李宏雷,劉增華,李文春

(1.北京市特種設(shè)備檢測(cè)中心,北京 100029;2.北京工業(yè)大學(xué),北京 100124)

超聲導(dǎo)波技術(shù)與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)相比,具有檢測(cè)架空和水下管道、被保溫或絕熱材料包覆的管道、難以接近區(qū)段的管道和運(yùn)行狀態(tài)下在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn),是一種高效率、低成本的檢驗(yàn)手段,并且可以對(duì)管道管體的腐蝕狀況進(jìn)行初步的評(píng)價(jià),這是其它檢驗(yàn)手段所無(wú)法替代的。

國(guó)際上主要的導(dǎo)波系統(tǒng)有兩種:一種是以壓電晶片為基礎(chǔ)的導(dǎo)波系統(tǒng);另一種是以磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)(M sS)為基礎(chǔ)的導(dǎo)波系統(tǒng)。筆者主要對(duì)利用磁致伸縮效應(yīng)的MsSR3030 系統(tǒng)的波速及檢測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 磁致伸縮超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)系統(tǒng)MsSR3030

MsSR3030 系統(tǒng)是美國(guó)西南研究院開(kāi)發(fā)的用于低頻(5～250 kHz)導(dǎo)波研究和工業(yè)應(yīng)用的M sS 超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)。其具有高靈敏度,可檢測(cè)碳鋼和合金鋼,以及進(jìn)行高溫檢測(cè)等特性。

筆者利用M sS R3030 系統(tǒng),由磁致伸縮傳感器激勵(lì)出低頻T(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波,對(duì)兩種不同材質(zhì)(不銹鋼、合金鋼)管道進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn), 研究M sSR3030 系統(tǒng)在不同材質(zhì)理想管道中的波速及檢測(cè)長(zhǎng)度的能力,并提出針對(duì)不同材質(zhì)的管道必須合理選擇確定波速參數(shù)及傳感器安裝位置,減少由于參數(shù)或安裝位置選擇不當(dāng)而帶來(lái)的對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性及準(zhǔn)確度。

2 磁致伸縮超聲導(dǎo)波技術(shù)的缺陷檢測(cè)

利用超聲導(dǎo)波技術(shù)進(jìn)行管道缺陷檢測(cè)時(shí),通常選擇激勵(lì)L (0,2)或者T(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波。導(dǎo)波在管道傳播過(guò)程中遇到缺陷、焊縫或端部位置等產(chǎn)生的反射回波被傳感器接收,根據(jù)反射回波可以獲取管端位置等信息。

吳斌和劉增華等[1-2]利用壓電晶片基于壓電效應(yīng)分別激勵(lì)L 模態(tài)和T 模態(tài)超聲導(dǎo)波,用于對(duì)充水管道的缺陷檢測(cè);宋志東[3]將L(0,2)模態(tài)和T(0,1)模態(tài)分別用于管道缺陷檢測(cè)并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

Kwun 等[4-5]利用鐵鈷合金帶基于磁致伸縮效應(yīng)激勵(lì)L(0,2)模態(tài)和T(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波并應(yīng)用于管道缺陷檢測(cè)。徐書(shū)根等[6]介紹了磁致伸縮T模態(tài)導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)管道缺陷的原理并利用MsSR3030 系統(tǒng)進(jìn)行了管道缺陷檢測(cè)試驗(yàn),但沒(méi)有對(duì)不同材質(zhì)的管道波速校正及檢測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行研究。

筆者分別對(duì)兩根長(zhǎng)6 m,外徑108 mm ,壁厚6 mm的不同材質(zhì)(不銹鋼、合金鋼)的直管道進(jìn)行試驗(yàn)研究。為避免缺陷所帶來(lái)的信號(hào)損失,試驗(yàn)中采用的管道均無(wú)缺陷,以便創(chuàng)造比較好的管道檢測(cè)理想條件,得出導(dǎo)波在不同材質(zhì)管道中的波速校正值及檢測(cè)長(zhǎng)度估值。

3 試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置如圖1 所示,由M sSR3030 儀器,磁致伸縮傳感器和數(shù)據(jù)采集軟件構(gòu)成。試驗(yàn)過(guò)程中采用機(jī)械干耦合的方式,在安裝好的鐵鈷合金帶和排線線圈外,安裝充氣氣墊和包覆帶,以保證被檢管道、鐵鈷合金帶、排線線圈三者緊密接觸。圖中磁致伸縮傳感器的安裝位置可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)要求進(jìn)行調(diào)整。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)過(guò)程中探頭與管道之間采用機(jī)械干耦合方式,選擇使用64 和128 kHz 兩種線圈適配器。在數(shù)據(jù)采集軟件中設(shè)置激勵(lì)信號(hào)周期數(shù)為1,增益為0,波速為3 240 m/s(待校驗(yàn)),方向?yàn)樨?fù)方向,采樣點(diǎn)數(shù)61 000。

傳感器安裝于圖2 所示位置,研究M sS 激勵(lì)的超聲導(dǎo)波在經(jīng)過(guò)多次反射后能檢測(cè)到的最大距離的能力,安裝正方向?yàn)閳D中所指方向,激勵(lì)信號(hào)方向選擇負(fù)方向。

圖2 傳感器安裝位置

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 不銹鋼管

4.1.1 64 kHz 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖3 所示。利用差值方法對(duì)上述圖形進(jìn)行處理:峰峰差值=(第2 次波形波谷值+第2次波形波峰值)/2-(第1 次波形波谷值+第1 次波形波峰值)/2 ≈53.902 ms,所以:波速=(管長(zhǎng)×回波次數(shù)/峰峰差值)×2×103 ≈3 116.767 m/s。通過(guò)圖形發(fā)現(xiàn),波形在57.800 ms 處已經(jīng)非常微弱,故取最大傳播時(shí)間為57 ms。檢測(cè)距離=波速×?xí)r間=3 116.767×57×10-3≈177.656 m。

圖3 不銹鋼管6.4 kHz 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1.2 128 kHz 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖4 所示。利用差值方法對(duì)上述圖形進(jìn)行處理:峰峰差值=(第2 次波形波谷值+第2次波形波峰值)/2-(第1 次波形波谷值+第1 次波形波峰值)/2 ≈30.816 ms,所以:波速=(管長(zhǎng)×回波次數(shù)/峰峰差值)×2×103 ≈3 115.265 m/s。通過(guò)圖形發(fā)現(xiàn),波形在34.69 ms 處已經(jīng)非常微弱,故取最大傳播時(shí)間為34 ms。檢測(cè)距離=波速×?xí)r間=3 115.265×34×10-3≈105.919 m 。

4.2 合金鋼管

4.2.1 64 kHz 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖5 所示。利用差值方法對(duì)上述圖形進(jìn)行處理:峰峰差值=(第2 次波形波谷值+第2次波形波峰值)/2-(第1 次波形波谷值+第1 次波形波峰值)/2 ≈33.410 ms,所以:波速=(管長(zhǎng)×回波次數(shù)/峰峰差值)×2×103 ≈3 232.565 m/s。通過(guò)圖形發(fā)現(xiàn),波形在37.16 ms 處已經(jīng)非常微弱,故取最大傳播時(shí)間為37 ms。檢測(cè)距離=波速×?xí)r間=3 232.565×37×10-3≈119.605 m。

4.2.2 128 kHz 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖6 所示。利用差值方法對(duì)上述圖形進(jìn)行處理:峰峰差值=(第2 次波形波谷值+第2次波形波峰值)/2-(第1 次波形波谷值+第1 次波形波峰值)/2 ≈14.856 ms,所以:波速=(管長(zhǎng)×回波次數(shù)/峰峰差值)×2×103≈3 231.018 m/s。通過(guò)圖形發(fā)現(xiàn),波形在18.59ms處已經(jīng)非常微弱,故取最大傳播時(shí)間為18 ms。檢測(cè)距離=波速×?xí)r間=3 231.018×18×10-3≈58.158 m。

4.3 試驗(yàn)小結(jié)

通過(guò)上述兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算可以得出:MsSR3030 超聲導(dǎo)波檢測(cè)儀器中所發(fā)射的導(dǎo)波信號(hào)在不同鋼管中的傳播速度和最大檢測(cè)距離如表1所示。

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)試驗(yàn)分析可知:試驗(yàn)過(guò)程中的波速取值3 240 m/s略微偏大,故在不銹鋼管和合金鋼管進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可以取3 200 m/s。以上數(shù)據(jù)均為在近似理想的情況下進(jìn)行,在實(shí)際應(yīng)用中建議根據(jù)管道使用時(shí)間和其他情況進(jìn)行保守取值或經(jīng)過(guò)比對(duì)試驗(yàn)取值。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不銹鋼、合金鋼材質(zhì)的管道進(jìn)行64 和128 kHz 的分別檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn),在試驗(yàn)參數(shù)條件一樣的情況下,導(dǎo)波在同一種材質(zhì)的管道中的傳播速度基本保持不變,但檢測(cè)距離有著明顯的變化:64 kHz 傳感器要比128 kHz 的傳感器的檢測(cè)距離分別高出40.38%(不銹鋼)和51.37%(合金鋼);并且128 kHz 的傳感器所檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)峰值要明顯低于64 kHz 的傳感器所檢測(cè)的峰值,且雜波較少。所以建議在實(shí)際使用中可以采用其它方法先判斷缺陷的大致位置或先使用64 kHz 傳感器來(lái)確定缺陷的相對(duì)位置,再使用128 kHz 傳感器來(lái)進(jìn)行缺陷的分析判斷。

通過(guò)對(duì)兩種材質(zhì)獲得的數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn),導(dǎo)波在合金鋼管中的檢測(cè)距離要明顯低于不銹鋼管中的檢測(cè)距離:分別下降了32.68%(64 kHz)和45.09%(128 kHz)。所以建議對(duì)于不同材質(zhì)的管道檢測(cè),首先應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定M sSR3030 儀器合理的檢測(cè)距離,避免由于經(jīng)驗(yàn)數(shù)值對(duì)不同材質(zhì)的偏差而造成不應(yīng)該的漏檢。

[1] 劉增華, 吳斌,何存富, 等.扭轉(zhuǎn)模態(tài)在充水管道缺陷檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究[J] .儀器儀表學(xué)報(bào),2006, 27(6):1587-1589.

[2] 吳斌, 劉增華,王秀彥, 等.利用縱向?qū)Рz測(cè)充水管道周向缺陷的實(shí)驗(yàn)研究[J] .中國(guó)機(jī)械工程, 2005, 16(22):2038-2043

[3] 宋志東.超聲導(dǎo)波技術(shù)在管道缺陷檢測(cè)中的研究[D] .天津:天津大學(xué),2006:47-50.

[4] Kw un H, Bartels K A.Magnetostrictive sensor technology and its applications[J] .Ultrasonics,1998(36):171-178.

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[6] 徐書(shū)根, 王威強(qiáng),趙培征, 等.磁致伸縮導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)管道缺陷[J] .無(wú)損檢測(cè),2008,30(7):434-437.