基于磁致伸縮效應的扭轉模式導波管道缺陷檢測

吳雪嬌,廖俊必

(四川大學制造科學與工程學院,成都610065)

基于磁致伸縮效應的扭轉模式導波管道缺陷檢測

吳雪嬌,廖俊必

(四川大學制造科學與工程學院,成都610065)

為實現管道缺陷的快速檢測,用實驗室現有儀器搭建了扭轉模式導波管道檢測系統,同時測試了該系統的頻率特性,并對有周向人工缺陷的樣管進行了檢測,成功實現了扭轉模式導波的激勵和接收。試驗結果表明,該系統可以檢測并定位樣管中的周向缺陷,為管道中激勵接收扭轉模式導波并實現缺陷檢測提供參考。

導波;周向缺陷;檢測系統;定位

利用傳統無損檢測方法對管道腐蝕進行在線檢測時,多數是逐點檢測,不僅檢測速度慢,并且對管道表面粗糙度要求高。如何對管道進行快速有效的在線檢測成為一大難點,研究發現磁致伸縮超聲導波技術有很好的應用優勢和發展前景[1－3]。管道中的導波可分為縱向模式、扭轉模式及彎曲模式,其中只有扭轉模式導波在一定頻率下是非頻散的,這一特性使其在對管道損傷的檢測上比其他模式導波更具有優勢。國外對基于磁致伸縮效應的扭轉導波傳感器展開了一系列研究,并取得了良好效果。KWUN[4]將經過預磁化的鎳條帶圓周狀放在被測管道上,在條帶中激發出扭轉導波并耦合到被測管道中,從而在被測管道中激發出扭轉導波。CHO等[5]優化了磁致伸縮傳感器結構,提高了接收信號的強度。在國內,武新軍等[6]發明了一種基于磁致伸縮效應的導波傳感器,可用于對構件進行無損檢測。劉增華等[7]設計并研制了一種扭轉模態磁致伸縮陣列傳感器,實現了管道中扭轉模態的激勵。李宏雷等[8]研究了基于磁致伸縮扭轉模態導波的波速和檢測長度。

1 磁致伸縮扭轉導波管道缺陷檢測原理

1.1 磁致伸縮效應

磁致伸縮效應是指鐵磁體在外加磁場的作用下發生形變的現象;反之,鐵磁體受到外界力作用時,其內部產生應變,導致磁性能改變的現象,即為磁致伸縮逆效應。按鐵磁體形狀變化的不同,磁致伸縮效應可分為三種:線磁致伸縮效應、體積磁致伸縮效應和扭轉磁致伸縮效應[9－10]。從微觀上分析,鐵磁體內的磁疇會向外加磁場方向偏轉,導致材料結構內部產生應變,進而導致材料形變。外加磁場較小時,磁疇幾乎無變化;外加磁場逐漸增大時,磁疇逐漸向外加磁場方向偏轉;外加磁場足夠大時,所有磁疇都沿磁場方向排列整齊,此時形變已達到飽和狀態[]。

1.2 扭轉模式導波管道缺陷檢測原理

超聲導波是由介質邊界傳播的一種超聲波,滿足波動方程和邊界條件,其傳播時在邊界面上來回反射,并產生復雜的波形轉換以及全反射[12]。扭轉模式導波相比于其他模態導波,在0～1 MHz范圍內具有非頻散特性,這有利于信號的識別,非常適合用于管道缺陷的檢測[13－14]。扭轉超聲導波傳感機理如圖1所示,BDC是周向直流磁場,BAC是軸向交變磁場,在它們的共同作用下,圓管表面質點產生周向扭轉振動并形成波源,帶動臨近質點振動,從而產生沿軸向傳播的超聲導波[15]。該導波在構件中沿軸向傳播,當遇到圓管的端部或缺陷時會產生反射回波。當反射回波經過接收端時,接收線圈產生感應電壓,分析該電壓信號即可獲得圓管的端部或缺陷信息。

圖1 扭轉超聲導波傳感機理示意

2 檢測系統

用實驗室現有儀器搭建扭轉導波管道缺陷檢測試驗系統,所用儀器包括信號發生器、功率放大器、前置放大器以及示波器。用預先磁化的鐵鈷帶提供周向靜態磁場,帶材表面上周向纏繞的線圈提供軸向瞬態交變磁場。圖2是磁致伸縮扭轉導波檢測系統示意,用信號發生器產生脈沖信號,功率放大器將該信號放大后驅動激勵線圈產生瞬態交變磁場。瞬態交變磁場與鐵鈷帶提供的周向靜態磁場形成合成磁場,鐵鈷帶在合成磁場的作用下發生形變,形成波源。鐵鈷帶中產生扭轉模式導波,該導波耦合進管道向前傳播。接收信號是發射信號的逆過程,反射回波經過接收端時耦合進鐵鈷帶,鐵鈷帶產生形變,導致鐵鈷帶軸向磁感應強度發生變化,接收線圈輸出感應電壓信號,再將該信號送至前置放大器放大后由示波器顯示。

圖2 磁致伸縮扭轉導波檢測系統示意

3 檢測試驗與結果分析

3.1 導波激發

圖3(a)是搭建的扭轉模式導波激發系統,首先采用無缺陷的鋼管作為被測件,該鋼管總長1 465 mm,直徑100 mm,壁厚2 mm。將激發線圈設置在管道的一端,而接收線圈接收點分為三處,分別為:接收點1(離激發線圈較近的接收點)、接收點2(位于管道中部的接收點)、接收點3(管道另一端的接收點)。用于產生周向靜態磁場的鐵鈷帶寬50 mm,用于產生軸向瞬態交變磁場的激發線圈寬32 mm,所用漆包線線徑0.8 mm,匝數為40,接收線圈采用排線線圈,先后依次放置在接收點1,2,3處,用于接收導波信號。信號源產生的觸發正弦脈沖信號經功率放大器輸出后驅動激勵線圈,接收線圈輸出的電壓信號經前置放大器放大濾波后,用示波器顯示以觀察回波信號。

圖3 扭轉模式導波檢測系統示意

如圖3(b)所示,三處接收點位于管道不同位置,若成功地激發出導波,示波器上顯示這三處接收點接收到的回波信號應不同。圖4是三處接收點接收到的回波信號。

如圖4所示,接收點不同時,回波信號也不同。由圖3(b)可知,對于每處接收點,激發的導波都首先經過接收線圈,此時接收線圈輸出第一次經過波。導波繼續向右傳播,遇到右端面反射,反射波經過接收線圈,此時接收線圈輸出第一次右端面回波。導波繼續向左傳播,遇到左端面反射,反射波又經過接收線圈,此時接收線圈輸出第一次左端面回波,此后是一個循環過程,因此分析回波信號圖中的前三個波包。以電磁脈沖為時間原點,示波器上可觀測到第一次經過波、第一次右端面回波以及第一次左端面回波與電磁脈沖的時間差分別為Δt1、Δt2、Δt3。可利用式(1)計算得出第一次經過波、第一次右端面回波以及第一次左端面回波的理論值分別為Δ′t1、Δ′t2、Δ′t3。

式中:s為超聲導波在管道中傳播的距離;c為扭轉模式超聲導波在管道中的理論傳播速度,約為3 250 m·s－1[16]。

示波器觀測值與理論值的誤差計算公式如下:

式中:Δt為從示波器觀測所得時間差;Δt′為計算所得理論值。

各接收線圈前三個回波情況如表1所示。

圖4 三處接收點接收到的回波信號

表1 各接收線圈前三個回波情況

由表1可知,示波器顯示的回波信號位置與理論值相符,所以該試驗平臺成功地激發出了扭轉超聲導波。

3.2 系統頻率特性測試

對管道進行現場檢測時,一般將管道的一處開挖再檢測,因此進行導波性能測試試驗時,要使激發線圈和接收線圈相距較近。該檢測試驗研究了導波回波信號與激勵信號頻率的關系,將脈沖信號的頻率分別設置為32,64,128 k Hz,觀察示波器上的回波信號,并存儲3個頻率點的回波信號,隨后取出回波信號進行對比分析。

三種激勵頻率下的回波信號如圖5所示,當改變激勵信號頻率時,接收線圈的電壓輸出信號也隨之改變。當增大激勵頻率時,每個回波的最大電壓都減小,并且回波個數也減少。這說明,隨著激勵信號頻率的增大,導波在管道中傳播時衰減增強,接收電壓信號減弱。為了使接收的回波信號幅值最大,始終將脈沖信號頻率設置為32 k Hz。

3.3 導波系統管道缺陷檢測

扭轉模式導波管道缺陷檢測示意如圖6(a)所示,在距離激勵線圈1 095 mm處人工制造一個周向貫穿缺陷,缺陷外觀如圖6(b)所示,該周向缺陷弧長為3.3 cm,寬為1 mm。

圖5 三種激勵頻率下的回波信號

圖6 扭轉模式導波管道缺陷檢測示意和缺陷外觀

圖7是接收線圈輸出的長3.3 cm裂紋的檢測波形,由于初始脈沖與第一次經過接收線圈的輸出信號重合,不便于識別,則以第一次左端面回波作為起始點作相應計算,從示波器上觀測到第二次缺陷回波與第一次左端面回波時間差為540μs,實際缺陷位置則以接收線圈位置為起點。由式(1),(2)可計算出缺陷位置為877.5 mm(實際位置為951 mm),并計算相對誤差為7.73%。

由此可知,示波器上顯示的缺陷回波是導波遇到缺陷后的反射回波,即用試驗系統可檢測到管道上的人工缺陷。

圖7 長3.3 cm裂紋的檢測波形

4 結論

用實驗室現有儀器搭建了磁致伸縮扭轉模式超聲導波管道缺陷檢測系統,利用該系統成功地激發了扭轉模式超聲導波。試驗結果表明,該系統中扭轉波傳感器激勵信號頻率越高,接收到的反射回波信號幅值越小,并且該系統準確地檢測出樣管中的人工周向缺陷,為扭轉導波管道缺陷檢測系統設計提供參考。

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Detecting Crack in a Pipe with Magnetostrictive-based Torsional Guided Waves

WU Xue-jiao,LIAO Jun-bi
(School of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

In order to meet the demand of rapid detection of the pipe cracks,a system of torsional guided waves consisting of existing instruments in laboratory to detect pipe is designed.Meanwhile,the frequency response characteristic of the system was tested and the artificial defect along the circumferential direction of sample pipe was detected.The system excited and received the torsional mode guided waves successfully.The results showed that the system could detect and locate the crack in the circumferential direction of the sample pipe,which provided a reference value for generating and receiving the torsional mode guided waves and detection of cracks in the pipe.

Guided wave;Circumferential defect;Detecting system;Locate

TB559;TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0001-04

10.11973/wsjc201701001

2016-07-07

吳雪嬌(1993－),女,碩士,主要研究方向為超聲波檢測。

吳雪嬌,E-mail:1107207636＠qq.com。