بخشی از مقاله
چکیده
امواج فراصوتی هدایتشده یکی از توانمندترین ابزارهای ارزیابی فراصوتی بردبلند در لولهها هستند. این امواج به علت توانایی انتشار در فواصل طولانی و اتلاف انرژی پایین، گوی سبقت را از سایر روشهای بازرسی خطوط لوله ربودهاند. به طور کلی سه نوع مد از امواج هدایتشده در لولهها قابل انتشار هستند. در میان انواع مدهای امواج هدایتشده، مد طولی دوم به دلیل امکان تفسیر آسان سیگنال و دیسپرسیو نبودن آن در ناحیه فرکانسی گسترده، در مقایسه با بسیاری دیگر از مدها ارجحیت یافته است.
در این مقاله، ابتدا اصول و مشخصات کلی امواج هدایتشده در ساختارهای استوانهای بررسی میشود و سپس با استفاده از روش اجزای محدود، انتشار مد طولی دوم به کمک نرمافزار آباکوس و با فرض ایجاد این مد توسط تراگذار پیزوالکتریک زاویهدار شبیهسازی میشود. با به کارگیری تراگذار زاویهدار، از تولید مدهای ناخواسته جلوگیری میشود. نتایج شبیهسازی انجام شده حاکی از آن است که با افزایش عمق شیار فرض شده در لوله، ضریب بازتاب با روندی خطی افزایش مییابد.
1. مقدمه
وجود انواع عیوب در خطوط لوله یکی از اصلیترین نگرانیهای صنایع نفت و گاز است. روشهای بازرسی غیرمخرب از جمله استفاده از امواج فراصوتی هدایتشده در بررسی موقعیت و اندازه عیوب در مرحله سرویسدهی همواره مورد توجه بوده است. مدهای خاصی از امواج هدایتشده وجود دارند که حساسیت قابل قبولی نسبت به عیوب دارند و از آنجاییکه لولهها نیز مسیر مناسبی برای انتشار امواج هستندامواج فراصوتی هدایتشده پتانسیل بالایی برای بازرسی سریع و کمهزینهی لولهها دارند.
از این گذشته،×چون این امواج میتوانند مسیرهای طولانی را طی کنند، در موقعیتهایی با دسترسی محدود از جمله مکانهایی که بیشتر سطح لوله توسط عایق پوشانده×و یا مخفی و مدفون شده است استفاده شده و امکان بازرسی حجمی بالایی را فراهم میکنند .[1] این امواج در قطعاتی منتشر میشوند که ضخامت آنها کمتر از طول موج مد منتشر شده باشد. سرعت امواج هدایتشده به فرکانس تحریک وابسته است و به عبارتی این امواج دیسپرسیو هستند؟
تعامل اثر امواج هدایتشده با ناپیوستگیها در هندسه موجبر موضوعی حائز اهمیت است. توانایی این امواج در موقعیتیابی ترکها و شیارهای موجود در لولهها توسط بسیاری از محققین بررسی شده است. آلین - 1998 - انعکاس امواج هدایتشده از شکاف محیطی در لوله را با روش اجزای محدود مدل نمود .[2] در سال 1999 موزر انتشار موج کشسان در موجبرهای مختلف را با همین روش مدل نمود .[3]
در حوزه فعالیتهای آزمایشگاهی و بررسی عیوب گوناگون، کاولی و همکاران - - 2002 اثر اندازه عیوبی با عمقها طول و عرضهای مختلف را بررسی کردند. آنها اثر عمق عیب و همچنین فرکانس تحریک را روی ضریب انعکاس سیگنال منعکس-شده از عیب بررسی کردند. همچنین آنها اثر گستردگی محوری عیوب در لوله را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که برخلاف پیشبینیها، میزان انعکاس ناشی از عیبو شدیداً به این عامل وابسته است .[4]
در سال 2010 وانگ و همکاران یک لوله دارای عیب مربعی را در نرمافزار انسیس مدل نمودند و از مد طولی دوم برای بازرسی استفاده کردند. آنها سیگنالهای منعکسشده از دیوارهی جلویی و عقبی عیب را به صورت مجزا بررسی کردند و نشان دادند که انعکاس از این دو دیواره مشخصههای سیگنالی متفاوتی را دربر دارند که منجر به پیچیدگی سیگنال منعکسشده از عیب میشود .[5]
2. مشخصات مد و محدوده فرکانس امواج هدایتشده
امواج هدایتشده به امواج مکانیکی با فرکانس پایین گفته میشود که به صورت دستهای از امواج ×منتشر میشوند و شامل مد-های مختلفی هستند؟ در لولهها سه دسته از امواج هدایتشده منتشر میشوند که تمامی آنها در امتداد محور لوله حرکت میکنند؛ مدهای طولی - L - 1، پیچشی - T - 2 و خمشی. - F - 3 برای مشخصکردن امواج هدایتشده در هندسههای متفاوت، تمامی مدها به صورت L - n,m - ، T - n,m - وF - n,m - × نمایش داده میشوند که n,m = 0,1 ,2,… اعداد صحیح هستند. n نشان دهندهی هندسهی ساختار و m نشان دهندهی مرتبهی مد موج است. مد n=0 معرف هندسه لولهای با تقارن محوری است و بنابراین حالات L - 0,m - ، - T - 0,m وF - 0,m - × دارای بیشترین کاربرد مهندسی میباشند.
مدهای طولی و پیچشی هر دو متقارن محوری هستند، اما مد خشمی نسبت به محور استوانه نامتقارن است. ×در مدهای پیچشی تنها مؤلفه جابجایی محیطی وجود دارد، در حالیکه در مدهای طولی هر دو مؤلفه جابجایی شعاعی و محوری وجود دارد. در مد خمشی هر سه مؤلفه جابجایی وجود دارد. در شکل - 1 - انواع امواج هدایتشدهی فراصوتی در ساختارهای استوانهای نشان داده شده است.
از میان مدهای معرفیشده دو مد طولی و پیچشی در بازرسی لولهها کاربرد بیشتری دارند. همچنین در انتخاب مدها باید به این نکته دقت داشت که نباید دیسپرسیو باشند، زیرا در این صورت سیگنال با طیکردن مسیری طولانی به طور کلی تغییر کرده و تشخیص این موضوع که تغییر سیگنال ناشی از وجود عیب و یا پدیده دیسپرژن بوده است، دشوار خواهد شد.
مد طولی یکی از مدهایی است که در توسعه این روش، به علت ساختار ساده بیشترین تاثیر را داشته است. با توجه به شکل جابجایی در مد طولی، عیوبی که مؤلفه محیطیشان در مقایسه با مؤلفه شعاعی ناچیز باشد، به درستی تشخیص داده نمیشوند. از دیدگاه ارتعاش ذرات ماده L - 0,1 - مشابه A0 - مد نامتقارن موج لمب - و L - 0,2 - مشابه با - ×S0مد متقارن موج لمب - در ورقهای تخت میباشند.
از میان مدهای طولی، معمولاً از مد L - 0,2 - به علت غیردیسپرسیو بودن آن در محدودهای گسترده از فرکانس و همچنین سرعت انتشار بالای آن، بیشتر استفاده میشود. در صورت برخورد مد طولی به عیوب متقارن تبدیل حالت رخ نخواهد داد ولی در برخورد با عیوب نامتقارن محوری مدهای خمشی نیز در پژواکهای بازتاب ایجاد خواهند شد .[7] در شکل - 2 - نحوهی تغییرشکل سازه تحت انتشار سه مد طولی اول نمایش داده شده است.
روشهای گوناگونی برای تولید امواج هدایتشده وجود دارد و یکی از این روشها استفاده از تراگذار با کفشک زاویهدار است .[9] در روشی دیگر با استفاده از المانهای پیزوالکتریک پلاریزه شده برشی و بدون استفاده از ماده واسط، در حالتی که المان عمود بر سطح تماس است، موج هدایتشده طولی تولید میشود .[10] مشکلی که در تولید مد طولی دوم با استفاده از المانهای پلاریزه برشی وجود دارد، تحریک مدهای ناخواسته در محدوده فرکانسی تولید این مد است که این مسئله تفسیر سیگنالهای بازتابیده از عیوب را دشوار میسازد.
در این مقاله با استفاده از روش تراگذار زاویهدار میتوان اطمینان حاصل کرد که تنها مد مورد نظر L - 0,2 - تولید و ارسال خواهد شد، زیرا که برای کفشک، زاویه مورد نیاز جهت تولید مد L - 0,1 - وجود نخواهد داشت. همچنین با استفاده از تحریک متقارن محوری 360 درجه امکان بازرسی محیطی و در نتیجه برخورداری از مزایای تراگذار شانهای با المانهای پلاریزه شده برشی مهیا خواهد شد.
در این روش پس از تعیین زاویه ارسال بر اساس قانون اسنل، یک محرک پیزوالکتریک به همراه یک گوه روی سطح لوله قرار میگیرد، موج تولید شده در گوه منتشر شده و با عبور از سطح مشترک وارد بدنه لوله میشود. در فاصلهی اندکی از تراگذار، امواج دیگر بهتنهایی و به صورت مدهای طولی و عرضی قابل شناسایی نیستند و به صورت بستهای از امواج هدایتشده تبدیل میشوند. در این روش، امواج با سرعت فاز معینی تحریک میشوند. با تغییر زاویه گوه میتوان به سرعتهای فاز گوناگون دیگری دست یافت.
