基于B掃描成像的油氣對焊彎管缺陷的超聲導波檢測

羅更生,2, 戴 翔

(1.湖南省特種設備檢驗檢測研究院,長沙 410117;2.南昌航空大學 測試與光電工程學院,南昌 330063)

油氣對焊彎管由無縫直管和無縫彎頭焊接而成，內(nèi)層為鋼管，外層為防腐層，在城鎮(zhèn)油氣輸送管道系統(tǒng)中應用廣泛。彎管中的彎頭部位受管內(nèi)輸送介質(zhì)的沖刷腐蝕，管壁易減薄或開裂，而引起安全隱患。因此，定期對彎管部位進行檢測是非常有必要的。

目前，國內(nèi)外學者在不帶防腐層的自然彎管缺陷的超聲導波檢測方面開展了大量研究，如BAKKALI等[1]采用有限元方法建立了彎管直管段與彎頭接頭部位的散射矩陣，并計算了導波模態(tài)在接頭兩側位置的反射系數(shù)和傳播系數(shù)；VERMA等[2]采用有限元法研究了L(0,2)模態(tài)導波在具有不同彎曲角度、不同壁厚、不同彎曲曲率半徑彎管中的傳播特性，發(fā)現(xiàn)當R/λ=1[R為彎曲曲率半徑，λ為L(0,2)模態(tài)波長]時，隨著彎曲角度的減小，模態(tài)轉換現(xiàn)象變得明顯，且小壁厚變化對導波傳輸效率的影響不大；宗侶等[3]采用有限元方法研究了L(0,2)模態(tài)在彎管中的傳播特性，發(fā)現(xiàn)L(0,2)模態(tài)在彎頭處發(fā)生模態(tài)轉換，且隨著信號頻率的增加模態(tài)轉換現(xiàn)象越發(fā)明顯，以及L(0,2)模態(tài)在彎頭傳播時，能量主要集中在彎頭外側；王秀彥等采用ANSYS的編程技術分析超聲導波在彎頭處加工有缺陷的彎管中的傳播特性[4]，并采用試驗方法測定了L(0,2)模態(tài)在4種不同曲率半徑的90°彎管中傳播時的透射系數(shù)，發(fā)現(xiàn)曲率半徑增大會導致透射系數(shù)的減小[5]；呂文超[6]采用有限元分析了L(0,2)模態(tài)導波在彎頭前后0.5m處分別加工有裂紋缺陷的彎管中的傳播規(guī)律，得出裂紋信號反射系數(shù)與裂紋圓心角大小之間的關系。

少數(shù)國外學者在不帶防腐層的對焊彎管缺陷的超聲導波檢測方面開展了研究，如NISHINO等采用試驗研究了T(0,1)模態(tài)檢測對焊彎管中過彎頭后直管上的人工缺陷的能力，發(fā)現(xiàn)人工缺陷反射波受到其與焊縫(彎頭和直管間)反射波之間的相位差的影響，超聲導波難以對人工缺陷進行定量檢測[7]，并且研究了T(0,1)模態(tài)在彎管中的模態(tài)轉換現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)T(0,1) 模態(tài)在彎頭位置會轉換成高階扭轉波T(1,1)模態(tài)、T(2,1)模態(tài)、T(3,1)模態(tài)和T(4,1)模態(tài)[8]等。

在帶防腐層直管缺陷的超聲導波檢測方面，國內(nèi)外學者開展了大量研究。如JIA等[9]采用混合半解析有限元法研究了超聲導波在埋于無限厚泥土中的帶0.27mm瀝青砂膠50覆蓋層的鋼管中的相速度頻散曲線和衰減曲線；張喆斯[10]開展了磁致伸縮縱向導波檢測帶黏彈性包覆層管道裂紋缺陷的試驗，用于評價改進的縱向導波傳感器的性能；楊理踐[11]研究了超聲導波檢測管道覆蓋層剝離或脫落的機理等。

但是，目前尚未發(fā)現(xiàn)關于應用超聲導波檢測帶防腐層的對焊彎管缺陷的研究報道。為此，筆者提出基于B掃描成像的超聲導波檢測方法，以解決油氣對焊彎管缺陷難以檢出的技術難題。

1 彎頭及環(huán)焊縫對超聲導波的傳播影響

文章應用ANSYS14.0軟件仿真分析彎管彎頭及環(huán)焊縫對超聲導波的傳播影響。為此，分別設計了一根對焊彎管和一根無縫直管，兩根管道的材料均為20鋼，規(guī)格(直徑×壁厚)為159 mm×4.5 mm，軸向長度均為4 500 mm，外表面覆蓋2 mm聚乙烯防腐層，相關材料的聲學常數(shù)如表1所示。對焊彎管模型如圖1所示，其中彎頭左側直管長度L1=2 500 mm,彎頭右側直管長度L2=1 500 mm,彎曲半徑R=2D,彎曲角度θ=90°。直管模型結構如圖2所示。仿真時，管道模型選用Solid164單元類型、六面體網(wǎng)格。求解時，在端面A處加載如式(1)所示的經(jīng)Hanning窗調(diào)制的單音頻信號。

(1)

式中：n為脈沖周期;f為中心頻率;τ=n/f,為信號脈沖寬度。

因為縱向模態(tài)L(0,2)沿管軸向、徑向振動及沿軸向傳播，扭轉模態(tài)T(0,1)沿管周向振動及沿軸向

圖1 對焊彎管模型結構示意

圖2 直管模型結構示意

表1 材料聲學常數(shù)

傳播，故兩種模態(tài)的激勵加載方式不同，L(0,2)模態(tài)直接在管道端面垂直加載，T(0,1)模態(tài)則在管道端面切向加載。L(0,2)和T(0,1)模態(tài)的激勵信號加載方式如圖3。檢測信號參數(shù)選為：L(0,2)模態(tài)，5周期、40 kHz；T(0,1)模態(tài)，5周期、30 kHz。

圖3 L(0,2)模態(tài)和T(0,1)模態(tài)的激勵信號加載示意

圖4 檢測信號為L(0,2)模態(tài)時，兩根管道端面B的反射波

圖5 檢測信號為T(0,1)模態(tài)時，兩根管道端面B的反射波

仿真分析結果如圖4,5所示。從兩圖中可以看出，超聲導波穿越環(huán)焊縫1、彎頭及環(huán)焊縫2后在端面B產(chǎn)生的首次反射波的幅值，比直管端面B的首次反射波幅值低，如檢測信號為L(0,2)模態(tài)時，彎管和直管端面B的反射波相對幅值分別為0.206 7,0.717 3，彎頭和環(huán)焊縫對導波的衰減為71.2%；檢測信號為T(0,1)模態(tài)時，兩者的反射波相對幅值分別為0.157 2,0.384 4，彎頭和環(huán)焊縫對導波的衰減為59.1%?？梢钥闯?，彎頭和環(huán)焊縫對檢測信號L(0,2)模態(tài)或T(0,1)模態(tài)帶來了大幅的衰減。同時，L(0,2)模態(tài)、T(0,1)模態(tài)經(jīng)過彎頭后，分別產(chǎn)生了F(1,3)模態(tài)、F(1,2)模態(tài)的轉換波。

2 基于B掃描成像的超聲導波檢測方法

從上述分析發(fā)現(xiàn)，超聲導波經(jīng)過環(huán)焊縫時會產(chǎn)生明顯的反射信號，如果彎頭上缺陷距離環(huán)焊縫較近，環(huán)焊縫反射信號包絡可能與彎頭上缺陷反射信號包絡相連，影響彎頭缺陷的識別；導波經(jīng)過彎頭時，彎頭會使其產(chǎn)生模態(tài)轉換，且彎頭和環(huán)焊縫也會使其發(fā)生嚴重衰減，此外聚乙烯防腐層也對導波有衰減作用[12]，這些都降低了超聲導波對缺陷的檢測能力。上述問題導致超聲導波難以檢出油氣對焊彎管的彎頭及過彎頭后直管部位的缺陷。

為此，文中提出基于B掃描成像的超聲導波檢測方法，用于檢測油氣對焊彎管缺陷。B掃描成像是超聲波掃描成像中常用的一種方法，為實現(xiàn)B掃描成像，需要對超聲導波傳感器進行相應布置，以及設置B掃描圖像顏色。

圖6 超聲導波傳感器布置圖

2.1 傳感器布置

如圖6所示，將每圈傳感器沿著管道圓周360°方向均勻布置，為簡化操作和減少數(shù)據(jù)連接，將傳感器等分成數(shù)量相同的A,B,C,D,E,F,G,H等8個組，分別負責管道圓周上0°～45°,45°～90°,90°～135°，135°～180°，180°～225°，225°～270°，270°～315°，315°～360°區(qū)域內(nèi)缺陷的檢測。

2.2 B掃描圖像顏色設置

超聲導波遇到不同類型的管道結構不連續(xù)部位(如焊縫、管端、缺陷等)時，會產(chǎn)生不同幅度的反射信號；遇到不同大小的缺陷，會有不同幅度的反射信號。此外，相同大小的缺陷離傳感器距離不同時，也會有不同幅度的反射信號。為了使管道上不同位置、大小相同的缺陷具有相同的B掃描圖像顏色，在掃描成像處理時，采用對數(shù)標度法來設置顏色。超聲導波在鋼管中的衰減關系滿足下式[13]。

y=y0exp(-ax)

(2)

式中：y為距離起始波源x處的波幅;x為離起始波源的距離;y0為起始波源幅值;a為鋼管的衰減系數(shù)。

對式(2)取自然對數(shù)，得到：

ln(y/y0)=-ax

(3)

可以看出，ln(y/y0)與x之間是一條斜率為-a的直線。只要缺陷的幅度y及離波源距離x滿足式(3)，便在B掃描圖像中用同一顏色予以標識。

圖7 試驗用對焊彎管結構示意

3 試驗應用

試驗中加工了2根城鎮(zhèn)燃氣管道系統(tǒng)中常用的帶聚乙烯防腐層的對焊彎管(見圖7)，且在彎管上不同部位加工了周向切槽缺陷，周向缺陷大小用缺陷橫截面積比(即缺陷橫截面積與缺陷處管壁橫截面積之比)表示，切槽寬度為5 mm，用于模擬實際的腐蝕和裂紋缺陷。圖7(a)所示的彎管1的彎曲角度θ為90°、彎曲半徑R為159 mm，切槽分別加工在外弧側和過彎頭后的直管上，切槽的橫截面積比分別為5.8%，6.1%；圖7(b)所示的彎管2的彎曲角度θ為90°、彎曲半徑R為238.5 mm，切槽分別加工在內(nèi)弧側和過彎頭后的直管上，切槽的橫截面積比也分別為5.8%，6.1%。其中超聲導波在彎頭外弧側的能量最強、內(nèi)弧側的能量最弱[14]，所以彎頭切槽加工時充分考慮了位置的影響。

試驗原理如圖8所示，計算機控制信號發(fā)生器激發(fā)如式(1)所示的單音頻信號，再施加在壓電傳感器陣列上。一圈壓電傳感器數(shù)量為24個，均勻布置在管道外圍，所有壓電傳感器同時激勵出5周期60 kHz的L(0,2)模態(tài)或5周期40 kHz的T(0,1)模態(tài)。采用基于B掃描成像的超聲導波檢測方法檢測如圖7所示的2根油氣對焊彎管的缺陷。

圖9 激勵信號為5周期60 kHz的L(0,2)模態(tài)(彎管1)

圖10 激勵信號為5周期40 kHz的T(0,1)模態(tài)(彎管1)

圖11 激勵信號為5周期60kHz的L(0,2)模態(tài)(彎管2)

圖12 激勵信號為5周期40 kHz的T(0,1)模態(tài)(彎管2)

彎管1、彎管2的試驗結果分別如圖912所示。以圖9為例，圖9(a)為A掃描波形，圖9(b)為B掃描圖像，B掃描圖像的縱坐標為沿管道圓周方向展開的方位角度，橫坐標為反射信號離傳感器的軸向距離，使用紅色、黃色、綠色、藍色依次表示信號強度由強到弱，灰色區(qū)域代表檢測盲區(qū)。由圖9可以看出，環(huán)焊縫1、切槽缺陷、環(huán)焊縫2以及彎頭后切槽缺陷、管端的時域脈沖反射波位置，對應著相應顏色的B掃描圖像；環(huán)焊縫、管端部位的B掃描圖像沿管道圓周360°分布，管道切槽缺陷的B掃描圖像顏色只出現(xiàn)在相應的局部位置上；彎頭切槽距離左側管端2 500 mm、彎頭后直管上切槽距離左側管端3 750 mm。此外，圖1012具有類似結果。

從圖912的試驗結果可以看出，基于B掃描成像的超聲導波檢測方法能有效檢測和定位出2根對焊彎管彎頭部位和過彎頭后直管上的缺陷。

4 結語

通過有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)，油氣對焊彎管的彎頭和環(huán)焊縫對檢測信號L(0,2)模態(tài)或T(0,1)模態(tài)造成了大幅的衰減；L(0,2)模態(tài)、T(0,1)模態(tài)經(jīng)過彎頭后，分別產(chǎn)生了模態(tài)轉換波F(1,3)模態(tài)、F(1,2)模態(tài)。此外，聚乙烯防腐層也會使超聲導波發(fā)生衰減。上述原因導致超聲導波難以檢出油氣對焊彎管上的缺陷。

為此，提出基于B掃描成像的超聲導波檢測方法，通過試驗發(fā)現(xiàn)，該方法能有效檢測和定位出油氣對焊彎管彎頭部位和過彎頭后直管上的缺陷。