T(0,1)guided waves propagating in bended pipes[J]. Technical Acoustics, 2017, 36(5): 442-449.

[48] 孔维梁, 周丽, Fuh-Gwo Yuan. 粘性液体对管道中扭转导波传播特性的影响研究[J]. 振动与冲击, 2012, 31(11): 48-53.

KONG Weiliang, ZHOU Li, Fuh-Gwo Yuan. Influence of viscous liquid on propagation of torsional wave in a pipe[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(11): 48-53.

[49] 李光海, 焦阳, 孙广开, 等. 钢管中L(0,2)与T(0,1)模态导波数值模拟与特性分析[A][C]//压力管道技术研究进展精选集——第四届全国管道技术学术会议, 2010.

LI Guanghai, JIAO Yang, SUN Guangkai, et al. Numerical simulation and characteristic analysis of the modes of L(0,2) and T(0,1) in steel tube[A][C]//Research Progress of Pressure Pipeline Technology Selection-Fourth National Conference on Pipeline Technology, 2010.

[50] MUGGLETON J M , RUSTIGHI E . A novel method for the remote condition assessment of buried pipelines using low-frequency axisymmetric waves[J]. 史志学刊, 2016(1).

[51] LEINOV E, CAWLEY P, MICHAEL J S. Lowe. Investigation of guided waves propagation in pipe buried in sand[J]. Journal of Sound and Vibration, 2015, 347: 96-114.

[52] ZHOU W S, YUAN F G, SHI T L. Guided torsional wave generation of a linear in-plane shear piezoelectric array in metallic pipes[J]. Ultrasonics, 2016, 65: 69-77.

[53] MIAO H C, HUAN Q, WANG Q Z, et al. Excitation and reception of single torsional wave T(0,1) mode in pipes using face-shear d24 piezoelectric ring array[J]. Smart Material Structures, 2017, 26(2): 1-9.

[54] 刘秀成, 吴斌, 何存富, 等. 兆赫兹磁致伸缩超声导波管道检测系统的研制[J]. 失效分析与预防, 2013, 8(1): 1-5.

LIU Xiucheng, WU Bin, HE Cunfu, et al. Magnetostrictive-based megahertz-range torsional guided wave inspection system for pipeline[J]. Failure Analysis and Prevention, 2013, 8(1): 1-5.

[55] 陈乐, 王悦民, 耿海泉, 等. 磁致伸缩导波传感器弱小信号接收哪个服研究[J]. 仪表技术与传感器, 2016(5): 95-98.

CHEN Le, WANG Yuemin, GENG Haiquan, et al. Study on receiving method of weak signal from magnetostrictive guided wave sensor[J]. Instrument Technique and Sensor, 2016(5): 95-98.

[56] 周进节. 基于时间反转方法的超声导波检测设备研制及其应用研究[D]. 北京: 北京工业大学, 2012.

ZHOU Jinjie. Devel opment and application of guided wave inspection device based on time reversal method[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2012.

[57] 钟凯慧. 基于时间反转聚焦理论的管道超声导波检测技术研究[D]. 广州: 暨南大学, 2012.

ZHONG Kaihui. Defect detection studies on time-reversal theory in pipes using ultrasonic guided wave[D]. Guangzhou: Jinan University, 2012.

[58] 符浩, 吴斌, 何存富. 基于虚拟时间反转聚焦的管道超声导波检测新方法[J]. 机械工程学报, 2013, 49(12): 17-23.

FU Hao, WU Bin, HE Cunfu. A new method for pipeline ultrasonic guided wave detection based on virtual time reversal focusing[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(12): 17-23.

[59] 田振华, 徐鸿, 杨志磊. 基于扭转模态的管道裂纹聚焦成像[J]. 中国机械工程, 2013, 24(1): 85-89.

TIAN Zhenhua, XU Hong, YANG Zhilei. Focusing imaging of cracks in pipes based on torsional modes[J]. China Mechanical Engineering, 2013, 24(1): 85-89.

Development and application status of T(0,1) modal guided wave detection technology in pipeline

ZHAO Man-quan, LI Xia-fei, LIU Fei, LIU Xiao-dong, DU Lan

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, Neimenggu,China)

The ultrasonic guided wave detection technology has the advantages of fast detection speed and wide detection range, and so it has been widely used in pipeline defect detection. The torsional mode, as a symmetric mode of ultrasonic guided wave, is characterized by small dispersion, concentrated energy, single signal and easy to analysis. In this paper, the development of torsional modes in recent years is reviewed. Starting from the propagation and detection principles of torsional guided waves in T (0,1) mode, the excitation principles and effects of various excitation probes are compared, and their advantages and disadvantages are analyzed. By analyzing the selection principle of torsional modes and the characteristics of the guided wave propagation in a single pipe, double wall pipe and liquid filled pipe, the effects of excitation frequency, liquid viscosity, liquid density and other factors on the propagation of torsional mode guided wave in the pipeline are summarized. Furthermore, the suitable scope of torsional mode and the suitable signal processing method are defined, which could provide a reference for the development of torsional mode detection technology in the future.

ultrasonic guided wave; T (0,1); modal; excitation signal

TB559

A

1000-3630(2019)-06-0632-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.06.006

2018-05-04;

2018-07-18

国家自然科学基金项目(11662013)

赵满全(1955－), 男, 内蒙古土右旗人, 教授, 研究方向为高寒干旱地区农业装备工程与技术。

刘飞,E-mail: afei2208@163.com