基于CIVA仿真與試驗的磁致伸縮導波和壓電導波檢測比對分析

張子健* 傅書暢 趙大禹 吳家喜 常 騰 李武俊 張小龍 薛秉康

（1. 寧波市勞動安全技術服務公司 2. 中國石油天然氣股份有限公司東北銷售寧波分公司3. 寧波市特種設備檢驗研究院）

0 前言

目前國內壓力管道超聲導波檢測的標準主要是GB/T 28704—2012《無損檢測 磁致伸縮超聲導波檢測方法》及GB/T 31211—2014《無損檢測 超聲導波檢測 總則》，這兩個標準中均提出了對比試樣和靈敏度校準要求，即應采用與被檢測構件材料性能及幾何形狀相同或相近的材料制作，并采用對比試驗在實驗室實測繪制距離-幅度曲線[1-3]。但在實際檢測過程中，現場管道規格和形式復雜多變，標準要求的對比試樣和靈敏度校準條件在實際操作時較難達到。針對以上問題，本文采用CIVA 仿真和對比試管驗證方法，分析了兩種超聲導波在檢測過程中存在的差異，為超聲導波的應用提供相關數據支持。

1 原理簡介

1.1 磁致伸縮導波

磁致伸縮導波檢測系統通常由主機、計算機、鐵鈷帶、耦合劑、線圈卡具及線圈探頭帶組成。將探頭線圈放置在磁致伸縮帶材上，當有交流電通過線圈時，在魏德曼效應的作用下，磁致伸縮帶材中的交流磁場就會產生剪切位移，剪切位移通過耦合膠的耦合層機械地傳遞到管道中，然后以扭轉波形式沿著管道軸向傳播[4]。

1.2 壓電導波

壓電導波檢測系統由主機、氣泵、工具導線、氣管、計算機、卡具及壓電探頭組成。傳感器采用一種壓電陶瓷材料制造，該材料具有正壓電效應和逆壓電效應，可以實現機械能向電能轉換。壓電導波技術可同時激發縱向、扭轉和彎曲波，三種波形同時檢測則可以極大地降低缺陷漏檢率。因為某些缺陷容易被縱波檢測到，同時扭轉波可以應用于管道帶料檢測中，其介質衰減較小[5]。

2 CIVA仿真計算

2.1 頻散曲線計算

超聲導波在管道中的傳播過程存在一個顯著的特點——頻散現象。頻散現象是指超聲導波的相速度和群速度隨著頻率變化而變化，發生頻散現象后，導波的能量衰減非常迅速，這對于管道長距離檢測是極為不利的。因此需要研究針對某一規格管道，何種模態導波在何種頻率范圍內不會發生頻散現象。導波的頻散曲線就是描述導波的群速度、相速度和頻率對應關系的一種曲線。本文通過CIVA 軟件GWT 模塊計算規格為DN 80 mm×6 mm，材質為Q345R 的壓力管道中的頻散曲線，計算的頻率范圍為0～150 kHz，頻率數為150 個，計算方式為3D，包含所有模態（T，L，F），結果如圖1～圖4 所示。

圖1 DN 80 mm×6 mm管道群速度頻散曲線

圖2 DN 80 mm×6 mm管道相速度頻散曲線

圖3 DN 80 mm×6 mm管道頻率-波長曲線

圖4 DN 80 mm×6 mm管道頻率-波數曲線

由圖1 ～圖4 中的頻散曲線可知，在導波常用頻率范圍（20～100 kHz）內，T（0，1）模態導波是非頻散的，群速度為3 230 m/s，相速度為3 230 m/s，波長為51.75 mm；L（0，2）模態在50～100 kHz 頻率范圍內基本是非頻散的，具有最大群速度為5 347 m/s，相速度為5 419 m/s，波長為69.9 mm，其作為激發波形可以有效地與其他模態波形進行區分，有利于識別缺陷，抗干擾性強；L（0，1）模態具有嚴重的頻散現象；彎曲模態除了F（1，3）在70～100 kHz 頻率范圍內是基本是非頻散的以外，其余模態均存在較強頻散現象。

2.2 聲場計算

不同模態和頻率的導波沿管道壁厚方向的位移分布情況不同，通過對軸向、徑向、周向位移分量進行計算，可以得到當前檢測工況下的導波模態和頻率的適合值。

2.2.1 CIVA建模與設置

綜合考慮后續模擬試管檢測和仿真計算時間，本次選擇的管道直徑為80 mm，壁厚為6 mm，長度為800 mm，材質為Q345R。采用外壁弧形探頭，矩形單晶片，陣列數為1，寬度為5mm。信號分別為漢寧窗調制的頻率為30，60，90，120，150，180 kHz，帶寬為30%超聲導波信號，僅計算常用軸對稱導波模態，計算區域為距離探頭500 mm 處的橫截面，對該橫截面處質點的軸向、徑向、周向位移分量進行計算，CIVA 模型可見圖5。

圖5 導波檢測CIVA模型

2.2.2 位移分量計算與討論

分別對頻率為30，60，90，120，150，180 kHz的超聲導波進行計算，導波模態包含L（0，1），L（0，2）和T（0，1），對軸向、徑向、周向位移分量進行比較。

隨著超聲導波激發頻率增大，軸向位移分量也不斷增大，且在管道內壁軸向位移分量相對較大，因此隨著頻率增大，導波檢測內、外表面周向缺陷的靈敏度增大，有利于發現缺陷。軸向位移的大小決定了其檢測周向缺陷的靈敏度強弱。隨著超聲導波激發頻率增大，徑向位移分量不斷增大，導波傳播過程中的能量衰減與內、外表面上的徑向位移分布有關，內、外表面上的徑向位移分量越小，傳播過程中能量泄漏相對較少，傳播距離就越大，因此激發頻率越大，徑向位移分量越大，傳播距離就越小。隨著超聲導波激發頻率增大，周向位移分量不斷減小，整體處于極低水平，軸向缺陷檢測靈敏度低。

3 對比試管檢測

目前超聲導波檢測的靈敏度主要依靠對比試管來標定，但行業標準中對比試管的試樣要求沒有明確規定，不像常規A 超具有標準對比試塊，且已經應用得很成熟，導波對比試塊可以按照合同自行約定。除此之外，超聲導波檢測的距離-幅度（DAC）曲線應用還存在一定困難，現場管道規格、式樣眾多，標準中要求根據被檢工件的材料和規格在實驗室繪制DAC 曲線，這在無形中增加了成本，因此目前超聲導波的主要應用范圍為缺陷定位，同時采用其他檢測方法來驗證這一思路。本文分別采用壓電導波和磁致伸縮導波進行對比試管檢測，驗證檢測靈敏度，并分析二者在應用過程中的差異。

3.1 檢測設備

壓電導波采用的是英國PI 公司的Teletest Foucs+設備，該設備的激發頻率范圍是20～300 kHz，根據檢測工況需要，設備可選用多模式模塊、扭轉波模塊或迷你模塊。其中多模式模塊可以同時執行縱波和扭轉波模式，迷你模塊適用于DN 50～100 mm 管道，是一個3 環扭轉波系統，間距為30 mm。針對于本次檢測管道的尺寸，選取DN 75 mm 卡具，模塊數量為12，傳感器數量為36，無需進行表面預處理，干耦合壓力為275.8 MPa，檢測頻率為系統根據檢測工況智能推薦，通常范圍為20～100 kHz。

磁致伸縮導波采用的是UG30 超聲導波檢測儀，檢測過程主要是基于磁致伸縮效應和磁致伸縮逆效應，波形僅為扭轉波，目前支持中心頻率為16，32，64，128，180 kHz，檢測時需選取相應頻率線圈進行掃頻，管道表面需進行打磨處理，通過耦合膠粘貼磁致伸縮帶。

3.2 對比試管

比對試管規格為DN 80 mm×6 mm，材質為Q345R，長度為7 m，其中包含2 個90°彎頭，包含3 類典型管道缺陷，A 組（A1，A2，A3，A4，A5，A6）為不同尺寸方向的刻槽缺陷，B 組（B1，B2，B3，B4，B5，B6）為不同尺寸規格的平底孔缺陷，C 組（C1，C2，C3，C4，C5）為不同尺寸規格的通孔缺陷，對比試管尺寸可見圖6，對比缺陷情況可見表1。

圖6 對比試管尺寸圖（單位：mm）

表1 對比試管缺陷統計表

3.3 檢測與結果分析

分別采用Teletest Foucs+壓電導波和UG30 磁致伸縮導波對DN 80 mm×6 mm 對比試管進行檢測，檢測結果如圖7 和圖8 所示，統計情況可見表2。

圖7 超聲導波現場檢測圖

圖8 導波檢測結果

根據圖8 和表2 可知：（1）壓電導波盲區較大，盲區范圍為卡具安裝處前后各0.5 m，A6 缺陷在盲區范圍內，所以并未檢出，磁致伸縮導波盲區較小，僅為0.1 m，因此沒有缺陷漏檢；（2）壓電導波檢測范圍較大，可從安裝點A 端檢測出經過兩個彎頭后的C組缺陷；磁致伸縮導波傳播經過一個彎頭后，能量衰減較大，對于C 組缺陷的分辨力較低，無法有效區分；（3）兩種激發方式的導波在經過彎頭傳播后，缺陷的定位均會出現偏差，導波波形的復雜程度增大，對于缺陷的識別難度上升，這對于現場檢測是不利的，因此應盡量選取直管段進行檢測；（4）在近距離檢測中，磁致伸縮導波具有一定的優勢，如靈敏度高、分辨力高等；（5）在長距離管線檢測中，壓電導波具有一定的優勢，如激發能量高、傳播距離遠、導波模態多；（6）在缺陷比較密集或結構比較復雜的情況下，兩種導波回波信號幅值與橫截面積損失率未呈現出明顯的對應關系，因此GB/T 28704—2012和GB/T 31211—2014標準中提及的DAC曲線制作要求在現場檢測時無法達到，所以目前導波檢測主要用于定位缺陷，同時采用有效的檢測手段來驗證這一思路并開展工作。

表2 壓電導波和磁致伸縮導波檢測結果統計表

4 結論

針對壓電和磁致伸縮超聲導波在實際檢測中存在靈敏度校準的難題，首先采用了CIVA 軟件進行仿真，分析了不同頻率下超聲導波的傳播特點與應用要點，其次對DN 80 mm×6 mm 對比試管進行了檢測驗證，最后對兩種導波的檢測結果進行了總結分析。結果表明：導波的激發頻率會影響檢測靈敏度和傳播距離；壓電導波在長距離管線檢測中具有一定優勢，磁致伸縮導波在短距離管線檢測中具有一定優勢；目前導波應用主要是結合缺陷定位與其他檢測手段來驗證這一思路并開展工作。