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基于横波直探头的管道缺陷周向导波检测技术

更新时间:2016-07-05

管道运输作为五大运输业之一,在中国的国防建设和经济建设中起着至关重要的作用[1-2]. 由于中国运输管线使用多年,运输管线逐渐出现老化腐蚀的现象,甚至发生了管道泄漏、断裂、爆裂等恶性事故,给国家带来巨大的经济损失,使周边的生态环境受到破坏和污染,使人们的安全受到威胁、财产受到严重损失. 由于现阶段中国对于管道的缺陷检测方法有限,无法对管道进行全面的检测,也无法对管道腐蚀位置和泄漏点进行精确的定位,导致运输管线维修困难,浪费大量人力财力[3].

5.保护环境、减少污染。应从防火、防爆、防震、防洪涝、防尘、防腐、防噪声等方面考虑与城镇、工业区、港区及各企业之间的相互影响,使电厂设施布置在环境保护和卫生防护的有利地段,使其符合环境保护的法规、法令的有关规定和地方法规的具体要求。

目前管道常规的无损检测的方法有声学检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测、渗透检测等[4]. 但是常规的无损检测方法需进行逐点检测[5],检测效率低,费时费力,所以研发一种实用、全面、高效的管道缺陷无损检测技术是非常必要的. 随着无损检测技术的发展,超声导波检测技术方面的研究受到国内外极大关注. 超声导波检测技术具有检测范围大、效率高、检测全面等优点[6-9].

现检测管道缺陷所用的导波主要分为2类:柱面纵向导波和周向导波[10]. 柱面纵向导波目前国内外研究较多,并已经应用于工程检测. 但是随着运输管道壁厚的增加,柱面纵向导波衰减较大,检测能力有限,波形比较复杂,缺陷信号不易识别,并且存在一定的检测盲区. 除此以外,柱面纵向导波对管道周向缺陷较为敏感,检测灵敏度较高,但其对运输管道上的轴向缺陷并不敏感,使得轴向缺陷在检测中不容易被识别[5]. 周向导波是沿管道轴向传播的超声导波,具有检测精度高、定位准确、可沿管道轴向进行缺陷扫描、检测效率高等优点[11-13],并且可以克服柱面纵向导波对管道轴向缺陷不敏感的问题.

Grace等[14]建立了圆柱体周向导波传播模型. Liu等[15]研究了圆环中周向导波的传播问题. Lefebvre等[16]通过分析管道周向导波频散曲线,确定了适合在正交各向异性管道中定位和识别缺陷的频率及导波模态. Shivaraj等[17]利用高频斜探头激励周向Lamb波,研究了管道不同深度轴向缺陷回波信号的特性,并对缺陷进行了成像处理. Hirao等[18]提出了一种利用EMAT传感器在管道中(有包覆层或无包覆层)激励周向SH波来检测管道外表面腐蚀缺陷的方法,通过研究发现周向SH1模态比SH0模态对表面腐蚀缺陷更为敏感. Nishino等利用横波直探头在管道中激励周向导波,通过变换横波直探头偏振方向,分别激励周向SH波与周向Lamb波[19],并将采集得到的周向导波信号进行了宽带时频分析[20],但并未进行缺陷检测研究. 禹建功等[21]采用正交多项式级数的方法计算了正交各向异性均匀无限长管道中的周向导波的频散曲线,通过有限元模拟实现了纵向缺陷的检测及定位. 叔大海等[22]采用电磁超声周向Lamb波对管道裂纹进行了缺陷检测.

综上所述,本文将基于横波直探头激励周向导波检测管道典型缺陷,通过改变横波直探头的布置方向激励出不同的周向导波模态以用于检测管道轴向缺陷,克服柱面纵向导波对于轴向缺陷不敏感的问题,有效提升检测效率. 对于不同缺陷类型,可根据频散曲线选择适合缺陷检测的周向导波模态进行激励,这个过程只需要变换横波直探头的布置方向. 并在实验基础上,研究横波直探头在管道中检测轴向缺陷的指向性问题.

1 基于横波直探头激励周向导波

1.1 理论分析

α角为30°时,由于横波直探头的偏振方向与管道轴向和周向方向均不一致,因此可同时激励出C-SH0模态与C-S0模态. 第1个C-SH0模态波包幅值为9.67 mV,比α角为0°时第1个C-SH0模态波包幅值小,第1个C-S0模态波包幅值为10.27 mV.

文中阐述了折臂式铁钻工底座回转机构工作原理为:电动机通过驱动轮带动行星轮将扭转力传递到回转轴承上进而实现了铁钻工整体的旋转运动,完成钻井上卸钻柱丝扣的工艺要求,并得出了以下结论:

图1 管道周向导波频散曲线 Fig.1 Circumferential guided wave dispersion curves of a pipe

通常把管道外径与壁厚之比小于20的管道称为厚壁管道. 厚壁管道缺陷检测实验设置如图18所示,激励信号横波直探头与接收信号横波直探头之间距离为100 mm. 厚壁管道纵向缺陷长度为20 mm,宽度为0.5 mm,深度为8 mm. 缺陷与激励信号横波直探头周向距离为1/4周长.

为确定横波直探头布置方向与激励周向导波典型模态的关系,绘制了500 kHz频率下周向导波波结构图,如图2所示. 其中,周向导波S0模态以管道周向位移为主,如图2(a)所示;周向导波SH0模态以管道轴向位移为主,如图2(b)所示;周向导波A0模态以管道径向位移为主,如图2(c).

图2 周向导波典型导波模态波结构 Fig.2 Wave structures of typical circumferential guided wave modes

由于500 kHz频率下周向导波S0模态波结构主要位移方向以管道周向位移为主,因此横波直探头偏振方向与管道轴向方向垂直布置时,即可激励出C-S0模态,如图3所示. 由于500 kHz频率下周向导波SH0模态波结构主要位移方向以管道轴向为主,因此横波直探头偏振方向与管道轴向方向保持一致布置时,即可激励出C-SH0模态,如图4所示. 由于500 kHz频率下C-A0模态波结构主要位移方向以管道径向为主,因此横波直探头在管道中无法激励出C-A0模态.

图3 横波直探头在管中激励S0模态 Fig.3 BSW transducer generates S0 mode in a pipe

图4 横波直探头在管中激励SH0模态 Fig.4 BSW transducer generates SH0 mode in a pipe

1.2 基于横波直探头管中激励周向导波实验研究

实验采用自激自收的方式,激励频率为500 kHz,α角为横波直探头偏振方向与管道轴向的夹角,横波直探头的偏振方向首先沿管道轴向放置,即α角为0°,实验设置如图5所示. 改变横波直探头偏振方向,使α角分别为30°、45°、60°、90°,采集周向导波信号,如图6所示. 图6中“1”均为C-SH0模态波包,“2”均为C-S0模态波包.

图5 横波直探头在管中激励周向导波 Fig.5 BSW transducer generates guided waves in a pipe

图6 不同角度下的周向导波信号 Fig.6 Circumferential guided waves at different angles

α角为0°时,只激励出C-SH0模态,第1个C-SH0模态波包传播距离为一个管道周长,即327 mm,经过计算波速为3 224.30 m/s,与理论群速度的相对误差为1.1%,其幅值为12.82 mV. 第2个波包的传播距离为2个管道周长,第3个波包的传播距离为3个管道周长.

实验中所用的横波直探头型号为泛美V151,中心频率为500 kHz,横波直探头偏振方向沿标定方向保持不变. 以薄壁管道为例,实验中选用的待测管道外径为104 mm,壁厚为2 mm,长度为1 m,材料为20号钢,管道密度为7.850 g/cm3,纵波速度为5.943 m/ms,横波速度为3.177 m/ms. 利用Disperse软件建立周向导波在管道结构中的波动模型,该实验管道周向导波频散曲线如图1所示.

α角为45°时,第1个C-SH0模态波包幅值为5.76 mV,随着α角度不断增大,第1个C-SH0模态波包幅幅值不断减小. 第1个C-S0模态波包幅值为25.75 mV,相对于α角为30°时第1个C-S0模态波包幅值增大.

排除标准:(1)既往有肩部慢性疼痛史;(2)身体状况差,不能耐受手术;(3)既往有神经系统疾病引起的肩关节活动障碍。

α角为60°时,第1个C-SH0模态波包相较于α角为0°、30°、45°时幅值持续减小,幅值为2.28 mV. 第1个C-S0模态波包相较于α角为30°、45°时幅值持续增大,幅值为31.43 mV.

α角为90°时,只激励出C-S0模态,第1个C-S0模态波包波速为5143.34 m/s,与理论群速度的相对误差为2.9%,其幅值为35.86 mV.

综上所述,当横波直探头偏振方向沿管道轴向方向时,则可激励出C-SH波;当横波直探头偏振方向沿管道周向方向时,则可激励出C-Lamb波;当横波直探头偏振方向与管道轴向方向成一定角度时,则可同时激励C-SH波与C-Lamb波. 随着α角逐渐增大,相同时间点C-SH波幅值逐渐减小,相同时间点C-Lamb波幅值逐渐增大.

1.3 横波直探头管中激励周向导波扩散角度

本节以横波直探头偏振方向与在管道中激励周向导波模态关系的研究为基础,研究其所激励出的周向导波扩散角度. 实验设置如图7所示,实验采用一激一收的方式,实验管道直径为104 mm,直径为327 mm,为了使接收信号横波直探头接收到的周向导波第一波包时间与相反传播方向周向导波接收到的波包时间能更加明显地区别开,故设置激励信号横波直探头与接收信号横波直探头周向距离为80 mm. 由于实验所用横波直探头中心频率为500 kHz,压电片直径30 mm,故设置接收信号横波直探头以80 mm为半径,每隔10°移动1次,共移动9次,采集10次信号,此过程中激励信号横波直探头保持原始位置不动. 实验扩散角度检测精度为10°. 实验过程中2个横波直探头偏振方向始终保持一致. 激励频率为500 kHz,激励信号为5周期汉宁窗调制的正弦波信号.

图7 周向导波扩散角度实验设置 Fig.7 Experimental setup of circumferential guided wave diffusion angle

当激励C-SH波时,激励信号横波直探头与接收信号横波直探头偏振方向均沿管道轴向方向. 提取0°~90°间的10个实验信号中第一波包的幅值,绘制横波直探头在管道中激励C-SH波扩散角度极坐标图,如图8所示. 由图8可看出,0°位置激励的信号第一波包幅值最大,随着角度不断增加,第一波包幅值逐渐减小,直至幅值为0.

图8 C-SH0模态在管道中的扩散角度 Fig.8 Diffusion angle of C-SH0 mode in a pipe

当激励C-Lamb波时,激励信号横波直探头与接收信号横波直探头偏振方向均沿管道周向方向. 提取0°~90°间实验信号中第一波包的幅值,绘制横波直探头在管道中激励C-Lamb波扩散角度极坐标图,如图9所示. 由图9可看出,0°位置激励的信号第一波包幅值最大,随着角度不断增加,第一波包幅值逐渐减小. 对比图8可看出,周向SH波的声束指向性优于周向Lamb波的对称模态.

图9 C-S0模态在管道中的扩散角度 Fig.9 Diffusion angle of C-S0 mode in a pipe

2 薄壁管道纵向缺陷检测

2.1 实验装置

在横波直探头在管中激励周向导波研究的基础上,进行基于横波直探头管中周向导波缺陷检测实验研究.

张兰花开心地说道:“如今,职工成为土地的主人、市场的主体。用谁的农资,把产品卖给谁,自己说了算,真的是改革给我们带来了‘真金白银’的大实惠。”

以上5种格式中带宾语的情况如下:衣服、房子、他(特指某人)、商品、“教训”、这/那(对举)、烟卷、一只鸡、我的心、车、一切、书、机票。这些宾语以名词居多,剩下的是代词(这/那、一切),都为体词性词语。

图10 实验系统示意图 Fig.10 Experimental system

实验系统使用2个横波直探头,一个用来发射初始信号,另一个用来接收周向导波信号. 实验过程中横波直探头与待测管道之间采用黏性较好的横波耦合剂进行耦合.

为降低周向导波典型模态的频散,激励信号应选择窄带信号来减小信号的频散,本实验选取的激励信号为5周期汉宁窗调制的正弦波信号,由任意函数信号发生器产生,经过功率放大器后输入发射信号横波直探头,以用来激励管道中的周向导波.

2.2 薄壁管道纵向缺陷检测实验结果及分析

在横波直探头偏振方向与激励周向导波典型模态的关系研究与实验系统搭建完成的基础上,进行基于横波直探头管道缺陷周向导波检测的研究.

本实验中待测薄壁管道长度1 m,外径104 mm,壁厚2 mm. 薄壁管道人工缺陷长20 mm,宽0.5 mm,沿管道径向贯穿,布置于距离管道左端面500 mm处,其人工缺陷长边与管道轴向方向一致(即纵向缺陷). 发射信号横波直探头与接收信号横波直探头相隔1/6管道外径周长,且始终保持不变. 接收信号横波直探头与人工缺陷的初始距离为1/6管道外径周长,如图11所示. 随后不断增加接收信号横波直探头与人工缺陷的距离,增至1/4管道周长与1/3管道周长.

当横波直探头在薄壁管中激励C-SH波检测纵向缺陷时,得到实验结果如图12所示. 由于激励信号横波直探头与接收信号横波直探头之间的距离未发生变化,因此图12(a)(b)与图12(c)中接收到第一波包“1”的传播时间一致. 由于接收信号横波直探头与管道纵向缺陷距离从1/6周长,不断增加至1/4周长、1/3周长,因此图12中缺陷回波“2”的接收时间逐渐增加,经过计算,缺陷回波“2”的速度分别为3 181.98、3 167.24、3 177.10 m/s,与C-SH0模态理论群速度值保持一致. 所以,横波直探头在管道中激励C-SH0模态可用于缺陷检测,C-SH0对管道纵向缺陷敏感,检测信号信噪比良好.

图11 待测管道缺陷示意图 Fig.11 Schematic diagram of pipeline defects

图12 C-SH0模态薄壁管道缺陷检测 Fig.12 Defects detection on a thin-wall pipe by C-SH0 mode

当横波直探头在薄壁管道中激励周向C-Lamb波检测管道中纵向缺陷时,得到实验结果如图13所示. 图13中“1”为激励信号横波直探头到接收信号横波直探头的直达波,因为激励与接收横波直探头间的距离并未发生改变,所以接收到“1”直达波的时间不变. 由于接收信号横波直探头与缺陷距离不断增加,因此“2”缺陷回波的接收时间点不断增加,经过计算,“2”的速度分别为4 986.66、5 070.94、5 021.42 m/s,与理论C-S0模态理论群速度一致. 由此可看出,横波直探头在管道中激励C-S0模态可用于检测管道纵向缺陷.

图13 C-S0模态薄壁管道缺陷检测 Fig.13 Defects detection on a thin-wall pipe by C-S0 mode

综上所述,横波直探头可在管道中实现薄壁管道纵向缺陷检测. 通过改变横波直探头偏振方向,在管道中可实现不同周向导波模态对管道纵向缺陷的检测.

2.3 横波直探头缺陷检测精度实验研究

基于横波直探头在管中激励C-SH波进行缺陷检测的实验研究,对横波直探头激励C-SH波缺陷扫描精度进行研究. 由于500 kHz横波直探头敏感元件直径为30 mm,相对于20 mm缺陷较大,因此设置5 mm步长对缺陷进行检测. 横波直探头初始位置放置在正对缺陷中心位置,以5 mm步长向管道右侧移动,扫描长度为35 mm,采集7次信号.

当激励C-SH波对缺陷进行轴向扫描时,得到实验信号如图14所示,“1”为激励信号横波直探头至接收信号横波直探头的直达波,“2”为缺陷回波. 当横波直探头与缺陷中心的轴向距离为0、5、10、15 mm时,“2”缺陷回波较为明显,但“2”缺陷回波幅值持续减小. 提取“2”缺陷回波幅值,得到不同检测点缺陷回波幅值变化,如图15所示. 随着横波直探头不断移动,“2”缺陷回波幅值不断减小. 缺陷总长度为20 mm,横波直探头压电片直径为30 mm,当横波直探头从起始检测点向右移动30 mm时,则横波直探头敏感元件直径则不再覆盖缺陷,此时横波直探头不再能检测到缺陷. 当横波直探头从起始检测点向右移动35 mm时,也并未检测到缺陷.

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图14 横波直探头激励C-SH0检测的指向性 Fig.14 Direcvity of C-SH0 mode detection by BSW transducer

图15 C-SH0模态缺陷回波幅值变化 Fig.15 Amplitude curve of defect echos by C-SH0 mode

激励C-Lamb波对缺陷进行轴向扫描,结果如图16所示. 图16中“1”为激励信号直探头到接收信号横波直探头的直达波包,“2”为缺陷回波. 横波直探头距离缺陷中心位置0、5、10、15、20 mm时,“2”缺陷回波幅值较为明显. 图17为缺陷回波幅值变化过程,可以看到缺陷回波幅值随着横波直探头的移动,其幅值不断减小,若横波直探头敏感元件直径不在周向方向上与缺陷有交集,则检测不到管道缺陷.

图16 横波直探头激励C-S0缺陷检测的指向性 Fig.16 Direcvity of C-S0 mode detection by BSW transducer

图17 C-S0模态缺陷回波幅值变化 Fig.17 Amplitude curve of defect echos by C-S0 mode

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3 厚壁管道纵向缺陷检测

从周向导波频散曲线中选择频散小、导波模态少、适合管道缺陷检测导波模态的激励频率,图1中500 kHz对应的导波模态频散较小,因此本例选取500 kHz为缺陷检测激励频率. 在此频率下有3个周向导波模态,分别为周向S0模态、周向SH0模态和周向A0模态. 其周向导波模态对应的理论群速度分别为5.269、3.259、3.245 m/ms.

图18 厚壁管道缺陷检测实验设置 Fig.18 Experimental setup of thick-wall pipe defects detection

厚壁管道频散曲线较为复杂,需选取适合厚壁管道缺陷检测的激励频率. 本实验将利用特定频率下速度最大的导波模态对厚壁管道进行检测,所以除了选取导波模态少、导波模态频散小的频率,还需所选激励频率下的导波模态具有较大的群速度差.

1.6 内在机制——进化的实质 第(5)小题: 水稻种植区的Mp是由不同基因型组成的群体。大面积连续种植某个含单一抗病基因的水稻品种,将会引起Mp种群____________,使该品种抗病性逐渐减弱直至丧失,无法在生产中继续使用。

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图19 厚壁管道周向导波频散曲线 Fig.19 Circumferential guided wave dispersion curves of a thick-wall pipe

从图19中可以看出,C-SH0模态在厚壁管道中的信号基本没有频散现象,且当频率趋于无穷时,各模态波的相速度趋于相同,而且低阶模态比高阶模态的变化更平缓,也就是说低阶模态的频散现象相比不显著,所以选用C-SH波的低阶模态用于实际检测. 在85 kHz时,仅有C-SH0模态,且C-SH0模态无频散,所以选取85 kHz作为厚壁管道纵向缺陷检测实验的激励频率,10周期汉宁窗调制的正弦波信号作为激励信号.

横波直探头在厚壁管中激励C-SH0模态检测厚壁管道纵向缺陷的实验结果如图20所示. 图20(a)为厚壁管道缺陷检测结果,图20(b)为横波直探头检测范围不覆盖缺陷时的检测结果. “1”为激励信号横波直探头到接收信号横波直探头的直达波,因激励与接收横波直探头之间距离不变,所以“1”波包接收时间不变. 图20(a)中,“1”的速度为3 052.50 m/s,与85 kHz频率下C-SH0模态理论群速度的相对误差为4.2%;“2”为缺陷回波,其波速为3 052.10 m/s,与理论群速度的相对误差为4.2%. 图20(b)中则看不到缺陷回波.

图20 C-SH0模态厚壁管道缺陷检测结果 Fig.20 Defects detection in a thick-wall pipe by C-SH0 mode

所以,横波直探头在厚壁管中激励C-SH0模态导波具有缺陷检测能力.

利用Disperse软件绘制厚壁管道C-Lamb频散曲线,如图21所示. 从频散曲线可以看出,与薄壁管道频散曲线相比,厚壁管道频散曲线相对复杂. 在150 kHz下,有C-S0模态、C-S1模态与C-A0模态. C-S0模态频散较小,速度最快,与C-S1模态有一定的速度差. 由于C-A0模态的主要位移方向是径向方向,因此横波直探头在管道中无法激励C-A0模态. 所以选取150 kHz作为厚壁管道纵向缺陷检测实验的激励频率,10周期汉宁窗调制的正弦波信号作为激励信号.

图21 厚壁管道周向导波频散曲线 Fig.21 Circumferential guided wave dispersion curves of a thick-wall pipe

图22 C-S1模态厚壁管道缺陷检测结果 Fig.22 Defects detection in a thick-wall pipe by C-S1 mode

横波直探头在厚壁管中激励C-S1模态检测厚壁管道纵向缺陷的实验结果如图22所示. 图22(a)为C-S1模态厚壁管道缺陷检测结果,图22(b)为无缺陷情况下的检测结果,图中“1”为激励横波直探头到接收横波直探头的直达波. 图22(a)中“1”速度为3 684.60 m/s,与150 kHz频率下C-S1模态理论群速度保持一致,其相对误差为1.3%;“2”为缺陷回波,速度为3 534.79 m/s,与理论群速度相对误差为2.8%. 在图22(b)中看不到缺陷回波.

综上所述,横波直探头可通过偏振方向的改变在厚壁管中激励出C-SH0模态与C-S1模态,且2种模态可应用于厚壁管道缺陷检测. C-SH0模态缺陷回波的幅值较小,C-S1模态缺陷回波的幅值较为明显.

4 结论

1) 通过理论分析与实验验证确定了横波直探头偏振方向与在管道中激励导波模态的关系. 横波直探头偏振方向与管道轴向方向保持一致布置时,即可激励出C-SH波,周向SH波的声束指向性优于周向Lamb波的对称模态.

2) 对横波直探头在薄壁管道中检测纵向缺陷的能力进行实验研究,通过改变横波直探头偏振方向分别激励C-SH波与C-Lamb波,并将C-SH波与C-Lamb波对管道纵向缺陷实现缺陷检测. 本文对横波直探头的缺陷扫描精度进行实验研究,通过5 mm轴向平移横波直探头位置,当发射信号横波直探头激励部分刚好不覆盖管道轴向缺陷时,则检测不到轴向缺陷,这说明横波直探头在管道缺陷检测过程中具有良好的指向性,对于管道轴向缺陷精确定位具备潜力.

3) 基于横波直探头实现厚壁管道纵向缺陷检测. 选取适合厚壁管道缺陷检测的激励频率,在厚壁管中激励出C-SH0模态与C-S1模态,且2种模态可应用于厚壁管道缺陷检测.

4) 本文提出的基于横波直探头管道周向导波检测技术对于管道轴向缺陷的精确定位具有潜在的应用价值.

参考文献

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利用虾壳、虾头进行真菌发酵,既可充分利用虾壳、虾头中丰富的蛋白质等成分培养真菌获得大量菌体,以降低发酵成本,又可以虾壳、虾头为底物,通过真菌诱导产生各种酶系。

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在过去的30年中,人造板的甲醛排放量从大约3 ppm下降到了0.1 ppm,这是一个非常显著的变化。如果水平继续下降,可能比天然木材还低。

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第一件事是严济慈每年都给熊家送来一袋小苹果,据说是1960年那次送苹果受到师母表扬以后养成的习惯。然而师母表扬是在三年困难时期的大背景下,并非师母嗜好小苹果。一番心意熊老夫人不好拒绝,而这样的苹果又实在不好吃,于是就把它们晒干。她喜欢做干花,将晒干的苹果和干花放在一起,用来做装饰,倒显得别有情调。

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待测厚壁管道外径为299 mm,壁厚为16 mm,长度为500 mm,材料为20号钢,管道密度为7.850 g/cm3,纵波速度为5.943 m/ms,横波速度为3.177 m/ms. 利用Disperse软件绘制厚壁管道C-SH波频散曲线,如图19所示.

综上所述,若横波直探头直对缺陷,则可检测到缺陷. 若横波直探头在周向方向上不对应缺陷,则检测不到缺陷的存在. 横波直探头扫描缺陷精度较高,信号信噪比良好. C-SH波与C-Lamb波均可检测管道纵向缺陷,缺陷回波幅值基本一致.

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吕炎,郭程,张学聪,吴斌,何存富
《北京工业大学学报》2018年第5期文献

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