扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導波在彎管中的檢測試驗

谷 濤,席光峰,胡 棟2,張 皓,魏 楊,劉振東

(1.山東省特種設(shè)備檢驗研究院有限公司,濟南 250101;2.泰安市特種設(shè)備檢驗研究院,泰安 271000)

超聲導波因具有傳播速度快、傳播距離遠、全結(jié)構(gòu)檢測等優(yōu)點而廣泛應用于長距離管道的檢測中[1]。相比埋地管道，超聲導波對工藝管道、架空管道等地面管道的檢測具有更好的應用效果。在實際的檢測任務中，常常需要檢測帶有彎頭的管道系統(tǒng)，尤其是復雜的工藝管道中含有眾多的彎頭、三通等結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的檢測手段難以完成全結(jié)構(gòu)檢測。而超聲導波在彎管中的傳播衰減快，并伴隨有模態(tài)轉(zhuǎn)換，在檢測彎管處的缺陷時存在較大困難，因此研究超聲導波在這些結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律具有重要的工程應用價值。

國內(nèi)外學者對超聲導波在彎管中的傳播進行了大量的研究。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，并證明了超聲導波在彎頭傳播時會伴隨模態(tài)轉(zhuǎn)換，從而導致信號的延時反射時間。NISHINO等[3]利用激光超聲系統(tǒng)研究了彎管中的超聲導波傳播規(guī)律，得出 L(0,1)模態(tài)在彎管中會轉(zhuǎn)換出F(1,1)模態(tài)的結(jié)論。北京工業(yè)大學的何存富等[4]用壓電陶瓷片在彎頭處激勵出縱向模態(tài)超聲導波，試驗研究了缺陷尺寸對缺陷回波和端面回波的影響。中南大學羅更生[5]研究了彎頭拱背內(nèi)側(cè)和外側(cè)、彎頭后直管段的導波缺陷檢測能力，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)超聲導波在 90°彎管中的傳播特性及對彎管內(nèi)缺陷的檢測敏感性，發(fā)現(xiàn)彎頭外側(cè)的缺陷更易被檢測到。上面的研究只針對了縱波模態(tài)，而對基本沒有頻散的T(0,1)扭轉(zhuǎn)模態(tài)的研究較少。由于T(0,1)模態(tài)導波無頻散，且T(0,1)模態(tài)導波的質(zhì)點振動只包含周向分量而不含徑向和軸向分量，所以在檢測有液體浸沒的管道或運輸液體的管道時，T(0,1)模態(tài)導波衰減小，傳播距離遠，因此T(0,1)模態(tài)成為廣泛采用的導波檢測模態(tài)。國內(nèi)耿海泉等[7]利用磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導波檢測傳感器，針對小管徑管道彎管進行檢測，建立了該傳感器的導波激發(fā)和接收模型，指出T(0,1)模態(tài)導波在管道彎頭處會發(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)換會造成檢測信號的雙端面反射現(xiàn)象。鄭州大學李陽等[8]通過有限元模擬研究了激勵頻率、彎曲半徑、彎管角度對T(0,1)模態(tài)導波透過率的影響，發(fā)現(xiàn)不同激勵頻率的導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問題，以及不同檢測頻率對彎頭缺陷檢測靈敏性的問題。

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)的超聲導波，采用頻率為32，64，128 kHz的檢測信號分別對帶有缺陷的彎頭試樣管道進行缺陷定位檢測，探究了頻率對彎管缺陷定位的影響，以及超聲導波經(jīng)過彎管后能量衰減的問題。

1 扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導波基本原理

超聲導波在管道中傳播時，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)點位移；ρ為材料密度；t為波的傳播時間。

根據(jù)Helmholtz分解，將位移u分解為等容矢量勢函數(shù)H和膨脹標量勢函數(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。

為了簡化計算，假設(shè)管道內(nèi)外側(cè)自由邊界為真空，則導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個方向。

圖1 超聲導波扭轉(zhuǎn)模態(tài)的傳播圖像

文章利用扭轉(zhuǎn)模態(tài)對管道進行檢測，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為頻散方程各項元素的貝塞爾函數(shù)表達式[10]，其具體表達式如式(6)所示。

(6)

經(jīng)過對擋肩出現(xiàn)裂紋的軌枕進行認真觀察，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 試驗過程

2.1 試驗裝置與試驗材料

試驗裝置為美國西南研究院研制的磁致伸縮超聲導波MsSR3030R系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用材料的正逆磁致伸縮效應，通過控制外部施加磁場的大小和方向來產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,1)。

以材料為20鋼的鋼管為基礎(chǔ)樣管進行檢測試驗，其規(guī)格(直徑×壁厚)為219 mm×5 mm，兩頭直管段的長度均為6 m，彎頭為標準彎頭，中心至端面長半徑為305 mm，短半徑為203 mm，彎頭外弧長度為650 mm，內(nèi)弧長度為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)，但應滿足一定的限制條件[11]，即檢測管道為單層、各向同性，且檢測頻率應小于模態(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，試驗選用頻率為32,64,128 kHz的探頭，以自發(fā)自收模式發(fā)射導波，滿足截止頻率的要求，在距樣管彎頭焊縫4 m處布置探頭進行檢測，增益設(shè)置為10 dB，系統(tǒng)檢測采樣頻率為1 000 kHz，脈沖重復頻率為8 Hz。

2.2 試驗分析

檢測試驗結(jié)果如圖4～6所示，對其進行以下分析。

(1) 不同頻率的信號對彎頭缺陷檢測的影響

圖4 32 kHz探頭的檢測結(jié)果

圖5 64 kHz探頭的檢測結(jié)果

圖6 128 kHz探頭的檢測結(jié)果

(2) 不同位置處的缺陷檢測效果

檢測位置和缺陷位置如圖2所示，檢測位置距第一個焊縫4.0 m；彎頭1#缺陷在拱背外側(cè)，距檢測位置4.57 m；彎頭2#缺陷在拱背內(nèi)側(cè)，距檢測位置4.32 m；檢測位置距第二個焊縫4.69 m。

選用64 kHz頻率探頭進行檢測，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，這是因為T(0,1) 模態(tài)經(jīng)過彎頭時會在拱背外側(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)能量會發(fā)散，導波發(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，以多個回波的形式顯示出來，拱背最內(nèi)側(cè)信號幾乎消失，從而嚴重影響缺陷檢測信號的判別。

(3) 信號能量的衰減問題

由圖5可知，頻率64 kHz探頭的超聲導波經(jīng)過兩個相同的焊縫，信號在第一個焊縫處的幅值為0.509 V，經(jīng)過彎頭后，在第二個焊縫處的幅值為0.273 V，信號能量衰減了約一半。其中導波在彎頭拱背內(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

(1) 檢測頻率對彎頭缺陷檢測有重要的影響。檢測頻率低會導致拱背外側(cè)缺陷和彎頭焊縫處的信號發(fā)生頻散而難以分離；檢測頻率高，拱背內(nèi)側(cè)、拱背外側(cè)以及彎頭焊縫處的缺陷信號能夠分離，但是檢測到的拱背內(nèi)側(cè)缺陷與拱背外側(cè)缺陷的信號幅值很小。因此，應根據(jù)不同的管道選擇合適的檢測頻率，或者利用多個頻率探頭檢測彎管缺陷。

(2) T(0,1)模態(tài)導波經(jīng)過彎頭時，能量會在拱背外側(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) 信號經(jīng)過彎頭后能量衰減嚴重，衰減后約為原來能量的一半。