張蒲根*

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 引言

隨著石油、天然氣、化工等行業(yè)迅速發(fā)展，我國(guó)壓力管道的運(yùn)營(yíng)里程每年都在迅速增長(zhǎng)，許多管道的使用時(shí)間不斷延長(zhǎng)，由管道引發(fā)的事故也逐漸增多，其安全狀況令人擔(dān)憂。因此研發(fā)了一種可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)管道缺陷，并能判斷危害程度的無(wú)損檢測(cè)方法變得十分迫切。超聲導(dǎo)波是一種新型的無(wú)損檢測(cè)手段，被廣泛應(yīng)用于壓力管道檢測(cè)，其具有快速、精準(zhǔn)的檢測(cè)能力，在管道檢測(cè)技術(shù)中迅速發(fā)展[1-4]。在國(guó)外，Cawley等[5]利用有限元方法，分別研究了導(dǎo)波在不同直徑管道上的軸向、周向尺寸的裂紋的反射系數(shù)。Alleyne[6]通過(guò)模擬的方法研究了導(dǎo)波反射系數(shù)和缺陷之間的關(guān)系。Lowe等[7]研究了導(dǎo)波在裂紋處反射的模態(tài)的狀態(tài)。在國(guó)內(nèi)，栗霞飛等[8]應(yīng)用ABAQUS模擬軟件對(duì)導(dǎo)波在直管、彎管中的傳播過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究表明低階扭轉(zhuǎn)模態(tài)可以對(duì)直管、彎管上的缺陷進(jìn)行精確檢測(cè)。王向宇等[9]采用數(shù)值計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，提出了一種基于縱向超聲導(dǎo)波的檢測(cè)管道焊縫缺陷的方法。

在石油化工裝置中，常常由于工藝的原因需要改變管道尺寸，因此異徑管在工業(yè)中的應(yīng)用極為普遍。異徑管因其特殊的結(jié)構(gòu)形式受到管內(nèi)介質(zhì)的強(qiáng)烈沖擊，腐蝕減薄、裂紋等是異徑管中的常見(jiàn)腐蝕缺陷。目前國(guó)內(nèi)外還鮮有對(duì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)異徑管的研究。異徑管是管道系統(tǒng)中常見(jiàn)的管道元件，研究超聲導(dǎo)波在異徑管中的傳播特性具有很大的科研意義和實(shí)用價(jià)值。本文將采用有限元的方法來(lái)模擬超聲導(dǎo)波在異徑管中的傳播特性，并通過(guò)設(shè)置軸向和周向裂紋來(lái)模擬超聲導(dǎo)波對(duì)缺陷的檢測(cè)能力。

1 有限元分析

本文采用管道系統(tǒng)中的常用規(guī)格DN 65 mm×DN 50 mm異徑管，壁厚δ為4.0 mm，長(zhǎng)度為89 mm，異徑管兩端分別為DN 65 mm×4.0 mm和DN 50 mm×4.0 mm的直管段，直管長(zhǎng)度分別為1 m，裂紋設(shè)置為通透缺陷，長(zhǎng)度為5 mm，寬度為1 mm。管道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管道結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

常用的模擬導(dǎo)波檢測(cè)方法有4種：有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）、半解析有限元法（SAFE）和邊界元法（BEM）。目前國(guó)內(nèi)外常用的方法是有限元法。ABQUES是一套常用的工程模擬有限元軟件，具有強(qiáng)大的功能，可以解決線性分析問(wèn)題，也可以用于非線性分析，因此本文采用大型有限元軟件ABQUES進(jìn)行模擬。本文采用的導(dǎo)波模態(tài)為L(zhǎng)（0,2）模態(tài)，因此只針對(duì)周向和徑向裂紋進(jìn)行模擬檢測(cè)。裂紋缺陷模擬需要考慮裂紋長(zhǎng)度、寬度及深度，缺陷的方位包括軸向和周向。

本文分別建立無(wú)缺陷管道模型、帶軸向裂紋缺陷和帶周向裂紋缺陷的管道幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分；設(shè)置激發(fā)節(jié)點(diǎn)方面，先在管道大端設(shè)置激發(fā)節(jié)點(diǎn)，模擬大端激發(fā)導(dǎo)波進(jìn)行管道檢測(cè)；然后在管道小端設(shè)置激發(fā)節(jié)點(diǎn)，在模擬小端激發(fā)導(dǎo)波進(jìn)行管道檢測(cè)，如圖2 a）所示，管道材料模型參數(shù)如表1所示。設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)后，分別在管道大端和小端激發(fā)L（0,2）模態(tài)對(duì)無(wú)缺陷的完整管道、帶軸向裂紋缺陷的管道以及帶周向裂紋缺陷的管道進(jìn)行檢測(cè)，缺陷位置如圖1所示。激發(fā)信號(hào)采用5個(gè)周期經(jīng)漢寧窗調(diào)制的正弦單音頻信號(hào)，如圖2 b）所示，激發(fā)頻率為140 kHz，激發(fā)方式為自激自收。計(jì)算結(jié)果分別生成時(shí)域波形圖和應(yīng)力分布動(dòng)態(tài)圖。

圖2 模型及激發(fā)信號(hào)

表1 管道模型參數(shù)

頻散曲線采用英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)開發(fā)的DISPERSE頻散軟件繪制，圖3所示分別為50 mm和65 mm管徑的群速度頻散曲線。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，2種管徑的L（0,2）模態(tài)群速度幾乎一致，有利于直接通過(guò)時(shí)域波形圖判斷缺陷位置，且在140 kHz的激發(fā)頻率下，速度最快，檢測(cè)中易于區(qū)分其他模態(tài)，并且頻散程度最小。

圖3 0～300 kHz的群速度頻散曲線

2 模擬結(jié)果討論

2.1 管道大端激發(fā)檢測(cè)

分別建立3個(gè)管道模型，并在其中兩個(gè)管道模型上設(shè)置軸向和周向裂紋缺陷，從管道大端激發(fā)L（0,2）模態(tài)，分別檢測(cè)帶有軸向缺陷、周向缺陷以及無(wú)缺陷的管道，計(jì)算過(guò)程由計(jì)算機(jī)完成后，從激發(fā)節(jié)點(diǎn)獲得時(shí)域信息，分別得到如圖4所示的時(shí)域波形圖。

從圖4 c）可知，導(dǎo)波在穿過(guò)異徑管時(shí)，會(huì)有一定的L（0,2）模態(tài)導(dǎo)波反射回來(lái)，形成波包1，其幅值較小，不影響正常的缺陷判斷，絕大部分能量可以繼續(xù)向前傳播。圖4 a）和圖4 b）顯示周向缺陷的反射回波明顯要大于軸向缺陷回波，因而可以得出結(jié)論：導(dǎo)波對(duì)異徑管中的軸向缺陷檢測(cè)不敏感，但能夠準(zhǔn)確檢測(cè)異徑管上的周向缺陷。

導(dǎo)波穿過(guò)異徑管時(shí)，產(chǎn)生了兩個(gè)轉(zhuǎn)換模態(tài)波包2和3，通過(guò)計(jì)算分析，此處兩波包對(duì)應(yīng)的模態(tài)都是F（1,1）。波包2是由L（0,2）模態(tài)在穿越異徑管時(shí)，產(chǎn)生F（1,1）模態(tài)，并反射回激發(fā)端接受；波包3是由L（0,2）模態(tài)經(jīng)端面反射后，在穿越異徑管時(shí)，發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生F（1,1）模態(tài)，繼續(xù)傳播返回激發(fā)端接受。

2.2 小端激發(fā)檢測(cè)

分別建立3個(gè)管道模型，并在其中2個(gè)管道模型上設(shè)置軸向和周向裂紋缺陷，從管道小端激發(fā)L（0,2）模態(tài)，分別檢測(cè)帶有軸向缺陷、周向缺陷以及無(wú)缺陷的管道，計(jì)算過(guò)程由計(jì)算機(jī)完成后，從激發(fā)節(jié)點(diǎn)獲得時(shí)域信息，分別得到如圖5所示的時(shí)域波形圖。

從圖5可以看出，軸向和周向裂紋缺陷回波的波幅與無(wú)缺陷異徑管的回波波包1幾乎沒(méi)有區(qū)別，因此，導(dǎo)波從小端激發(fā)對(duì)異徑管上的軸向和周向裂紋缺陷檢測(cè)都不靈敏，并且也會(huì)產(chǎn)生模態(tài)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，計(jì)算分析波包2和波包3與大端激發(fā)一致，為模態(tài)轉(zhuǎn)化后的F（1,1）模態(tài)。

2.3 應(yīng)力云圖分析

通過(guò)圖6所示的云圖可以直觀地發(fā)現(xiàn)導(dǎo)波穿過(guò)異徑管時(shí)的傳播特性。超聲導(dǎo)波穿過(guò)異徑管時(shí)，絕大部分能量可以順利通過(guò)，并形成一定的能量聚集增強(qiáng)。

圖6 大端激發(fā)導(dǎo)波穿越異徑管前后的應(yīng)力分布云圖

圖7 a）所示為超聲導(dǎo)波從大端激發(fā)，穿過(guò)帶有軸向裂紋的異徑管時(shí)的應(yīng)力分布云圖。從圖7 a）可以看出，導(dǎo)波穿越帶軸向裂紋的異徑管時(shí)，由于裂紋擴(kuò)展方向與導(dǎo)波震動(dòng)方向一致，反射面極小，很難產(chǎn)生缺陷回波，因而導(dǎo)波較難以檢測(cè)軸向裂紋缺陷。

圖7 導(dǎo)波在異徑管上的應(yīng)力分布

圖7 b）為超聲導(dǎo)波從小端激發(fā)，穿過(guò)帶有周向裂紋的異徑管時(shí)的應(yīng)力分布云圖。從圖7 b）可以看出，導(dǎo)波穿過(guò)帶有周向裂紋的異徑管時(shí)，耦合從小端直管段到異徑管需要重新進(jìn)行導(dǎo)波，且橫截面逐漸擴(kuò)張變大，導(dǎo)致導(dǎo)波能量以一定角度分散，遇到反射面較大的周向缺陷，導(dǎo)波反射后也仍然處于分散狀態(tài)，最后難以反射回激發(fā)端。從大端激發(fā)的導(dǎo)波，與此情況恰好相反，因而具有較好的檢測(cè)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于超聲導(dǎo)波技術(shù)，分別在異徑管的大端和小端進(jìn)行激勵(lì)，檢測(cè)異徑管上的軸向裂紋和周向裂紋，研究了導(dǎo)波在異徑管的模態(tài)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象以及大小端激發(fā)對(duì)檢測(cè)效果帶來(lái)的影響，得到如下結(jié)論。

（1）從小端激發(fā)導(dǎo)波檢測(cè)異徑管時(shí)，對(duì)異徑管上的軸向和周向裂紋都不敏感，從大端激發(fā)導(dǎo)波，可以對(duì)異徑管上的周向裂紋進(jìn)行精確檢測(cè)。軸向裂紋擴(kuò)展方向與導(dǎo)波傳播方向一致，無(wú)法形成有效的反射面，因而難以檢測(cè)。建議在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，采用大端激發(fā)導(dǎo)波檢測(cè)異徑管，從而有效檢測(cè)周向裂紋缺陷等面積性缺陷。

（2）導(dǎo)波穿越異徑管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的模態(tài)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，產(chǎn)生F（1,1）等干擾模態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，建議在管道大端激發(fā)兩次，所選點(diǎn)保持一定距離（以能區(qū)分波包為準(zhǔn)），可以通過(guò)兩張波形時(shí)域圖，分別排除干擾波包，避免在檢測(cè)中產(chǎn)生誤判等情況。