基于水平剪切超聲導(dǎo)波的高溫管道壁厚在線監(jiān)測

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(1.北京大學(xué) 工學(xué)院 力學(xué)與工程科學(xué)系，北京100871；2.北京大學(xué) 湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100871)

管道壁厚測量是管道腐蝕監(jiān)測的一種重要手段，可以及時發(fā)現(xiàn)管道的安全隱患，合理指導(dǎo)管道的檢修和更換，尤其對于極端條件下的高溫管道，像石油化工、煤化工、核電等能源工業(yè)中，其腐蝕速率和安全隱患會急劇增大，因此對其壁厚進(jìn)行在線監(jiān)測具有更重大的意義[1]。傳統(tǒng)的工業(yè)測厚方法有漏磁法、渦流法、射線法、超聲法等[2]，其中以超聲法應(yīng)用最多，最適合長期在線監(jiān)測，其根據(jù)超聲信號在待測試件上下表面回波信號的時間差乘以被測結(jié)構(gòu)中超聲波的傳播速度來確定厚度。相比其他方法，超聲法具有結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，量程范圍寬的特點。

然而，一般的壓電超聲探頭只能在其居里溫度的一半以下(<150 ℃)長期正常工作，對于高溫管道，常規(guī)的壓電換能器如果直接接觸都會面臨退極化失效的問題，盡管目前也有很多關(guān)于耐高溫壓電材料的研究[3-4]，但技術(shù)上還是不夠成熟，仍處在實驗室探索階段，價格成本也非常高，距離真正的大規(guī)模市場應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)，且工作時接觸時間很短(一般幾秒量級)，若長期暴露在高溫環(huán)境下，其壓電性能也會逐漸退化。另外，在高溫環(huán)境下，常規(guī)的液體超聲耦合劑也會揮發(fā)，使得傳統(tǒng)超聲測量方法面臨很多困難[5]。至于電磁超聲，雖然可以實現(xiàn)高溫下的非接觸測量，但其功耗大，能量轉(zhuǎn)換效率低，體積和質(zhì)量大，不適合長期在線監(jiān)測[6-7]。故，一般只能等到計劃停工的時候進(jìn)行高溫管道的檢測，而很多企業(yè)停工成本高，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益，并且檢測周期也比較長，非常不方便。

筆者設(shè)計了一種基于水平剪切(SH)導(dǎo)波的高溫管道壁厚在線監(jiān)測方法，將波導(dǎo)測量裝置永久在位安裝在高溫管道上，可以實時連續(xù)地測量管壁厚度的變化，消除了每次測量時換能器重新耦合和定位造成的誤差，提高了壁厚監(jiān)測的精度和一致可靠性。這種超聲導(dǎo)波法測厚的關(guān)鍵在于波導(dǎo)條中非頻散SH導(dǎo)波的激勵和接收，以及波導(dǎo)條和高溫管道的連接。筆者針對這些問題做了相應(yīng)的研究，提出了一種適合在線監(jiān)測應(yīng)用的非頻散SH導(dǎo)波的激勵與接收方法，另外設(shè)計了一種波導(dǎo)連接裝置，通過干耦合壓力夾持，實現(xiàn)了SH導(dǎo)波信號在接觸界面的有效傳遞，最后基于雙波導(dǎo)條一發(fā)一收模式，驗證了這種SH超聲導(dǎo)波法在室溫和高溫(600 ℃)下在線監(jiān)測管道壁厚的可行性。

1 試驗方案

圖1 基于SH導(dǎo)波的高溫管道壁厚在線監(jiān)測裝置外觀

圖2 雙波導(dǎo)條一發(fā)一收模式測厚的原理示意

圖1為基于SH導(dǎo)波的高溫管道壁厚在線監(jiān)測裝置外觀，該裝置由波導(dǎo)條、激勵壓電換能器、接收壓電換能器、干耦合連接夾具、高溫管道，以及管道表面螺柱焊機(jī)焊接的螺柱等組成。試驗時擰緊螺柱上的螺母來施加壓力連接，圖2為雙波導(dǎo)條一發(fā)一收模式測量高溫管道壁厚的水平剪切波信號傳輸原理示意，測量信號由激勵壓電換能器發(fā)射，沿波導(dǎo)條傳播，進(jìn)入高溫管道內(nèi)，多次反射再折回波導(dǎo)條，被接收壓電換能器接收。圖3為橫截面尺寸(長×寬)為18 mm×0.6 mm的不銹鋼波導(dǎo)條隔熱降溫的有限元計算模擬曲線，波導(dǎo)條一端溫度設(shè)置為600 ℃，周圍是室溫25 ℃的環(huán)境。實際測量是基于波導(dǎo)條中的非頻散導(dǎo)波信號進(jìn)行的，這種大寬厚比的波導(dǎo)條在高頻下存在非頻散的水平剪切導(dǎo)波模態(tài)準(zhǔn)SH0，性質(zhì)類似于無限大平板中的SH0模態(tài)[8]。準(zhǔn)SH0波的激勵和接收是采用在波導(dǎo)條表面黏接厚度剪切模式的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)長條實現(xiàn)的，其頻率大小可以通過波導(dǎo)條的尺寸設(shè)計來進(jìn)行調(diào)節(jié)，需要滿足頻寬積大于準(zhǔn)SH0模態(tài)的非頻散臨界頻寬積(不銹鋼頻寬積為15 MHz·mm)，頻厚積小于SH1模態(tài)的截止頻厚積(不銹鋼頻厚積為1.6 MHz·mm)的條件[9-10]，如式(1)所示。

(1)

式中：f為頻率；w,d分別為波導(dǎo)條的寬度和厚度。

圖3 波導(dǎo)條隔熱降溫效果的計算模擬曲線

考慮到激勵信號是漢寧窗調(diào)制的5周期正弦脈沖，其本身包含有一定的頻率寬度，最后準(zhǔn)SH0模態(tài)的實際可激勵中心頻率為1.2 MHz1.8 MHz。

確定了激勵的準(zhǔn)SH0波頻率，設(shè)計的激勵壓電換能器PZT長條尺寸(長度×寬度×高度)確定為12 mm×1.2 mm×0.4 mm，緊貼端部表面；接收壓電換能器PZT長條尺寸(長度×寬度×高度)為8 mm×1.2 mm×0.4 mm，黏接在距離激勵端80 mm處表面。在不同中心頻率下，波導(dǎo)條中激勵和接收的準(zhǔn)SH0波模態(tài)如圖4所示，可看到準(zhǔn)SH0波的頻率能達(dá)到1.8 MHz，在1.2 MHz1.6 MHz范圍的中心頻率下，準(zhǔn)SH0波的信號純度非常高，基本可看成非頻散的單模態(tài)，當(dāng)頻率達(dá)到1.8 MHz時，準(zhǔn)SH0波后面會出現(xiàn)微弱的尾波噪聲信號，若頻率再提高，后面尾波噪聲信號會更明顯，就不能看成單模態(tài)的準(zhǔn)SH0波，從而限制了厚度測量時反射回波信號的識別。

圖4 不同中心頻率下波導(dǎo)條中激勵和接收的準(zhǔn)SH0模態(tài)電壓幅值非比例顯示

波導(dǎo)條和高溫管道的連接采用壓力夾持的方式，由于準(zhǔn)SH0波的能量集中在波導(dǎo)條的寬度中心區(qū)域，越靠近邊緣，能量衰減越快，位移幾乎為零，因此通過約束波導(dǎo)條的邊緣來固定波導(dǎo)條，就不會影響測量信號準(zhǔn)SH0波的傳播。兩個波導(dǎo)條保持平行不接觸，中間間隔為1 mm，波導(dǎo)條下端伸出L形塊的長度為3 mm，通過氬弧焊將其邊緣分別點焊固定在L形塊的邊角口，最終夾具和波導(dǎo)條都連為一體。L形塊兩側(cè)的中間開了槽口，在待測試件表面用螺柱焊機(jī)焊接兩個螺柱，然后伸入到L形塊兩端的槽口，擰緊螺母施加壓力，使得波導(dǎo)條下端面和待測試件表面緊密接觸耦合。測試時需要一定的壓緊力，波導(dǎo)條上才能接收到信號，且在一定范圍內(nèi)，隨著壓力的增加，接收信號幅值也相應(yīng)增大，這一方面是因為壓力越大，波導(dǎo)條和待測試件接觸就會越好，另一方面是水平剪切波傳播時，介質(zhì)質(zhì)點振動方向平行于接觸表面，壓力太小時會存在相對滑動，水平剪切波傳遞效率就會降低。具體試驗時，通過擰動螺母的松緊程度，來觀察接收信號的顯示，調(diào)整最佳的施加力；同時也不能擰得過緊，否則壓力太大會造成波導(dǎo)條伸出部分發(fā)生彎曲變形而不再保持互相平行，對測量也是不利的。

當(dāng)波導(dǎo)條上水平剪切導(dǎo)波準(zhǔn)SH0傳到高溫管道表面時，考慮到波導(dǎo)條的厚度遠(yuǎn)小于水平剪切波的波長(<λ)，寬度遠(yuǎn)大于水平剪切波的波長(>7λ)，這種水平剪切導(dǎo)波入射就可以近似看成一個反平面剪切的線源，理論上這種反平面剪切的線源在高溫管道內(nèi)只會激勵出水平剪切波，其會沿各方向等幅度均勻擴(kuò)散，這是一種最理想的壁厚監(jiān)測的激勵源模式，不存在檢測盲區(qū)。高溫管道內(nèi)激勵出的水平剪切波傳播到管道內(nèi)壁，會發(fā)生反射折回到管道外壁的接觸界面，經(jīng)透射重新進(jìn)入波導(dǎo)條中，非頻散地再沿著波導(dǎo)條傳播回去，被接收壓電換能器接收，而通過分析接收到的管道內(nèi)相鄰兩次反射回波信號的時間差，就能得到管道的壁厚。但在單波導(dǎo)條脈沖回波測量模式下，由于干耦合夾持的界面連接信號透射傳遞效率低，所以實際進(jìn)入管道內(nèi)的信號非常微弱，并且非理想的接觸界面處可能存在模態(tài)轉(zhuǎn)換，以及波導(dǎo)條上準(zhǔn)SH0波激勵時存在一定的發(fā)射噪聲信號，這些信號都會掩蓋管道內(nèi)的微弱回波測量信號，使得最后呈現(xiàn)的只有準(zhǔn)SH0波在波導(dǎo)條端部接觸界面處的一個強(qiáng)反射信號，而管道內(nèi)的反射回波信號無法分辨，如圖5(a)所示。

圖5 10 mm厚不銹鋼平板的單波導(dǎo)條和雙波導(dǎo)條模式下的接收信號

因此采用雙波導(dǎo)條一發(fā)一收的測量模式，從圖5(b)的接收波形可以看到，雖然信號經(jīng)過兩次接觸界面的透射，幅值相比單波導(dǎo)條脈沖回波模式的降低了很多，但信號分離的相對純度很高，管道內(nèi)各次反射回波信號在時域上清晰可分辨，這是因為接收波導(dǎo)條只接收那些已進(jìn)入到管道內(nèi)的信號，消除了激勵波導(dǎo)條上準(zhǔn)SH0波激勵時產(chǎn)生的噪聲模態(tài)信號，以及接觸界面不理想接觸時產(chǎn)生的模態(tài)轉(zhuǎn)換對最后目標(biāo)測量信號的掩蓋。實際測厚時，是根據(jù)待測試件內(nèi)相鄰兩次反射回波信號的時間差來求厚度的，所以信號幅值本身的絕對大小對測量的意義不大，而更關(guān)注的是信號分離的純度和脈沖波形的保持。

筆者搭建了高溫壁厚在線監(jiān)測試驗系統(tǒng)(外觀如圖6所示)，其激勵PZT長條黏接在發(fā)射波導(dǎo)條貼近端部的表面中心區(qū)域，接收的PZT長條黏接在接收波導(dǎo)條貼近端部的表面中心區(qū)域，兩波導(dǎo)條保持平行，間隔1 mm，通過波導(dǎo)夾具與待測試件的干耦合壓力夾持。待測鋼板放在分離式數(shù)顯恒溫加熱臺(可到750 ℃)的臺面上加熱，鋼板上下表面分別焊接上熱電偶來實時監(jiān)測其表面溫度。試驗時，由安捷倫33220A型函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個漢寧窗調(diào)制的5周期正弦脈沖信號，再經(jīng)功率放大器KH7602放大至30 V，放大后的脈沖信號接到激勵PZT長條上，從而在發(fā)射波導(dǎo)條上激勵出準(zhǔn)SH0波，其沿著波導(dǎo)條非頻散地傳播到鋼板表面，會在鋼板中激勵出水平剪切波，剪切波沿著板厚方向多次反射，再折回到接收波導(dǎo)條上，沿著接收波導(dǎo)條非頻散地傳播到端部，由接收PZT接入示波器(Agilent DSO-X 3024A)進(jìn)行信號采集和顯示。通過分析接收到的多次反射回波信號，就能測量出待測高溫試件的厚度。

圖6 基于SH超聲導(dǎo)波法的在線壁厚監(jiān)測試驗系統(tǒng)外觀

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 室溫下平板厚度的測量

首先，在室溫下測試設(shè)計的波導(dǎo)裝置的測厚可行性。待測試件是一個變厚度的不銹鋼階梯板，將波導(dǎo)裝置依次夾持在不同厚度處，通過擰緊螺母來施加壓力，檢測其厚度測量信號。接收到的反射回波信號如圖7所示，可以看到不同厚度下第一個到達(dá)的信號時間點都相同，而第二個以及后面到達(dá)信號的時間間隔和階梯板厚度呈正比關(guān)系。這是因為第一個到達(dá)的信號是經(jīng)兩波導(dǎo)條中間的平板上表面?zhèn)鬟^去的，所以其到達(dá)時間與板厚無關(guān)，而后面的到達(dá)信號是經(jīng)平板下表面反射的回波信號，其時程依賴于板厚。另外，從平板最薄處5.846 mm的回波信號可以看出，提高頻率到1.8 MHz時，則凸顯了其測量優(yōu)勢，相鄰的兩次回波信號能逐漸分離開，而在1.2 MHz頻率下，回波信號全疊加在一起而無法識別。對接收的時域信號進(jìn)行小波變換，可以提取第二次和第三次到達(dá)信號的時間差，根據(jù)這個時間差即可求得板厚，試驗時利用最厚處的時間差來標(biāo)定階梯板的剪切波速，為3 099.86 m·s-1，然后將試驗測得的板厚和千分尺標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行對比，平均誤差保持在0.08 mm以內(nèi)。

圖7 變厚度不銹鋼階梯板的反射回波信號

2.2 室溫下鋼管壁厚的測量

接著測量用于工業(yè)運輸?shù)牡吞间撲摴艿谋诤?，選用的鋼管尺寸規(guī)格是：外徑為219 mm，壁厚為12 mm。測量前先用拋光機(jī)將波導(dǎo)安裝區(qū)域的銹跡打磨掉，然后沿管道軸向間隔50 mm焊接兩個螺柱，固定波導(dǎo)裝置，波導(dǎo)條寬度與管道軸向保持平行，由于兩波導(dǎo)條間隔很近，波導(dǎo)裝置在環(huán)向接觸區(qū)域非常窄，所以對于大管徑的鋼管，其曲率對波導(dǎo)安裝沒什么影響。與平板測量類似，鋼管測量接收到的鋼管內(nèi)反射回波信號如圖8所示，前幾次反射回波均清晰可辨，通過小波變換的信號包絡(luò)線提取相鄰兩次回波信號的時間差，再取平均計算出低碳鋼鋼管中的剪切波速為3 242 m·s-1，很接近低碳鋼中剪切波速的理論值。

圖8 壁厚為12 mm的低碳鋼鋼管內(nèi)的反射回波信號

2.3 高溫下平板厚度的測量

以上驗證了大管徑管道的曲率對波導(dǎo)測厚裝置的測量幾乎沒有影響，為了試驗加熱方便，這一部分的高溫試驗選用平板結(jié)構(gòu)來測試，考慮到不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)比較低，為了快速加熱升溫，平板的材料選用導(dǎo)熱系數(shù)高的45號鋼(中碳鋼)。平板長為160 mm，寬為80 mm，厚為9.80 mm，在其中心區(qū)域沿寬度方向焊接兩個固定螺柱，將波導(dǎo)測厚裝置通過螺母干耦合壓力夾持在待測平板上，再放在恒溫加熱臺上加熱，加熱臺上數(shù)顯的是臺面溫度，加熱板上下表面溫度由熱電偶實時監(jiān)測。當(dāng)加熱臺恒溫溫度設(shè)為700 ℃，并恒溫穩(wěn)定后，熱電偶監(jiān)測到平板下表面的溫度為590.5 ℃，上表面的溫度為588.6 ℃，可見加熱平板的上下表面溫度差很小(1 ℃以內(nèi))，因此測量時就忽略了加熱板內(nèi)的溫度梯度對剪切波速的影響，認(rèn)為板內(nèi)溫度是均勻分布的。當(dāng)加熱平板表面的溫度達(dá)到590 ℃時，連接的波導(dǎo)條端部壓電換能器處的溫度由熱電偶測量顯示為32.6 ℃，波導(dǎo)條達(dá)到了良好的隔熱降溫效果。

加熱過程中，恒溫加熱臺每隔50 ℃設(shè)定一個恒溫溫度，待溫度穩(wěn)定一段時間后，記錄下加熱平板上下表面熱電偶顯示的溫度，然后給端部壓電換能器激勵一個超聲信號，激勵脈沖幅值均是30 V，另一波導(dǎo)條端部壓電換能器由示波器記錄板內(nèi)回波信號。圖9記錄了溫度上升過程中接收的反射回波信號。通過對比，可以看到隨著溫度的上升，接收回波信號的到達(dá)時間都滯后了，這主要是由于溫度升高，波導(dǎo)條上的剪切波速會減小。相鄰兩回波信號之間的時間間隔隨著溫度的升高，也會變大，這是由加熱平板內(nèi)剪切波速變小造成的，但這種時間間隔的變化相比第一個到達(dá)信號的時間滯后非常微弱，這是因為測量信號在加熱平板里的傳播距離相比波導(dǎo)條長度非常短。另外，隨著溫度的上升，接收的回波信號幅值會逐漸增大，這主要是由于高溫下，鋼板和波導(dǎo)條會變軟，兩者的接觸在壓力作用下會更緊密，剪切波在接觸界面的透射傳遞效果會更好。

圖9 溫度上升過程中接收到的反射回波信號

圖10 試驗測量中碳鋼平板的剪切波速和溫度的關(guān)系

對接收到的回波信號作小波變換，可得到小波變換后的包絡(luò)線，從包絡(luò)線的峰值可提取每次回波信號到達(dá)的時間。高溫加熱時，除了鋼板中的剪切波速會發(fā)生變化，鋼板厚度也會因為熱膨脹發(fā)生變化，但相比剪切波速的變化，熱膨脹造成的厚度變化幾乎可忽略不計，碳素鋼在600 ℃下的線熱膨脹系數(shù)為14.6×10-6K-1，600 ℃下熱膨脹導(dǎo)致的厚度變化大約為0.9%，這里計算波速隨溫度的變化時沒有考慮鋼板自身熱膨脹造成的厚度變化，直接利用室溫下的板厚除以相鄰兩次回波信號時間間隔得到板中的剪切波速，最后通過試驗測得的剪切波速和溫度的關(guān)系如圖10所示，從圖10可知，中碳鋼平板從室溫加熱到590 ℃，剪切波速會從3 283 m·s-1下降到2 784 m·s-1，故熱膨脹導(dǎo)致的厚度變化幾乎可忽略不計。通過線性函數(shù)擬合了試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)剪切波速和溫度的線性相關(guān)性高，兩者的最大偏差保持在40 m·s-1以內(nèi)，對應(yīng)于最大波速的1.2%。同理，在標(biāo)定了材料剪切波速和溫度的關(guān)系以后，若已知測量溫度，就可以通過測量試件中相鄰反射回波信號的時間間隔來確定試件的厚度，從而在線監(jiān)測其厚度的連續(xù)變化。

3 結(jié)語

發(fā)展了一種用于高溫管道壁厚在線監(jiān)測的SH超聲導(dǎo)波法，其中波導(dǎo)條上非頻散SH導(dǎo)波的激勵和接收是采用PZT長條來實現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)輕質(zhì)緊湊，適合長期的在線監(jiān)測，而波導(dǎo)條和高溫管道的連接是采用特殊設(shè)計的夾具進(jìn)行壓力干耦合夾持的，在雙波導(dǎo)條一發(fā)一收模式下實現(xiàn)了超聲信號在界面處的有效傳遞。試驗測量了室溫下不同厚度的不銹鋼平板和低碳鋼鋼管，發(fā)現(xiàn)接收到的各次反射回波信號均清晰可辨且彼此分離，根據(jù)相鄰回波的時間差計算出的剪切波速也比較接近其理論值。最后測量了高溫下(600 ℃)鋼板中剪切波速和溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)測量到的各次反射回波信號仍能清晰可辨，且波形穩(wěn)定。標(biāo)定不同溫度下的剪切波速后，就能通過測量管道內(nèi)相鄰回波信號的時間間隔，來實時在線監(jiān)測高溫管道的壁厚變化。這種基于SH超聲導(dǎo)波的測厚法將壓電換能器和高溫管道分離開，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離超聲測量，結(jié)合無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對于高溫管道腐蝕的長期在線監(jiān)測具有很好的應(yīng)用前景。