龍盛蓉，黃永躍，李志農(nóng)，鄧文武

(南昌航空大學 a.無損檢測技術教育部重點實驗室；b.工程訓練中心，南昌 330063)

0 引言

管道已廣泛應用于石油、天然氣的輸送等生產(chǎn)生活的諸多方面，據(jù)悉，截至2017年底，我國的油氣管道的總鋪設長度己經(jīng)超過13萬km[1]，因此針對管道裂紋、腐蝕坑和焊縫損壞的檢測就顯得極為重要。超聲檢測技術[2]是長輸管道檢測的重要手段之一，近年來，由超聲檢測衍生出的超聲導波檢測技術[3-4]逐漸成為國內外學者和科研人員的研究熱點。相較于其他檢測方法而言，磁致伸縮導波檢測技術具有無需耦合劑、能量轉化率高以及無需移動探頭即可實現(xiàn)長距離檢測等優(yōu)勢[5-7]，成為導波檢測技術的有效補充。

學者們針對彎曲管道檢測進行了相關研究，其中Hayashi等[8]采用半有限元法分析了L(0，2)模態(tài)經(jīng)過彎頭后的能量衰減率，并證明彎頭造成的模態(tài)轉換會延遲信號反射時間。D Ta等[9]研究了管道中粘性液體及管道內徑壁厚比值等參數(shù)對導波傳播特性的影響，但并未進行缺陷定位檢測。周邵萍等[10]基于有限元和實驗相結合的方式研究了導波在90°彎管中的傳播特性，發(fā)現(xiàn)彎頭拱背處導波能量發(fā)生聚焦現(xiàn)象，缺陷檢測敏感性很高。童今鳴等[11]基于ANSYS軟件激勵出L(0,2)模態(tài)導波，針對充水管道的周向裂紋缺陷進行了模擬檢測，得到反射系數(shù)與缺陷周向長度間的關系，但并沒有實驗的驗證。

本文在相關學者的研究基礎上，針對充油管道在檢測過程中存在的相關問題開展了研究。研究基于美國西南研究院研發(fā)的MsSR-3030R檢測儀器，采用自主制作的縱向磁致伸縮導波自發(fā)自收式檢測傳感器開展了實驗，探究了L(0,2)縱向模態(tài)導波對充油彎管缺陷定位的準確性與能量衰減情況。

1 縱向模態(tài)磁致伸縮導波檢測機理

磁致伸縮導波檢測是依靠磁致伸縮效應來發(fā)射和接收超聲波的，由于磁致伸縮效應，在外加磁場作用下，鐵磁體的外形尺寸會改變，出現(xiàn)磁致伸縮應變，激發(fā)出應力波，即彈性導波。導波會在鐵磁體內向前傳播，當遇到裂紋、腐蝕坑等缺陷以及焊縫或者端面時，導波會發(fā)生反射和透射等現(xiàn)象[12]。基于逆磁致伸縮效應，應變產(chǎn)生時，磁感應強度將會發(fā)生變化，由法拉第電磁感應定律，變化的磁感應強度會使得感應電壓產(chǎn)生變化，通過接收電壓信號便可以識別出相關缺陷信息。導波的激勵和接收過程可以簡單表述為：

導波激勵：基于磁致伸縮效應，在外磁場的作用下，鐵磁性材料的實際尺寸將發(fā)生變化，產(chǎn)生彈性導波。

導波接收：基于磁致伸縮逆效應，彈性導波在鐵磁性材料中傳播時，會引起其磁特性的變化，使得其磁感應強度發(fā)生變化，即電信號的變化。

基于上述檢測機理，形成了磁致伸縮導波檢測示意圖如圖1所示。

圖1 磁致伸縮縱向導波實驗裝置示意圖

2 實驗過程

2.1 實驗管道與油液參數(shù)

本實驗采用20#無縫鋼管，材料屬性如表1所示。管道彎曲角度為90°，其外徑為60.3mm，壁厚為3.91mm，彎頭兩端的直管段各為1000mm，彎頭部分長度為400mm。在距離管端1200mm處，彎頭最外側加工了一個直徑為5mm，深度為3mm的圓孔型缺陷。實驗所選用的油液為15W-40 API SF級機油，其參數(shù)如表2所示。

表1 管道材料屬性參數(shù)

表2 油液屬性參數(shù)

2.2 縱向導波檢測傳感器的制作

基于縱向模態(tài)磁致伸縮導波檢測原理制作的縱向導波檢測傳感器如圖2所示，總體由偏置磁場和交流磁場兩部分構成，其中交流磁場由線圈和適配器組成，進行管道缺陷檢測時緊緊纏繞在選定的管道周向某處。偏置磁場則由磁軛和釹鐵硼磁鐵構成，磁鐵每3塊構成一組，兩組磁鐵分居磁軛兩端，和磁軛一起構成一組磁路，兩組磁鐵極性相反，一組為N極，另一組為S極，以便和金屬管道構成磁回路。磁路的個數(shù)視管道外徑而定，并非越多越好，各磁路沿管道周向均勻放置，并且各磁路極性相同的一端應對齊，以增強磁場強度。

圖2 縱向模態(tài)導波磁致伸縮傳感器

該檢測傳感器激勵信號波形如圖3所示，為10周期的漢寧窗調制函數(shù)。

圖3 縱向導波檢測傳感器激勵信號

2.3 實驗平臺的搭建

基于MsSR3030R儀器搭建的磁致伸縮縱向L(0,2)模態(tài)導波檢測系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 磁致伸縮導波檢測系統(tǒng)平臺

檢測系統(tǒng)主要由集成的儀器主機、磁致伸縮導波激勵和接收傳感器(自發(fā)自收傳感器)、數(shù)據(jù)信號顯示系統(tǒng)以及傳輸線路等組成。集成化的主機和數(shù)據(jù)信號顯示系統(tǒng)可以實現(xiàn)激勵信號的可調節(jié)輸出和接收信號的放大濾波處理，在實施管道缺陷檢測時，通過主機信號發(fā)生器發(fā)出需要的脈沖信號，經(jīng)過集成的功率放大器放大處理后輸入激勵線圈，待檢測管道中形成交變瞬態(tài)磁場，在偏置磁場與交變瞬態(tài)磁場的耦合作用下產(chǎn)生磁致伸縮效應，從而在管道中形成L(0,2)模態(tài)縱向導波。導波在管道中向前傳播，遇到缺陷或端面等不同的邊界時會形成反射回波和透射波，通過接收傳感器來接收特征信號，接收到的電信號經(jīng)由儀器主機放大器的放大濾波處理后輸入到數(shù)顯系統(tǒng)當中，通過讀取其顯示的時頻信號即可排查出管道是否存在缺陷及其所處的位置。該檢測系統(tǒng)的主要調節(jié)參數(shù)表3所示。

表3 系統(tǒng)主要調節(jié)參數(shù)

實驗平臺搭建完成后即開始進行實驗。實驗分6次進行，即管道中油液含量共計6種情況，管道中油液含量分別占管道容積的0%、20%、40%、60%、80%和100%，將管道平放于托盤上開始檢測。

3 實驗結果與分析

通過檢測，所得檢測結果如圖5所示。圖5中分別標記出了始波、缺陷波和端面回波，圖中所示橫坐標主要表示管道缺陷以及端面與檢測傳感器之間的距離，縱坐標表示導波檢測電壓幅值，圖中標記出了缺陷波和端面回波的幅值大小。

圖5 油液含量為0時缺陷檢測結果

檢測所得波形信號中，缺陷幅值處對應的距離為1103.1mm，而且當油液含量為20%～100%時，該測量距離并不改變，同樣為1103.1mm。預置缺陷距離管端1200mm，但是，由于縱向導波檢測傳感器的安裝位置為距管端100mm(如圖2)，所以正確位置應為1100mm，故測量誤差為：(1103.1-1100)/1100=0.28%,可見，所實施的縱向磁致伸縮導波檢測技術可實現(xiàn)對管道缺陷軸向的準確定位，并且具有很高的信噪比，但卻無法確定其周向位置?，F(xiàn)分別提取缺陷波和端面回波峰值并繪制出其與油液含量的曲線關系如圖6所示。

圖6 缺陷波和端面波幅值與油液含量的曲線關系

通過分析上述結果可以看到，磁致伸縮縱向導波可對彎管缺陷進行準確定位，誤差僅為0.28%，并且隨著油液含量的增多僅僅使超聲波能量減小，但不會對定位準確性造成影響，即缺陷幅值以及端面回波幅值均逐漸減小，具體特點如下：①在油液含量從0%增加到20%時，以及油液含量從80%增加到100%時幅值的下降幅度均較大；而在油液含量為20%～80%時下降幅度較小。②端面回波幅值的下降速率較缺陷波大；③雖然隨著油液含量的增加，缺陷波和端面回波幅值均下降，但缺陷回波與端面回波的比值卻在逐漸上升，即仍能保持較高的信噪比。

4 結論

根據(jù)縱向模態(tài)磁致伸縮導波檢測原理，基于MsSR3030R儀器采用磁致伸縮縱向導波激勵與接收一體化傳感器實施對充油管道的缺陷檢測。通過分析實驗結果，主要得出如下結論：

(1)制作的縱向磁致伸縮導波檢測傳感器可以激勵出檢測波形信號，能實現(xiàn)待測管道缺陷的軸向準確定位，造成的誤差可忽略不計且定位準確性不受油液含量的變化的影響；

(2)隨著油液含量的增多，缺陷幅值以及端面回波幅值均逐漸減小，即導波能量不斷衰減，但仍能非常直觀地判斷缺陷的位置，即信噪比仍然較好。由此證明縱向模態(tài)磁致伸縮導波檢測技術可應用于充油管道的在役檢測。