吳雪嬌,廖俊必

(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,成都610065)

基于磁致伸縮效應(yīng)的扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波管道缺陷檢測

吳雪嬌,廖俊必

(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,成都610065)

為實(shí)現(xiàn)管道缺陷的快速檢測,用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器搭建了扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波管道檢測系統(tǒng),同時測試了該系統(tǒng)的頻率特性,并對有周向人工缺陷的樣管進(jìn)行了檢測,成功實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波的激勵和接收。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以檢測并定位樣管中的周向缺陷,為管道中激勵接收扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波并實(shí)現(xiàn)缺陷檢測提供參考。

導(dǎo)波;周向缺陷;檢測系統(tǒng);定位

利用傳統(tǒng)無損檢測方法對管道腐蝕進(jìn)行在線檢測時,多數(shù)是逐點(diǎn)檢測,不僅檢測速度慢,并且對管道表面粗糙度要求高。如何對管道進(jìn)行快速有效的在線檢測成為一大難點(diǎn),研究發(fā)現(xiàn)磁致伸縮超聲導(dǎo)波技術(shù)有很好的應(yīng)用優(yōu)勢和發(fā)展前景[1－3]。管道中的導(dǎo)波可分為縱向模式、扭轉(zhuǎn)模式及彎曲模式,其中只有扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波在一定頻率下是非頻散的,這一特性使其在對管道損傷的檢測上比其他模式導(dǎo)波更具有優(yōu)勢。國外對基于磁致伸縮效應(yīng)的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器展開了一系列研究,并取得了良好效果。KWUN[4]將經(jīng)過預(yù)磁化的鎳條帶圓周狀放在被測管道上,在條帶中激發(fā)出扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波并耦合到被測管道中,從而在被測管道中激發(fā)出扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。CHO等[5]優(yōu)化了磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu),提高了接收信號的強(qiáng)度。在國內(nèi),武新軍等[6]發(fā)明了一種基于磁致伸縮效應(yīng)的導(dǎo)波傳感器,可用于對構(gòu)件進(jìn)行無損檢測。劉增華等[7]設(shè)計(jì)并研制了一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器,實(shí)現(xiàn)了管道中扭轉(zhuǎn)模態(tài)的激勵。李宏雷等[8]研究了基于磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的波速和檢測長度。

1 磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波管道缺陷檢測原理

1.1 磁致伸縮效應(yīng)

磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁體在外加磁場的作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象;反之,鐵磁體受到外界力作用時,其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變,導(dǎo)致磁性能改變的現(xiàn)象,即為磁致伸縮逆效應(yīng)。按鐵磁體形狀變化的不同,磁致伸縮效應(yīng)可分為三種:線磁致伸縮效應(yīng)、體積磁致伸縮效應(yīng)和扭轉(zhuǎn)磁致伸縮效應(yīng)[9－10]。從微觀上分析,鐵磁體內(nèi)的磁疇會向外加磁場方向偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變,進(jìn)而導(dǎo)致材料形變。外加磁場較小時,磁疇幾乎無變化;外加磁場逐漸增大時,磁疇逐漸向外加磁場方向偏轉(zhuǎn);外加磁場足夠大時,所有磁疇都沿磁場方向排列整齊,此時形變已達(dá)到飽和狀態(tài)[]。

1.2 扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波管道缺陷檢測原理

超聲導(dǎo)波是由介質(zhì)邊界傳播的一種超聲波,滿足波動方程和邊界條件,其傳播時在邊界面上來回反射,并產(chǎn)生復(fù)雜的波形轉(zhuǎn)換以及全反射[12]。扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波相比于其他模態(tài)導(dǎo)波,在0～1 MHz范圍內(nèi)具有非頻散特性,這有利于信號的識別,非常適合用于管道缺陷的檢測[13－14]。扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波傳感機(jī)理如圖1所示,BDC是周向直流磁場,BAC是軸向交變磁場,在它們的共同作用下,圓管表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生周向扭轉(zhuǎn)振動并形成波源,帶動臨近質(zhì)點(diǎn)振動,從而產(chǎn)生沿軸向傳播的超聲導(dǎo)波[15]。該導(dǎo)波在構(gòu)件中沿軸向傳播,當(dāng)遇到圓管的端部或缺陷時會產(chǎn)生反射回波。當(dāng)反射回波經(jīng)過接收端時,接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓,分析該電壓信號即可獲得圓管的端部或缺陷信息。

圖1 扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波傳感機(jī)理示意

2 檢測系統(tǒng)

用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器搭建扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波管道缺陷檢測試驗(yàn)系統(tǒng),所用儀器包括信號發(fā)生器、功率放大器、前置放大器以及示波器。用預(yù)先磁化的鐵鈷帶提供周向靜態(tài)磁場,帶材表面上周向纏繞的線圈提供軸向瞬態(tài)交變磁場。圖2是磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測系統(tǒng)示意,用信號發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號,功率放大器將該信號放大后驅(qū)動激勵線圈產(chǎn)生瞬態(tài)交變磁場。瞬態(tài)交變磁場與鐵鈷帶提供的周向靜態(tài)磁場形成合成磁場,鐵鈷帶在合成磁場的作用下發(fā)生形變,形成波源。鐵鈷帶中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波,該導(dǎo)波耦合進(jìn)管道向前傳播。接收信號是發(fā)射信號的逆過程,反射回波經(jīng)過接收端時耦合進(jìn)鐵鈷帶,鐵鈷帶產(chǎn)生形變,導(dǎo)致鐵鈷帶軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化,接收線圈輸出感應(yīng)電壓信號,再將該信號送至前置放大器放大后由示波器顯示。

圖2 磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測系統(tǒng)示意

3 檢測試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)波激發(fā)

圖3(a)是搭建的扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波激發(fā)系統(tǒng),首先采用無缺陷的鋼管作為被測件,該鋼管總長1 465 mm,直徑100 mm,壁厚2 mm。將激發(fā)線圈設(shè)置在管道的一端,而接收線圈接收點(diǎn)分為三處,分別為:接收點(diǎn)1(離激發(fā)線圈較近的接收點(diǎn))、接收點(diǎn)2(位于管道中部的接收點(diǎn))、接收點(diǎn)3(管道另一端的接收點(diǎn))。用于產(chǎn)生周向靜態(tài)磁場的鐵鈷帶寬50 mm,用于產(chǎn)生軸向瞬態(tài)交變磁場的激發(fā)線圈寬32 mm,所用漆包線線徑0.8 mm,匝數(shù)為40,接收線圈采用排線線圈,先后依次放置在接收點(diǎn)1,2,3處,用于接收導(dǎo)波信號。信號源產(chǎn)生的觸發(fā)正弦脈沖信號經(jīng)功率放大器輸出后驅(qū)動激勵線圈,接收線圈輸出的電壓信號經(jīng)前置放大器放大濾波后,用示波器顯示以觀察回波信號。

圖3 扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波檢測系統(tǒng)示意

如圖3(b)所示,三處接收點(diǎn)位于管道不同位置,若成功地激發(fā)出導(dǎo)波,示波器上顯示這三處接收點(diǎn)接收到的回波信號應(yīng)不同。圖4是三處接收點(diǎn)接收到的回波信號。

如圖4所示,接收點(diǎn)不同時,回波信號也不同。由圖3(b)可知,對于每處接收點(diǎn),激發(fā)的導(dǎo)波都首先經(jīng)過接收線圈,此時接收線圈輸出第一次經(jīng)過波。導(dǎo)波繼續(xù)向右傳播,遇到右端面反射,反射波經(jīng)過接收線圈,此時接收線圈輸出第一次右端面回波。導(dǎo)波繼續(xù)向左傳播,遇到左端面反射,反射波又經(jīng)過接收線圈,此時接收線圈輸出第一次左端面回波,此后是一個循環(huán)過程,因此分析回波信號圖中的前三個波包。以電磁脈沖為時間原點(diǎn),示波器上可觀測到第一次經(jīng)過波、第一次右端面回波以及第一次左端面回波與電磁脈沖的時間差分別為Δt1、Δt2、Δt3?？衫檬?1)計(jì)算得出第一次經(jīng)過波、第一次右端面回波以及第一次左端面回波的理論值分別為Δ′t1、Δ′t2、Δ′t3。

式中:s為超聲導(dǎo)波在管道中傳播的距離;c為扭轉(zhuǎn)模式超聲導(dǎo)波在管道中的理論傳播速度,約為3 250 m·s－1[16]。

示波器觀測值與理論值的誤差計(jì)算公式如下:

式中:Δt為從示波器觀測所得時間差;Δt′為計(jì)算所得理論值。

各接收線圈前三個回波情況如表1所示。

圖4 三處接收點(diǎn)接收到的回波信號

表1 各接收線圈前三個回波情況

由表1可知,示波器顯示的回波信號位置與理論值相符,所以該試驗(yàn)平臺成功地激發(fā)出了扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波。

3.2 系統(tǒng)頻率特性測試

對管道進(jìn)行現(xiàn)場檢測時,一般將管道的一處開挖再檢測,因此進(jìn)行導(dǎo)波性能測試試驗(yàn)時,要使激發(fā)線圈和接收線圈相距較近。該檢測試驗(yàn)研究了導(dǎo)波回波信號與激勵信號頻率的關(guān)系,將脈沖信號的頻率分別設(shè)置為32,64,128 k Hz,觀察示波器上的回波信號,并存儲3個頻率點(diǎn)的回波信號,隨后取出回波信號進(jìn)行對比分析。

三種激勵頻率下的回波信號如圖5所示,當(dāng)改變激勵信號頻率時,接收線圈的電壓輸出信號也隨之改變。當(dāng)增大激勵頻率時,每個回波的最大電壓都減小,并且回波個數(shù)也減少。這說明,隨著激勵信號頻率的增大,導(dǎo)波在管道中傳播時衰減增強(qiáng),接收電壓信號減弱。為了使接收的回波信號幅值最大,始終將脈沖信號頻率設(shè)置為32 k Hz。

3.3 導(dǎo)波系統(tǒng)管道缺陷檢測

扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波管道缺陷檢測示意如圖6(a)所示,在距離激勵線圈1 095 mm處人工制造一個周向貫穿缺陷,缺陷外觀如圖6(b)所示,該周向缺陷弧長為3.3 cm,寬為1 mm。

圖5 三種激勵頻率下的回波信號

圖6 扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波管道缺陷檢測示意和缺陷外觀

圖7是接收線圈輸出的長3.3 cm裂紋的檢測波形,由于初始脈沖與第一次經(jīng)過接收線圈的輸出信號重合,不便于識別,則以第一次左端面回波作為起始點(diǎn)作相應(yīng)計(jì)算,從示波器上觀測到第二次缺陷回波與第一次左端面回波時間差為540μs,實(shí)際缺陷位置則以接收線圈位置為起點(diǎn)。由式(1),(2)可計(jì)算出缺陷位置為877.5 mm(實(shí)際位置為951 mm),并計(jì)算相對誤差為7.73%。

由此可知,示波器上顯示的缺陷回波是導(dǎo)波遇到缺陷后的反射回波,即用試驗(yàn)系統(tǒng)可檢測到管道上的人工缺陷。

圖7 長3.3 cm裂紋的檢測波形

4 結(jié)論

用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器搭建了磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模式超聲導(dǎo)波管道缺陷檢測系統(tǒng),利用該系統(tǒng)成功地激發(fā)了扭轉(zhuǎn)模式超聲導(dǎo)波。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)中扭轉(zhuǎn)波傳感器激勵信號頻率越高,接收到的反射回波信號幅值越小,并且該系統(tǒng)準(zhǔn)確地檢測出樣管中的人工周向缺陷,為扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波管道缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

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Detecting Crack in a Pipe with Magnetostrictive-based Torsional Guided Waves

WU Xue-jiao,LIAO Jun-bi
(School of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

In order to meet the demand of rapid detection of the pipe cracks,a system of torsional guided waves consisting of existing instruments in laboratory to detect pipe is designed.Meanwhile,the frequency response characteristic of the system was tested and the artificial defect along the circumferential direction of sample pipe was detected.The system excited and received the torsional mode guided waves successfully.The results showed that the system could detect and locate the crack in the circumferential direction of the sample pipe,which provided a reference value for generating and receiving the torsional mode guided waves and detection of cracks in the pipe.

Guided wave;Circumferential defect;Detecting system;Locate

TB559;TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0001-04

10.11973/wsjc201701001

2016-07-07

吳雪嬌(1993－),女,碩士,主要研究方向?yàn)槌暡z測。

吳雪嬌,E-mail:1107207636＠qq.com。