基于S構型內檢式EMAT的管道裂紋電磁超聲螺旋導波定量檢測

李孟奇,李 勇,王 瑾,高乾祥,劉天浩,陳振茂

(1.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室 陜西省無損檢測與結構完整性評價工程技術研究中心,西安 710049;2.比亞迪汽車工程研究院 電動技術開發中心,西安 710049)

金屬管道廣泛應用于煉油、化工、核電、航空等各個行業的工業系統中,是系統核心部件的重要組成部分。然而在服役過程中,管道腐蝕、外力、材料、施工作業等都會引起管道損傷,嚴重影響管道的結構完整性和運行安全性。因此,定期對管道進行無損檢測,評價其服役壽命和性能,對于保障管道的穩定運行具有重要意義。相比于常規無損檢測方法,超聲導波檢測因具有傳播路徑衰減小、傳播距離遠、缺陷檢出率高及適用于不可達區域等優點,在管道檢測中得到了廣泛應用[1]。作為一種超聲導波檢測方法,軸對稱超聲導波檢測已經得到了深入研究并大量應用于管道的無損檢測。

金屬管道在加工、焊接、服役過程中,其內部可能出現應力集中區域,進而在這些區域中形成裂紋,且以斜向裂紋居多。目前代表性的超聲導波檢測方法,如L(0,2)模態、T(0,1)模態等軸對稱超聲導波對管道斜向裂紋的檢測能力較差,無法實現裂紋的分類與定量評價,未能滿足實際檢測需求。為突破金屬管道斜向裂紋超聲導波檢測瓶頸,非軸對稱超聲導波檢測方法是有力手段之一,有望作為軸對稱導波檢測的補充,進一步提高管道斜向裂紋超聲導波檢測能力,更精準地獲取裂紋的位置和尺寸等信息。現有研究表明[2],管道螺旋導波檢測是一種有效的非軸對稱超聲導波檢測方法,其采用的螺旋導波實質上是一種蘭姆波在曲面上的傳播形式,由于管道結構的周向封閉性,波前會反復交叉重疊,波束、波矢與管道軸線成一定角度,使導波沿著管道軸向成一定角度傳播,繼而形成管道螺旋導波。

對于管道螺旋導波的激發與接收,除采用壓電換能器以外,亦可通過電磁超聲換能器(EMAT)來實現。相比于壓電換能器,EMAT 具有無需耦合劑、檢測靈敏度高、適用溫度范圍廣等優勢,鑒于這些優勢,國內外學者對管道螺旋導波EMAT 展開了系列研究。THOMPSON 等[3]研究了采用電磁超聲換能器在天然氣管道上產生反對稱模態蘭姆波的可行性。BRATH 等[4-5]采用EMAT在管道中激勵接收A0模態或S0模態螺旋導波進行層析成像。THRING等[6-7]通過控制多激勵線圈組合,實現了換能器法線及其偏移方向一定范圍內的缺陷檢測。ZHANG等[8]采用螺旋磁致伸縮貼片換能器激勵和接收單一扭轉模態導波,分析了扭轉模態彎曲波與螺旋角的傳播關系,得到管道軸線與螺旋角度頻散曲線,提高了螺旋焊縫檢測率。楊理踐等[9]研究了超聲導波的傳播過程和頻散特性,得到了蘭姆波多模態的識別方法。趙繼辰等[10]構建了螺旋波紋管計算模型,模擬超聲導波在螺旋波紋管中的傳播特性,得到頻率為240 k Hz的軸向導波螺旋波紋管可實現環向缺陷檢測的結論,實現了螺旋波紋管中缺陷的識別和定位。

鑒于電磁超聲螺旋導波檢測的優勢,在分析管道螺旋導波傳播規律及檢測機理的基礎上,提出S構型內檢式EMAT,以實現對金屬管道斜向裂紋的電磁超聲螺旋導波檢測。建立有限元仿真模型,研究了管道不同走向裂紋對螺旋導波的影響規律,分析檢測信號特性;搭建試驗系統,制備了S構型內檢式EMAT并開展研究,對仿真所得分析結論進行驗證,進一步確認所提EMAT 在金屬管道斜向裂紋電磁超聲螺旋導波檢測中的可行性及有效性。

1 S構型內檢式EMAT檢測機理

為實現電磁超聲導波沿管道螺旋傳播,需基于電磁超聲換能原理,對影響波傳播方向的相關因素進行分析。電磁超聲導波換能器工作時,渦流線圈通有高頻激勵電流而激發線圈磁場,根據法拉第電磁感應定律,線圈磁場于管道內部感應出交變電磁場(包括管道內部的磁場及渦流),感應渦流在交變磁場和靜態偏置磁場作用下,在管道近表面產生周期性收縮和拉伸的洛倫茲力,這種周期性收縮和拉伸的機械力帶動管道中的質點產生高頻振動,形成超聲導波。超聲導波的傳播方向由磁場方向和渦流方向共同決定,由于內檢式換能器普遍采用的永磁體所提供的偏置磁場方向一般為軸向或周向(無法提供斜向磁場),故只能通過改變渦流線圈來控制管道內感應渦流方向,從而進一步調控導波的傳播方向?；谝陨戏治龊鸵延醒芯縖11],提出了基于管道徑向勵磁的S構型內檢式EMAT,其結構如圖1所示。

圖1 S構型內檢式EMAT結構示意

所提S構型內檢式EMAT采用徑向充磁的永磁體,以提供徑向偏置磁場;渦流線圈構型為S型雙螺旋線,纏繞于永磁體上,各螺旋線繞組位于永磁體磁極正上方。當EMAT 工作時,兩段S型螺旋線繞組上的激勵電流方向相反,且所處位置處的偏置磁場方向也相反,故其產生出的洛倫茲力為同一旋向,保證了螺旋導波在周向上的投影為一個完整的圓,以提高螺旋導波對于斜向裂紋的檢測靈敏度。此外,位于永磁體端部的徑向渦流線圈繞組距離待檢管件遠,該部分繞組所激發磁場在管道內感應的渦流極小,可忽略不計,故在管道內激發的洛倫茲力及超聲導波主要取決于螺旋線繞組。

由上述換能原理及導波傳播方向的分析可知,所提S構型內檢式EMAT激發的電磁超聲螺旋導波主聲束的傳播方向垂直于渦流線圈的S型螺旋線繞組,可通過改變該繞組的螺旋角來調控螺旋導波在管道中的傳播方向,以檢測管道內可能出現的斜向裂紋。此外,當螺旋角分別為0°和90°時,所激發的超聲導波等同于沿管件周向和軸向傳播的兩種導波。

2 S構型內檢式EMAT的有限元仿真

2.1 螺旋導波傳播特性分析

為分析基于S構型內檢式EMAT的金屬管道斜向裂紋電磁超聲螺旋導波檢測的可行性,基于課題組自主開發的超聲導波檢測有限元仿真源代碼[12],建立金屬管道電磁超聲螺旋導波檢測的有限元模型(見圖2),圖中α和β分別為S型螺旋線繞組和斜向裂紋與管道軸線間的夾角。在該模型中,待測管材料為6063鋁合金,其幾何、材料參數如下:外徑為26 mm;壁厚為2.5 mm;管長為700 mm;彈性模量為190 GPa;密度為7 980 kg·m-3;泊松比為0.27。

圖2 電磁超聲螺旋導波檢測有限元模型

在荷載設置方面,通過MATLAB軟件的計算得出S型螺旋線繞組在管件內壁所投影出的螺旋線上各點的洛倫茲力分量,將其作為荷載施加于管件內壁上。由于所提S構型內檢式EMAT所激發的螺旋導波主位移方向為0°～90°,故選取螺旋角α為30°,45°,60°的螺旋導波作為仿真分析對象。

為了抑制導波的頻散現象,使能量更為集中,采用漢寧窗調制單頻正弦信號作為窄帶激勵信號,即

式中:F(t)為激勵信號/荷載;n為激勵信號中的正弦周期數;f和A分別為激勵信號的中心頻率和最大幅值;t為時間。

為了進一步保證比較集中的激勵信號頻率和較窄的時域寬度,最終確定式(1)中的相關參數,即n=5,f=250 k Hz,A=1.0 N·m-1。仿真計算中,設置模型計算時長不小于導波場被換能器接收所需的時間;對管道模型劃分網格,保證沿著導波傳播方向網格尺寸小于導波波長的1/10,以提高計算精度。由于螺旋導波為非軸對稱模態導波,單一質點的位移很難完整反映螺旋導波檢測的信號形式,因此,沿螺旋線對各質點振動位移進行積分,所得結果即為螺旋線質點總體位移信號,由于該信號與EMAT檢測信號正相關[13],故仿真結果分析中采用螺旋線質點總體位移信號作為分析對象。

為了探究所提S構型內檢式EMAT 在管道中激發的不同螺旋角(α=30°,45°,60°)的螺旋導波傳播規律,筆者對其進行仿真計算,所獲得的不同螺旋角的螺旋導波場及其傳播過程示意如圖3所示。

圖3 不同螺旋角的螺旋導波波場及其在金屬管道中的傳播過程示意

通過對圖3所示計算結果進行分析可知,提出的S構型內檢式EMAT可激勵產生模態較為純凈的螺旋導波,在被測管道內形成相對穩定的導波場,表明所提EMAT可用于金屬管道的電磁超聲螺旋導波檢測。此外,由圖3可見,聲場波陣面和管道軸線間的夾角與換能器螺旋線繞組的螺旋角一致,導波經管道端面反射后波陣面螺旋旋向發生變化,其回波發生模態轉換,對應的波包在傳播過程中逐漸變寬,體現了所激發螺旋導波的頻散特性。

2.2 不同角度裂紋檢測結果及分析

為了進一步探究S構型內檢式EMAT對于斜向裂紋檢測的有效性,模型中在距管道左端面600 mm 處設置斜向裂紋(β=45°),通過仿真,獲取不同螺旋角的螺旋導波對應的螺旋線質點總體位移信號(見圖4)。

圖4 不同螺旋角的螺旋導波對應的螺旋質點總體位移信號

由圖4可見,所提S構型內檢式EMAT激勵產生的螺旋導波可實現對斜向裂紋的響應,形成檢測信號。對于同一斜向裂紋,螺旋導波螺旋角α不同,回波信號中的裂紋回波幅值也存在差異?；诖?為了進一步探究不同螺旋角螺旋導波對斜向裂紋的檢測靈敏度,在管道外壁上設置β為0°～360°的斜向裂紋(深度為1 mm,軸向寬度為1 mm,距管道左端面600 mm),通過仿真,獲取檢測信號,求取裂紋回波幅值,結合裂紋夾角β,繪制不同螺旋角螺旋導波檢測靈敏度極坐標圖,結果如圖5所示。

圖5 不同螺旋角螺旋導波檢測靈敏度極坐標圖

分析圖5可知,α為30°時的螺旋導波對β為30°的斜向裂紋檢測靈敏度最高,對與其垂直的β為120°斜向裂紋檢測靈敏度最低;α為45°時與α為60°時的螺旋導波也遵循相同規律,即螺旋導波對與導波場波陣面相平行的斜向裂紋檢測靈敏度最高,與導波場波陣面相垂直的斜向裂紋檢靈敏度最低。這是因為導波對裂紋引起的待檢管道橫截面積變化敏感,裂紋在導波場波陣面上投影的面積越大,裂紋回波幅值越大,檢測靈敏度越高。

3 檢測試驗

為了進一步探究電磁超聲螺旋導波在管道裂紋檢測中的可行性,搭建基于S構型內檢式EMAT 的電磁超聲螺旋導波檢測試驗系統,其系統框圖及實物如圖6所示。該系統主要由計算機、電磁超聲設備(RITEC RAM-5000型)、阻抗匹配器(RITEC RT-50型)、S構型內檢式EMAT、帶通濾波器(NF FV-628B型)以及示波器(Tektronix DPO 4104型)組成。

圖6 電磁超聲螺旋導波檢測試驗系統框圖及其實物

S構型內檢式EMAT是檢測系統的核心部件,其結構主要包括徑向永磁體、S型螺旋線繞組以及支撐骨架。試驗所采用的試件參數如下:外徑為26 mm;壁厚為2.5 mm;長度為1.25 m;材料為6063鋁合金。預先在試件外壁加工了局部斜向裂紋,其位于距左端面500 mm 處,裂紋長10 mm,深1 mm,與試樣軸線夾角為45°。試驗時,將所制備的S構型內檢式EMAT同軸放置于試件內,設置其工作模式為“自激自檢”,在激發電磁超聲螺旋導波的同時,拾取繞組兩端的電動勢作為電磁超聲螺旋導波檢測信號。同時,為了驗證所提S構型內檢式EMAT檢測斜向裂紋的高效性,筆者進行對比試驗,同時采用L(0,2)軸向導波EMAT[13]對試件實施檢測,兩種EMAT對應的檢測信號如圖7所示。

圖7 兩種EMAT對應的檢測信號

由圖7可見,與L(0,2)軸向導波EMAT 的裂紋檢測效果相類似,所提S構型內檢式EMAT 所輸出的檢測信號呈現出了有效的裂紋回波,可對同一斜向裂紋進行檢出。進一步分析對比兩種換能器的裂紋檢測性能發現,L(0,2)導波所得裂紋回波信號幅值為0.18 V,而螺旋導波所得裂紋回波信號幅值為0.32 V,與L(0,2)軸向導波EMAT相比,信號幅值提高了78%,說明相比于軸向導波,螺旋導波對于斜向裂紋檢測具有更高的靈敏度。此外,由圖7還發現,螺旋導波在管道中的散射使得噪聲加大,后續將對降低噪聲影響進行研究,以提高螺旋導波對于裂紋檢測的有效性。

4 結論

基于電磁超聲換能原理和螺旋導波檢測機理,提出了S構型的內檢式EMAT,建立了電磁超聲螺旋導波檢測有限元仿真模型,系列仿真結果表明,所提EMAT 激勵產生的螺旋導波可對管道斜向裂紋實現響應。同時,搭建了電磁超聲螺旋導波檢測系統,制備了S構型內檢式EMAT 并進行檢測試驗,結果表明,相比于L(0,2)軸向導波EMAT,S構型內檢式EMAT 對管道斜向裂紋有更高的檢測靈敏度。