超聲導(dǎo)波對彎管處缺陷的檢測與研究

劉書宏 丁 菊 朱旭晨

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 （上海 200062）

彎頭是壓力管道中改變管路方向的管道元件，是壓力管道中數(shù)量最多的管件。彎頭常年受到內(nèi)部流質(zhì)的沖擊，因而在整個壓力管道中屬于常見失效部位。根據(jù)法律法規(guī)，在管道年度檢驗、定期檢驗和監(jiān)督檢驗中，彎頭均是被檢驗檢測的對象，因此實現(xiàn)對彎管部位的檢查很重要。常規(guī)對彎頭部位的壁厚測定采用超聲法，由于超聲測厚是單點檢測，容易產(chǎn)生漏檢；在檢測中，即使發(fā)現(xiàn)了減薄，也很難測量減薄的面積。此外，在常規(guī)檢測中，由于需要拆除保溫層、高空作業(yè)等，需要耗費大量的人力成本，也增加了安全風(fēng)險[1]，尤其是管廊上的高空管道。超聲導(dǎo)波能對管道進(jìn)行長距離檢測，能對管道減薄截面積進(jìn)行測量，是一種低成本、高安全性和更高效率的新技術(shù)[2]。

美國西南研究院基于超聲導(dǎo)波的MsS（磁致伸縮傳感器）技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來并用于直管的檢測。在進(jìn)行彎管的檢測時，由于導(dǎo)波在不連續(xù)結(jié)構(gòu)中傳播時會產(chǎn)生明顯的模態(tài)轉(zhuǎn)換和頻散現(xiàn)象[3]，促使出現(xiàn)干擾模態(tài)的導(dǎo)波。現(xiàn)階段MsS激勵的是T（0，1）模態(tài)導(dǎo)波，其波速為3230 m/s，低于其他模態(tài)轉(zhuǎn)換干擾波，因此模態(tài)干擾波將出現(xiàn)在缺陷回波前，使得缺陷波與干擾波無法區(qū)分，在識別缺陷波時存在一定困難。為了突破這一限制，本文提出了基于磁致伸縮效應(yīng)的L（0，2）模式導(dǎo)波激勵。與T模態(tài)相比，L模態(tài)導(dǎo)波的傳播速度較快，其他模態(tài)轉(zhuǎn)換波波速低于缺陷回波，缺陷回波不會與干擾波重疊。因此，在管道檢測時，缺陷波在不連續(xù)結(jié)構(gòu)缺陷識別方面具有更好的性能[4]。

1 理論

基于鐵磁材料在磁場中的應(yīng)力變形，采用磁致伸縮技術(shù)對鐵磁管道進(jìn)行檢測。材料的磁致伸縮性能與磁性和機械性能有關(guān)[5-6]，見式（1）。

其中：E為彈性模量；M為磁化系數(shù)；M0為飽和磁化系數(shù)；MWM為壁面滑動磁化；M0（σ）為隨應(yīng)力變化的磁化強度；ε為應(yīng)變；σ為彈性應(yīng)力；θ為松弛系數(shù)；λ為飽和磁致伸縮系數(shù)；λ0（σ）為飽和磁致伸縮隨應(yīng)力變化系數(shù)。

在彈性應(yīng)力、洛倫茲力和磁致伸縮力的相互作用下，鐵磁性材料質(zhì)點將產(chǎn)生振動，從而產(chǎn)生超聲波。通過控制洛倫茲力和磁致伸縮力可以控制質(zhì)點的振動方向，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)模態(tài)和縱向模態(tài)導(dǎo)波，甚至彎曲模態(tài)。其中鐵磁材料彈性運動方程的表達(dá)式見式（2）。

其中：F1為洛倫茲力；F2為磁致伸縮應(yīng)力；x為笛卡爾X坐標(biāo)；ρ為材料密度；σ為彈性應(yīng)力。

導(dǎo)波在管道中傳播存在頻散現(xiàn)象，即傳播速度隨著頻率而變化。頻散曲線是導(dǎo)波前需要計算的重要數(shù)據(jù)，用于得到檢測模態(tài)導(dǎo)波的傳播速度，即群速度和相速度。導(dǎo)波速度采用兩種表示方式，其中導(dǎo)波相位傳播速度和角頻率的關(guān)系為Cp（ω），單位為mm/μs，或者表示為與頻率相關(guān)的波數(shù)形式k（ω），單位為rad/mm。它們之間的轉(zhuǎn)換公式見式（3)。

同理，群速度轉(zhuǎn)換公司見式（4）。

從式（3）、（4）可以看出，若導(dǎo)波是非頻散的，那么相速度等于群速度，即Cp（ω）=Cg（ω）。群速度和相速度相互關(guān)聯(lián)，見式（5）。

其中：Cp為相速度；Cg為群速度；fd為頻率與厚度的乘積，也稱為頻厚積；f為超聲導(dǎo)波的激勵頻率；d為測試工件的厚度。通過軟件計算，得到直徑60.3 mm，壁厚3.91 mm管道的頻散曲線如圖1所示。

2 實驗

磁致伸縮導(dǎo)波檢測系統(tǒng)由一組永磁體、激勵和檢測線圈、功率放大器、計算機和信號發(fā)生器組成。在系統(tǒng)中利用永磁體產(chǎn)生局部磁化和偏磁場在鋼中激勵產(chǎn)生導(dǎo)波。因此，為了保證勵磁線圈與檢測線圈之間的工件在磁致伸縮線性范圍內(nèi)，需要合理選擇磁場強度。

超聲導(dǎo)波產(chǎn)生的過程是：信號發(fā)生器首先產(chǎn)生脈沖信號，使得激勵線圈中的電流發(fā)生變化，從而產(chǎn)生變化的磁場，磁致伸縮材料在外磁場的共同作用下在特定方向上產(chǎn)生振動，從而形成超聲導(dǎo)波。在超聲導(dǎo)波檢測中，導(dǎo)波一旦遇到缺陷，產(chǎn)生反射回波，通過檢測反射回波獲得缺陷信息。磁場布置如圖2所示。檢測試樣為DN50的碳鋼彎管，直徑60.3 mm，壁厚3.91 mm，彎管兩側(cè)直管長度為1 m，帶有缺陷的試樣中缺陷為深2.6 mm，寬2 mm的刻槽。試樣示意圖如圖3所示。

圖1 管道（直徑60.3 mm，壁厚3.91 mm）頻散曲線

圖2 磁場布置示意圖

圖3 檢測試樣

通過上述的激勵磁場布置，在管道中產(chǎn)生縱向?qū)Р▽澒茉嚇舆M(jìn)行檢測，其中對無缺陷試樣的檢測信號如圖4所示。在檢測圖中，并沒有產(chǎn)生明顯的彎頭變形波，只有彎頭另一端面的回波。這是因為縱向?qū)Р▊鞑ニ俣茸羁欤a(chǎn)生的變形波在端面回波之后，因此對彎管的檢測沒有影響。在實際檢測中，超聲導(dǎo)波激勵裝置與彎頭的相對位置是可以測量的，通過計算可以得到彎頭部位在導(dǎo)波檢測信號圖中的顯示范圍。

圖4 無缺陷試樣檢測信號

在本實驗中，彎管的范圍為0.6～1.0 m處。在該范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)缺陷回波。因此在無缺陷彎管檢測時，在彎頭部位不會出現(xiàn)其他干擾的波形。

對帶有缺陷的試樣進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)在彎管范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的缺陷回波。此外，還有缺陷波經(jīng)左端面反射后被傳感器接收到的信號波，如圖5所示。通過兩個圖的對比，發(fā)現(xiàn)除了可預(yù)見的信號波之外，并未觀察到其他波形轉(zhuǎn)換波。因此本實驗激勵的縱向模態(tài)具有對彎管缺陷的檢測能力。

圖5 帶缺陷試樣檢測信號圖

在化工裝置中，彎管部位通常采用焊縫連接彎頭的形式。因此本文對帶焊縫的彎頭進(jìn)行導(dǎo)波檢測。因為2個焊接接頭的設(shè)計相同，所以其相對振幅相似。但實際上，考慮到彎管對導(dǎo)波的衰減作用，非傳感器側(cè)的焊接回波振幅應(yīng)略低于傳感器側(cè)的振幅。帶有2個焊接接頭的無缺陷彎管的掃描信號如圖6所示。

圖6 帶彎頭焊縫無缺陷試樣檢測信號

帶缺陷試樣為在焊縫上加工一個深2.6 mm，寬2 mm的刻槽。為了研究傳感器位置對缺陷檢測的影響，傳感器分別布置在缺陷同側(cè)和異側(cè)。由于缺陷的存在會降低焊縫回波幅值，因此，如果2個缺陷回波幅值明顯不同，可以判斷在幅值較低的焊縫上存在缺陷。檢測信號如圖7和圖8所示。

圖7 傳感器和缺陷在同側(cè)時檢測信號

圖8 傳感器和缺陷在異側(cè)時檢測信號

如果非傳感器側(cè)振幅明顯低于傳感器側(cè)振幅（如圖8所示），則表明非傳感器側(cè)焊縫存在一定的缺口缺陷。同樣，如果前者高于后者（如圖7所示），則表明傳感器側(cè)存在一定的缺口缺陷。在檢測中這些數(shù)據(jù)可以作為缺陷診斷的參考。此外，還有其他類型的缺陷可能導(dǎo)致更復(fù)雜的掃描信號。

3 結(jié)論

現(xiàn)場檢測的步驟是首先測量導(dǎo)波激勵裝置與彎頭的距離范圍，再進(jìn)行檢測，在導(dǎo)波檢測圖譜中通過時間反推距離，最終在圖譜上對彎頭范圍內(nèi)的信號進(jìn)行判斷。通過實驗發(fā)現(xiàn)：采用L（0，2）導(dǎo)波檢測時，無缺陷彎管在圖譜上的彎頭范圍內(nèi)無缺陷信號；當(dāng)彎頭存在腐蝕減薄時，在圖譜上能發(fā)現(xiàn)缺陷信號。

本文提出了一種基于磁致伸縮效應(yīng)的L（0，2）型導(dǎo)波激勵方法，采用該方法對壓力彎管進(jìn)行檢測，通過實驗驗證了檢測結(jié)果的正確性。對帶焊縫彎頭檢測結(jié)果表明，可以通過對比焊縫幅值的方法發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)缺陷。