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1、 MsS 长距离导波管道检测及监测长距离导波管道检测及监测 培训手册培训手册 美国西南研究院美国西南研究院 美国德克萨斯州，圣安东尼奥美国德克萨斯州，圣安东尼奥 September 2006 1目目 录录 1 简介-3 1.1 MsS 培训大纲-3 1.2 其它培训材料-3 2管道中的导波及其特性-3 2.1 管道中的导波及散射曲线 -3 2.2 管道中导波的性能-3 2.3 长距离管道检测中导波模式及频率的选择-4 3 . MsS长距离导波管道检测-5 3.1 概要 -5 3.2 MsS扭力波管道检测-54. MsS信号振幅的校准 -9 4.1 信号方法几何特征-10 4.2 软管夹方法 -
2、10 4.3 直接校准法 -11 5. MsS扭力波检测程序 -11 5.1 条带准备和粘结程序-11 5.2 MsS的扭力波波操作中，条带的磁化程序 -14 5.3 系统连接及数据采集程序-15 6. MsS扭力波监测程序 -18 7 . MsS线圈制作程序 -20 21、 简简 介介 1.1 MsS 培训大纲培训大纲 MsS培训教程分成以下八个课程: （1） 导波在管道检测中的技术背景 （2） MsS的技术背景 （3） MsS系统操作程序 （4） 扭力波模式下管道检测和校准程序 （5） 数据分析和报告软件操作 （6） MsS长距离结构状态监测（SHM）的应用和监测软件的操作 （7） MsS
3、线圈校准程序 （8）sS导波其它的检测应用。 1.2 MsS 导波检测技术的其它培训材料导波检测技术的其它培训材料 （1） MsSR3030导波技术检测系统的操作和技术说明手册 （2） MsS管道检测的数据分析及报告软件用户手册 2、管道中的导波及其特性、管道中的导波及其特性 2.1 管道中的导波及散射曲线管道中的导波及散射曲线 导波能以三种不同波模式在管道中传播纵波（L） ，弯曲（F）和扭力波（T） 。这些不同形式的波的粒子位移是不同的， 如图 1 所示。 纵波的轴向位移是沿着管道的长度, 以恒定速度沿着管道的圆周 （轴向对称）运动。纵波的粒子位移可以存在于管道的轴向和径向两种方向上（沿着管
4、道的半径） 。弯曲(F)波的位移是围绕着管道的圆周变化而变化的。弯曲波的位移可以有三个垂直方向轴向、径向和圆周方向上，呈直交分布。扭力波是沿管道长度传播的剪切波，其位移是以恒定速度绕着管道的圆周运动。 图图 1 管道中三种垂直方向上的粒子位移示意图管道中三种垂直方向上的粒子位移示意图 2.2 管道中导波的特性管道中导波的特性 3图2所示为外径为4.5英寸, 壁厚为0.337英寸的管道中的不同模式导波的散射曲线。 在本例中， 纵波、弯曲波和扭力波的波群速度随着频率变化而变化， 除扭力波在约40千赫到100千赫频率区的T（0，1）和 L（0，2）外。散射曲线的大幅变化取决于管道的半径及壁厚。 图图
5、 2 外径为外径为 4.5 英寸英寸, 壁厚为壁厚为 0.337 英寸的管道上的不同模式导波的散射曲线英寸的管道上的不同模式导波的散射曲线 2.3 长距离管道检测中导波模式及频率的选择长距离管道检测中导波模式及频率的选择 对于长距离导波检测说来,脉冲回波技术被用于一个一定模式和中心频率的导波传感器所发出一个短脉冲，沿着管道传播，遇到管道中缺陷反射回来，被管道上一个固定位置传感器所检测。 导波检测中应用的脉冲包括一系列围绕以操作频率为中心的频率。脉冲的频谱范围取决于脉冲形状和包含脉冲的循环数。 图图 3 随着传播距离的加大导波变宽的示例随着传播距离的加大导波变宽的示例 4当选择一种导波模式时，在
6、这个脉冲频谱范围内它的波群速度不是恒定不变的，在波传播的过程中，所询问的脉冲波包（也包括从管道中不规则物体反射回来的脉冲信号）随着波的传播距离加大而变宽，如图3所示。之所以变宽是因为：每个频率成分以不同的频率传播，因此在不同的时间到达。这种变宽削弱了信号的瞬时分辨率且降低了检测信号的信噪比（SNR）。为了避免这个问题，应该在导波不分散或波包上的分散效应最小时，选择最佳的导波模式和操作频率。 扭力波模式T（0，1）的基本原理是无散射的，它的性能与管道的半径和壁厚无关。因此在长距离导波管道检测应用中，扭力波T（0，1）是首选导波模式。另外扭力波T（0，1）的其它优点（优于其它导波模式）是：（1）相
7、对来说不受来自其它导波模式的干扰，因此有较高的信噪比，（2）不受管道内流动液体的影响，（3）数据分析比较简单。 3、 MsS长距离导波管道检测长距离导波管道检测 3.1 概要概要 对于长距离管道检测来说，MsS技术可以使用纵波L和扭力波T两种模式的导波。但是鉴于上文2.3中所论述的扭力波T的优点，MsS现在几乎只用扭力波T。与L纵波相比使用T扭力波的另外原因是：（1）T扭力波操作不要求使用强磁铁装置，而L纵波必须要求强磁铁装置，（2）在长期结构状况检测（SHM）应用中，T扭力波操作允许在结构上安装永久传感器去长期监测结构的物理状态。但T扭力波有一个缺点是：它要求用粘合剂将铁磁性条带粘结在结构上
8、，因此在检测时要求直接物理接触管道外表面。如，用T波MsS检测带沥青防腐层管道时，必须除去沥青覆层，而应用L纵波MsS技术就不用去除沥青覆层。 3.2 MsS 扭力波模式的管道检测扭力波模式的管道检测 为了在管道中产生扭力波，MsS 技术要求使用一个铁磁性条带，将铁磁性条带用环氧树脂胶粘在管道圆周上约 5 到 20 分钟。由于扭力波模式呈轴向对称，所以铁磁性条带要垂直于管道轴向粘贴，并要覆盖住管道圆周的大部（如 95%管道外表面）；然后，用一个带状磁化器，沿着圆周方向将铁磁性条带磁化，在铁磁性条带中产生永久性的残余磁场。MsS 线圈被放置在铁磁性条带上。当有交流电通过 MsS线圈时，在 Wie
9、demann 效应（一种典型的磁致伸缩效应）的作用下，铁磁性条带中交流磁场就会产生剪切粒子位移。铁磁性条带中的剪切粒子位移通过粘合剂的粘贴层机械地耦合到管道中，然后以 T 扭力波形式沿着管道的长度传播。通过相反（逆向）的过程，可以完成 T 扭力波信号的检测。 图4所示为Wiedemann效应。当沿着Z轴（沿着管道的方向）没有交流磁场存在时，圆周方向（轴）上的直流偏磁场H0，可以被看作是H1和H2两个矢量之和，此处所提到的1和2相互垂直且分别与Z轴和轴成45角。如图4所示，当沿Z轴有交流磁场通过时，那么沿轴1的磁场就会变成：H1 H1 ，而沿轴2的磁场就会变成H2 +H2。在带有正效应的磁致伸缩
10、材料中，H减小会产生压缩力，H增加则会产生张力；而带有负磁致伸缩系数材料中，H减小产生张力，H增加财会产生压缩力。在带有负效应的磁致伸缩材料中，当沿着Z-轴有交流磁场存在时，轴1和轴2中的其中一个轴会产生张力，而另一个轴上就会产生5等量的压缩力；这就是圆柱上的纯正扭力波（平板上剪切波）的受力情况。为了使其产生纯正的扭力波，在大小上H应该远小于H0。否则，纵波将会随着扭力波的而产生。 图图 4. 正磁致伸缩系数效应材料中扭力波产生的磁致伸缩（正磁致伸缩系数效应材料中扭力波产生的磁致伸缩（Wiedemann 效应）效应） 在铁磁性条带（铁钴条带的声阻抗为：26.3 105 6/cm2 . sec）
11、与钢管（钢管的声阻抗为：25.8 105 6/cm2 . sec）之间存在着良好的阻抗匹配。只要粘结是合理、良好的，那么铁磁性条带与钢管之间粘贴层的匹配阻抗是可以忽略的，因为波长的长度要远远长于粘合层的厚度。 3.3 铁磁性条带的材料铁磁性条带的材料 就磁致伸缩条带的材料来说，经过退火处理的镍质条带和经过热处理的铁钴合金条带都可以用于MsS的扭力波模式操作。 标准条带的尺寸为：镍带10.010英寸，铁钴合金带10.006 英寸。它们的物理特性请参看表格1。 表格表格1，条带材料的物理特性，条带材料的物理特性 Fe-Co材料材料 (热处理后) Nickel (退火处理) 磁致伸缩饱和度 6010-63510-6 居里点温度 1720F （938C） 662F （ 350C） 屈服点强度 73 ksi 15 ksi 铁钴合金条带所产生的信号约比镍质条带所产生的信号大4倍。另外，铁钴合金条带有很强的机械性能，因此它可以容忍很强的机械应力，与此相反镍质条带的机械性能很弱，在操作中或压力下很容易被6破坏。而且，铁钴合金条带有非常高的居里温度，可以被用于高温应用中。因此，在MsS操作中使用铁钴合金条带要比使用镍质条带好。铁钴合金条带有一个缺点是：它的成本比高，它的实用性低于镍质条带。 3.4 标准的检测频率标准的检测频率 用于MsS
