李 冰

(上饒市水利水電工程建設監(jiān)理中心，江西 上饒 334000)

引排水是現(xiàn)代水利、市政中最常見的工程措施之一，管道運行的安全性與否對于社會生產生活具有重要影響。但是，管道工程的隱蔽性與復雜性使得難以準確評估其損傷狀態(tài)，無法保障引供水系統(tǒng)的安全性與可靠性，因此，需要找到一種有效手段對管道損傷信息進行采集處理，以便對管道的完整性進行合理、可靠、準確的預判[1-2]。

超聲波技術在檢測方面擁有其獨特的優(yōu)勢，可實現(xiàn)對檢測對象進行實時無損的監(jiān)測并采集獲取數(shù)據(jù)，已在航空、核工業(yè)、市政等工程領域普及使用[3-6]。徐柳娟等探討了將導波技術應用于管道損傷檢測當中，并對其優(yōu)缺點進行了分析[7]；李贏、李紹星等則基于能量密度法，建立起超聲導波管道損傷監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應用于層狀管道結構損傷測試中，取得了較好的應用成果[8-9]；管道損傷監(jiān)測僅是獲得損傷數(shù)據(jù)的第一步，如何將損傷數(shù)據(jù)通過技術手段統(tǒng)計分析并表現(xiàn)出來，是進行損傷管道完整性研究最重要的一環(huán)。對此，張宇、侯小強和張?zhí)於返确謩e利用應變傳遞率法、統(tǒng)計模式以及MATLAB三維數(shù)值模擬分析法對管道損傷識別和判斷進行了探討，對于超聲技術在管道損傷判斷中的應用和普及起到了積極推動作用[10-12]。

文章首先對管道超聲檢測原理進行了分析，并利用Pro/E 軟件和ABAQUS 軟件將損傷檢測數(shù)據(jù)與管道實體模型相結合，對不同缺陷位置和缺陷數(shù)目情況下的損傷管道完整性進行了定性和定量分析，可為水利、市政的引水輸水管道的施工和運行維護提供參考。

1 超聲檢測信息技術簡介

超聲波檢測是利用探頭發(fā)射超聲波在檢測物體中傳播，當遇到障礙界面如裂紋、孔隙時反射、折射、散射或者衍射的回波信號經放大處理后反映在顯示器上的技術手段，其檢測方法按相應原理可分為脈沖反射法、穿透法和共振法，檢測損傷的方式可以分為A型、B型和C型；按探頭的工作方式又可分為直接接觸法以及液浸法。超聲波檢測系統(tǒng)基本組成部分包括運動工作臺、探頭、控制箱、PCI超聲波板卡以及計算機等硬件設施，如圖1所示。在超聲波檢測過程中需要合理設置聲波參數(shù)、采集參數(shù)、探頭位置等，通過掃描波形(文章選A型波)，讀取和選擇二值圖像，然后設定合理掃描步距，得到初始化后的掃描軌跡，在獲得定位指示后開始損傷檢測，采集到三維數(shù)據(jù)信息并對數(shù)據(jù)進行相應處理，最終得到檢測結果，其工作流程如圖2所示。

圖1 超聲波檢測系統(tǒng)構成

圖2 超聲波檢測系統(tǒng)工作流程

2 損傷管道模型的建立

通常而言，埋管方式分為溝埋式、上埋式和隧道式。文章采用溝埋式埋管方式進行模擬分析。管道被上覆回填土、地基以及原狀土等包圍，所受荷載主要包括：①管道自重(標準管道6節(jié)，直徑為1.2m，厚4cm，彈性模量為15000MPa，泊松比為0.3，密度為7350kg/m3，埋深設置為3m并位于模型中心位置)；②土荷載(土體模型取長×寬×高=30m×25m×15m，底部采用固支，四周對X和Z方向進行位移約束，回填土的彈性模量取為8MPa，泊松比為0.35，密度為1920kg/m3，地基土的彈性模量為80MPa，泊松比取為0.25，摩擦角為32°，膨脹角取為30°)；③對管道和土體均設置重力荷載和1MPa的均布管道內壓。

管道、土體以及塑性材料和接觸面上采用C3D8R單元進行分析，同時為了獲得損傷信息的準確性，對管道損傷區(qū)域的網格進行必要的細分。由于管道硬度較大，因此，將管道外表面定義為主接觸面，將土體定義為從接觸面，且均采用有限滑移接觸；定義各接觸面的切向行為和摩擦系數(shù)，將初始分析步的邊界條件延伸至加載分析步時的邊界情況，同時在第一個分析步結束后施加重力荷載，在后續(xù)步中施加其他荷載。

將超聲波自動檢測系采集到的三維數(shù)據(jù)信息導入MATLAB環(huán)境，利用徑向基函數(shù)和曲面擬合算法對三維數(shù)據(jù)進行處理，得到管道曲面網格模型，再利用Pro/E 軟件繪制損傷管道實體模型，最后在ABAQUS 軟件中對實體模型進行網格劃分，進而對不同工況下的損傷管道完整性進行分析。損傷管道實體模型的建立過程具體如下：

(1)在MATLAB軟件中對檢測到的管道損傷區(qū)域的三維數(shù)據(jù)信息進行曲面化處理，對損傷曲面的相關點陣數(shù)據(jù)進行提取。

(2)將(1)中提取到的點陣數(shù)據(jù)通過技術手段轉化為可用于網格生成的數(shù)據(jù)格式。

(3)將轉化后的點陣數(shù)據(jù)進行網格曲面的生成，并將其存儲為DXF格式。

(4)將(3)中存儲的DXF數(shù)據(jù)文件導入Pro/E軟件，然后利用軟件中的實體建模功能生成損傷區(qū)域和損傷管道的實體模型，如圖3所示。

圖3 損傷管道實體模型

(5)將生成的實體模型在ABAQUS 軟件中進行網格劃分，設置不同工況參數(shù)，分析不同情景下?lián)p傷管道的完整性。

3 完整性分析

3.1 無損管道受力分析

首先對沒有損傷情況下的管道進行水壓力(1MPa)和重力荷載情況下的受力和位移分析，如圖4所示。從圖4中可以看到：無損管道應力和位移在沒有施加外部荷載作用情況下的應力和位移處處相等(沿z軸方向)，說明在模型建立過程中對邊界效應的消除是有作用的；管道的上下外側應力值最小，而內側應力值最大；環(huán)向應力在45°方向的4個區(qū)域最大；水平位移在x軸方向的兩側呈現(xiàn)最大值，豎向位移在管道的上部呈現(xiàn)最大值。無損傷管道模擬結果表明：管道受力均勻，變形穩(wěn)定，未出現(xiàn)應力和位移集中區(qū)域[13-15]。

圖4 無損管道應力和位移分析

3.2 損傷缺陷位置的影響

缺陷(損傷)位置的不同對于管道力學性質及完整性的影響是不同的，將超聲采集損傷區(qū)域大小定義為180mm×180mm，損傷位于管道據(jù)端口3m的橫截面上，具體損傷缺陷位置分別在管道內表面逆時針布置1～5號點(注：埋設金屬管道一般來說，受力情況為沿垂直徑向對稱，文章擬取一半管徑之監(jiān)測位置對管道進行分析)，如圖5所示。管道所受荷載包括管道自重、土荷載以及管道水壓(1MPa)。將上述參數(shù)植入損傷管道實體模型，進行分析。

圖5 損傷缺陷位置示意

當損傷缺陷存在不同位置時，管道內產生的極大應力和極大位移值變化情況如圖6所示。從圖6中可以看到：在重力荷載以及管道內水壓力作用下，損傷管道的極大mises應力值的變化幅度較大，水平和垂直位置時應力值較小，斜向45。時應力值較大；極大環(huán)向應力的變化幅度較小，且極大正環(huán)向應力與極大負環(huán)向應力的變化趨勢相反，但應力值的絕對值相等，兩者變化范圍在±(7～7.6)MPa，相對而言，在損傷缺陷位于位置2、4時的極大環(huán)向應力值略大。從極大位移值可以看出，損傷缺陷位置的不同對管道整體的位移影響不大；從應力和位移的變化情況來講，當損傷缺陷處于位置1、3、5時，對管道整體性和完整性影響較大，應力是判別管道完成性和受損性的主要指標。

圖6 管道整體分析

選取損傷缺陷區(qū)域某一固定點進行分析，得到應力和位移的變化情況，如圖7所示。從圖7中可以看到：有損傷缺陷相對于無損傷缺陷，對mises應力值的影響較大，對環(huán)向應力的影響較小。當選取點沒有損傷時，在水平(位置3)方向的mises應力值最小，在垂直方向(位置1、5)的mises應力值最大；當選取點有損傷缺陷時，選取點的應力值向15MPa附近靠近，對位置3處的應力影響最大，對位置1和位置5的影響次之；對于環(huán)向應力，在管道位置2、4時產生較大應力，其余位置環(huán)向應力基本為0。損傷缺陷位置的變化對于水平位移的影響較小，對于垂直(豎向)位移的影響較大；相對于位移而言，應力的變化幅度更大，故應力仍然是判別某損傷缺陷處完整性的主要指標。

圖7 損傷缺陷選取點分析

3.3 損傷缺陷數(shù)目的影響

共設置1、2、3和4個損傷缺陷情況，展開不同損傷缺陷數(shù)目對管道完整性的影響研究，如圖8所示。

圖8 損傷缺陷數(shù)目布置示意

當管道無損傷缺陷時，管道的極大應力值較小，當管道存在損傷缺陷后，應力值顯著增大；隨著缺陷數(shù)目的增多，管道的mises應力、正環(huán)向應力、負環(huán)向應力的極大值均呈遞增趨勢，其中，mises應力值增長速度較快，特別的，當缺陷數(shù)目為2時，其mises應力值反而有所降低，這表明缺陷數(shù)目并不是影響管道完整性的唯一因素，它可能還跟缺陷的相對位置、距離以及深度等有關。缺陷的存在對于管道位移的影響較大，有損傷缺陷時的位移值明顯大于無損情況的，但損傷缺陷數(shù)目對管道位移的影響較小，如圖9所示。通過上述分析可以總結得出：當管道缺陷數(shù)目發(fā)生改變時，基于應力失效的判據(jù)仍是分析管道完整性的主要指標，當應力超過管道允許應力后，損傷管道自然遭到破壞并失去完整性。

3.4 討論

上文主要針對損傷缺陷位置和數(shù)量對管道完整性的影響進行了分析，獲得了在典型(常規(guī))荷載作用下，管道的應力和位移變化特征，對于引水、輸水管道工程的安裝施工及運行維護等具有一定的指導意義。但是，在實際工程中，由于受到各種地質條件和環(huán)境的影響，管道完整性受到的影響因素較多，如撞擊荷載作用、地基沉降差異、地面堆載作用、荷載大小、管道直徑等均會對損傷管道的實際應力值和位移值產生影響。限于文章篇幅，對于這些復雜工程地質環(huán)境下管道損傷的擴展情況還需在今后做進一步深入的分析和探討。

4 結論

超聲波技術作為一種無損檢測手段現(xiàn)已在工程領域普及使用，結合超聲波技術與三維數(shù)值分析技術可以將損傷缺陷管道進行實體模型化，對于準確分析和評價工程建設與運行條件下引水、輸水管道的損傷情況和完整性具有十分重要的意義。文章對不同損傷缺陷位置和數(shù)目下?lián)p傷管道的完整性進行了分析和評估，獲得了其相關影響規(guī)律，對于管道工程的建設和運行具有一定的借鑒和指導作用。但仍存在以下兩點不足：一是外界環(huán)境對超聲波自動采集精度影響較大，數(shù)據(jù)采集精度需進一步提升，二是文章理論上的土體模型不能完全代表實際的土體狀況，分析結果可能會與某些特定情況存在誤差。