馬宏偉，張喆斯，宋振華

（1.暨南大學(xué) 理工學(xué)院，廣州 510632；2.暨南大學(xué) “重大工程災(zāi)害與控制”教育部實(shí)驗(yàn)室，廣州 510632）

運(yùn)輸管道在投入使用一段時(shí)間后其內(nèi)部或表面易出現(xiàn)損傷，對(duì)公共安全造成一定威脅，因此對(duì)管道進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、高效的檢測(cè)十分重要。常規(guī)的管道超聲波損傷檢測(cè)技術(shù)都以逐點(diǎn)掃描的方式進(jìn)行檢測(cè)［1］，對(duì)于工業(yè)中的長(zhǎng)距離管道進(jìn)行檢測(cè)，存在代價(jià)高、效率低的缺點(diǎn)［2］，而新型的超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)技術(shù)是基于Rayleigh和Lamb［3］等關(guān)于有界介質(zhì)中超聲導(dǎo)波的傳播理論研究而提出的。檢測(cè)原理為利用傳感器在管道一端激勵(lì)超聲導(dǎo)波，導(dǎo)波沿著管道縱向傳播時(shí)遇到缺陷會(huì)發(fā)生反射、透射，利用另一傳感器接收反射波或透射波，并根據(jù)回波信號(hào)的時(shí)間和幅值確定損傷位置及其程度。因此該技術(shù)對(duì)于檢測(cè)細(xì)長(zhǎng)型的管道結(jié)構(gòu)有較大的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)管道的快速低成本檢測(cè)。在各種管道檢測(cè)技術(shù)中，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有單點(diǎn)檢測(cè)、傳播距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［4］。目前，在超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)中所使用的傳感器主要有壓電式傳感器（PZT）、磁致伸縮式傳感器（MsS）、電磁聲傳感器（EMAT）、脈沖激光式傳感器和PVDF式傳感器等［5］，其中壓電式傳感器的應(yīng)用較為廣泛。磁致伸縮傳感器相比于傳統(tǒng)的壓電式傳感器，具有可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意截面結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、能量轉(zhuǎn)化效率高、能適應(yīng)各種高溫的檢測(cè)環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，避免了壓電式傳感器必須與結(jié)構(gòu)完全耦合的缺點(diǎn)，屬于非接觸式的傳感器［6－7］。

Kaule［8］于20世紀(jì)50年代首次提出了基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。Kwun［9－10］闡述和分析了磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器長(zhǎng)距離檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，并采用磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器對(duì)鋼絲繩的斷絲情況進(jìn)行了檢測(cè)。Kwun，J.Hanley和Holt［11］通過(guò)試驗(yàn)表明了磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器能夠用于鋼管腐蝕坑的檢測(cè)，證明了磁致伸縮超聲導(dǎo)波法對(duì)于不同類型的損傷均可實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。武新軍［12－13］等人詳細(xì)論述了管道用磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)的組成，研制了相關(guān)試驗(yàn)裝置進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明磁致伸縮傳感器用于管道導(dǎo)波檢測(cè)的可行性、有效性和實(shí)用性。金建華［14］等人利用磁致伸縮式超聲導(dǎo)波傳感器激勵(lì)了周向?qū)Рㄐ盘?hào)對(duì)大直徑管道進(jìn)行了損傷檢測(cè)。柯巖［15］等人進(jìn)行了基于磁致伸縮技術(shù)的鋼管無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)研究，但其試驗(yàn)管道屬于直徑為38mm的小直徑管道。程濤［16］等人開(kāi)展了管道超聲導(dǎo)波磁致伸縮傳感器的研發(fā)工作，對(duì)直徑51mm的管道進(jìn)行了裂紋檢測(cè)。因此在國(guó)內(nèi)，磁致伸縮縱向?qū)Р夹g(shù)對(duì)大直徑管道的無(wú)損檢測(cè)研究尚處于起步階段。筆者在此基礎(chǔ)上試驗(yàn)選擇適用于大直徑管道上的超聲導(dǎo)波磁致伸縮傳感器陣列方法和布置原則。大直徑管道中偏置磁場(chǎng)由于管徑較大的原因而呈現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度弱、分布不均勻的特點(diǎn)。而傳感器偏置磁場(chǎng)在管道中的磁場(chǎng)分布情況直接影響了傳感器對(duì)于導(dǎo)波的激發(fā)與接收。因此，筆者對(duì)大直徑管道中偏置磁場(chǎng)的分布情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，通過(guò)截面磁場(chǎng)分布方差來(lái)衡量截面上磁場(chǎng)的均勻性，從而設(shè)計(jì)出適用于大直徑管道的偏置磁場(chǎng)最優(yōu)化布置，為磁致伸縮傳感器在大直徑管道上的應(yīng)用提供了布置原則及其理論基礎(chǔ)。

1 磁致伸縮管道檢測(cè)的理論基礎(chǔ)與偏置磁場(chǎng)設(shè)計(jì)

1.1 磁致伸縮效應(yīng)與傳感器組成

鐵磁體在被磁化時(shí)其長(zhǎng)度和體積均會(huì)發(fā)生變化，這種效應(yīng)被稱為磁致伸縮效應(yīng)。反之，稱為磁致伸縮逆效應(yīng)［17］。磁致伸縮式超聲導(dǎo)波傳感器利用了鐵磁體的磁致伸縮效應(yīng)激發(fā)超聲導(dǎo)波；及其逆效應(yīng)來(lái)接收超聲導(dǎo)波，以實(shí)現(xiàn)管道的無(wú)損檢測(cè)。

如圖1所示，部分管道處于靜態(tài)偏置磁場(chǎng)下，當(dāng)交變電流通過(guò)激勵(lì)傳感器線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生出交變磁場(chǎng)，導(dǎo)致該部分管道內(nèi)的縱向應(yīng)變，從而激發(fā)縱向超聲導(dǎo)波。超聲導(dǎo)波沿著管道縱向傳播，經(jīng)過(guò)接收傳感器時(shí)由磁致伸縮逆效應(yīng)引起接收線圈的電壓變化而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波信號(hào)的接收和識(shí)別。

圖1 磁致伸縮效應(yīng)在管道檢測(cè)中的應(yīng)用

磁致伸縮傳感器主要由兩部分組成：①內(nèi)層激勵(lì)／接收線圈。作用為產(chǎn)生交變磁場(chǎng)作用于管道（激勵(lì)線圈）和接收相應(yīng)的交變磁場(chǎng)變化產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)（接收線圈）。②外層偏置磁場(chǎng)。其主要作用為適當(dāng)提高鐵磁體的磁化強(qiáng)度，增強(qiáng)傳感器的靈敏度。

在激勵(lì)／接收線圈的設(shè)計(jì)中，為了增強(qiáng)磁致伸縮效應(yīng)，考慮導(dǎo)波的疊加原理，采用三段式密繞線圈［18］，如圖2所示。其中，兩側(cè)段線圈的繞制方向與中段相反，并且每段長(zhǎng)度均為半波長(zhǎng)l：

式中：λ為導(dǎo)波波長(zhǎng)；f為導(dǎo)波中心頻率；Vp為中心頻率所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波相速度。

圖2 三段式線圈示意圖

在利用縱向超聲導(dǎo)波檢測(cè)時(shí)，需要根據(jù)導(dǎo)波在管道中傳播的頻散曲線來(lái)確定所需激發(fā)的中心頻率。根據(jù)式（1），中心頻率的大小直接影響了傳感器內(nèi)層每段線圈的繞制長(zhǎng)度，從而影響了外層偏置磁場(chǎng)所需覆蓋的區(qū)域長(zhǎng)度。

1.2 偏置磁場(chǎng)的磁路設(shè)計(jì)及其數(shù)值計(jì)算

磁致伸縮超聲導(dǎo)波管道檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)，主要取決于靜態(tài)偏置磁場(chǎng)的合理設(shè)計(jì)。偏置磁場(chǎng)需滿足磁源純凈、磁路簡(jiǎn)單、長(zhǎng)期穩(wěn)定等要求。文獻(xiàn)［19］的研究表明，隨著偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率先提高，到達(dá)最優(yōu)值點(diǎn)后又隨偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而降低，如圖3所示。因此，需要對(duì)靜態(tài)偏置磁場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布的最佳效果。筆者以永磁體作為靜態(tài)偏置磁場(chǎng)的激勵(lì)源，以分析磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布對(duì)導(dǎo)波激勵(lì)和接收的影響。過(guò)強(qiáng)、過(guò)弱及不均勻的靜態(tài)偏置磁場(chǎng)都會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)波無(wú)法激勵(lì)和接收以及激勵(lì)強(qiáng)度不夠等問(wèn)題。三磁路靜態(tài)偏置磁場(chǎng)由三組永磁體磁路組成，每組磁路由兩塊高度方向充磁的永磁體、與構(gòu)件連接的兩塊鞍片以及一塊導(dǎo)磁軛鐵組成，如圖4（a）所示。

為了使得鐵磁體管道中的磁致伸縮效應(yīng)達(dá)到最佳效果，靜態(tài)偏置磁場(chǎng)在管道截面上的最佳磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)選擇為鐵磁體材料最大磁導(dǎo)率附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度，且該磁場(chǎng)在整個(gè)管道截面為均勻分布。在工業(yè)和民用管道中，直徑88毫米的大直徑管道為應(yīng)用最為廣泛的管道種類和型號(hào)之一。因此，筆者以上述一組磁路作為一個(gè)單元，利用有限元計(jì)算討論適用于大直徑管道（φ88mm）檢測(cè)的磁路組偏置磁場(chǎng)最優(yōu)布置方案及其規(guī)律。

模型采用SolidWorks建模并通過(guò)Ansoft Maxwell軟件實(shí)現(xiàn)該磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布的數(shù)值計(jì)算。各部件模型如圖4（b）～4（e）所示，其參數(shù)如表1所示。

表1 磁路組各部件模型參數(shù) mm

為討論磁路組個(gè)數(shù)對(duì)偏置磁場(chǎng)的影響，通過(guò)仿真模擬，分別計(jì)算了磁路組個(gè)數(shù)為n＝3，4，5，6，7個(gè)偏置磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布情況。利用Ansoft進(jìn)行三維磁場(chǎng)分析時(shí)，管道網(wǎng)格劃分為10000個(gè)四面體單元，每個(gè)磁路組的網(wǎng)格劃分為8000個(gè)四面體單元以確保計(jì)算精度。同時(shí)，為達(dá)到較理想的磁場(chǎng)分布，磁路組沿管道周向均勻陣列布置，如圖5所示。

圖5 傳感器不同磁路組個(gè)數(shù)陣列示意圖

2 結(jié)果分析與討論

由于磁路組個(gè)數(shù)不同，每種磁路下相同截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布情況不同。加之磁場(chǎng)沿鐵磁體管道縱向上能量有所耗散，因此在相同的磁路組個(gè)數(shù)的情況下，管道上各個(gè)截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布也會(huì)有不同。為客觀反映偏置磁場(chǎng)在管道橫截面上的分布情況，分別在磁路組覆蓋區(qū)域的管道端部及其覆蓋區(qū)域的中部選取兩個(gè)截面，并在每個(gè)截面處周向均勻選取8個(gè)節(jié)點(diǎn)作為磁場(chǎng)強(qiáng)度采樣點(diǎn)，如圖6所示。

通過(guò)仿真計(jì)算可以得到磁路組覆蓋區(qū)域中管端面及其中截面上磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖，如圖7，8所示。從圖中可以看到，在同一截面上，當(dāng)磁路組個(gè)數(shù)較少時(shí)，磁場(chǎng)在管端截面的分布略不均勻，隨著單元數(shù)的增加，磁場(chǎng)分布逐漸趨于均勻。而中截面上的磁場(chǎng)分布比上截面的更為均勻。

為衡量管道周向磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的均勻程度，定義截面磁場(chǎng)分布方差如下：

圖6 采樣截面及采樣點(diǎn)分布示意圖

式中：Bi為該截面各采樣點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值（i＝1，2，…8為該截面8個(gè)采樣點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的算術(shù)平均值。

由上式可以計(jì)算得到的各截面磁場(chǎng)強(qiáng)度方差，如表2所示。

表2 磁路組覆蓋區(qū)域管道端部、中截面處的磁場(chǎng)強(qiáng)度方差對(duì)照表

通過(guò)將采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到磁路組覆蓋區(qū)域上管道端部和中截面磁場(chǎng)分布方差與磁路組個(gè)數(shù)的關(guān)系曲線，如圖9所示。周向已較為均勻。

圖9 各截面磁場(chǎng)分布方差與磁路組個(gè)數(shù)關(guān)系圖

隨著磁路組個(gè)數(shù)的增加，磁場(chǎng)總能量增大。管道上同一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度絕對(duì)值也隨之增大。同時(shí)，沿管道縱向從端部至中截面處，由于磁場(chǎng)能量的均勻化，中截面處磁場(chǎng)強(qiáng)度的最大值比磁路組覆蓋區(qū)域其他節(jié)目上該值都要小。同時(shí)，為研究磁路組個(gè)數(shù)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的綜合影響，從數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知磁路組個(gè)數(shù)與中截面磁場(chǎng)強(qiáng)度平均值的關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 中截面平均磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁路組個(gè)數(shù)的關(guān)系

對(duì)比圖9（a），9（b）可知，在相同磁路組個(gè)數(shù)情況下，磁路組覆蓋區(qū)域的管道端截面與中截面的磁場(chǎng)分布方差在量級(jí)上相差很大。而中截面上的磁場(chǎng)分布比端截面更為均勻，這是由于端截面比中截面更靠近磁路組中永磁體激勵(lì)源而引起的磁場(chǎng)不均勻。因此，偏置磁場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)選擇中截面處的管道磁場(chǎng)強(qiáng)度作為偏置磁場(chǎng)的強(qiáng)度衡量標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，由圖可知，對(duì)于端截面以及中截面上的磁場(chǎng)分布方差隨著磁路組個(gè)數(shù)n的增加而明顯下降，其呈現(xiàn)對(duì)數(shù)型衰減關(guān)系；但當(dāng)n大于5時(shí)該方差的下降趨勢(shì)趨于平緩。由于該方差反映得是磁場(chǎng)分布得均勻性，且方差越小表明磁場(chǎng)強(qiáng)度沿管道周向越均勻。因此，增加磁路組個(gè)數(shù)能較好地提高管道中偏置磁場(chǎng)的均勻程度。但在n大于5后，單純以增加磁路組個(gè)數(shù)的方式已無(wú)法再顯著的改善管道周向磁場(chǎng)強(qiáng)度的均勻性。此時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布在管道

由圖10可知，中截面磁場(chǎng)強(qiáng)度平均值與磁路組個(gè)數(shù)n成單調(diào)線性遞增關(guān)系，這是由于磁場(chǎng)強(qiáng)度的可疊加性所致。通過(guò)擬合得到平均磁場(chǎng)強(qiáng)度B（T）與單元數(shù)n的關(guān)系式如下：

該關(guān)系式為直徑88毫米管道磁路組個(gè)數(shù)與磁場(chǎng)平均強(qiáng)度的計(jì)算公式；利用筆者所提供的分析方法，同理可得到其他不同管徑下管道的磁路組個(gè)數(shù)與磁場(chǎng)平均強(qiáng)度的計(jì)算關(guān)系式，以便于工程計(jì)算和應(yīng)用。

對(duì)于一般鐵磁材料，磁場(chǎng)最大磁導(dǎo)率的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5T左右［20］。由圖10可知，所計(jì)算的各磁路均已滿足該磁場(chǎng)強(qiáng)度的要求，3磁路（n＝3）設(shè)計(jì)時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度最接近鐵磁體的最優(yōu)磁場(chǎng)強(qiáng)度。但從圖9（b）可知，3磁路設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)分布均勻性較差。因此，綜合考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度和均勻性等方面的要求，對(duì)于外徑88mm壁厚4mm的大直徑管道而言，選擇5磁路（n＝5）的設(shè)計(jì)時(shí)，中截面平均磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.87T，雖然不是最優(yōu)磁場(chǎng)強(qiáng)度，但在保證磁場(chǎng)分布較為均勻的情況下其值最為接近最優(yōu)磁場(chǎng)強(qiáng)度。該設(shè)計(jì)可為磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器提供最優(yōu)化的偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布方案。

3 結(jié)論

當(dāng)磁路組個(gè)數(shù)較少時(shí)，磁場(chǎng)分布方差較大，在磁路組個(gè)數(shù)不變的情況下，管道中不同位置的截面上磁場(chǎng)分布情況也不相同。在本算例中，磁路組覆蓋區(qū)域的管道中截面處磁場(chǎng)強(qiáng)度平均值與磁路組個(gè)數(shù)呈單調(diào)線性遞增關(guān)系。并滿足線性表達(dá)式B＝0.18n－0.03的關(guān)系，可以通過(guò)筆者提供的思路設(shè)計(jì)出其他不同管徑管道磁路組個(gè)數(shù)與偏置磁場(chǎng)的簡(jiǎn)單公式以便工程計(jì)算和應(yīng)用。

考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布的均勻性、磁場(chǎng)最優(yōu)值點(diǎn)、傳感器成本等因素，對(duì)于本算例中外徑88mm壁厚4mm的大直徑管道而言，選擇5磁路（n＝5）的設(shè)計(jì)可為磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器提供最優(yōu)化的偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度及分布。同理，其他管徑管道的磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁路個(gè)數(shù)可按照筆者提供的方法和思路進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最優(yōu)的導(dǎo)波激發(fā)和接收效果。

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