探究管道檢測中的磁致伸縮導波技術

摘 要：隨著現代社會對壓力管道使用的不斷增多，其質量檢測就成為一項重點工作。傳統檢測技術在檢測全面性上存在明顯缺陷，對此，本文對當前的磁致伸縮導波技術展開探討，對其技術原理、檢測系統的設計和應用效果等進行了研究分析。

關鍵詞：磁致伸縮導波技術;管道檢測;系統設計;效果分析

引言

管道運輸是五種常見的運輸方式之一，壓力管道越來越廣泛的應用與石油、化工、熱電、供水、供熱等行業。作為這些工程行業中的關鍵組件，其質量直接影響著實際項目的運行穩定性和安全性。然而當前的壓力管道在實際使用中常常會受到各種因素的影響，如腐蝕、疲勞、材質劣化等影響而出現損壞，所以實踐中就需要做好壓力管道的定期檢測工作。傳統檢測方法只能對管道進行抽樣檢測，難以適應長距離管道檢測要求。導波技術具有在單點激勵就可以實現長距離檢測的優點，且導波傳播時需要對象橫截面上全部質點的參與，因此可實現對象的100%檢測。這種新技術在現代管道檢測工作中的運用就顯得十分關鍵，具有廣闊的市場前景和應用價值。

一、磁致伸縮導波技術概述

磁致伸縮導波技術是基于現代導波技術原理而誕生的一種全新檢測技術，其能夠通過單點激勵來完成長距離檢測，且導波的傳播過程需要對象橫截面所有質點全部參與，這就幫助管道檢測實現了全面性的檢測。同時，磁致伸縮導波技術將磁致伸縮效應及其逆效應應用到檢測技術中，使得導波技術檢測能力得到進一步提升。

該技術的具體檢測原理，是基于導波這種在有限邊界介質內平行于其邊界平面而快速傳播的機械彈性波，以及磁鐵性材料受外界磁場變化而發生幾何性質變化的特性，而實現的檢測技術。其中鐵磁性材料在變化的外磁場的激勵下，外形尺寸發生變化所導致的磁疇按照一定方向運動并產生彈性機械波，然后再經過耦合沿結構件有限邊界形狀進行傳播，期間機械波還會受構件邊界形狀影響發生導向變化。如果導波在遇到缺陷結構，其一部分導波將被反射回檢測點，同時產生細微震動，這一震動將會引起鐵磁性材料磁疇運動方向的變化，進而引發其磁化狀態變化。這一變化再被傳感器所檢測，就可以實現對缺陷結構的檢測目的。目前，該技術已經在實踐中得到了一定應用，且由于其檢測的全面性，該技術擁有更大的研究價值和更廣闊的應用空間，這就需要我們對該技術在管道檢測中的實際應用展開進一步研究。

二、磁致伸縮導波技術檢測系統設計

磁致伸縮導波技術在管道檢測實踐中的應用，首先需要依據其技術原理建設起一套磁致伸縮導波系統，這是其技術應用的基礎。

（一）磁致伸縮導波檢測系統設計

依據磁致伸縮導波技術原理，其檢測中需要進行導波的發射和接收，所以系統設計方面就需要圍繞從導波發射到最后信號反饋來進行系統構建。首先，系統中應設置上位機，并通過USB電路進行發射頻率、重復頻率、周波數等控制參數的傳輸，使之能夠進入發射控制電路。發射控制電路主要用以對DDS電路、驅動電路、功率放大電路的正弦波信號進行控制，從而使磁致伸縮傳感器能夠發出超聲波。其次，系統中的超聲波反饋也要由傳感器進行接收，所以要在上位機與大功率脈沖發射電路之間裝設傳感器，使得其反饋信號經放大電路放大后傳送至高速采集電路。最后，控制電路接收相應反饋數據并利用USB電路傳回到上位機，由上位機進行分析處理，最終得到管道中缺陷的具體情況。

（二）磁致伸縮導波檢測中的硬件電路設計

該檢測技術下的硬件電路設計，主要涉及大功率正弦脈沖發射電路設計以及可控增益接收采集電路設計兩部分。其中大功率正弦脈沖發射電路可利用現場可編程門陣列來對DDS電路的頻率、周波數、重復頻率可調的正弦脈沖信號等進行控制。正弦脈沖信號要經驅動電路中的放大電路進行功率放大后，驅動磁致伸縮換能器發出超聲波。為了保證發射電路能夠始終處于良好的工作狀態，硬件電路設計過程中還需要增設一個溫度保護電路。可控增益接收采集電路設計主要針對增益范圍進行合理確定，以0-40dB的增益調整范圍為例，設計中如果要確保回波信號采集數據的精度，同時滿足管道長距離檢測要求，其ADC采樣頻率就應該設定為20KHz-100KHz。其具體的工作原理是磁致伸縮傳感器接收回波信號，然后該信號在固定增益放大電路與可控增益放大電路作用下被放大，再通過抗混疊濾波器進行濾波，最后送至ADC電路之中。其中現場可編程門陣列可以對ADC電路的數據采集和緩存進行控制，然后再經USB電路傳輸至上位機之中。

（三）磁致伸縮導波檢測中的軟件設計

在整個技術系統的設計中，為確保最終檢測系統能夠正常運行，還需要結合磁致伸縮導波檢測技術下的工作要求進行軟件設計。軟件設計可以考慮借助LabWindows/CVI進行，其軟件功能需要包含發射接收電路參數控制、信號處理、回波顯示、波形存儲等。基于這些功能下的軟件工作流程設計具體為：首先查找與匹配UBS設備，并根據系統情況對相關參數進行配置，上位機新建數據采集線程同時控制電路進行單次采集，最后上位機對采集數據讀取后進行進一步數據處理并對處理結果進行顯示。此外，軟件設計中還需要考慮到人機交互問題，結合人工操作檢測的需求科學設計圖形操作界面，為該技術的應用和系統的實際操作提供便利。

三、磁致伸縮導波技術在管道檢測實踐中的應用效果分析

（一）管道檢測實例

為了驗證導波檢測系統對在用管道的現場檢測能力，選取某油庫的輸送原油管道進行檢測。該輸油管道為螺旋焊縫，通過對接環焊縫連接，外徑為508mm，壁厚為8.6mm。采用MsS檢測系統出具的檢測報告如圖1和表1所示。可知在距離探頭正向2.0m和5.9m處分別存在缺陷D1和D2。對檢測到的缺陷部位進行宏觀檢查發現，正方向距離探頭2.0m處存在腐蝕缺陷，該處防銹油漆局部脫落，銹蝕嚴重，并且發現一個大的孤立腐蝕凹坑（圖2）;距離探頭5.9m處存在凹坑缺陷。

（二）應用效果分析

根據當前磁致伸縮導波技術在檢測中的應用情況和人們對于此技術的實驗研究可以發現，該技術可較準確地發現管道缺陷，并確定其長度方向上的位置，但不能有效確定管道缺陷的具體性質。同時該技術的實際檢測靈敏度也較高，在各種行業管道的檢測上都表現出了較高的檢測精度。因此在未來的技術研究中，人們應該進一步在磁致伸縮導波技術管道檢測的缺陷性質確認方面進行努力，同時探索該技術與其他檢測技術的相互結合，以使該技術能夠解決管道檢測上的更多難題，為現代各行業壓力管道檢測提供更有力的技術支撐。

四、結束語

綜上所述，磁致伸縮導波技術是基于現代導波技術和磁性材料性質而產生的一種全新檢測技術，其在管道檢測方面具有突出優勢，為許多行業中的管道建設與維護都提供了強大技術支持。但同時，該技術在實際應用中需要結合其檢測原理科學、合理的進行檢測系統的設計，這是該技術得以有效發揮作用的基礎。

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作者簡介：

劉競雄（1991-）男，漢，甘肅榆中，助理工程師，本科，研究方向：特種設備安全，特種設備檢驗檢測，無損檢測。

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院 ?甘肅 ?蘭州 ?730050）