实验名称：换流阀冷却系统均压电极结垢超声导波检测方法研究

研究方向：无损检测

测试目的：

为了探究超声导波检测的灵敏度，本文构建了换流阀冷却系统均压电极结垢检测模型，详细分析了不同厚度水垢与声波信号的交互过程。针对在役充液管道检测时复杂的工况，研究了导波模态识别技术和信号去噪技术，从而建立了回波信号衰减、模态转换等信息随污垢厚度的变化函数。最后构建了一套换流阀均压电极结垢超声导波检测实验系统，实验结果表明，基于L(0，2)超声导波回波特性的在线结垢检测精度达0.1mm，为换流阀均压电极结垢检测提供了一种高效的方法。

测试设备：功率放大器ATA-4011、收发一体式超声换能器、激励探头、前置放大器、任意波形发生器和示波器等。

实验过程：

图：实验设计示意图

搭建实验系统，换流阀冷却系统均压电极检测实验安排示意图如上图所示。其中汇流管道和均压电极尺寸均根据辽阳换流站冷却系统实际尺寸数据一致，管道内径为54mm，外径为60mm，内部填充有静态水。在任意波形信号发生器中导入经过hanning窗调制的五周期中心频率为150kHz激励信号，通过功率放大器放大后加载于布置在管道端部的激励探头上，激励形成L(0，2)纵向超声导波并与铂电极进行交互，接收到的导波信号由前置放大器放大后由示波器显示，并提取到PC上进行去噪和模态时别处理。

图：实验系统

为进一步研究基于纵向导波回波特性的均压电极结垢检测方法有效性，在实际水管管道上进行了实验｡实验管道内径为54mm，外径为60mm，内部填充有静态水，实验管道的几何尺寸和材料特性均与上文数值仿真所用参数相同｡斜楔体及超声探头布置在管道端部，均压电极设置在管道中心，距探头约300mm，实验主要考虑9种尺寸均相同的均压电极结垢状态：0.1~0.8mm步长为0.1mm设置结垢及无结垢状态作为对照组｡

实验结果：

图：实验中的回波信号

上图为实验中接收到的9种结垢状态回波信号｡图中第一个红圈标注为主模态L(0，2)，第二个红圈标注为转换模态，与仿真分析的模态时序和幅值变化规律一致｡

对回波信号做模态分析，最终可获得这些纵向导波与不同结垢状态均压电极交互过程声波传播特性｡不同厚度结垢均压电极回波信号可以得出L(0，2)模态和模态转换信号对均压电极厚度敏感，随着厚度变化呈现一定的变化趋势，根据L(0，2)模态和模态转换信号幅值与水垢厚度实验结果绘制关系曲线，进一步得出超声导波检测均压电极厚度灵敏度与准确性｡

图：实验数据的分析结果

针对实验结果的分析如上图所示，由图可得，同数值模拟的结果一致，均压电极结垢物厚度增加时L(0，2)反射信号和模态转换信号幅值均随着厚度的增加呈下降趋势，其衰减幅度与厚度呈正比关系，主模态和转换模态之间的能量差值减小｡

从曲线得出有无结垢差异明显，0.4mm以上污垢厚度差异较小，表明超声导波检测法对较薄污垢识别效果良好，能适用于换流站阀冷系统均压电极结垢检测｡转换模态可以提供缺陷的特征信息，而主模态L(0，2)反射信号和转换模态分量变化趋势相同，且其变化随着厚度增加更加敏感，这说明在实际应用中可以考虑直接使用主模态反射信号进行检验分析｡

ATA-4011B高压功率放大器：

图：ATA-4011B高压功率放大器指标参数