超聲導波檢測壓力彎管的仿真與試驗

鄧 進 *

（河南理工大學 機械與動力工程學院）

0 前言

彎頭是重要的壓力管道元件，可以改變介質的流向，是壓力管道定期檢驗中重要的部件。彎頭受到管道內流體的沖刷和腐蝕作用，較易產生缺陷。常規檢查技術需要進行拆除絕緣層、登高作業[1-2]等工序，工作量較大。超聲導波檢測技術具有成本低、安全性高、效率高等優勢，許多學者對其進行了相關研究[3]。

當超聲導波通過不連續結構（如彎頭和焊縫）時，會產生頻散和模態轉換，信號分析時很難識別該類缺陷信號[4-6]。與T 模態相比，L 模態導波群傳播速度更快，缺陷信號比干擾信號能更早被探頭接收，因此更易識別缺陷信號。L 模態導波沿管道軸向振動，對周向缺陷靈敏度更高[7-8]。因此在架空彎管的檢測中，L 模態導波檢測效果優于T 模態導波。

1 理論基礎

根據彈性波理論，可以得到導波在圓柱管中傳播的質量位移方程：

式中：ur，uθ， uz——分別為徑向、圓周和軸向的位移矢量；

n——階數，n=0，1，2，3；

w——角頻率；

k——波數。

基于線性彈性理論，給出了軸對稱模態頻散方程：

超聲導波在管道中傳播模態有不同的傳播模態：L 模態、T 模態和F 模態。理論上超聲導波可以產生不同階次的聲學模態，但在實際中只有少數階次模態可以觀測到，所以將其簡化為三階模態。圖1 所示為20 μm 導波在DN50 管道中各種導波的頻散曲線。L（0，2）的聲速為5 350 m/s。

圖 1 20#鋼管（DN50）的頻散曲線

2 仿真模擬

彎頭是不對稱的突變結構，當導波在彎頭中傳播時會發生模態轉換。為了確定L 模態轉換后的模態，進行了模擬實驗。激勵信號是由Hanning 窗調制的頻率為80 kHz 的正弦周期。信號被加載在管的側端，激勵信號的表達式如下：

式中：t——激勵時間；

fc——頻率；

n——信號周期。

為了觀察導波在彎頭中的聲學模態并檢查L 模態的檢測能力，進行了仿真模擬研究。仿真參數與上述條件相同，彎頭部位具有深為2.6 mm，寬為2 mm的人工刻槽，如圖2 所示。信號接收位置位于距信號激發端面約0.5 m 處。

圖 2 彎管缺陷位置和尺寸（單位：mm）

如圖3 a）和圖3 b）所示，當導波沿直管傳播時，由于傳播距離短，導波幾乎不存在頻散，然后導波到達彎頭部位位置。L（0，2）模態波在彎頭缺陷位置沿著彎頭外彎部位傳播，如圖3 c）所示。在圖3 d）中，部分導波由于缺陷而被反射，部分導波返回被探頭接收。剩余導波繼續向前傳播并伴隨著模態轉換、頻散和能量減少。結果表明，仿真信號與確定的檢測信號一致，仿真信號如圖4 所示。

圖 3 缺陷彎管中的L（0，2）模波變換

圖 4 L（0，2）有缺陷彎頭的仿真信號

3 試驗

磁致伸縮效應受到磁場強度和排列的影響。為了激發L 型導波，永磁體的布置將是至關重要的。通過實驗總結出了相對最佳的磁場布置方式，換能器中的交變磁場由銅線圈組裝而成，匝數為40 匝。靜磁場由N35，NdFeB 的矩形永磁體激勵，永磁體橫跨換能器并盡量貼近換能器，實驗裝置結構如圖5 所示。試驗樣管材料為20#鋼，在管中用深為1 mm 人工刻槽來驗證激發縱向導波的探測能力，其結構與仿真模擬時保持一致。在線圈上施加電聲脈沖信號激勵超聲導波，頻率為80 kHz，峰值電壓為140 V。根據圖4 和圖6 可知，仿真結果與實際結果一致，且缺陷信號幅值為端面信號幅值的60%，檢測效果良好。

圖 5 實驗裝置

4 結論

圖 6 L（0，2）有缺陷彎頭的實際檢測信號

L（0，2）模態導波具有傳播速度快、操作簡單等特點，可以在工程中推廣應用。本文提出采用L（0，2）模態導波對彎頭進行檢測。通過仿真實驗分析了L（0，2）模態導波在彎頭中的傳播特性，并通過實驗驗證了仿真結果與實際檢測結果一致。因此L（0，2）模態導波可以用于檢測彎頭部位的缺陷，其信噪比高，檢測效果良好。