彎頭裂紋缺陷對超聲導波回波幅值的影響研究

唐登超 鄧建強 丁 菊 朱旭晨

（1.西安交通大學化學工程與技術(shù)學院；2.上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）

管道運輸具有安全性高、連續(xù)性強、成本低及效益好等優(yōu)點，在石油化工產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著重要作用。 彎頭作為管道系統(tǒng)中的重要部件，處于流體的主要沖刷部位，在役期間易受復雜工況的影響，輕則受腐蝕產(chǎn)生裂紋，重則發(fā)生泄漏，危及整個管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全。 對比各種傳統(tǒng)無損檢測，如漏磁、超聲、渦流、射線及磁粉檢測等，超聲導波沿傳播路徑衰減小， 可沿構(gòu)件傳播幾十米，超聲導波在管的內(nèi)外表面和中部都有質(zhì)點的振動，聲場遍及整個壁厚，既可檢測構(gòu)件內(nèi)部缺陷，也可檢測內(nèi)外表面缺陷，因此超聲導波檢測實質(zhì)上是檢測了發(fā)射和接收兩面間或者發(fā)射兼接收面與固定約束端面間傳播路徑上的整體信息。 對于彎頭眾多且結(jié)構(gòu)比較復雜的管道結(jié)構(gòu)來說，超聲導波無損檢測技術(shù)是一種簡潔、高效且易于操作的無損檢測技術(shù)。

超聲導波是在波導結(jié)構(gòu)中傳播的超聲波，在傳播過程中不僅會受到結(jié)構(gòu)尺寸的影響，還會受到頻率的影響，導波的相速度大小隨頻率變化而變化的現(xiàn)象稱為頻散。 頻散是材料本身的固有特性， 使得超聲導波在傳播過程中發(fā)生能量的衰減。 頻散曲線指出了所有傳播路徑中的相長干涉區(qū)域， 同時描繪了具有傳播能力的各種模態(tài)形式，主要有軸對稱縱向L（0，m）模態(tài)、軸對稱扭轉(zhuǎn)T（0，m）模態(tài)和非軸對稱彎曲F（n，m）模態(tài)3 種，其中n 表示目標模態(tài)的環(huán)向階數(shù)，m 表示目標模態(tài)在管道中徑向的振動形式。 彎曲F（n，m）模態(tài)超聲導波由于本身激勵方式復雜且耗散太快，模態(tài)不穩(wěn)定，一般不常用于無損檢測，軸對稱縱向L（0，m）模態(tài)和軸對稱扭轉(zhuǎn)T（0，m）模態(tài)的加載方式相對簡單，其中縱向L（0，2）模態(tài)導波和扭轉(zhuǎn)T（0，1）模態(tài)導波傳播速度快、模態(tài)穩(wěn)定、頻散現(xiàn)象小，是管道缺陷無損檢測的理想模態(tài)。

在超聲導波模態(tài)轉(zhuǎn)換、頻散曲線等理論研究方面，Lowe M J S 等分析總結(jié)了不同程度缺陷對導波的模態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律和缺陷反射規(guī)律， 開發(fā)出Disperse 商用軟件， 可對各種規(guī)則物體計算其頻散曲線，提高識別缺陷的精度，并用縱向L（0，2）模態(tài)導波驗證了不同缺陷管道；研究了縱向L（0，2）和 扭 轉(zhuǎn)T（0，1）兩 種 激 勵 模 態(tài) 與 缺 陷反 射 系 數(shù) 之 間 的 關 聯(lián)，并 總 結(jié) 了 相 關 規(guī) 律［1，2］。Alleyne D N 等激勵縱向模態(tài)導波對擁有不同半徑的管道中的缺陷進行了分析，總結(jié)了不同方向上周向缺陷的反射系數(shù)與管道半徑之間的關系［3］。 他得安等通過分析不同厚度和內(nèi)徑的管道的頻散曲線，得出管道的內(nèi)徑和厚度之比與頻散狀態(tài)存在一定的關系［4］。

在超聲導波激發(fā)設備 （如傳感器和壓電晶片）方面，李一博等研究了傳感器數(shù)量和間距對于導波檢測的影響，并以縱向L（0，2）模態(tài)導波為例研究頻率對管道中缺陷檢測靈敏度的影響和一次導波有效檢測長度的區(qū)別［5］。 王悅民等研究激勵頻率和激發(fā)模式之間的聯(lián)系，通過選取激勵頻率可以抑制相關干擾波的產(chǎn)生［6］。 Nishino H 等將壓電晶片周期均勻布置在管道圓周，激發(fā)出扭轉(zhuǎn)T（0，m）模態(tài)用于管道檢測［7］。 Liu Z H 等開發(fā)的MPSA-MPT 陣列線圈可以增強扭轉(zhuǎn)T（0，1）模態(tài) 的 信 號 強 度［8］，Nurmalia 等 采 用 電 磁 傳 感 器 激勵出扭轉(zhuǎn)T（0，1）模態(tài)導波，通過改變管道上缺陷的形狀來研究其模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象［9］，Kim H W 等將磁致伸縮貼片線圈均勻布置在管道圓周，成功激發(fā)出扭轉(zhuǎn)T（0，1）模態(tài)，實驗驗證了該方法具有識別管道中多個軸向裂紋位置的潛力［10］。

管道幾何結(jié)構(gòu)對超聲導波具有影響。Verma B等采用縱向L（0，2）模態(tài)導波對不同的彎曲管道進行實驗，研究總結(jié)了不同彎曲角度管道的透射率和模態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律，還研究了不同壁厚的彎曲管道對模態(tài)轉(zhuǎn)換的影響［11］。 Ni J 等研究了不同彎曲狀態(tài)下彎管的傳播特性、 缺陷檢測靈敏度等問題，并通過實驗進行驗證［12］。 何存富等通過使用L（0，2）模態(tài)導波對彎頭上不同位置的缺陷進行模擬和實驗檢測，驗證L（0，2）模態(tài)導波可以檢測彎頭處的缺陷［13］。 王秀彥等實驗研究了不同中心曲率半徑的90°彎管的透射系數(shù)， 總結(jié)出彎管中心曲率半徑與透射系數(shù)之間的關系［14］。 王悅民等使用超聲導波對多彎頭的管道進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)磁致伸縮激勵的超聲導波可以檢測管道缺陷，但彎管中的能量衰減呈指數(shù)下降［15］。

采用有限元方法模擬超聲導波在管道中的傳播、頻散現(xiàn)象和模態(tài)轉(zhuǎn)換方面，是一種有效、成熟的研究手段。 何存富等模擬了縱向L（0，m）模態(tài)和彎曲F（1，m ）模態(tài)導波在管道中的傳播過程，觀測到各個模態(tài)的頻散現(xiàn)象，其中縱向L（0，2）模態(tài)導波頻散現(xiàn)象最小，傳播速度最快［16］。鄭明方等使用ABAQUS 有限元模擬了縱向L（0，2）模態(tài)導波在環(huán)形缺陷圓管中的傳播過程，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過環(huán)形缺陷時超聲導波由縱向L（0，2）模態(tài)轉(zhuǎn)換成縱向L（0，1）模態(tài)［17］。 Demma A 等模擬了超聲導波在彎頭處的頻散現(xiàn)象，并總結(jié)了不同模態(tài)導波在彎頭處反射率與透射率的關系［18］。Nishino H 等模擬了縱向L（0，1）模態(tài)導波在不同彎曲角度的彎管中的傳播現(xiàn)象，觀測到在低頻范圍內(nèi)，縱向L（0，1）模態(tài)經(jīng)過彎頭時會轉(zhuǎn)換成彎曲F（1，1）模態(tài)，且幅值強度隨著彎管彎曲角度的增加而增加［19］。

目前，超聲導波無損檢測技術(shù)在管道檢測中的應用已經(jīng)越來越成熟， 超聲導波在檢測范圍、檢測靈敏度方面有著極大的優(yōu)勢。 針對管道中的切槽、裂紋、孔、腐蝕及密集型坑洞等典型缺陷，基于不同模態(tài)超聲導波進行了大量的實驗研究，而裂紋缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)作用于超聲導波回波幅值的量化影響研究還不夠。 鑒于模擬研究對實驗研究的可視化表征方面發(fā)揮了積極作用，筆者采用數(shù)值模擬方法，通過改變彎管彎頭處裂紋缺陷的位置和側(cè)壁處缺陷的周向長度、軸向?qū)挾群蛷较蛏疃?，探究對超聲導波回波最大幅值相對值的影響?guī)律，這對于利用超聲導波快速分析裂紋缺陷的類型位置，判斷是否進一步對設備管道進行健康診斷與監(jiān)測有著參考價值。

1 模型建立

1.1 三維模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

彎管材料選用不銹鋼材料，將彎管分為直管段和彎管段建立三維模型，管道模型參數(shù)如下：

彎管外徑 60.30mm

彎管壁厚 3.91mm

彈性模量 217GPa

泊松比 0.286

密度 7 932kg/m3

彎頭中心線曲率半徑 100.00mm

如圖1 所示， 在彎頭處設置一個裂紋缺陷，通過改變?nèi)毕葺S向?qū)挾萢 和周向長度b 兩個參數(shù)，能模擬出不同尺寸的周向裂紋缺陷，改變徑向深度h，能模擬裂紋缺陷的局部減薄。筆者主要研究周向缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)對縱向L（0，2）導波的影響。 筆者采用ABAQUS 有限元軟件進行模擬，綜合考慮計算速度和精度，采用四面體單元C3D10對管道進行網(wǎng)格劃分，在裂紋缺陷區(qū)域進行網(wǎng)格加密，提高計算精度。

圖1 裂紋缺陷的實體模型和網(wǎng)格模型

具體裂紋缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。其中，在沿管道徑向深度方向上設置的不同深度缺陷，分別代表由管道淺層表面直至貫穿整個壁厚的缺陷類型。 通過固定其中兩個參數(shù)，改變第3 個參數(shù)的賦值，研究裂紋缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對缺陷回波最大幅值相對值的影響，確定出超聲導波經(jīng)過彎頭處不同參數(shù)缺陷的傳播特性。

表1 管道裂紋缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 激勵信號加載

如圖2 所示， 將管道其中一個端面設為約束面，固定6 個自由度，另一端面設置為激勵面，將激勵面分為內(nèi)、中、外3 個區(qū)域，其中的中間區(qū)域作為激勵信號的加載區(qū)域，在激勵信號的加載區(qū)域施加中心頻率為70kHz、 周期數(shù)為5 的漢寧窗調(diào)制正弦超聲導波信號，內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域作為激勵信號的接收區(qū)域，用來接收裂紋缺陷回波和約束端面回波。

圖2 縱向模態(tài)超聲導波加載方式示意圖

如在外徑60.30mm、 壁厚3.91mm 彎管彎頭側(cè)壁處設置一個a=1.00mm、b=20.00mm 的周向裂紋缺陷，在端面激勵一個超聲導波信號，提取時域波形如圖3 所示。 可以看出，時域波形中存在初始信號和明顯的缺陷與端面回波，證明在彎頭上的缺陷能夠被檢測出來。

2 模擬結(jié)果和分析

2.1 裂紋缺陷位置對超聲導波回波最大幅值相對值的影響

圖3 彎管周向裂紋缺陷檢測的時域波形

超聲導波在彎管中傳播時，在彎頭處會發(fā)生不同程度的衰減。 為了研究不同位置處的周向裂紋缺陷對導波檢測的影響，以經(jīng)過管道最外側(cè)母線的中心面作為基準面， 分別每隔45°設置一個a=1.00mm、b=20.00mm 的周向裂紋缺陷， 分別表示為A、B、C、D、E（圖4）。

圖4 裂紋缺陷位置分布示意圖

為了提高計算精度，增加數(shù)據(jù)模型，分別設置3 種不同深度h （1.00、2.50、3.91mm） 進行分析，提取激勵面接收區(qū)域接收的裂紋缺陷回波的最大幅值，與初始信號最大幅值相比，即進行歸一化處理，其缺陷回波最大幅值相對值隨缺陷位置角度與深度的變化關系如圖5 所示。

圖5 缺陷回波最大幅值相對值隨裂紋缺陷位置的變化

從圖5 看出，裂紋缺陷在彎頭外側(cè)時缺陷回波最大幅值相對值明顯高于內(nèi)側(cè)， 且逐步遞減。表明裂紋缺陷在彎頭內(nèi)側(cè)時，會出現(xiàn)比較大的能量耗散，不容易被檢測，當裂紋缺陷出現(xiàn)在彎頭外側(cè)時，會有明顯的缺陷回波，比較容易被檢測。在彎頭處由于管道幾何結(jié)構(gòu)的改變，導致超聲導波反射、折射的路徑發(fā)生了改變，縱向L（0，2）模態(tài)導波在彎頭處發(fā)生了頻散現(xiàn)象，在彎頭內(nèi)側(cè)的缺陷不易被檢測，外側(cè)的缺陷比較容易被檢測。

2.2 軸向?qū)挾葘（0，2）導波缺陷回波最大幅值相對值的影響

考慮到缺陷位置對缺陷回波最大幅值相對值的影響， 在彎頭90°側(cè)壁C 處的缺陷回波最大幅值相對值適中，具有一定的代表性。 筆者研究側(cè)壁C 處裂紋缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)對回波最大幅值相對值的影響，提取不同裂紋的缺陷軸向?qū)挾群蛷较蛏疃龋?獲得各自的缺陷回波最大幅值相對值，如圖6 所示。

圖6 回波最大幅值相對值隨軸向?qū)挾鹊淖兓?/p>

從圖6 可以看出，當缺陷的周向長度b 和徑向深度h 固定時，不同的軸向?qū)挾萢 反射幅值起伏很小，說明對于縱向L（0，2）導波來說，軸向?qū)挾萢 的變化不是引起缺陷幅值變化的主要因素，縱向L（0，2）導波對于軸向?qū)挾萢 不敏感。表明對于沿管道軸向的缺陷（軸向?qū)挾萢 較小、周向長度b 較大）來說，縱向L（0，2）導波不易檢測。

2.3 周向長度對L（0，2）導波缺陷回波最大幅值相對值的影響

由于縱向L（0，2）導波對于軸向?qū)挾萢 不敏感， 在彎頭側(cè)壁C 處， 固定缺陷軸向?qū)挾萢 為1.00mm 不會帶來明顯影響， 研究徑向深度h 為1.00、2.50、3.91mm， 周向長度b 為10.00、15.00、20.00、25.00、30.00mm，提取不同缺陷周向長度和徑向深度， 獲得各自的缺陷回波最大幅值相對值，如圖7 所示。

圖7 回波最大幅值相對值隨周向長度的變化

從圖7 可以看出，對于管道淺層缺陷，即徑向深度h 為1.00mm 時，縱向L（0，2）導波缺陷回波最大幅值相對值范圍為0.15～0.29；對于管道中部缺陷，即徑向深度h 為2.50mm 時，縱向L （0，2） 導波缺陷回波最大幅值相對值范圍為0.24～0.52；對于貫穿整個管道壁厚的缺陷，即徑向深度h 為3.91mm 時，縱向L（0，2）導波缺陷回波最大幅值相對值范圍為0.31～0.64。 可以看出，缺陷回波最大幅值相對值對周向長度b 值的變化較為敏感，縱向L（0，2）導波可以檢測沿管道周向的缺陷。 當缺陷軸向?qū)挾萢 和徑向深度h 不變，b 值不斷增大時， 缺陷回波幅值逐漸增大，但增長速率在逐漸減緩。

2.4 徑向深度對L（0，2）導波回波最大幅值相對值的影響

在彎頭側(cè)壁C 處， 固定缺陷寬度為1.00mm，周向長度b 為10.00、20.00、30.00mm， 徑向深度h分別為1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50、3.91mm，提取不同缺陷周向長度和徑向深度， 獲得各自的缺陷回波最大幅值相對值，如圖8 所示。

從圖8 可以看出，對比不同徑向深度h 下的缺陷回波最大幅值相對值，縱向L（0，2）導波回波最大幅值相對值對缺陷深度h 的檢測較為敏感，在周向長度b 為10.00mm 下，縱向L（0，2）導波缺陷回波最大幅值相對值范圍為0.15～0.31；在周向長度b 為20.00mm 下，縱向L（0，2）導波缺陷回波最大幅值相對值范圍為0.21～0.46；周向長度b 為30.00mm 下，縱向L（0，2）導波缺陷回波最大幅值相對值范圍為0.28～0.62。 當缺陷軸向?qū)挾萢、周向長度b 固定不變時，缺陷深度h 增大，缺陷回波最大幅值相對值也明顯增大，對比周向長度b，徑向深度h 的影響更為明顯。

圖8 回波最大幅值相對值隨徑向深度的變化

3 結(jié)束語

筆者采用ABAQUS 軟件模擬了超聲導波在設置不同位置、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的裂紋缺陷的彎頭中的傳播。 研究發(fā)現(xiàn)，超聲導波在彎頭處會出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，在彎頭外側(cè)缺陷回波最大幅值相對值比內(nèi)側(cè)的要高，而且逐步降低，表明在彎頭內(nèi)側(cè)的裂紋缺陷比較難以檢測，在彎頭外側(cè)的裂紋缺陷比較容易檢測。對周向裂紋缺陷縱向L（0，2）導波來說，軸向?qū)挾萢 的改變對于縱向L（0，2）導波缺陷回波最大幅值相對值無顯著影響，而周向長度b 和徑向深度h 增大時，缺陷回波最大幅值相對值有明顯增大，但對于周向長度b 的增長其變化速率有所減緩，相比較而言徑向深度h 的影響更明顯。 總的來說，缺陷在縱向L（0，2）導波振動方向上的特征長度越長，缺陷回波最大幅值相對值越大，缺陷越容易被檢測。 研究結(jié)論對應用超聲導波技術(shù)分析管道彎頭縱向裂紋缺陷位置、參數(shù)敏感性以及是否采取進一步應對措施有著一定的參考價值。