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        基于CIVA仿真與試驗的磁致伸縮導(dǎo)波和壓電導(dǎo)波檢測比對分析

        2021-03-09 08:57:32張子健傅書暢趙大禹吳家喜李武俊張小龍薛秉康
        化工裝備技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)檢測

        張子健* 傅書暢 趙大禹 吳家喜 常 騰 李武俊 張小龍 薛秉康

        (1. 寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)公司 2. 中國石油天然氣股份有限公司東北銷售寧波分公司3. 寧波市特種設(shè)備檢驗研究院)

        0 前言

        目前國內(nèi)壓力管道超聲導(dǎo)波檢測的標(biāo)準(zhǔn)主要是GB/T 28704—2012《無損檢測 磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測方法》及GB/T 31211—2014《無損檢測 超聲導(dǎo)波檢測 總則》,這兩個標(biāo)準(zhǔn)中均提出了對比試樣和靈敏度校準(zhǔn)要求,即應(yīng)采用與被檢測構(gòu)件材料性能及幾何形狀相同或相近的材料制作,并采用對比試驗在實驗室實測繪制距離-幅度曲線[1-3]。但在實際檢測過程中,現(xiàn)場管道規(guī)格和形式復(fù)雜多變,標(biāo)準(zhǔn)要求的對比試樣和靈敏度校準(zhǔn)條件在實際操作時較難達(dá)到。針對以上問題,本文采用CIVA 仿真和對比試管驗證方法,分析了兩種超聲導(dǎo)波在檢測過程中存在的差異,為超聲導(dǎo)波的應(yīng)用提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持。

        1 原理簡介

        1.1 磁致伸縮導(dǎo)波

        磁致伸縮導(dǎo)波檢測系統(tǒng)通常由主機、計算機、鐵鈷帶、耦合劑、線圈卡具及線圈探頭帶組成。將探頭線圈放置在磁致伸縮帶材上,當(dāng)有交流電通過線圈時,在魏德曼效應(yīng)的作用下,磁致伸縮帶材中的交流磁場就會產(chǎn)生剪切位移,剪切位移通過耦合膠的耦合層機械地傳遞到管道中,然后以扭轉(zhuǎn)波形式沿著管道軸向傳播[4]。

        1.2 壓電導(dǎo)波

        壓電導(dǎo)波檢測系統(tǒng)由主機、氣泵、工具導(dǎo)線、氣管、計算機、卡具及壓電探頭組成。傳感器采用一種壓電陶瓷材料制造,該材料具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng),可以實現(xiàn)機械能向電能轉(zhuǎn)換。壓電導(dǎo)波技術(shù)可同時激發(fā)縱向、扭轉(zhuǎn)和彎曲波,三種波形同時檢測則可以極大地降低缺陷漏檢率。因為某些缺陷容易被縱波檢測到,同時扭轉(zhuǎn)波可以應(yīng)用于管道帶料檢測中,其介質(zhì)衰減較小[5]。

        2 CIVA仿真計算

        2.1 頻散曲線計算

        超聲導(dǎo)波在管道中的傳播過程存在一個顯著的特點——頻散現(xiàn)象。頻散現(xiàn)象是指超聲導(dǎo)波的相速度和群速度隨著頻率變化而變化,發(fā)生頻散現(xiàn)象后,導(dǎo)波的能量衰減非常迅速,這對于管道長距離檢測是極為不利的。因此需要研究針對某一規(guī)格管道,何種模態(tài)導(dǎo)波在何種頻率范圍內(nèi)不會發(fā)生頻散現(xiàn)象。導(dǎo)波的頻散曲線就是描述導(dǎo)波的群速度、相速度和頻率對應(yīng)關(guān)系的一種曲線。本文通過CIVA 軟件GWT 模塊計算規(guī)格為DN 80 mm×6 mm,材質(zhì)為Q345R 的壓力管道中的頻散曲線,計算的頻率范圍為0~150 kHz,頻率數(shù)為150 個,計算方式為3D,包含所有模態(tài)(T,L,F(xiàn)),結(jié)果如圖1~圖4 所示。

        圖1 DN 80 mm×6 mm管道群速度頻散曲線

        圖2 DN 80 mm×6 mm管道相速度頻散曲線

        圖3 DN 80 mm×6 mm管道頻率-波長曲線

        圖4 DN 80 mm×6 mm管道頻率-波數(shù)曲線

        由圖1 ~圖4 中的頻散曲線可知,在導(dǎo)波常用頻率范圍(20~100 kHz)內(nèi),T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波是非頻散的,群速度為3 230 m/s,相速度為3 230 m/s,波長為51.75 mm;L(0,2)模態(tài)在50~100 kHz 頻率范圍內(nèi)基本是非頻散的,具有最大群速度為5 347 m/s,相速度為5 419 m/s,波長為69.9 mm,其作為激發(fā)波形可以有效地與其他模態(tài)波形進(jìn)行區(qū)分,有利于識別缺陷,抗干擾性強;L(0,1)模態(tài)具有嚴(yán)重的頻散現(xiàn)象;彎曲模態(tài)除了F(1,3)在70~100 kHz 頻率范圍內(nèi)是基本是非頻散的以外,其余模態(tài)均存在較強頻散現(xiàn)象。

        2.2 聲場計算

        不同模態(tài)和頻率的導(dǎo)波沿管道壁厚方向的位移分布情況不同,通過對軸向、徑向、周向位移分量進(jìn)行計算,可以得到當(dāng)前檢測工況下的導(dǎo)波模態(tài)和頻率的適合值。

        2.2.1 CIVA建模與設(shè)置

        綜合考慮后續(xù)模擬試管檢測和仿真計算時間,本次選擇的管道直徑為80 mm,壁厚為6 mm,長度為800 mm,材質(zhì)為Q345R。采用外壁弧形探頭,矩形單晶片,陣列數(shù)為1,寬度為5mm。信號分別為漢寧窗調(diào)制的頻率為30,60,90,120,150,180 kHz,帶寬為30%超聲導(dǎo)波信號,僅計算常用軸對稱導(dǎo)波模態(tài),計算區(qū)域為距離探頭500 mm 處的橫截面,對該橫截面處質(zhì)點的軸向、徑向、周向位移分量進(jìn)行計算,CIVA 模型可見圖5。

        圖5 導(dǎo)波檢測CIVA模型

        2.2.2 位移分量計算與討論

        分別對頻率為30,60,90,120,150,180 kHz的超聲導(dǎo)波進(jìn)行計算,導(dǎo)波模態(tài)包含L(0,1),L(0,2)和T(0,1),對軸向、徑向、周向位移分量進(jìn)行比較。

        隨著超聲導(dǎo)波激發(fā)頻率增大,軸向位移分量也不斷增大,且在管道內(nèi)壁軸向位移分量相對較大,因此隨著頻率增大,導(dǎo)波檢測內(nèi)、外表面周向缺陷的靈敏度增大,有利于發(fā)現(xiàn)缺陷。軸向位移的大小決定了其檢測周向缺陷的靈敏度強弱。隨著超聲導(dǎo)波激發(fā)頻率增大,徑向位移分量不斷增大,導(dǎo)波傳播過程中的能量衰減與內(nèi)、外表面上的徑向位移分布有關(guān),內(nèi)、外表面上的徑向位移分量越小,傳播過程中能量泄漏相對較少,傳播距離就越大,因此激發(fā)頻率越大,徑向位移分量越大,傳播距離就越小。隨著超聲導(dǎo)波激發(fā)頻率增大,周向位移分量不斷減小,整體處于極低水平,軸向缺陷檢測靈敏度低。

        3 對比試管檢測

        目前超聲導(dǎo)波檢測的靈敏度主要依靠對比試管來標(biāo)定,但行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對比試管的試樣要求沒有明確規(guī)定,不像常規(guī)A 超具有標(biāo)準(zhǔn)對比試塊,且已經(jīng)應(yīng)用得很成熟,導(dǎo)波對比試塊可以按照合同自行約定。除此之外,超聲導(dǎo)波檢測的距離-幅度(DAC)曲線應(yīng)用還存在一定困難,現(xiàn)場管道規(guī)格、式樣眾多,標(biāo)準(zhǔn)中要求根據(jù)被檢工件的材料和規(guī)格在實驗室繪制DAC 曲線,這在無形中增加了成本,因此目前超聲導(dǎo)波的主要應(yīng)用范圍為缺陷定位,同時采用其他檢測方法來驗證這一思路。本文分別采用壓電導(dǎo)波和磁致伸縮導(dǎo)波進(jìn)行對比試管檢測,驗證檢測靈敏度,并分析二者在應(yīng)用過程中的差異。

        3.1 檢測設(shè)備

        壓電導(dǎo)波采用的是英國PI 公司的Teletest Foucs+設(shè)備,該設(shè)備的激發(fā)頻率范圍是20~300 kHz,根據(jù)檢測工況需要,設(shè)備可選用多模式模塊、扭轉(zhuǎn)波模塊或迷你模塊。其中多模式模塊可以同時執(zhí)行縱波和扭轉(zhuǎn)波模式,迷你模塊適用于DN 50~100 mm 管道,是一個3 環(huán)扭轉(zhuǎn)波系統(tǒng),間距為30 mm。針對于本次檢測管道的尺寸,選取DN 75 mm 卡具,模塊數(shù)量為12,傳感器數(shù)量為36,無需進(jìn)行表面預(yù)處理,干耦合壓力為275.8 MPa,檢測頻率為系統(tǒng)根據(jù)檢測工況智能推薦,通常范圍為20~100 kHz。

        磁致伸縮導(dǎo)波采用的是UG30 超聲導(dǎo)波檢測儀,檢測過程主要是基于磁致伸縮效應(yīng)和磁致伸縮逆效應(yīng),波形僅為扭轉(zhuǎn)波,目前支持中心頻率為16,32,64,128,180 kHz,檢測時需選取相應(yīng)頻率線圈進(jìn)行掃頻,管道表面需進(jìn)行打磨處理,通過耦合膠粘貼磁致伸縮帶。

        3.2 對比試管

        比對試管規(guī)格為DN 80 mm×6 mm,材質(zhì)為Q345R,長度為7 m,其中包含2 個90°彎頭,包含3 類典型管道缺陷,A 組(A1,A2,A3,A4,A5,A6)為不同尺寸方向的刻槽缺陷,B 組(B1,B2,B3,B4,B5,B6)為不同尺寸規(guī)格的平底孔缺陷,C 組(C1,C2,C3,C4,C5)為不同尺寸規(guī)格的通孔缺陷,對比試管尺寸可見圖6,對比缺陷情況可見表1。

        圖6 對比試管尺寸圖(單位:mm)

        表1 對比試管缺陷統(tǒng)計表

        3.3 檢測與結(jié)果分析

        分別采用Teletest Foucs+壓電導(dǎo)波和UG30 磁致伸縮導(dǎo)波對DN 80 mm×6 mm 對比試管進(jìn)行檢測,檢測結(jié)果如圖7 和圖8 所示,統(tǒng)計情況可見表2。

        圖7 超聲導(dǎo)波現(xiàn)場檢測圖

        圖8 導(dǎo)波檢測結(jié)果

        根據(jù)圖8 和表2 可知:(1)壓電導(dǎo)波盲區(qū)較大,盲區(qū)范圍為卡具安裝處前后各0.5 m,A6 缺陷在盲區(qū)范圍內(nèi),所以并未檢出,磁致伸縮導(dǎo)波盲區(qū)較小,僅為0.1 m,因此沒有缺陷漏檢;(2)壓電導(dǎo)波檢測范圍較大,可從安裝點A 端檢測出經(jīng)過兩個彎頭后的C組缺陷;磁致伸縮導(dǎo)波傳播經(jīng)過一個彎頭后,能量衰減較大,對于C 組缺陷的分辨力較低,無法有效區(qū)分;(3)兩種激發(fā)方式的導(dǎo)波在經(jīng)過彎頭傳播后,缺陷的定位均會出現(xiàn)偏差,導(dǎo)波波形的復(fù)雜程度增大,對于缺陷的識別難度上升,這對于現(xiàn)場檢測是不利的,因此應(yīng)盡量選取直管段進(jìn)行檢測;(4)在近距離檢測中,磁致伸縮導(dǎo)波具有一定的優(yōu)勢,如靈敏度高、分辨力高等;(5)在長距離管線檢測中,壓電導(dǎo)波具有一定的優(yōu)勢,如激發(fā)能量高、傳播距離遠(yuǎn)、導(dǎo)波模態(tài)多;(6)在缺陷比較密集或結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況下,兩種導(dǎo)波回波信號幅值與橫截面積損失率未呈現(xiàn)出明顯的對應(yīng)關(guān)系,因此GB/T 28704—2012和GB/T 31211—2014標(biāo)準(zhǔn)中提及的DAC曲線制作要求在現(xiàn)場檢測時無法達(dá)到,所以目前導(dǎo)波檢測主要用于定位缺陷,同時采用有效的檢測手段來驗證這一思路并開展工作。

        表2 壓電導(dǎo)波和磁致伸縮導(dǎo)波檢測結(jié)果統(tǒng)計表

        4 結(jié)論

        針對壓電和磁致伸縮超聲導(dǎo)波在實際檢測中存在靈敏度校準(zhǔn)的難題,首先采用了CIVA 軟件進(jìn)行仿真,分析了不同頻率下超聲導(dǎo)波的傳播特點與應(yīng)用要點,其次對DN 80 mm×6 mm 對比試管進(jìn)行了檢測驗證,最后對兩種導(dǎo)波的檢測結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)分析。結(jié)果表明:導(dǎo)波的激發(fā)頻率會影響檢測靈敏度和傳播距離;壓電導(dǎo)波在長距離管線檢測中具有一定優(yōu)勢,磁致伸縮導(dǎo)波在短距離管線檢測中具有一定優(yōu)勢;目前導(dǎo)波應(yīng)用主要是結(jié)合缺陷定位與其他檢測手段來驗證這一思路并開展工作。

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