超聲導波檢測管道缺陷的實驗研究

石小何 井 然 嚴有琪

（1．江蘇省特檢院鎮(zhèn)江分院 2.江蘇大學）

0 引言

管道在化工、石油、能源、航空等各類工業(yè)領域有著廣泛的應用。管道通常都是埋在地下的，其輸送距離長。然而由于管道老化、腐蝕和外力損傷等原因，常造成管道泄漏，除了影響正常的生產(chǎn)外，還造成資源浪費、經(jīng)濟損失，甚至會給人們的生命安全造成巨大隱患。因此，管道需要定期檢測，以保證其安全運行。常用的管道檢測方法是單點檢測，這種檢測方法要求剝開管道的外包層進行檢測，存在檢測速度慢、檢測費用高、檢測距離短、檢測結果誤差大等不足。而超聲導波檢測作為一種新興的無損檢測方法，其具有沿傳播路徑衰減小的特性，可以對管道內、外表面的缺陷進行長距離檢測，具有快速、可靠、經(jīng)濟且無須剝離外包層的優(yōu)點[1-2]。

隨著導波檢測技術的推廣應用，在缺陷檢測時準確地確定缺陷的位置已成為一個重要的問題。本文對超聲導波的缺陷檢測原理做了闡述。同時，以反射波理論為基礎，搭建了超聲導波管道缺陷檢測的實驗平臺，通過實驗驗證了超聲導波在管道缺陷檢測定位上的可行性。

1 超聲導波的檢測原理

1.1 導波的傳播與模態(tài)選擇

導波是由于聲波在介質中的不連續(xù)交界面間產(chǎn)生多次往復反射，并進一步產(chǎn)生復雜的干涉和幾何彌散而形成的。超聲導波在管道等有界介質中傳播時，受介質結構尺寸的影響較大。超聲波傳播速度依賴于波的頻率，因而導波的相速度隨著頻率的不同而改變，這就是超聲導波的頻散現(xiàn)象。圖1為超聲導波的縱向模態(tài)頻散曲線圖。

圖1 縱向模態(tài)頻散曲線圖

根據(jù)Silk和Bainton的理論，在管道中，沿軸向傳播的超聲導波存在3種不同模態(tài)，即軸對稱縱向模態(tài)L(0,m)、縱向非軸對稱模態(tài)F(n,m)和軸對稱扭轉模態(tài)T(0,m)。其中，m和n分別表示模態(tài)的周向階次和模數(shù)。通常，激勵單元能夠激勵出某一頻率帶寬內的所有模態(tài)，導致很難分析單一模態(tài)，故激勵單一模態(tài)的超聲導波是必要的。軸對稱縱向模態(tài)L(0,2)由于傳播速度快，能比其它模態(tài)的導波更快到達導波接收裝置，在時域內更易于區(qū)分。同時，在高于某一頻率的頻率帶寬內，L(0,2)模態(tài)無頻散現(xiàn)象。另外，L(0,2)模態(tài)的導波內外表面的徑向位移均相對較小，傳播過程中能量泄漏現(xiàn)象也相對較小，傳播距離相對較長，故可以檢測更長距離的管道。

1.2 缺陷軸向定位

管道中傳播的導波波速與管道材料的性質有關，在特定材料下其波速恒定。具體的波速公式如式（1）所示[3]：

式中C——L(0,2)模態(tài)和T(0,1)模態(tài)導波在管道中的傳播速度，mm/s；

E——管道材質的彈性模量，MPa；

ρ——管道材質的密度，kg/m3；

υ——泊松比。

試建立一管道缺陷模型，如圖2所示。即在管道一端設置傳感器單元，通過激勵產(chǎn)生一縱向應力波，并采用同端激勵、同端接收的方式。假定距管道接收信號位置x處有一缺陷，并設從激發(fā)到接收缺陷回波信號的時間間隔為t，則有下式成立：

圖2 缺陷軸向定位

導波從傳感器發(fā)出并經(jīng)缺陷反射到接收器的傳播時間t（單位ms）可測量獲取，故x值可確定。由式 （1）、式 （2）即可判斷缺陷在管道中的具體軸向位置。

2 實驗研究

2.1 實驗裝置

實驗裝置由鋼管、計算機、任意波形發(fā)生器(YB3020A)、多功能混合數(shù)字存儲示波器(LDS31010)和探頭 (一組PZT5壓電陶瓷片)所組成。激勵信號為單音頻信號，由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生。激勵傳感器單元，在管道中產(chǎn)生縱向模態(tài)L(0,2)超聲導波。激勵導波后，將接收到的導波信號顯示在數(shù)字示波器上，通過示波器上的USB接口將數(shù)據(jù)輸入到計算機中，用于信號分析和處理。本實驗中，被測試的管道為碳鋼無縫管，長度為3 m，鋼管外直徑為76 mm，壁厚為4 mm，密度為7800 kg/m3。

為了對管道中的缺陷進行準確的定位和研究，在每根管道距導波激勵端2 m處加工一個人工周向裂紋非穿透缺陷。該缺陷的周向弧長為30 mm，最大深度為2.5 mm。經(jīng)計算，缺陷橫截面面積與管道橫截面面積之比為7%。

2.2 探頭選取

探頭采用PZT5長度伸縮型壓電陶瓷片，將壓電陶瓷片在管道一端部周向均勻分布，采用并聯(lián)連接，并采用耦合劑和502膠水粘貼在管道表面。實驗中采用同端激勵、同端接收的方式，當管道中存在缺陷時，反射的缺陷回波會被接收，通過式（1）、式（2）即可計算出缺陷沿管道軸向的具體位置。

2.3 激勵信號

為了在管道中激勵出L(0,2)模態(tài)，實驗中采用的震蕩周期為10個單音頻信號。如圖3所示，頻域圖中峰值點對應的頻率即為采樣頻率0.7 MHz。

圖3 時域圖和頻域圖

2.4 實驗結果與分析

實驗中采用整環(huán)激勵、整環(huán)接收的方式，以消除彎曲波和扭轉波的影響。圖4所示為缺陷橫截面面積與管道橫截面面積之比為7%的裂紋位移時程曲線，根據(jù)式 （2）可計算出缺陷位置，即

其中，波速C=5400 mm/s。本文實驗中預設的裂紋缺陷位置在距接收端2 m處，故計算結果與實際裂紋位置相吻合。

當超聲導波通過缺陷時，由于介質的不連續(xù)性和缺陷的非對稱性，導波在缺陷處將發(fā)生模態(tài)轉換。由圖4可知，缺陷回波后面的回波波形即為發(fā)生模態(tài)轉換后的波形，新模態(tài)的導波回波稱為轉換回波。通過轉換回波傳播時間和缺陷位置，可計算出新模態(tài)導波的波速，從而可根據(jù)頻散曲線確定出該導波的模態(tài)。

圖4 裂紋位移時程曲線

3 結論

（1）通過測量裂紋缺陷反射波導波傳播的時間，可準確地判斷出缺陷所在位置。反射波返回的時間與缺陷大小無關，而與缺陷位置和材料參數(shù)有關。（2）當超聲導波通過缺陷時，由于介質的不連續(xù)性和缺陷的非對稱性，導波在缺陷處將發(fā)生模態(tài)轉換。

[1] 吳斌,劉增華,王秀彥,等.利用縱向導波檢測充水管道周向缺陷的實驗研究 [J].中國機械工程,2005,16(22)：2038-2043.

[2] 曹沖振，王鳳芹,李玉善，等.海底石油管道超聲檢測雙向傘式變徑技術[J].機械設計與制造，2009，10(10)：88-90.

[3] Joseph L Rose.固體中的超聲波 [M].何存富，吳斌，王秀彥譯.北京：科學出版社，2004.