谷 濤,席光峰,胡 棟2,張 皓,魏 楊,劉振東
(1.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司,濟(jì)南 250101;2.泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,泰安 271000)
超聲導(dǎo)波因具有傳播速度快、傳播距離遠(yuǎn)、全結(jié)構(gòu)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離管道的檢測(cè)中[1]。相比埋地管道,超聲導(dǎo)波對(duì)工藝管道、架空管道等地面管道的檢測(cè)具有更好的應(yīng)用效果。在實(shí)際的檢測(cè)任務(wù)中,常常需要檢測(cè)帶有彎頭的管道系統(tǒng),尤其是復(fù)雜的工藝管道中含有眾多的彎頭、三通等結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的檢測(cè)手段難以完成全結(jié)構(gòu)檢測(cè)。而超聲導(dǎo)波在彎管中的傳播衰減快,并伴隨有模態(tài)轉(zhuǎn)換,在檢測(cè)彎管處的缺陷時(shí)存在較大困難,因此研究超聲導(dǎo)波在這些結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲導(dǎo)波在彎管中的傳播進(jìn)行了大量的研究。HAYASHI等[2]采用有限元仿真分析了L(0,2)模態(tài)過(guò)彎頭后的能量衰減率,并證明了超聲導(dǎo)波在彎頭傳播時(shí)會(huì)伴隨模態(tài)轉(zhuǎn)換,從而導(dǎo)致信號(hào)的延時(shí)反射時(shí)間。NISHINO等[3]利用激光超聲系統(tǒng)研究了彎管中的超聲導(dǎo)波傳播規(guī)律,得出 L(0,1)模態(tài)在彎管中會(huì)轉(zhuǎn)換出F(1,1)模態(tài)的結(jié)論。北京工業(yè)大學(xué)的何存富等[4]用壓電陶瓷片在彎頭處激勵(lì)出縱向模態(tài)超聲導(dǎo)波,試驗(yàn)研究了缺陷尺寸對(duì)缺陷回波和端面回波的影響。中南大學(xué)羅更生[5]研究了彎頭拱背內(nèi)側(cè)和外側(cè)、彎頭后直管段的導(dǎo)波缺陷檢測(cè)能力,分析了L(0,2)模態(tài)的缺陷檢出能力和模態(tài)轉(zhuǎn)換特性。周邵萍等[6]研究了L(0,2)模態(tài)超聲導(dǎo)波在 90°彎管中的傳播特性及對(duì)彎管內(nèi)缺陷的檢測(cè)敏感性,發(fā)現(xiàn)彎頭外側(cè)的缺陷更易被檢測(cè)到。上面的研究只針對(duì)了縱波模態(tài),而對(duì)基本沒(méi)有頻散的T(0,1)扭轉(zhuǎn)模態(tài)的研究較少。由于T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波無(wú)頻散,且T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)只包含周向分量而不含徑向和軸向分量,所以在檢測(cè)有液體浸沒(méi)的管道或運(yùn)輸液體的管道時(shí),T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波衰減小,傳播距離遠(yuǎn),因此T(0,1)模態(tài)成為廣泛采用的導(dǎo)波檢測(cè)模態(tài)。國(guó)內(nèi)耿海泉等[7]利用磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測(cè)傳感器,針對(duì)小管徑管道彎管進(jìn)行檢測(cè),建立了該傳感器的導(dǎo)波激發(fā)和接收模型,指出T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波在管道彎頭處會(huì)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換,部分T(0,1)模態(tài)轉(zhuǎn)換成了F(1,1)模態(tài),并且模態(tài)轉(zhuǎn)換會(huì)造成檢測(cè)信號(hào)的雙端面反射現(xiàn)象。鄭州大學(xué)李陽(yáng)等[8]通過(guò)有限元模擬研究了激勵(lì)頻率、彎曲半徑、彎管角度對(duì)T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波透過(guò)率的影響,發(fā)現(xiàn)不同激勵(lì)頻率的導(dǎo)波在彎管上有不同的透過(guò)率。以上的研究,著重于扭轉(zhuǎn)模態(tài)在彎頭處的模態(tài)轉(zhuǎn)換問(wèn)題,沒(méi)有研究扭轉(zhuǎn)模態(tài)在彎頭缺陷處的檢測(cè)問(wèn)題,以及不同檢測(cè)頻率對(duì)彎頭缺陷檢測(cè)靈敏性的問(wèn)題。
在前人工作的基礎(chǔ)上,筆者利用磁致伸縮式的扭轉(zhuǎn)模態(tài)的超聲導(dǎo)波,采用頻率為32,64,128 kHz的檢測(cè)信號(hào)分別對(duì)帶有缺陷的彎頭試樣管道進(jìn)行缺陷定位檢測(cè),探究了頻率對(duì)彎管缺陷定位的影響,以及超聲導(dǎo)波經(jīng)過(guò)彎管后能量衰減的問(wèn)題。
超聲導(dǎo)波在管道中傳播時(shí),滿足Navier位移平衡方程[9],即
(1)
式中:λ,μ為材料的拉梅系數(shù);u為質(zhì)點(diǎn)位移;ρ為材料密度;t為波的傳播時(shí)間。
根據(jù)Helmholtz分解,將位移u分解為等容矢量勢(shì)函數(shù)H和膨脹標(biāo)量勢(shì)函數(shù)φ,并且·H=0,可得
u=φ+×H
(2)
將式(2)代入式(1)即得式(3)。
(3)
式中:c1為膨脹波波速;c2為扭波波速。
為了簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)管道內(nèi)外側(cè)自由邊界為真空,則導(dǎo)波在管道中傳播的邊界條件,如式(4)所示。
σrR=σrz=σrθ=0 (r=a,r=b)
(4)
式中:a,b為管道內(nèi)外半徑;R,z,θ分別為管道徑向,軸向,周向的3個(gè)方向。
圖1 超聲導(dǎo)波扭轉(zhuǎn)模態(tài)的傳播圖像
文章利用扭轉(zhuǎn)模態(tài)對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè),扭轉(zhuǎn)模態(tài)的傳播圖像如圖1所示,根據(jù)邊界條件式(4)求解式(3),可得到式(5)。
(5)
式中:Cij為頻散方程各項(xiàng)元素的貝塞爾函數(shù)表達(dá)式[10],其具體表達(dá)式如式(6)所示。
(6)
經(jīng)過(guò)對(duì)擋肩出現(xiàn)裂紋的軌枕進(jìn)行認(rèn)真觀察,發(fā)現(xiàn)擋肩出現(xiàn)裂紋的軌枕只有一端擋肩處出現(xiàn)裂紋,且出現(xiàn)裂紋側(cè)擋肩均有不同程度的黑色印跡(如圖2所示)。
試驗(yàn)裝置為美國(guó)西南研究院研制的磁致伸縮超聲導(dǎo)波MsSR3030R系統(tǒng),該系統(tǒng)利用材料的正逆磁致伸縮效應(yīng),通過(guò)控制外部施加磁場(chǎng)的大小和方向來(lái)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,1)。
以材料為20鋼的鋼管為基礎(chǔ)樣管進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn),其規(guī)格(直徑×壁厚)為219 mm×5 mm,兩頭直管段的長(zhǎng)度均為6 m,彎頭為標(biāo)準(zhǔn)彎頭,中心至端面長(zhǎng)半徑為305 mm,短半徑為203 mm,彎頭外弧長(zhǎng)度為650 mm,內(nèi)弧長(zhǎng)度為306 mm,彎曲角度為 90°,在彎頭拱背內(nèi)側(cè)和拱背外側(cè)中心設(shè)置相同的缺陷(半徑為5 mm的通透型缺陷)。樣管及彎頭缺陷位置如圖 2 所示。
圖2 樣管及彎頭缺陷位置
T(0,1) 模態(tài)波具有非頻散特性(其頻散曲線見(jiàn)圖3),但應(yīng)滿足一定的限制條件[11],即檢測(cè)管道為單層、各向同性,且檢測(cè)頻率應(yīng)小于模態(tài)的截止頻率。截止頻率的公式如式(7)所示。
(7)
式中:fcut-off為截止頻率,kHz;ν為導(dǎo)波波速,m·s-1;T為壁厚,mm。
圖3 扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,1)頻散曲線
20鋼的超聲導(dǎo)波傳播速度約為3 200 m·s-1,由式(7)求得該樣管截止頻率約為 320 kHz,試驗(yàn)選用頻率為32,64,128 kHz的探頭,以自發(fā)自收模式發(fā)射導(dǎo)波,滿足截止頻率的要求,在距樣管彎頭焊縫4 m處布置探頭進(jìn)行檢測(cè),增益設(shè)置為10 dB,系統(tǒng)檢測(cè)采樣頻率為1 000 kHz,脈沖重復(fù)頻率為8 Hz。
檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如圖4~6所示,對(duì)其進(jìn)行以下分析。
(1) 不同頻率的信號(hào)對(duì)彎頭缺陷檢測(cè)的影響
圖4 32 kHz探頭的檢測(cè)結(jié)果
圖5 64 kHz探頭的檢測(cè)結(jié)果
圖6 128 kHz探頭的檢測(cè)結(jié)果
(2) 不同位置處的缺陷檢測(cè)效果
檢測(cè)位置和缺陷位置如圖2所示,檢測(cè)位置距第一個(gè)焊縫4.0 m;彎頭1#缺陷在拱背外側(cè),距檢測(cè)位置4.57 m;彎頭2#缺陷在拱背內(nèi)側(cè),距檢測(cè)位置4.32 m;檢測(cè)位置距第二個(gè)焊縫4.69 m。
選用64 kHz頻率探頭進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如圖5所示,發(fā)現(xiàn)拱背外側(cè)的幅值為0.113 V,拱背內(nèi)側(cè)的幅值為 0.073 V,這是因?yàn)門(mén)(0,1) 模態(tài)經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)會(huì)在拱背外側(cè)產(chǎn)生能量聚焦,在拱背最外側(cè)處能量最集中;在拱背內(nèi)側(cè)能量會(huì)發(fā)散,導(dǎo)波發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生頻散,各頻率波在拱背內(nèi)側(cè)的缺陷反射回波產(chǎn)生延時(shí),以多個(gè)回波的形式顯示出來(lái),拱背最內(nèi)側(cè)信號(hào)幾乎消失,從而嚴(yán)重影響缺陷檢測(cè)信號(hào)的判別。
(3) 信號(hào)能量的衰減問(wèn)題
由圖5可知,頻率64 kHz探頭的超聲導(dǎo)波經(jīng)過(guò)兩個(gè)相同的焊縫,信號(hào)在第一個(gè)焊縫處的幅值為0.509 V,經(jīng)過(guò)彎頭后,在第二個(gè)焊縫處的幅值為0.273 V,信號(hào)能量衰減了約一半。其中導(dǎo)波在彎頭拱背內(nèi)側(cè)兩焊縫之間傳播的距離為0.306 m,導(dǎo)波在彎頭拱背外側(cè)兩焊縫之間傳播的距離為0.650 m。
(1) 檢測(cè)頻率對(duì)彎頭缺陷檢測(cè)有重要的影響。檢測(cè)頻率低會(huì)導(dǎo)致拱背外側(cè)缺陷和彎頭焊縫處的信號(hào)發(fā)生頻散而難以分離;檢測(cè)頻率高,拱背內(nèi)側(cè)、拱背外側(cè)以及彎頭焊縫處的缺陷信號(hào)能夠分離,但是檢測(cè)到的拱背內(nèi)側(cè)缺陷與拱背外側(cè)缺陷的信號(hào)幅值很小。因此,應(yīng)根據(jù)不同的管道選擇合適的檢測(cè)頻率,或者利用多個(gè)頻率探頭檢測(cè)彎管缺陷。
(2) T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波經(jīng)過(guò)彎頭時(shí),能量會(huì)在拱背外側(cè)產(chǎn)生聚焦,在拱背內(nèi)側(cè)產(chǎn)生發(fā)散,因此拱背外側(cè)缺陷比拱背內(nèi)側(cè)缺陷更容易檢出。
(3) 信號(hào)經(jīng)過(guò)彎頭后能量衰減嚴(yán)重,衰減后約為原來(lái)能量的一半。