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)換問題，沒有研究扭轉(zhuǎn)模態(tài)在彎頭缺陷處的檢測(cè)問題，以及不同檢測(cè)頻率對(duì)彎頭缺陷檢測(cè)靈敏性的問題。

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)過彎管后能量衰減的問題。

1 扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導(dǎo)波基本原理

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)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)材料

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)，通過控制外部施加磁場(chǎng)的大小和方向來產(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。

2.2 試驗(yàn)分析

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(0,1) 模態(tài)經(jīng)過彎頭時(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，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)能量的衰減問題

由圖5可知，頻率64 kHz探頭的超聲導(dǎo)波經(jīng)過兩個(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。

3 結(jié)語(yǔ)

(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)過彎頭后能量衰減嚴(yán)重，衰減后約為原來能量的一半。