超聲導(dǎo)波對(duì)彎管處缺陷的檢測(cè)與研究

劉書宏 丁 菊 朱旭晨

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 （上海 200062）

彎頭是壓力管道中改變管路方向的管道元件，是壓力管道中數(shù)量最多的管件。彎頭常年受到內(nèi)部流質(zhì)的沖擊，因而在整個(gè)壓力管道中屬于常見失效部位。根據(jù)法律法規(guī)，在管道年度檢驗(yàn)、定期檢驗(yàn)和監(jiān)督檢驗(yàn)中，彎頭均是被檢驗(yàn)檢測(cè)的對(duì)象，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)彎管部位的檢查很重要。常規(guī)對(duì)彎頭部位的壁厚測(cè)定采用超聲法，由于超聲測(cè)厚是單點(diǎn)檢測(cè)，容易產(chǎn)生漏檢；在檢測(cè)中，即使發(fā)現(xiàn)了減薄，也很難測(cè)量減薄的面積。此外，在常規(guī)檢測(cè)中，由于需要拆除保溫層、高空作業(yè)等，需要耗費(fèi)大量的人力成本，也增加了安全風(fēng)險(xiǎn)[1]，尤其是管廊上的高空管道。超聲導(dǎo)波能對(duì)管道進(jìn)行長(zhǎng)距離檢測(cè)，能對(duì)管道減薄截面積進(jìn)行測(cè)量，是一種低成本、高安全性和更高效率的新技術(shù)[2]。

美國(guó)西南研究院基于超聲導(dǎo)波的MsS（磁致伸縮傳感器）技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來(lái)并用于直管的檢測(cè)。在進(jìn)行彎管的檢測(cè)時(shí)，由于導(dǎo)波在不連續(xù)結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的模態(tài)轉(zhuǎn)換和頻散現(xiàn)象[3]，促使出現(xiàn)干擾模態(tài)的導(dǎo)波。現(xiàn)階段MsS激勵(lì)的是T（0，1）模態(tài)導(dǎo)波，其波速為3230 m/s，低于其他模態(tài)轉(zhuǎn)換干擾波，因此模態(tài)干擾波將出現(xiàn)在缺陷回波前，使得缺陷波與干擾波無(wú)法區(qū)分，在識(shí)別缺陷波時(shí)存在一定困難。為了突破這一限制，本文提出了基于磁致伸縮效應(yīng)的L（0，2）模式導(dǎo)波激勵(lì)。與T模態(tài)相比，L模態(tài)導(dǎo)波的傳播速度較快，其他模態(tài)轉(zhuǎn)換波波速低于缺陷回波，缺陷回波不會(huì)與干擾波重疊。因此，在管道檢測(cè)時(shí)，缺陷波在不連續(xù)結(jié)構(gòu)缺陷識(shí)別方面具有更好的性能[4]。

1 理論

基于鐵磁材料在磁場(chǎng)中的應(yīng)力變形，采用磁致伸縮技術(shù)對(duì)鐵磁管道進(jìn)行檢測(cè)。材料的磁致伸縮性能與磁性和機(jī)械性能有關(guān)[5-6]，見式（1）。

其中：E為彈性模量；M為磁化系數(shù)；M0為飽和磁化系數(shù)；MWM為壁面滑動(dòng)磁化；M0（σ）為隨應(yīng)力變化的磁化強(qiáng)度；ε為應(yīng)變；σ為彈性應(yīng)力；θ為松弛系數(shù)；λ為飽和磁致伸縮系數(shù)；λ0（σ）為飽和磁致伸縮隨應(yīng)力變化系數(shù)。

在彈性應(yīng)力、洛倫茲力和磁致伸縮力的相互作用下，鐵磁性材料質(zhì)點(diǎn)將產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。通過(guò)控制洛倫茲力和磁致伸縮力可以控制質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)模態(tài)和縱向模態(tài)導(dǎo)波，甚至彎曲模態(tài)。其中鐵磁材料彈性運(yùn)動(dòng)方程的表達(dá)式見式（2）。

其中：F1為洛倫茲力；F2為磁致伸縮應(yīng)力；x為笛卡爾X坐標(biāo)；ρ為材料密度；σ為彈性應(yīng)力。

導(dǎo)波在管道中傳播存在頻散現(xiàn)象，即傳播速度隨著頻率而變化。頻散曲線是導(dǎo)波前需要計(jì)算的重要數(shù)據(jù)，用于得到檢測(cè)模態(tài)導(dǎo)波的傳播速度，即群速度和相速度。導(dǎo)波速度采用兩種表示方式，其中導(dǎo)波相位傳播速度和角頻率的關(guān)系為Cp（ω），單位為mm/μs，或者表示為與頻率相關(guān)的波數(shù)形式k（ω），單位為rad/mm。它們之間的轉(zhuǎn)換公式見式（3)。

同理，群速度轉(zhuǎn)換公司見式（4）。

從式（3）、（4）可以看出，若導(dǎo)波是非頻散的，那么相速度等于群速度，即Cp（ω）=Cg（ω）。群速度和相速度相互關(guān)聯(lián)，見式（5）。

其中：Cp為相速度；Cg為群速度；fd為頻率與厚度的乘積，也稱為頻厚積；f為超聲導(dǎo)波的激勵(lì)頻率；d為測(cè)試工件的厚度。通過(guò)軟件計(jì)算，得到直徑60.3 mm，壁厚3.91 mm管道的頻散曲線如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)

磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)由一組永磁體、激勵(lì)和檢測(cè)線圈、功率放大器、計(jì)算機(jī)和信號(hào)發(fā)生器組成。在系統(tǒng)中利用永磁體產(chǎn)生局部磁化和偏磁場(chǎng)在鋼中激勵(lì)產(chǎn)生導(dǎo)波。因此，為了保證勵(lì)磁線圈與檢測(cè)線圈之間的工件在磁致伸縮線性范圍內(nèi)，需要合理選擇磁場(chǎng)強(qiáng)度。

超聲導(dǎo)波產(chǎn)生的過(guò)程是：信號(hào)發(fā)生器首先產(chǎn)生脈沖信號(hào)，使得激勵(lì)線圈中的電流發(fā)生變化，從而產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，磁致伸縮材料在外磁場(chǎng)的共同作用下在特定方向上產(chǎn)生振動(dòng)，從而形成超聲導(dǎo)波。在超聲導(dǎo)波檢測(cè)中，導(dǎo)波一旦遇到缺陷，產(chǎn)生反射回波，通過(guò)檢測(cè)反射回波獲得缺陷信息。磁場(chǎng)布置如圖2所示。檢測(cè)試樣為DN50的碳鋼彎管，直徑60.3 mm，壁厚3.91 mm，彎管兩側(cè)直管長(zhǎng)度為1 m，帶有缺陷的試樣中缺陷為深2.6 mm，寬2 mm的刻槽。試樣示意圖如圖3所示。

圖1 管道（直徑60.3 mm，壁厚3.91 mm）頻散曲線

圖2 磁場(chǎng)布置示意圖

圖3 檢測(cè)試樣

通過(guò)上述的激勵(lì)磁場(chǎng)布置，在管道中產(chǎn)生縱向?qū)Р▽?duì)彎管試樣進(jìn)行檢測(cè)，其中對(duì)無(wú)缺陷試樣的檢測(cè)信號(hào)如圖4所示。在檢測(cè)圖中，并沒有產(chǎn)生明顯的彎頭變形波，只有彎頭另一端面的回波。這是因?yàn)榭v向?qū)Р▊鞑ニ俣茸羁欤a(chǎn)生的變形波在端面回波之后，因此對(duì)彎管的檢測(cè)沒有影響。在實(shí)際檢測(cè)中，超聲導(dǎo)波激勵(lì)裝置與彎頭的相對(duì)位置是可以測(cè)量的，通過(guò)計(jì)算可以得到彎頭部位在導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)圖中的顯示范圍。

圖4 無(wú)缺陷試樣檢測(cè)信號(hào)

在本實(shí)驗(yàn)中，彎管的范圍為0.6～1.0 m處。在該范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)缺陷回波。因此在無(wú)缺陷彎管檢測(cè)時(shí)，在彎頭部位不會(huì)出現(xiàn)其他干擾的波形。

對(duì)帶有缺陷的試樣進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在彎管范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的缺陷回波。此外，還有缺陷波經(jīng)左端面反射后被傳感器接收到的信號(hào)波，如圖5所示。通過(guò)兩個(gè)圖的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)除了可預(yù)見的信號(hào)波之外，并未觀察到其他波形轉(zhuǎn)換波。因此本實(shí)驗(yàn)激勵(lì)的縱向模態(tài)具有對(duì)彎管缺陷的檢測(cè)能力。

圖5 帶缺陷試樣檢測(cè)信號(hào)圖

在化工裝置中，彎管部位通常采用焊縫連接彎頭的形式。因此本文對(duì)帶焊縫的彎頭進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)。因?yàn)?個(gè)焊接接頭的設(shè)計(jì)相同，所以其相對(duì)振幅相似。但實(shí)際上，考慮到彎管對(duì)導(dǎo)波的衰減作用，非傳感器側(cè)的焊接回波振幅應(yīng)略低于傳感器側(cè)的振幅。帶有2個(gè)焊接接頭的無(wú)缺陷彎管的掃描信號(hào)如圖6所示。

圖6 帶彎頭焊縫無(wú)缺陷試樣檢測(cè)信號(hào)

帶缺陷試樣為在焊縫上加工一個(gè)深2.6 mm，寬2 mm的刻槽。為了研究傳感器位置對(duì)缺陷檢測(cè)的影響，傳感器分別布置在缺陷同側(cè)和異側(cè)。由于缺陷的存在會(huì)降低焊縫回波幅值，因此，如果2個(gè)缺陷回波幅值明顯不同，可以判斷在幅值較低的焊縫上存在缺陷。檢測(cè)信號(hào)如圖7和圖8所示。

圖7 傳感器和缺陷在同側(cè)時(shí)檢測(cè)信號(hào)

圖8 傳感器和缺陷在異側(cè)時(shí)檢測(cè)信號(hào)

如果非傳感器側(cè)振幅明顯低于傳感器側(cè)振幅（如圖8所示），則表明非傳感器側(cè)焊縫存在一定的缺口缺陷。同樣，如果前者高于后者（如圖7所示），則表明傳感器側(cè)存在一定的缺口缺陷。在檢測(cè)中這些數(shù)據(jù)可以作為缺陷診斷的參考。此外，還有其他類型的缺陷可能導(dǎo)致更復(fù)雜的掃描信號(hào)。

3 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的步驟是首先測(cè)量導(dǎo)波激勵(lì)裝置與彎頭的距離范圍，再進(jìn)行檢測(cè)，在導(dǎo)波檢測(cè)圖譜中通過(guò)時(shí)間反推距離，最終在圖譜上對(duì)彎頭范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行判斷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：采用L（0，2）導(dǎo)波檢測(cè)時(shí)，無(wú)缺陷彎管在圖譜上的彎頭范圍內(nèi)無(wú)缺陷信號(hào)；當(dāng)彎頭存在腐蝕減薄時(shí)，在圖譜上能發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)。

本文提出了一種基于磁致伸縮效應(yīng)的L（0，2）型導(dǎo)波激勵(lì)方法，采用該方法對(duì)壓力彎管進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了檢測(cè)結(jié)果的正確性。對(duì)帶焊縫彎頭檢測(cè)結(jié)果表明，可以通過(guò)對(duì)比焊縫幅值的方法發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)缺陷。