基于磁致伸縮超聲導波的管道周向掃查技術

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(1.杭州浙達精益機電技術股份有限公司， 杭州 311121；2.浙江大學 數字技術與儀器研究所， 杭州 310027；3.浙江大學 制造技術及裝備自動化研究所， 杭州 310027)

管道作為一種非常經濟實用的流體運輸工具，應用非常廣泛。據不完全統計，截至2017年，我國油氣管道總里程累計約13.31萬公里[1]。但我國油氣管道的建設并不是十分完善，油氣儲運方面的理論知識缺乏、儲運安全風險較大以及管道腐蝕比較嚴重[2]，使得管道安全生產的壓力較大。目前，管道五大常規無損檢測的方法有漏磁、滲透、射線、超聲、渦流等，這些常規檢測技術都屬于踩點式檢測，存在著極大的漏檢風險。超聲導波無損檢測技術具有單點激勵、檢測距離遠、全截面檢測等優點，作為常規無損檢測方法的補充，已被大量應用于管道的無損檢測中[3-6]。

軸對稱模態的超聲導波在管道上具有良好的頻散特性和可激勵性，故目前國內外大多數超聲導波無損檢測技術的應用研究和成熟的商業應用都是基于軸對稱模態如T(0,1)、L(0,2)展開的[7-10]，但是其在實際應用上還存在一些不足。例如，現有的超聲導波檢測技術只可以通過A掃信號對管道缺陷在軸向上進行定位，無法實現周向定位，也無法分辨管道周向上有幾個缺陷。其次，目前超聲導波技術對缺陷大小的描述是基于相對管道的橫截面損失比進行的，即管道直徑越大，超聲導波最小可檢測的缺陷尺寸就越大，這就存在著有些大直徑管道已經發生穿孔腐蝕缺陷但還沒有達到超聲導波檢測最小靈敏度的風險，因此該方法對于大直徑管道沒有實際的檢測意義。第三，現有的超聲導波檢測方法無法發現管道上焊接支架、不等徑三通等部位的缺陷，存在著檢測盲區。

針對上述不足，筆者提出了一種基于局部加載的超聲導波管道周向掃查技術。通過對基于局部加載的管道周向掃查技術和現有T(0,1)模態檢測技術的仿真分析和試驗結果進行對比，了解基于局部加載的超聲導波管道周向掃查技術的適用范圍及其技術優勢。

1 管道周向掃查的建模與仿真分析

1.1 管道周向掃查的理論模型

基于局部載荷作用下的管道周向掃查技術是在管道周向上某一局部角度內逐一進行聲波激勵和接收，并記錄激勵和接收時的周向位置信息，最終整合成一個將管道沿著周向展開的0～360°的B掃成像圖，從而實現對管道全覆蓋周向掃查的方法。管道周向掃查展開成像示意如圖1所示。

圖1 管道周向掃查展開成像示意

基于局部載荷作用下的管道周向掃查理論模型是管道周向某一局部受迫振動后的瞬態擾動，其激勵原型如圖2所示。將基于簡正模態展開法展開管道導波激勵理論的研究，分析波源的影響，分析管道在各類受迫載荷作用下的激勵響應，為管道超聲導波換能器的設計與優化提供理論指導和設計依據。

首先考慮管道受到局部載荷時的激勵響應和瞬態擾動分析，如圖2所示，載荷區域軸向寬度為2L，周向角度為2α，基于簡正模態展開法得到周向、軸向波源因子[11]

(1)

(2)

式中：P1為局部載荷的角度，其范圍為[-α,α]；P2為局部載荷的長度，其范圍為[-L,L];b為公式的系數;k為波數;m為超聲導波模數;N為正整數。

圖2 局部激勵載荷作用下的管道模型

根據式(1)，周向波源因子Hθ是周向階數n和載荷圓周角2α的函數。顯然，Hθ對于載荷角度2α表現為線性響應(n=0,n為導波周向階數)或正弦響應(n≥1)。當2α=2π時，有Hθ=0(n≥1)，即當磁致伸縮載荷為軸對稱載荷，作用于管道整個圓周時，僅能激勵產生零階軸對稱模態。這種模式即為傳統T(0,1)模態的導波檢測方法，采用圓周一體激勵產生單一軸對稱模態；當nα=pπ,p=0,1,2…時，有Hθ=0(n≥1)，表明這種情況下n階模態導波不能被激勵，其幅值為0；當nα=(2p+1)π/2,p=0,1,2…時，sin(nα)取到極值，有Hθ=HθE(n≥1)，即此時n階模態導波幅值達到極值。局部載荷對導波模態的階次具有一定的選擇性，載荷圓周角較小時，高階非軸對稱模態幅值較大，隨著圓周角的增大，非軸對稱模態逐漸被抑制，直至完全軸對稱載荷情形下只能激勵產生0階軸對稱模態導波。

(3)

圖3所示為式(3)表述的軸向波源因子對于頻率f和相速度Cp的響應，其中載荷軸向寬度2L=50.8 mm。

圖3 軸向波源因子隨相速度、頻率變化的趨勢

1.2 管道周向掃查仿真分析

根據周向波源因子可知，基于局部加載下的超聲導波會激勵多種模態。首先，分析管道的頻散曲線特性。圖4所示為管道的頻散曲線，其管道屬性為：直徑為219 mm，壁厚為6 mm，材料為碳鋼L245，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.28，密度為7 800 kg·m-3。由該頻散曲線可知，基于100 kHz～200 kHz頻帶的剪切波局部加載方式，在管道中將會激勵T(n,1)模態的超聲導波，且導波頻率大于160 kHz時，T(n,1)各階次的導波群速度較為接近。

圖4 直徑為219 mm，壁厚為6 mm的碳鋼管頻散曲線

圖5 直徑為219 mm，壁厚為6 mm的管道全周向激勵時各階模態歸一化幅值和波結構

仿真以上述管道為例，利用磁致伸縮的方式激勵軸向寬度為50.8 mm，整個周向同時激勵，頻率為180 kHz帶漢寧窗調制的正弦信號，對激勵的超聲導波進行波結構分析，其分析結果如圖5所示(圖中直徑線上的數字代表超聲導波能量歸一化后在管道周向分布的比例，紅色一圈在1.0說明該模態的超聲導波能量在周向均勻分布，能量相同。下同)。從圖5可以看出，通過這種方式激勵的超聲導波為純凈的T(0,1)模態，由于是整個周向同時激勵且該模態無頻散特性，故傳播至10 m處超聲導波能量仍然是圓周均布。因此，采用T(0,1)模態的超聲導波可以應用于管道的長距離檢測中。

再次利用磁致伸縮的方式激勵軸向寬度為50.8 mm，周向長度為100 mm，頻率為180 kHz帶漢寧窗調制的正弦信號，將激勵獲得的各T(n,1)導波模態能量進行歸一化幅值處理，并仿真獲得如圖6所示的導波模態歸一化分布。從分布圖中可以看出，產生的各階模態能量主要集中在0～5階內。

圖6 直徑219 mm管道在周向激勵長度為100 mm，局部載荷作用時的各階導波模態歸一化幅值

超聲導波在管道中的傳播特性決定了超聲導波的檢測效果，基于局部加載作用下的超聲導波傳播特性可以利用管道截面上的波結構特性進行分析。圖7所示為管道中不同距離截面上的波結構分析，從圖中可以看出，隨著傳播距離的增加，超聲導波能量在管道截面上的分布越擴散。即基于局部加載的超聲導波的傳播距離越近，其能量越集中，檢測范圍就越小，檢測靈敏度越高。傳播距離越遠，超聲導波的檢測范圍越大，但相應的檢測靈敏度會降低。產生這種現象的主要原因是聲波的擴散性和超聲導波的多模態效應綜合的結果。

圖7 直徑219 mm管道在周向激勵長度為100 mm，局部載荷作用時不同距離截面上的波結構

將基于局部加載的超聲導波作用在管道直徑為508 mm，壁厚為6 mm，材料為碳鋼L245，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.28，密度為7800 kg/m3，其超聲導波激勵軸向寬度為50.8 mm，周向長度為100 mm，頻率為180 kHz帶漢寧窗調制的正弦信號。對該管道模態分布進行統計，結果如圖8所示。

圖8 直徑508 mm管道在周向激勵長度為100 mm，局部載荷作用時的各階導波模態歸一化幅值

與圖6進行對比可知，在508 mm直徑管道上激勵產生的超聲導波的高階模態能量明顯增大，說明激勵的0階軸對稱模態占比變小。對508 mm直徑管道上的波結構進行仿真分析，結果如圖9所示。

圖9 直徑508 mm管道在周向激勵長度為100 mm，局部載荷作用時不同距離截面上的波結構

圖9將與圖7進行對比可知，在508 mm直徑管道上激勵基于局部加載的超聲導波，在相同的距離上其超聲導波擴散角度更小。

由以上的對比可知，基于局部加載的超聲導波應用于管道周向掃查時，由于聲波擴散、超聲導波的多模態特性和頻散效應，只能掃查一段有效的距離，距離過遠容易產生周向分辨率不高的問題。相同的激勵頻率和周向長度，大管徑的超聲導波擴散性更小，周向分辨率更高，有效的掃查距離可以更遠。因此，基于局部加載超聲導波的有效周向掃查距離與管道直徑有關。由頻散曲線可知，超聲導波的頻率越高，T(n,1)模態導波的群速度越接近，頻散效應對導波檢測的影響越小，導波聚焦性越好。

2 管道周向掃查技術的試驗

采用對比試驗，將現有的T(0,1)模態超聲導波檢測方式和局部加載的周向掃查方式應用在管道上的結果進行分析對比。試驗對象為外徑140 mm，壁厚6 mm，長度0.9 m的碳鋼無縫鋼管。缺陷共計兩個，分別為距離檢測位置540 mm的盲孔缺陷，其橫截面損失比為0.5%；以及距離檢測位置650 mm的槽缺陷，其橫截面損失比為1%，兩個缺陷在管道周向上相差90°。檢測儀器選用杭州浙達精益機電技術股份有限公司的MSGW30超聲導波檢測儀，其具有檢測和周向掃查兩種功能。MSGW30超聲導波檢測系統和掃查系統都是基于磁致伸縮原理開發的，掃查器超聲導波激勵長度為100 mm，激勵寬度為50.8 mm。

試驗使用T(0,1)模態的常規磁致伸縮探頭和掃查器，其檢測頻率均為180 kHz，檢測儀器使用相同的激勵和接收導波參數，掃查器的掃查步進角度為10°，即每10°采集一個數據。試驗平臺框圖如圖10所示。

圖10 管道周向掃查試驗平臺框圖

采用局部加載的周向掃查方式，可將每個周向角度檢測獲得的A掃信號組成二維圖像，其縱坐標為周向角度，橫坐標為距離位置，顏色越紅代表超聲導波回波能量越大，獲得的管道B掃成像圖如圖11(a)所示。由成像圖可知，B掃成像圖可以將管道沿著周向360°展開，直觀地表示出缺陷在管道周向和軸向上的位置，通過顏色深淺可以判斷該缺陷的回波幅值大小。選擇缺陷幅值最大的周向角度，顯示該角度下的A掃信號圖如圖11(b)，(c)所示。兩個缺陷的位置和幅值信息如表1所示。

圖11 超聲導波局部加載周向掃查管道的信號圖

采用傳統T(0,1)模態導波檢測方式進行檢測，其結果如圖12所示。其兩個缺陷的位置和幅值信息分別列在表1中。

圖12 基于T(0,1)模態超聲導波檢測A掃圖

從兩種方式的結果上看，B掃的成像效果更加直觀。從表1可以看出，局部加載的周向掃查方式與T(0,1)模態導波檢測方式得到的缺陷軸向位置基本對應，但是前者得到的缺陷回波幅值更高，約是后者的3倍以上。周向掃查方式獲得的缺陷回波幅值較大，主要是因為當檢測儀器輸出的功率固定時，局部加載時單位面積上加載的激勵能量比整個周向同時激勵的能量要大；當管道直徑越大時，這種現象越明顯。因此，局部加載的周向掃查方式適用于大管徑的缺陷掃查。

表1 T(0,1)模態檢測和基于局部加載的周向掃查缺陷特征對比

3 結論

基于磁致伸縮原理的T(0,1)模態超聲導波檢測適用于小管徑、長距離的管道缺陷掃查，并可以獲得缺陷相對檢測位置的軸向距離位置信息?；诰植考虞d的超聲導波周向掃查方式可將管道沿著周向360°展開，對缺陷進行軸向和周向二維定位，并可通過B掃成像的方式直觀顯示檢測結果。基于局部加載的周向掃查技術特別適用于大直徑管道的中距離周向掃查，在相同的局部激勵尺寸和頻率下，管道直徑越大，周向分辨率越高；而且由于掃查器的局部激勵尺寸不變，周向掃查器可掃查出的缺陷大小與管道直徑無關，形成一個相對固定的缺陷靈敏度。這與T(0,1)軸對稱模態檢測對缺陷采用相對管徑橫截面損失比有很大的不同，管道直徑越大，這種優勢越明顯?；诰植考虞d的周向掃查技術可應用于焊接支架、不等徑三通等部位的缺陷檢測中，可減少超聲導波檢測的盲區。

基于局部加載的周向掃查技術是現有T(0,1)軸對稱模態檢測方法的一種補充，在大直徑管道檢測以及特定部位如焊接支架、不等徑三通等檢測中，具有較好的應用效果和前景。