金屬小徑管外壁裂紋的內檢式電磁超聲導波檢測

李孟奇，李 勇，蘇冰潔，劉天浩，裴翠祥，陳振茂

(西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西省無損檢測與結構完整性評價工程技術研究中心，西安 710049)

金屬小徑管廣泛應用于能源裝備領域，在服役過程中容易因局部載荷過大出現疲勞損傷，尤其是管件外壁裂紋可能導致管件斷裂，嚴重威脅結構整體安全。因此在裝備服役階段，定期對金屬小徑管進行無損評價及維護具有非常重要的意義。對比各種傳統無損檢測方法，超聲導波沿傳播路徑衰減小，既可檢測構件內部缺陷，亦可檢出內外表面缺陷。因此對于金屬管道結構來說，超聲導波技術是一種簡潔、高效且易于操作的無損檢測技術[1-5]，是金屬小徑管損傷，特別是外壁裂紋的有力定量檢測方法之一。

超聲導波模態轉換、缺陷反射等方面的探究是超聲導波檢測的熱門研究方向之一，國內外學者基于不同模態超聲導波進行了大量的研究。DEMMA 等[6-7]通過分析有缺陷的管道中導波模態的傳播特性，發現縱向模態L(0,2)遇到管中的周向切槽時會發生模態轉換現象。HAYASHI等[8]分析了模態反射強度系數與模態頻率的關系。武靜等[9]針對管道缺陷的檢測，應用時間窗函數截取接收信號并計算其Lyapuno指數曲線，根據曲線的突變識別缺陷的回波信號。王偉等[10]通過有限元仿真的方式研究了T(0,1)扭轉模態對管道縱向裂紋的檢測及定位情況。然而，國內外針對金屬小徑管中的外壁切槽、裂紋等典型局部缺陷結構參數對超聲導波回波幅值量化影響的研究尚存不足。

鑒于此，文章圍繞金屬小徑管外壁裂紋的無損定量檢測，提出了一種內檢式電磁超聲導波檢測換能器。通過建立有限元仿真模型開展系列仿真，探究管件外壁裂紋參數與檢測信號的映射關系;同時，搭建金屬小徑管內檢式電磁超聲導波檢測試驗平臺，探究管件外壁裂紋的電磁超聲導波檢測及量化評估手段，驗證所提內檢式電磁超聲導波檢測換能器在金屬小徑管外壁裂紋定量檢測中的有效性。

1 管件內檢式電磁超聲導波檢測的有限元仿真分析

1.1 換能器構型及檢測原理

內檢式電磁超聲導波換能器構型及檢測原理如圖1所示。換能器結構主要由兩部分組成：① 一對N極相對放置的永磁鐵；② 放置于永磁鐵對軸向空氣間隙中的由多個渦流線圈組成的薄壁線圈組(相鄰兩個渦流線圈的間距為超聲導波的半波長)。實施檢測時，電磁超聲導波換能器同軸置入被檢管道內部，永磁鐵對產生沿管道徑向方向的靜態偏置磁場，同時通入高頻交流電驅動的渦流線圈組在管件內感應出動態電磁場(包括感應渦流和動態磁場)。在渦流與磁場(包括靜態偏置磁場和動態磁場)的共同作用下，在被測管道內感應渦流分布域中的質點將受到主方向為軸向的洛倫茲力，在該洛倫茲力作用下，被測管道質點產生軸向振動從而激發出縱向模態(L模態)的超聲導波。導波在被檢測管件內沿軸向傳播，當遇到諸如外壁裂紋形成的材料不連續時，在界面處會發生反射，當反射的超聲導波再次傳播回到換能器位置時，振動的管件質點在永磁鐵對產生的靜態磁場作用下會激發出動生渦流，同時在薄壁線圈組兩端產生感應電動勢；提取該電動勢信號作為缺陷回波信號，通過對其變化特性進行研究，可實現管件外壁裂紋的檢出，完成管件的電磁超聲導波定量檢測[11]。

圖1 內檢式電磁超聲導波換能器構型及檢測原理示意

1.2 三維有限元仿真模型的建立

為分析內檢式電磁超聲導波檢測方法在金屬小徑管外壁裂紋定量檢測中的可行性，基于筆者所在課題組自主開發的超聲導波檢測有限元仿真源代碼，建立金屬管件的內檢式電磁超聲導波檢測有限元模型(見圖2)。在該模型中，管材料為2205不銹鋼，其管外徑為19 mm，壁厚為2 mm，管長為500 mm,彈性模量為190 GPa,密度為7 980 kg·m-3，泊松比為0.27。在管件外壁設置裂紋，其位置和尺寸參數(包括軸向寬度a、周向長度b和徑向深度h)可變，用于分析計算不同位置、不同尺寸裂紋對檢測信號的影響規律。綜合考慮有限元計算速度和精度，采用四面體單元對管件進行網格劃分，在裂紋缺陷區域進行網格加密，提高計算精度。

圖2 金屬管件的內檢式電磁超聲導波檢測有限元模型

1.3 激勵信號選擇及加載方式

在進行管件內檢式電磁超聲導波檢測之前，為抑制所激發的超聲導波出現頻散現象，應對激勵信號中心頻率和波形進行擇優選取，將管件的幾何和物理參數代入頻散方程中，計算得到2205不銹鋼中L模態導波的群速度和相速度頻散曲線(見圖3)。

圖3 2205不銹鋼中L模態導波頻散曲線

由圖3可見，L(0,2)模態導波在低頻區域的頻散曲線較為平滑，頻散現象輕微，最終選取導波激勵信號中心頻率為250 kHz。由圖3亦可知，250 kHz對應的L(0,2)導波模態的群速度為4 971 m·s-1，L(0,1)模態導波的群速度為2 701 m·s-1。考慮到實際檢測中單一模態信號無法激勵形成，同時為使管道缺陷檢測更精準，采用漢寧窗調制單頻正弦信號作為窄帶激勵信號，其表達式為

(1)

式中：F(t)為激勵信號函數；n為脈寬中的正弦周期數；f和A分別為激勵信號的中心頻率和最大幅值；t為時間。

為了進一步保證比較集中的激勵信號頻率和較窄的時域寬度，最終確定式(1)中的n為5，f為250 kHz，A為1。在確定激勵信號中心頻率和波形后，考慮到感應渦流集中分布于管件內壁，與薄壁線圈組中的渦流線圈個數及位置對應，在被測管件內壁處選取一組環形激勵面，將主方向為軸向且波形為式(1)所定義的瞬時力施加在激勵面上，通過瞬態動力學仿真計算，獲取信號拾取位置處(軸向位置為薄壁線圈組中心；徑向位置為管件內壁)的質點縱向位移信號，因為該信號與薄壁線圈組輸出的電動勢信號正相關，所以在仿真中以質點縱向位移信號來表征檢測信號，用于信號特性分析。

1.4 外壁裂紋的定位及分析

為了分析裂紋位置和缺陷回波出現時間的關聯性，根據仿真得到的檢測信號計算并繪制其單邊包絡線，選取包絡線幅值的局部極大值點作為檢測信號各回波的時間點，距左端面200 mm及300 mm處的外壁裂紋(深度為0.5 mm、寬度為2 mm、弧長為1/2管件周長)的檢測信號及其包絡線如圖4所示。

圖4 不同位置裂紋的檢測信號及其包絡線(仿真計算)

由圖4可知，當裂紋軸向位置發生改變時，缺陷回波時間也隨之發生變化，結合波速及始波與缺陷回波之間的時間差，即可預估裂紋的軸向位置。為了進一步探究裂紋位置判定的準確性，仿真中改變裂紋軸向位置，設定其位于距激勵端面200400 mm處，將計算得到的預估位置與實際位置相比較，繪制出的裂紋位置誤差圖如圖5所示。進一步分析可知，缺陷回波峰值時間點與裂紋實際軸向位置緊密相關，相較于設定的裂紋位置，基于缺陷回波時間所計算得出的裂紋預估位置的相對誤差小于4.2%。由此可見，采用內檢式電磁超聲導波檢測，結合缺陷回波峰值時間的判定，可實現對金屬管件裂紋的軸向定位。

圖5 外壁裂紋位置誤差圖(仿真計算)

1.5 外壁裂紋的定量分析

通過系列仿真，進一步探究所提內檢式電磁超聲導波換能器在外壁裂紋定量評估中的可行性。設定管道模型中的缺陷為局部外壁裂紋，其距導波激勵中心300 mm，裂紋寬為2 mm，深度為0.5 mm，當裂紋周向長度分別為2/6和3/6管道周長時，計算所得檢測點處的質點位移信號及其包絡線如圖6所示。保持裂紋寬度和深度不變，建立不同裂紋周向弧長的仿真模型，仿真計算所得到的缺陷回波面積與缺陷周向弧長間的映射關系曲線如圖7所示。

圖6 不同裂紋周向弧長對應的質點位移信號及其包絡線

圖7 缺陷回波面積與裂紋周向弧長的映射關系曲線(仿真計算)

為進一步分析裂紋深度對缺陷回波面積的影響規律，在所建立模型中設置寬為2 mm、周向長度為1/2管件周長、深度分別為0.250.75 mm的外壁裂紋。仿真計算得到的深度為0.25,0.75 mm裂紋的檢測信號及其包絡線如圖8所示，缺陷回波面積與裂紋深度之間的關聯曲線如圖9所示。

圖8 不同裂紋深度對應的檢測信號及其包絡線(仿真計算)

圖9 缺陷回波面積與裂紋深度的關聯曲線(仿真計算)

分析圖8，9可知，隨著裂紋周向長度和深度的增加，缺陷回波面積增大。其原因主要在于：裂紋周向長度和深度決定了裂紋面積，待測管件中裂紋面積的增大導致裂紋處形成的異質界面聲阻抗增大，進而使反射的導波回波能量增強，表現為檢測信號中缺陷回波面積的增大。上述分析亦表明，內檢式電磁超聲導波檢測方法，結合缺陷回波面積的量化分析，可對金屬管件裂紋面積實施定量評估。

2 檢測試驗

在開展仿真研究的同時，搭建了金屬小徑管電磁超聲導波檢測試驗系統，其系統框圖及實物如圖10，11所示。該系統主要由計算機、電磁超聲激勵裝置(RITEC RAM-5000型)、阻抗匹配器(RITEC RT-50型)、雙工器(RITEC RDX-EM2型)、超聲導波換能器、帶通濾波器(NF F-628B型)以及示波器(Tektronix DPO 4104型)組成。

圖10 試驗系統框圖

圖11 試驗系統及換能器實物

電磁超聲導波換能器是檢測系統的核心部件。試驗所采用的內檢式電磁超聲導波換能器結構主要包括永磁鐵對、薄壁線圈組以及支撐骨架。試驗所采用小徑管內徑為14 mm,壁厚為2 mm,長度為0.5 m，材料為2205不銹鋼。預先在樣件外壁加工了局部缺陷，用于模擬外壁裂紋，其位于距左端面250 mm處，軸向寬度為2 mm,周向角度為90°,深度為0.5 mm。試驗時將制備的電磁超聲導波換能器同軸放置于樣件內，其工作模式為“自激自檢”，在激發電磁超聲導波的同時，拾取薄壁線圈組兩端的電動勢作為管件導波檢測信號。首先改變換能器與缺陷間的軸向位置，觀察并分析裂紋位置對檢測信號的影響規律，所獲檢測信號如圖12所示。由圖12可見，缺陷回波與端面回波之間的時間間隔為0.38 μs，結合1.3節中已求的L(0,2)導波波速，可預估裂紋位置，預估位置與實際位置誤差為8.2%。且隨換能器與缺陷間軸向位置的縮小，檢測信號中的缺陷回波信號峰值時間向始波靠近，表明基于缺陷回波與始波間的時間差，可對外壁裂紋進行的軸向定位，驗證了仿真結論的正確性。

圖12 小徑管不同位置缺陷的實際檢測信號

裂紋定量分析的試驗中，保持缺陷的軸向位置、寬度和周向長度不變，加工缺陷深度分別為0.5 mm和1 mm。不同缺陷情況下的電磁超聲導波檢測信號如圖13所示，可見，裂紋缺陷徑向截面面積越大，缺陷回波面積增大，與仿真研究所得結論一致，反映了在實際檢測中可根據缺陷回波面積對金屬小徑管外壁裂紋實施定量評估的可行性。

圖13 小徑管不同深度缺陷的實際檢測信號

3 結論

通過三維有限元仿真和試驗，對不銹鋼小徑管外壁裂紋的內檢式電磁超聲導波檢測可行性進行了探究。在提出一種內檢式電磁超聲導波換能器構型的基礎上，首先建立了金屬小徑管外壁裂紋的內檢式電磁超聲導波檢測三維有限元仿真模型，通過仿真確定了檢測信號中缺陷回波峰值時間和回波面積在裂紋定位和定量中的可行性。同時，搭建了電磁超聲導波檢測試驗系統，開發了金屬小徑管內檢式電磁超聲導波換能器。通過試驗獲取了不同位置、尺寸的管件外壁裂紋電磁超聲導波檢測信號，在驗證仿真結論的同時，進一步確定了內檢式電磁超聲導波檢測技術在不銹鋼小徑管外壁裂紋定量檢測中的可行性。

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