李宏雷,劉增華,李文春

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

超聲導波技術與傳統(tǒng)的檢測技術相比,具有檢測架空和水下管道、被保溫或絕熱材料包覆的管道、難以接近區(qū)段的管道和運行狀態(tài)下在線檢測等優(yōu)點,是一種高效率、低成本的檢驗手段,并且可以對管道管體的腐蝕狀況進行初步的評價,這是其它檢驗手段所無法替代的。

國際上主要的導波系統(tǒng)有兩種:一種是以壓電晶片為基礎的導波系統(tǒng);另一種是以磁性材料的磁致伸縮效應(M sS)為基礎的導波系統(tǒng)。筆者主要對利用磁致伸縮效應的MsSR3030 系統(tǒng)的波速及檢測長度進行試驗研究。

1 磁致伸縮超聲導波管道檢測系統(tǒng)MsSR3030

MsSR3030 系統(tǒng)是美國西南研究院開發(fā)的用于低頻(5～250 kHz)導波研究和工業(yè)應用的M sS 超聲導波檢測系統(tǒng)。其具有高靈敏度,可檢測碳鋼和合金鋼,以及進行高溫檢測等特性。

筆者利用M sS R3030 系統(tǒng),由磁致伸縮傳感器激勵出低頻T(0,1)模態(tài)超聲導波,對兩種不同材質(zhì)(不銹鋼、合金鋼)管道進行檢測試驗, 研究M sSR3030 系統(tǒng)在不同材質(zhì)理想管道中的波速及檢測長度的能力,并提出針對不同材質(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而帶來的對檢測結果的影響,提高檢測數(shù)據(jù)的可靠性及準確度。

2 磁致伸縮超聲導波技術的缺陷檢測

利用超聲導波技術進行管道缺陷檢測時,通常選擇激勵L (0,2)或者T(0,1)模態(tài)超聲導波。導波在管道傳播過程中遇到缺陷、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分別激勵L 模態(tài)和T 模態(tài)超聲導波,用于對充水管道的缺陷檢測;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并對檢測結果進行了對比分析。

Kwun 等[4-5]利用鐵鈷合金帶基于磁致伸縮效應激勵L(0,2)模態(tài)和T(0,1)模態(tài)超聲導波并應用于管道缺陷檢測。徐書根等[6]介紹了磁致伸縮T模態(tài)導波技術檢測管道缺陷的原理并利用MsSR3030 系統(tǒng)進行了管道缺陷檢測試驗,但沒有對不同材質(zhì)的管道波速校正及檢測長度進行研究。

筆者分別對兩根長6 m,外徑108 mm ,壁厚6 mm的不同材質(zhì)(不銹鋼、合金鋼)的直管道進行試驗研究。為避免缺陷所帶來的信號損失,試驗中采用的管道均無缺陷,以便創(chuàng)造比較好的管道檢測理想條件,得出導波在不同材質(zhì)管道中的波速校正值及檢測長度估值。

3 試驗

試驗裝置如圖1 所示,由M sSR3030 儀器,磁致伸縮傳感器和數(shù)據(jù)采集軟件構成。試驗過程中采用機械干耦合的方式,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)實際檢測要求進行調(diào)整。

圖1 試驗裝置示意圖

試驗過程中探頭與管道之間采用機械干耦合方式,選擇使用64 和128 kHz 兩種線圈適配器。在數(shù)據(jù)采集軟件中設置激勵信號周期數(shù)為1,增益為0,波速為3 240 m/s(待校驗),方向為負方向,采樣點數(shù)61 000。

傳感器安裝于圖2 所示位置,研究M sS 激勵的超聲導波在經(jīng)過多次反射后能檢測到的最大距離的能力,安裝正方向為圖中所指方向,激勵信號方向選擇負方向。

圖2 傳感器安裝位置

4 試驗結果與分析

4.1 不銹鋼管

4.1.1 64 kHz 試驗數(shù)據(jù)

檢測數(shù)據(jù)如圖3 所示。利用差值方法對上述圖形進行處理: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×回波次數(shù)/峰峰差值)×2×103 ≈3 116.767 m/s。通過圖形發(fā)現(xiàn),波形在57.800 ms 處已經(jīng)非常微弱,故取最大傳播時間為57 ms。檢測距離=波速×時間=3 116.767×57×10-3≈177.656 m。

圖3 不銹鋼管6.4 kHz 試驗數(shù)據(jù)

4.1.2 128 kHz 試驗數(shù)據(jù)

檢測數(shù)據(jù)如圖4 所示。利用差值方法對上述圖形進行處理: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×回波次數(shù)/峰峰差值)×2×103 ≈3 115.265 m/s。通過圖形發(fā)現(xiàn),波形在34.69 ms 處已經(jīng)非常微弱,故取最大傳播時間為34 ms。檢測距離=波速×時間=3 115.265×34×10-3≈105.919 m 。

4.2 合金鋼管

4.2.1 64 kHz 試驗數(shù)據(jù)

檢測數(shù)據(jù)如圖5 所示。利用差值方法對上述圖形進行處理: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×回波次數(shù)/峰峰差值)×2×103 ≈3 232.565 m/s。通過圖形發(fā)現(xiàn),波形在37.16 ms 處已經(jīng)非常微弱,故取最大傳播時間為37 ms。檢測距離=波速×時間=3 232.565×37×10-3≈119.605 m。

4.2.2 128 kHz 試驗數(shù)據(jù)

檢測數(shù)據(jù)如圖6 所示。利用差值方法對上述圖形進行處理: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×回波次數(shù)/峰峰差值)×2×103≈3 231.018 m/s。通過圖形發(fā)現(xiàn),波形在18.59ms處已經(jīng)非常微弱,故取最大傳播時間為18 ms。檢測距離=波速×時間=3 231.018×18×10-3≈58.158 m。

4.3 試驗小結

通過上述兩組試驗數(shù)據(jù)及計算可以得出:MsSR3030 超聲導波檢測儀器中所發(fā)射的導波信號在不同鋼管中的傳播速度和最大檢測距離如表1所示。

表1 檢測數(shù)據(jù)

通過試驗分析可知:試驗過程中的波速取值3 240 m/s略微偏大,故在不銹鋼管和合金鋼管進行檢測時可以取3 200 m/s。以上數(shù)據(jù)均為在近似理想的情況下進行,在實際應用中建議根據(jù)管道使用時間和其他情況進行保守取值或經(jīng)過比對試驗取值。

5 結語

通過對不銹鋼、合金鋼材質(zhì)的管道進行64 和128 kHz 的分別檢測可以發(fā)現(xiàn),在試驗參數(shù)條件一樣的情況下,導波在同一種材質(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 的傳感器所檢測出來的數(shù)據(jù)峰值要明顯低于64 kHz 的傳感器所檢測的峰值,且雜波較少。所以建議在實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 傳感器來確定缺陷的相對位置,再使用128 kHz 傳感器來進行缺陷的分析判斷。

通過對兩種材質(zhì)獲得的數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn),導波在合金鋼管中的檢測距離要明顯低于不銹鋼管中的檢測距離:分別下降了32.68%(64 kHz)和45.09%(128 kHz)。所以建議對于不同材質(zhì)的管道檢測,首先應通過試驗確定M sSR3030 儀器合理的檢測距離,避免由于經(jīng)驗數(shù)值對不同材質(zhì)的偏差而造成不應該的漏檢。

[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的實驗研究[J] .儀器儀表學報,2006, 27(6):1587-1589.

[2] 吳斌, 劉增華,王秀彥, 等.利用縱向?qū)Рz測充水管道周向缺陷的實驗研究[J] .中國機械工程, 2005, 16(22):2038-2043

[3] 宋志東.超聲導波技術在管道缺陷檢測中的研究[D] .天津:天津大學,2006:47-50.

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

[5] Kw un H , H anley J J, Holt A E.Detection of corrosion in pipe using the magnetostrictive sensor technique[J] .Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,1995, 24(59):140-148.

[6] 徐書根, 王威強,趙培征, 等.磁致伸縮導波技術檢測管道缺陷[J] .無損檢測,2008,30(7):434-437.