基于反褶积与编码激励的长输管道损伤检测探究

基于反褶积与编码激励的长输管道损伤检测探究【摘要】分析长输管道损伤检测中应力波导波技术的应用以及相关制约因素，提出基于子波估计的反褶积方法对应力波导波制约因素的处理。并应用MATLA软件设计出了三种不同的编码激励信号，于长输管道纵向导波传播模型中分别应用。通过研究表明，基于子波估计的反褶积方法可提高管道损伤的定位精度，而将编码激励信号应用于长输管道损伤检测中时可获得较高的抗干扰能力及分辨率。【关键词】反褶积技术;编码激励;长输管道;损伤检测对长输管道损伤危险性进行检测与正确评价，对于管道的合理设计、安全运行均具有十分积极的意义。管道损伤检测所用技术主要为应力波导波技术，在实际的应用中发现，信号处理与导波激励会影响长输管道检测结果的准确性与可靠性。提高管道损伤检测的定位精度，提高检测的抗干扰能力与分辨率，也是目前在我国长输管道损伤检测中面临的重点问题。1.长输管道损伤检测的意义长输管道主要是指产地、储存库、使用单位之间用来输送商品介质的管道，例如给排水管道、燃气燃油管道、纯水管道等，均可称为长输管道。长输管道多是埋于地底，其在投入使用过程中，受地下震动、腐蚀、老化等诸多因素影响，会造成管道损伤，给正常使用及环境、人们的身体健康与安全造成严重影响，因此，做好长输管道的损伤检测工作也是必然。通过定期的管道损伤检测，可全面、准确的了解管道运行状况，避免或减少管道事故发生，为管道维修提供指导，延长管道的安全使用寿命[1]。2.长输管道损伤检测中应力波导波技术的应用应力波导波技术具有方法简单、操作方便、快捷、动态检测等诸多优点，在当前长输管道损伤检测中的应用极为广泛。应力波导波技术主要包括信号处理技术、测量记录技术与导波激励技术，虽然该技术具有很多应用优势，但在实际应用中，若测量记录与导波激励技术应用不合理，也会影响信号处理质量，当信号处理质量较差时，又会给后期的检测结果分析及检测效率造成影响。从实践资料可见，目前制约应力波导波技术在长输管道损伤中应用的因素主要为导波激励技术与信号处理技术，因此，加强对应力波导波技术中导波激励与信号处理的优化与改进，也是很有必要的。3.基于子波估计的反褶积方法在管道损伤检测中的应用3.1反褶积技术的概念反褶积又被称作反滤波或解卷积，起着消除前一种滤波的作用，在实际应用中，是通过压缩基本子波，来提高地震数据的垂向分辨率。将基于子波估计的反褶积方法应用于管道损伤检测中时，主要原理为：由采集信号估计子波振幅谱与相位谱，之后利用傅里叶变换获得子波。3.2基于子波估计的反褶积技术步骤提出为了提高长输管道损伤检测中反褶积技术的检测精度与适用范围，文章决定将基于子波估计的反褶积技术应用于长输管道损伤检测中，具体步骤见图1。图1基于子波估计的反褶积技术步骤示意图3.3反褶积技术的数值模拟与实验分析在反褶积技术的数值模拟与实验分析中，我们将所用子波表达式设为：)1612.0()4.6/sin(tettW）（，数据采样为6ms，一共有60个采样点。将理论子波与反射系统序列褶积，得到记录信号，应用谱模拟与相位分解的子波估计技术，统计法同态子波估计技术，对获得的记录信号进行处理，从而得到估计子波。然后，基于估计子波下对记录信号进行反褶积计算，即可得到反射系数序列。通过管道应力波记录数据子波估计统计法同态技术谱模拟与相位分解结合技术子波反褶积反射系数损伤定位数值模拟实验研究对以上技术的观察分析可见，不同反褶积技术处理本次的数值模拟数据，均有较为准确的计算出反射系数序列，但整体分析认为，基于子波估计的反褶积技术的反褶积算法可以更好的压缩子波，比预测反褶积的辨识度明显要高，从而也验证了基于子波的反褶积技术的可行性与有效性。因此，将基于子波估计的反褶积技术应用于长输管道损伤检测的信号处理环节时，其对管道损伤定位的相对误差与预测反褶积技术的误差相比，会有明显的降低[2]。本次研究中，采用外径为80mm，内径为70mm，长度约为6m的钢管作为实验道具，钢管材料为20#钢，弹性模量GPaE206，泊松比32.0v，密度3/7800mkg＝。实验用钢管管道采用两端简支方式，传感器选择为LC0115，内装IC压电加速度传感器。将传感器安放在距管道右端于0.7m的位置，而管道损伤设置在距右端2.8m处，应用沿自制轨道滑落的小钢珠撞击管道端面来激励产生波信号。对所采集的信号分别采用预测反褶积技术与基于子波反褶积技术进行处理，获得反射系数序列。结果显示，基于子波的扫褶积技术对长输管道损伤信号进行处理，不仅能使定位精度得到有效提高，还可提高分辨率，促进管道损伤检测的准确性与可靠性。4.不同编码激励信号在长输管道损伤检测中的应用效果将应力波导波技术应用于长输管道的损伤检测中时，所用的激励技术大多是单次激励，但通过长期实践发现，单次激励有激励信号能量有限、空间分辨率不足、抗干扰能力弱的缺陷。基于这一特点，有研究人员便将通讯领域的编码技术应用到了应力波导波技术的管道损伤检测当中。4.1激励信号传播的数学模型长输管道的导波传播理论是建立在各向同性、均匀、完全弹性介质的假定基础上，因此，根据假定条件可将管道简化成为一维弹性模型，并作出如下假设：管道长为50m，外径为80mm，内径为70mm，管道材料为20#无缝钢材料，密度为7800Kg/m3，弹性模量为206Gpa。管道端面X＝0m，作为激励端面，所激发的编码信号为)(tSd；X＝50m是无约束的自由边界，将传感器置于X＝5m处，管道损伤位置位于管道的X＝30m。根据以上假设，建立起一维激励信号数学模型，如下所示：tuEAhttxucxtxu222022),(1),(上式中，各边界条件为：0t＞)1000(＜x＜；0ttu）（1000x；0)0,(xu）（1000x；其他参数确定为：smEco/5139；)(),(0tSdxtxuEAx；0),(LxxtxuEA；tcxxttxutx),(),(。其中，代表管道材质密度，h代表剪切衰减系数，A代表横截面积；E代表弹性模量。应用差分方法，求解如下式：)(1)2(1)2(1111220112jijijijijijijijiuutEAhuuutcuuux通过上式，便可推导出任意采样时刻管道任意位置导波的速度及纵向位移。4.2编码激励技术的数值模拟文章应用非线性编码激励、线性编码激励与伪随机编码激励，分别代入到所研究的管道模型当中，对不同编码激励技术的定位精度、可行性进行数值模拟研究。通过实验研究可见，三种编码技术在实际应用中均有较高的分辨率，损伤定位相对误差无太大差别；且三种编码激励方式得到的有效脉冲峰值平均强度明显比单次激励的结果大，由此表明了编码激励提高解码信号有效脉冲能量的优势。为了进一步验证编码激励的效果又将单次激励信号、线性编码激励信号与M序列编码激励信号导入管道模型方程中，通过一系列研究实验，发现M序列编码激励具有更高的抗干扰性与分辨率[3]。综上所述，在应力波导波技术检测长输管道损伤时，于信号处理方面采用基于子波估计的反褶积技术，在导波激励方面采用编码激励技术，其对提高管道损伤的辨识度、提高抗干扰性、损伤定位及反射冲能量具有积极意义。【参考文献】[1]宿兰花,等.一种模糊推理网络及在管道腐蚀诊断中的应用[J].天然气与石油,2010,28(1):[2]何娜.基于风险的长输管道腐蚀缺陷的检测及维修规划[D].化工过程机械·兰州理工大学,2010.[3]马书义,等.管道变形损伤超声导波检测试验研究[J].机械工程学报,2013,