基于超声导波的压力容器健康监测I：波传导行为及损伤定位丨JME封面文章

　　研究背景及目的

　　压力容器在石油化工、水下舰艇、航空航天等重大产品及关键部件中有着广泛应用。服役环境中，苛刻的工作环境易造成压力容器多种失效模式相互耦合而严重威胁结构服役安全。在人类与工程失效长期斗争的过程中，逐渐认识到，先进的监测手段可以降低在役设备发生重大事故的风险。传统方法基于统计学原理及安全系数法等可靠性理论来保障压力容器的结构完整性。然而压力容器受到各种自然、载荷环境交互作用，这对其服役安全提出了新的挑战。对在役压力容器的在线监测可为进一步停机检查、维修等提供指导，降低产品突发性失效带来的损失。超声导波具有大面积、长距离监测的优点，能及时避免压力容器失效。本研究开展了基于超声导波的压力容器健康监测研究，分三个部分。本文为第一部分，主要研究了超声导波在压力容器中的传播行为及损伤定位方法。

　　试验方法

　　利用有限元方法研究了超声导波在压力容器中的传播行为；

　　利用Matlab开发出了针对压力容器圆柱筒体及球形封头的损伤定位算法程序；

　　利用实验重点讨论了信号处理方法对压力容器不同部位损伤定位精度的影响。

　　
结果

　　研究结果表明，导波在压力容器中传播易产生多模态，其在压力容器中不断地循环传播直至能量衰减耗尽，且极少发生边界反射；在基于超声导波的压力容器缺陷定位时，截取合适的时域导波信号并对信号进行滤波和降噪处理能够有效提升压力容器缺陷的定位精度；缺陷信号相对于基准信号的时间零点漂移及非检测模态波包的干扰是影响压力容器缺陷定位精度的两个主要原因，修正后的算法对压力容器筒体和封头缺陷的定位误差在5%以内。

　　结论

　　(1) 对于本文所研究的压力容器一类闭合结构，导波在其中的长距离传播易产生多模态信号。与导波在平板中的传播不同，导波在压力容器中的传播极少发生边界反射，而是压力容器不断地循环传播，直到导波能量衰减耗尽。

　　(2) 对导波信号的滤波降噪处理在去除噪声的同时还保留了缺陷散射信号特征，经过滤波和小波降噪的缺陷散射信号易识别，定位算法能够准确的捕捉到压力容器筒体中的缺陷反射信号，进而提升压力容器筒体的缺陷定位精度。

　　(3) 实验室条件下，缺陷信号相对于基准信号的时间零点漂移及非检测模态波包的干扰是影响基于导波的压力容器缺陷定位精度的主要因素。修正后的定位算法得到的压力容器缺陷成像区域减小，缺陷位置与实际缺陷位置基本重合，成像精度大幅度提升。

　　前景与应用

　　压力容器在石油化工、水下舰艇、航空航天等重大产品及关键部件中有着广泛应用。服役环境中，苛刻的工作环境易造成压力容器多种失效模式相互耦合而严重威胁结构服役安全。损伤在线监测和精准定位是保障其服役安全的核心瓶颈技术。超声导波传输距离远、覆盖面积大，本研究研制了实时损伤感知及精准定位智能专用系统。项目成果可望建成特种设备智能运维和安全保障的示范标杆，提供流程工业智能装备和智能工厂的关键技术支撑。

　　相关文章/图书推荐

　　[1] Yang, B., Xiang YX, Xuan, F.Z.* Hu CJ, Xiao B.,Zhou SP, Luo CQ. (2019): Damage localization in hydrogen storage vessel byguided waves based on a real-time monitoring system. International Journal of Hydrogen Energy.https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.01.009

　　[2] Xiao, B., Yang, B.*; Xuan, F.-Z., Wan, Y, Hu, C.,Jin, P., Lei, H., Xiang, Y., Yang, K. In-Situ Monitoring of a Filament WoundPressure Vessel by the MWCNT Sensor under Hydraulic Fatigue Cycling andPressurization. Sensors 2019, 19,1396.

　　[3] Hui Bai, Bin Yang*, Hu Hui, Yuqing Yang, QingweiYu, Zhongqiang Zhou, Pingping Xian. Experimental and numerical investigation ofthe strain response of the filament wound pressure vessels subjected topressurization test. 2019, DOI:10.1002/pc.25304.

　　[4] B Yang, FZ Xuan*, SJ Chen, SP Zhou, Y Gao, B Xiao.Damage localization and identification in WGF/epoxy composite laminates byusing Lamb waves: experiment and simulation. Composite Structures, 2017, 165:138-147.

　　[5] 杨斌，胡超杰，轩福贞，万云，杨康，肖飚. MWCNT界面传感器及其在纤维缠绕压力容器原位监测中的应用, 复合材料学报. 2019, DOI：10.13801/j.cnki.fhclxb.20190417.004。

　　团队带头人及作者介绍

　　团队带头人轩福贞，教授，博士生导师。1993年7月于山东工业大学获化工机械与设备专业学士学位，1996年7月获固体力学专业硕士学位，2002年3月于华东理工大学获化工过程机械专业博士学位，毕业后留校任教。主要从事能源与动力装备的设计、制造与运行维护技术研究，在压力容器、超超临界汽轮机、核电装备等高温设备的强度与寿命设计、安全评价及智能检测/监测方面取得创新成果。获国家科技进步一等奖1项、二等奖1项，省部级特等奖1项、一等奖4项、二等奖1项，中国石油与化学工业联合会青年科技突出贡献奖。主持完成国家核电重大专项（课题）、国家仪器专项、863计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等课题，参加《在役含缺陷压力容器安全评定》、《承压设备合于使用评价》等多项国家/行业标准的编制及研究工作。先后入选国家万人计划领军人才、教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年基金、上海市领军人才、上海市优秀学科带头人等计划或荣誉。兼任全国锅炉压力容器标准化技术委员会委员、教育部第七届科技委先进制造学部委员、承压系统与安全教育部重点实验室主任、核电装备工程研究中心主任、压力容器副主编等。

　　杨斌，男，河南淮阳人，博士，华东理工大学机械与动力工程学院讲师，硕士生导师。研究工作围绕特种设备智能化及其安全问题开展，重点研究复杂环境下材料/设备的安全评价、安全监测理论基础、损伤智能监测装备三个方面。围绕上述工作，以第一/通讯作者在Int J Hydrogen Energ,Compos Sci Technol，Compos Part A & B, Compos Struct及J Sandw Struct Mater等重要期刊上发表SCI论文30篇；另以第一作者发表EI论文9篇；科学出版社出版中文专著1部（第二作者）。申请/授权国家发明专利13项，授权软著3项。担任多个期刊审稿人。多次参加学术大会并作特邀报告，担任分会场主席，并发表会议论文。是中国复合材料学会青年工作委员会委员、上海市力学学会副主任委员、中国力学学会、美国SAMPE学会会员。主持国家自然科学基金青年科学基金、国家重点研发计划子任务等课题十余项。先后入选中科协“青年人才托举工程（2018-2020）”、上海市“晨光学者（2018）”和“华东理工大学青年英才培育计划（A类，2018）”，获首届“中国复合材料优秀博士学位论文（2016，全国5篇）”和上海市科技进步一等奖（2019，排名：3/15）。

　　胡超杰，男，1994年12月生，博士研究生在读。2017年7月于中国石油大学获过程装备与动力工程学士学位，2017年9月至今于华东理工大学机械与动力工程学院攻读博士学位。主要从事的研究方向为基于深度学习的压力容器健康监测技术。2017年以来，发表SCI论文3篇，发表EI检索论文5篇。

　　罗承强，男，1994年1月生，硕士研究生。2016年7月于华东理工大学获过程装备与动力工程学士学位，2019年7月于华东理工大学获得动力工程及工程热物理硕士学位。主要从事压力容器健康监测研究。2016年以来，发表SCI检索论文3篇，申请/授权发明专利5项、软件著作权3项。先后获得研究生国家奖学金、国家励志奖学金、万华化学奖学金、蒋雯若奖学金、陶氏奖学金等。

　　项延训，男，1979年生，浙江苍南人，2005年至今任职于华东理工大学，教授，博士生导师，国家自然科学基金优青获得者。主要从事材料/构件服役相关的超声无损检测及评价技术研究，包括：早期微损伤的非线性超声导波检测及定位表征、超声导波损伤检测及定位成像、超声相控阵成像、复杂结构中残余应力的超声表征等。研究内容涉及超声学、材料力学、信号处理等交叉学科。作为项目负责人主持4项国家自然科学基金项目、2项国家重点研发计划课题、1项装备预研教育部联合基金项目，以及多项省部级项目和企业合作科研项目，获省部级科技成果奖励3次。获2017年上海市魏墨盦声学奖，获2016年国家自然科学基金委优青项目资助，获2016年上海市人才发展资金资助，获2015年度上海市自然科学奖一等奖（第1完成人），获2014年上海市科技启明星计划，获上海市优秀博士论文（2011）；发表SCI论文50余篇，授权/申请专利11项。

　　肖飚，男，1982年生，湖南衡阳人，高级工程师，博士生在读。主要从事构件/材料的超声导波检测及损伤定位研究，包括：超声导波技术对复合材料缠绕式压力容器的结构健康监测及损伤定位成像，超声导波监测技术对复合材料、铬钼钢材料构成的薄板、薄壁圆筒结构件的在线监测，发表SCI、EI论文10余篇。

　　作者或团队研究方向介绍

　　华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室是国内承压设备领域唯一的教育部重点实验室，秉持科学发展与国家需求相结合的理念，以压力容器、环境装备、动力装备等为载体，以“引领承压装备源头技术创新，强化学科基础理论前沿研究，培养具有创新能力的高水平人才，建成特色鲜明、具有较大国内外影响的承压系统与安全领域创新基地”为目标定位，在装备安全技术、节能与减排技术、智能检测/监测技术等研究领域，取得了具有重要学术影响或重大工业应用价值的创新成果，在提高社会生产力、增强综合国力、提升国际竞争力和保障国家安全中的发挥了重要的战略支撑作用。近五年来，实验室承担科研经费1.43亿元，承担了国家和省部级等重要任务419项，获国家及省部级二等奖以上科技奖励21项，发表论文905篇，其中SCI收录554篇、EI收录97篇，起草实施国家标准5项。获得软件著作权11项；授权发明专利97项，其中国际专利9项，20项专利实现成果的产业化。

　　承压系统安全科学教育部重点实验室长期从事结构寿命与可靠性的科学基础和完整性评定技术研究，尤其是在结构强度、结构健康监测及复杂环境引起的结构破坏理论方面具有特色。近年来，研究室成员承担了国家杰出青年基金、自然科学基金、国家高技术研究发展计划（863）、国家科技支撑、上海市国家自然科学基金面上及重点等项目，在复杂结构的寿命预测、损伤分析、力学-化学作用下结构完整性、环境引起的结构失效的基础理论等方面已取得若干重要研究成果，包括：极端条件下重大承压设备的设计、制造与维护（国家科技进步一等奖、中国机械工业科学技术特等奖，2014）、高温过程装备结构完整性关键技术与应用（国家科技技术进步二等奖，2013）、化工设备预测性维修规划的关键技术（国家科技进步二等奖，2004）、在役压力容器寿命预测与安全保障技术研究（国家科技进步二等奖，2005）、高温过程装备结构完整性原理与应用（中国石油和化学工业科技进步一等奖，2010），以及多组元结构的损伤、断裂及安全评定基础理论（上海市自然科学一等奖，2010）等。

　　编辑：李楠 校对：张强

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