超聲導波檢測管道任意方向缺陷的數值研究

趙 頊

(太原鍋爐集團有限公司，山西 太原 030024)

管道是大多數工業設備中的重要構件，然而管道在服役期不可避免的會受設計載荷、腐蝕等影響發生破裂，小則影響生產、生活，大則造成重大經濟損失和人員傷亡。為此，管道檢測就成為保障設備安全運行的重要手段。20世紀90年代研究人員提出了一種適用于管道檢測的超聲導波法[1]，該方法只需要在一個位置粘貼傳感器就可以對整條管道進行檢測(一次可檢測20 m～50 m)，非常適用于檢測遮蓋、架空等檢測人員不易直接接觸的管道。超聲導波檢測技術自提出以來得到了廣大科技人員的關注。如Peter等[2]利用A0特殊模式的應力波對管道缺陷進行了檢測。隨后，Moon等[3]也用A0模式Lamb波對長鋼管中的缺陷進行了檢測，A0模式Lamb波對管中表面缺陷最為敏感，能量損失最小，數值模擬與實驗結果吻合較好。Lowe等[4]提出用L(0,2)模式導波進行缺陷檢測，該模態在一定的頻帶內，非頻散，且傳播速度最快，適于長距離檢測。何存富等[5]經過模擬實驗得出結論，對于32.6 kHz的T(0,1)導波，縱向缺陷的反射系數呈單調增大，然后減小的趨勢。焦敬品等[6]認為實驗證明應用泄漏應力波信號檢測氣體和液體的泄漏是可行的，并具有較高的靈敏度。本文在前人研究的基礎上，提出了一種基于超聲導波的腐蝕缺陷識別方法。采用ANSYS對缺陷管道進行仿真研究，分別采用T(0,1)與L(0,2)模態的導波對縱向與環向管道缺陷進行檢測，并將兩種導波的檢測結果進行對比，找到了能同時檢測縱向缺陷與環向缺陷的方法。

1 超聲導波檢測理論

超聲導波檢測缺陷主要依靠缺陷端面回波，此處以一維縱波為例，說明缺陷端面波的反射原理。已知一維波動方程如下：

(1)

u=f(x-ct)

(2)

則根據幾何方程與物理方程，可以得到在波的傳播過程中，質點的位移、速度、應變、應力分別為：

(3)

其中，v為質點的振動速度，此處與波速c相區別。比較σ與v的表示式后可得：

(4)

即質點的運動速度與應力是正相關的，此外，當波在兩個不同的介質間傳播時，可以寫出如下平衡條件與連續性條件。

(5)

其中，I,T,R分別為入射，透射與反射波，聯立求解式(3)～式(5)可求得如下：

(6)

其中，A為波所在的介質，B為波即將到達的介質，如圖1所示。在無損檢測中，認為缺陷導致了材料的不連續，使波出現了透射與反射現象。此處，認為缺陷處的邊界面為固體介質—真空界面，此時有ρBcB=0，將其代入式(6)中有：

(7)

已知結構受拉應力時，波的傳播方向與質點的運動速度方向相同，受壓應力時，波的傳播方向與質點的運動速度方向相反[7]。由式(7)可得，入射波與反射波的應力必然一拉一壓，質點的運動速度方向則相同，因此可得入射波與反射波的傳播方向相反，即波在缺陷界面會發生反射。在已知反射波速cR的前提下，測得回波的時間，就可以對缺陷進行定位：

d=cRt

(8)

其中，d為缺陷距信號接收點的距離。

2 數值研究

管道模型總長為2.6 m，內徑為76 mm，管壁厚度6 mm。材料參數：彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 g/cm3。設距離管道左端0.87 m處存在一個腐蝕缺陷，我們將在ANSYS19.0中模擬管道中的超聲導波，以檢測其對縱向、橫向、斜方向缺陷的檢測能力。在數值仿真中，以左端為激勵端，在距離左端0.8 m處設置缺陷，以距離左端0.18 m處作為記錄信號位置，如圖2所示。

選用Shell181單元對管道劃分網格，單元環向和縱向長度均設置為6 mm。然后，在Section中設置兩種單元厚度，一種為6 mm，一種為1 mm，將損傷位置處的單元厚度修改為1 mm，模擬管道因腐蝕導致壁厚減薄5 mm。為了比較缺陷方向對檢測結果的影響，分別設置如圖3a)～圖3d)所示的四種缺陷：

1)縱向缺陷(見圖3a)),缺陷與管道軸線方向成0°角；

2)斜缺陷1，與軸線成22°角(見圖3b))；

3)斜缺陷2，與軸線成45°角(見圖3c))；

4)橫向缺陷(見圖3d)),此時，缺陷與管道軸線方向成90°角。

根據文獻[8]，L(0,2)模態導波頻率在70 kHz處頻散現象小且群速度最大，T(0,1)模態導波在20 kHz處群速度最大,不易受其他模態信號干擾,故分別選取70 kHz和20 kHz 為上述兩種模態導波激勵信號的中心頻率。在管道左端選取一圈24個節點，施加沿管道方向的縱向脈沖波，加載時長為14 ms，脈沖函數為：

(9)

3 缺陷檢測

按照以下方式設置缺陷，對于圖3a)所示的縱向缺陷，在環向選擇1個單元，然后在縱向選擇20個單元，相當于6 mm×120 mm的矩形腐蝕坑。對于圖3b)和圖3c)的斜方向缺陷，通過沿環向方向變化時向縱向錯動相應的單元數，設置斜方向缺陷。對于圖3d)所示環向缺陷，具體參數如圖4所示，這里設缺陷參數為：a=5 mm，l=48 mm,θ=0.001 6π。

選用瞬態動力學進行分析，圖5所示為中心頻率為70 kHz的L(0,2)超聲導波入射到完好管道中的測試信號，從圖5可以看出，此時只有激勵信號和管端回波，在它們中間沒有缺陷回波。通過測試激勵信號與管端回波的時刻，可得縱波的波速約為5 094.74 m/s。

而圖6a)～圖6d)所示為中心頻率為70 kHz的L(0,2)超聲導波入射到四種含缺陷管道時的測試信號，從圖中可以清晰的看出，在激勵信號和管端回波之間還存在著缺陷回波，基于此，管道中的缺陷可以被識別出來。對于四種識別結果還可以發現，當缺陷傾斜角逐漸增大時(0°～90°之間)，缺陷回波的能量也逐漸增強，說明大傾斜角會產生大幅值的缺陷回波，利用L(0,2)模態導波檢測管道缺陷時，這說明L(0,2)對于環向缺陷更為敏感。

4 結語

本文運用ANSYS軟件對管道腐蝕缺陷的超聲導波檢測進行了數值研究，采用修改單元厚度的方法模擬了腐蝕缺陷，比較分析了缺陷方向對L(0,2)模態導波的影響規律。分析結果表明，L(0,2)導波可以檢測任意方向的缺陷，但在檢測靈敏度上有所不同，當缺陷平行于管道軸線時，缺陷回波能量最低，當缺陷與軸線的夾角逐漸增大，并最終垂直于軸線時，缺陷回波能量最大，說明L(0,2)模態更適用于檢測環向缺陷。