基于開放式磁致伸縮導波傳感器的直角彎管缺陷檢測試驗

高麗巖,王俊杰,武新軍

(1.中國石油化工股份有限公司天津分公司裝備研究院,天津 300271;2.華中科技大學機械科學與工程學院,湖北 武漢 430074)

管道廣泛用于石油化工行業中介質的輸送和工藝過程的流轉[1]。然而,長期的高溫、高壓、易腐蝕和物料沖刷等惡劣工況在石化行業中普遍存在,這容易造成管道金屬損失、裂紋,形成安全隱患。直角彎管是管件結構之一,與直管相比,其彎頭部分更容易遭受磨損和腐蝕,因而定期對其進行無損檢測具有重大意義[2]。

盡管目前漏磁爬行檢測、超聲爬行檢測、渦流爬行檢測、脈沖渦流檢測等管道無損檢測方法已經較為成熟,且廣泛應用,但大多數檢測儀器仍然受管道尺寸空間限制和工作溫度限制,難以實現管道的逐點掃查,具有較多的檢測盲區[3]。超聲導波通過激勵和接收沿著構件傳播的彈性波實現管、板的檢測,能夠單次實現大范圍掃查,難以檢測區域較少。同時,基于磁致伸縮耦合機制的超聲導波傳感器由于采用電磁耦合方式,無須與金屬表面直接接觸,可以應用于高溫構件的檢測[4]。然而,在石油化工裝置中,管線布置緊湊,空間限制較多。傳統的磁致伸縮導波傳感器由周向安裝的磁化器陣列和螺線管線圈組成,其體積較大,安裝不便,因此需要探索體積小、輕便傳感器應用的可能性,以滿足直角彎管檢測需求。

該文選取了一種開放式磁致伸縮導波傳感器,通過調整傳感器磁鏈的長度,將其安裝的直角彎管端部。對含周向腐蝕坑、彎頭焊縫、壁厚減薄、周向腐蝕坑、周向刻槽、直管焊縫等多種結構特征及人工缺陷進行導波信號測量。對檢測信號進行巴特沃斯濾波處理后,分析其回波信號的幅值、聲時特征參數,進而獲得所提出檢測方法的缺陷檢出能力和定位能力。

1 開放式磁致伸縮導波傳感器原理

圖1為開放式磁致伸縮導波傳感器結構及實物圖[5]。同極性磁鐵沿著管道外壁環形布置,形成磁鏈,在管道一周形成周向均勻分布的靜態磁場BT,這種磁鏈最明顯的特征在于去除了傳統磁化器所使用的銜鐵部件,從而降低了傳感器的體積和重量。同時,該磁化器以周向陣列的形式來近似替代環形磁鐵,在管道無開口和空間受限的條件下滿足多規格管道檢測需求。在傳感器激勵時,靜態磁場BT的軸向分量和徑向分量與軸向交變磁場BD作用引起磁疇壁位移,形成沿著管道軸向傳播的超聲波,此為正磁致伸縮效應,接收過程為逆磁致伸縮效應。為了提高傳感器換能效率,激勵和接收線圈應盡量靠近磁鐵以保證足夠的靜態磁場強度。為了加強測試信號的波形疊加,螺線管測試線圈的間隔(L0)和縱向導波的波長(λ)之間的關系應滿足:其中n為一個非負整數。

圖1 開放式磁致伸縮導波傳感器

2 試驗裝置

與直管相比,彎管的彎頭部分更容易遭受磨損和腐蝕。同時,由于彎頭的存在,常規檢測技術相關的爬行器和內檢測器也更難通過,因而將超聲導波檢測技術應用于含彎頭管道更具有工程價值。

為了驗證開放式磁致伸縮導波傳感器對直角彎管上缺陷的檢出能力,設計了直角彎管試件,如圖2所示。試驗用直角彎管外徑168 mm,壁厚 8 mm,總長為18.5 m。結合直角彎管特征及工程中常見腐蝕、沖蝕、機械劃傷等缺陷的幾何尺寸,在試驗用直角彎管上設置相應的人工缺陷用以模擬彎頭、焊縫、腐蝕、壁厚減薄和刻槽等。直角彎管上的缺陷分布及開放式磁致伸縮導波傳感器布置如圖3所示,所用的傳感器激勵、接收環形線圈均為20匝,所采用的檢測系統為華中科技大學研制的磁致伸縮導波檢測儀[8],所采用激勵頻率由50 kHz逐步增大至100 kHz,步長為10 kHz,激勵電壓為1 V,激勵周期為5。在試驗過程中,將激勵傳感器和接收傳感器均布置于直角彎管的同一個端部,在兩個不同的端部都進行了一次測量以進行數據復檢和比對,兩次激勵-接收傳感器間距分別為780 mm和650 mm。

圖2 管道試件實物

圖3 缺陷分布及傳感器布置

3 超聲導波管道檢測信號分析

圖4為第一次測量時,激勵頻率60 kHz采集得到的超聲導波原始檢測信號,根據原始信號可知,原始檢測信號第一個周向腐蝕坑A,彎頭焊縫1B,2D,彎頭處壁厚減薄C,直管焊縫H和遠端部回波I可以辨識。然而,圖中方框中盡管存在多個回波信號,卻被掩埋在噪聲中,因此對信號進行降噪處理。本文采用巴特沃茲帶通濾波器對原始信號進行濾波,濾波后的檢測信號如圖5所示。

圖4 第一次測量超聲導波管道檢測信號

圖5 濾波后第一次測量超聲導波管道檢測信號

由圖5可知,濾波后噪聲幅值明顯減小,檢測信號中依次出現了圖2所示的各類缺陷。值得注意的是,由信號B、D發現超聲導波信號通過彎頭部分,檢測信號由原來的一個波包變為兩個,這也是識別通過彎頭后缺陷信號特征的主要依據。除此之外,在檢測信號出現了5個疑似缺陷信號(圖中問號所示),主要為導波與相互作用后產生的其他模態和端部多次反射回波。圖6為第二次檢測濾波后得到的信號,根據兩次試驗結果可知,彎管上的8處人工缺陷及特征均可以檢出。

圖6 濾波后第二次測量超聲導波管道檢測信號

進一步對檢測信號的定位能力進行分析,試驗中采用的導波為L(0,2)模態,波速為5 348 m/s,激勵信號長度為446 mm,根據峰值出現時間進行定位分析。最終,所得到的第一次測量和第二次測量信號定位能力分別見表1和表2。

表1 第一次測量信號定位能力分析結果

表2 第二次測量信號定位能力分析結果

從表1和表2可知,彎管試樣上的8種特征均可檢出,兩次檢測信號的定位誤差絕對值最大為3.74%,最小為0.04%,且其多數均小于1%。由于信號長度大于彎頭處壁厚減薄與彎頭焊縫距離的2倍,彎頭處壁厚減薄信號混疊在焊縫信號,不易辨識,彎頭處第2個焊縫定位誤差較大。

4 結 論

(1)提出了一種基于開放式磁致伸縮導波傳感器的直角彎管檢測方法,在含多種類型管道特征及人工缺陷的彎管上進行了測試。

(2)試驗結果表明:基于該傳感器的檢測方法能夠識別出直角彎管的所有人工缺陷,且定位誤差絕對值不大于3.74%,具有良好的檢出能力和定位精度。

(3)該研究證明了開放式磁致伸縮伸縮導波傳感器用于石化管道檢測的可行性,同時為導波檢測技術應用于現場彎管檢測提供了數據參考和試驗依據。