用于管道縱向缺陷檢測的超聲波線性探頭的設計及驗證

呂慶貴,查華彬,唐 宇

(1.中國石油西南油氣田分公司安全環保與技術監督研究院,成都 610213;2.四川石油天然氣建設工程有限責任公司,成都 610213)

眾所周知,在環狀結構(如軸承、管道)中,沿其徑向生長和擴展的疲勞裂紋缺陷會對結構安全產生很大影響,嚴重時會使結構失效。而廣泛應用于天然氣、熱力和石油等工業領域中的管道系統,通常也會沿其縱向或斜向產生裂紋缺陷,造成安全隱患[1]。常規的超聲成像檢測技術常用于檢測厚壁環狀結構的徑向裂紋,但不能實時檢測和集成診斷。應用超聲波技術檢測沿管道周向分布的裂紋缺陷已經較為常見,對于管道縱向或者斜向裂紋缺陷的研究較少[2]。筆者提出了一種利用特殊線性探頭來檢測管道縱向缺陷的方法,并用自行研制的超聲光彈設備進行了驗證,證明了方法的可行性。

1 線性探頭的設計

筆者把多個壓電晶片貼在有機玻璃上面,利用超聲波在有機玻璃中的延時,使后到達的超聲波一直在加強沿管道中傳播的超聲波。如圖1所示,脈沖發生器發出的階躍脈沖同時激勵有機玻璃上的換能器線陣壓電晶片,離圓環最近的壓電晶片激發出的超聲波首先到達玻璃圓環并沿著圓環管道傳播。在傳播過程中,相鄰壓電晶片激發的超聲波經過楔塊也到達圓環。設計特殊的有機玻璃楔塊形狀,使到達圓環的兩個聲波的相位差滿足≤λ/8,則后到達的超聲波加強了前面超聲波的能量,以此類推。只要使楔塊的設計滿足上述條件,則超聲波在傳播中不斷得到加強。該方法的重點是有機玻璃楔塊角度的設計。

如圖2所示,以圓心為坐標原點建立直角坐標系,超聲波從A點開始向B點傳播。在傳播中,圓上每一點都可以看作新的輻射源,圖中Q為A到B中的任意一點。設R為圓的半徑,c1為超聲波在圓上聲速,c2為超聲波在圓外介質中聲速,t1為超聲波在圓上傳播時間,t2為超聲波在圓外介質中的傳播時間,α為超聲波從一種介質到另一種介質的折射角,C點為t時刻超聲波到達的位置,則可得出:

由圖2所示幾何關系可得出任意一點C的坐標(楔塊上壓電晶片分布曲線)為:

2 試驗研究

2.1 壓電晶片分布曲線圖

試驗中選取的玻璃圓環外徑為100 mm,內徑為90 mm,圓環中瑞利波速度cr=3 210 m/s,縱波速度cL=5 900 m/s,橫波速度 cs=3 520 m/s,有機玻璃楔塊的縱波速度cL=2 690 m/s。

把上述速度代入式(3)中,利用Matlab軟件,分別模擬出關于縱波、橫波和瑞利波的楔塊上分布壓電晶片的曲線,如圖3所示。按圖中求出的曲線加工楔塊并貼上壓電晶片。試驗中采用 3個長為22 mm,寬為6～8mm,頻率為2 MHz的壓電晶片,晶片間距為1 mm,分布在有機玻璃楔塊上,如此就得到一個簡易的探頭。

2.2 光彈試驗裝置

試驗裝置如圖4所示,光源為高亮度LED,激發它的電脈沖寬度為20 ns,光源發出的光脈沖3 dB帶寬為50 ns,有較好的同步性能,對于8 MHz以下的聲脈沖可以分辨出單獨的周期。凸透鏡L1和L2焦距為960 mm(有效口徑約為320 mm)。CCD選用的型號為 WV-CP230,靈敏度 F0.75時為0.6 Lux。控制器在0時刻命令發出聲激發脈沖,通過延時器,在τ時刻命令發出光脈沖。上述過程以較低的頻率重復,就可以觀察或記錄到被“凍結”在固體中的聲場,延時時間在0～99.9 μ s內可調,最小時間間隔為0.1 μ s,相當于玻璃中傳播距離約0.5 mm。L1為準直光束透鏡,L2為成像透鏡,P為起偏振片,A為檢偏振片,Q1和Q2為1/4波長玻片[2]。

圖4 光彈試驗裝置示意圖

使用圖4所示光彈系統對樣品中的超聲波進行成像,以直觀地看到超聲波在玻璃圓環中的聲傳播行為。

2.3 試驗數據及分析

圖5～7是采用光彈系統獲得的不同波型在不同時刻的傳播圖像。

由圖5可見,縱波在傳播中遇到內表面的缺陷時,有明顯的反射。圖5(b)中由于入射的波比較強,所以反射波在靜態圖像中不好區分,但是利用動態的光彈軟件連續播放圖像時可以很明顯地區分出反射波。由圖6可見,橫波能量主要集中在圓環內部,并且在傳播很遠距離后還有很大能量。由圖7可見,瑞麗波能量主要集中在圓環外表面,傳播很遠距離到達缺陷時,可以清楚地看到反射波。

圖8是在相同測試條件下,單晶片探頭和線陣探頭測量的圖1所示樣品中外壁缺陷的回波信號。從圖中可以看出,采用單晶片探頭獲得的回波信號的幅值在示波器中為3.5格,線陣探頭獲得的回波信號的幅值為5格,幅值提高了1.5倍。

3 結論

(1)瑞利波對玻璃圓環外表面缺陷比較敏感,橫波對圓環內部缺陷敏感,而縱波對圓環內表面的缺陷敏感。

(2)設計的線性探頭可以加強所需波型的能量,以用于實際檢測工作。

[1] 他得安,易勇,劉鎮清.傳播距離對管中導波傳播特性的影響[J].無損檢測,2003,25(11):553-556.

[2] 李隆濤,何存富,吳斌.周向超聲導播對管道縱向曲線檢測的研究[J].聲學學報,2005,30(4):344-345.