超聲導(dǎo)波檢測(cè)管道任意方向缺陷的數(shù)值研究

趙 頊

(太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024)

管道是大多數(shù)工業(yè)設(shè)備中的重要構(gòu)件，然而管道在服役期不可避免的會(huì)受設(shè)計(jì)載荷、腐蝕等影響發(fā)生破裂，小則影響生產(chǎn)、生活，大則造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。為此，管道檢測(cè)就成為保障設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段。20世紀(jì)90年代研究人員提出了一種適用于管道檢測(cè)的超聲導(dǎo)波法[1]，該方法只需要在一個(gè)位置粘貼傳感器就可以對(duì)整條管道進(jìn)行檢測(cè)(一次可檢測(cè)20 m～50 m)，非常適用于檢測(cè)遮蓋、架空等檢測(cè)人員不易直接接觸的管道。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)自提出以來得到了廣大科技人員的關(guān)注。如Peter等[2]利用A0特殊模式的應(yīng)力波對(duì)管道缺陷進(jìn)行了檢測(cè)。隨后，Moon等[3]也用A0模式Lamb波對(duì)長(zhǎng)鋼管中的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，A0模式Lamb波對(duì)管中表面缺陷最為敏感，能量損失最小，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Lowe等[4]提出用L(0,2)模式導(dǎo)波進(jìn)行缺陷檢測(cè)，該模態(tài)在一定的頻帶內(nèi)，非頻散，且傳播速度最快，適于長(zhǎng)距離檢測(cè)。何存富等[5]經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，對(duì)于32.6 kHz的T(0,1)導(dǎo)波，縱向缺陷的反射系數(shù)呈單調(diào)增大，然后減小的趨勢(shì)。焦敬品等[6]認(rèn)為實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)用泄漏應(yīng)力波信號(hào)檢測(cè)氣體和液體的泄漏是可行的，并具有較高的靈敏度。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于超聲導(dǎo)波的腐蝕缺陷識(shí)別方法。采用ANSYS對(duì)缺陷管道進(jìn)行仿真研究，分別采用T(0,1)與L(0,2)模態(tài)的導(dǎo)波對(duì)縱向與環(huán)向管道缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并將兩種導(dǎo)波的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，找到了能同時(shí)檢測(cè)縱向缺陷與環(huán)向缺陷的方法。

1 超聲導(dǎo)波檢測(cè)理論

超聲導(dǎo)波檢測(cè)缺陷主要依靠缺陷端面回波，此處以一維縱波為例，說明缺陷端面波的反射原理。已知一維波動(dòng)方程如下：

(1)

u=f(x-ct)

(2)

則根據(jù)幾何方程與物理方程，可以得到在波的傳播過程中，質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、應(yīng)變、應(yīng)力分別為：

(3)

其中，v為質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度，此處與波速c相區(qū)別。比較σ與v的表示式后可得：

(4)

即質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度與應(yīng)力是正相關(guān)的，此外，當(dāng)波在兩個(gè)不同的介質(zhì)間傳播時(shí)，可以寫出如下平衡條件與連續(xù)性條件。

(5)

其中，I,T,R分別為入射，透射與反射波，聯(lián)立求解式(3)～式(5)可求得如下：

(6)

其中，A為波所在的介質(zhì)，B為波即將到達(dá)的介質(zhì)，如圖1所示。在無損檢測(cè)中，認(rèn)為缺陷導(dǎo)致了材料的不連續(xù)，使波出現(xiàn)了透射與反射現(xiàn)象。此處，認(rèn)為缺陷處的邊界面為固體介質(zhì)—真空界面，此時(shí)有ρBcB=0，將其代入式(6)中有：

(7)

已知結(jié)構(gòu)受拉應(yīng)力時(shí)，波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度方向相同，受壓應(yīng)力時(shí)，波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度方向相反[7]。由式(7)可得，入射波與反射波的應(yīng)力必然一拉一壓，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度方向則相同，因此可得入射波與反射波的傳播方向相反，即波在缺陷界面會(huì)發(fā)生反射。在已知反射波速cR的前提下，測(cè)得回波的時(shí)間，就可以對(duì)缺陷進(jìn)行定位：

d=cRt

(8)

其中，d為缺陷距信號(hào)接收點(diǎn)的距離。

2 數(shù)值研究

管道模型總長(zhǎng)為2.6 m，內(nèi)徑為76 mm，管壁厚度6 mm。材料參數(shù)：彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 g/cm3。設(shè)距離管道左端0.87 m處存在一個(gè)腐蝕缺陷，我們將在ANSYS19.0中模擬管道中的超聲導(dǎo)波，以檢測(cè)其對(duì)縱向、橫向、斜方向缺陷的檢測(cè)能力。在數(shù)值仿真中，以左端為激勵(lì)端，在距離左端0.8 m處設(shè)置缺陷，以距離左端0.18 m處作為記錄信號(hào)位置，如圖2所示。

選用Shell181單元對(duì)管道劃分網(wǎng)格，單元環(huán)向和縱向長(zhǎng)度均設(shè)置為6 mm。然后，在Section中設(shè)置兩種單元厚度，一種為6 mm，一種為1 mm，將損傷位置處的單元厚度修改為1 mm，模擬管道因腐蝕導(dǎo)致壁厚減薄5 mm。為了比較缺陷方向?qū)z測(cè)結(jié)果的影響，分別設(shè)置如圖3a)～圖3d)所示的四種缺陷：

1)縱向缺陷(見圖3a)),缺陷與管道軸線方向成0°角；

2)斜缺陷1，與軸線成22°角(見圖3b))；

3)斜缺陷2，與軸線成45°角(見圖3c))；

4)橫向缺陷(見圖3d)),此時(shí)，缺陷與管道軸線方向成90°角。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，L(0,2)模態(tài)導(dǎo)波頻率在70 kHz處頻散現(xiàn)象小且群速度最大，T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波在20 kHz處群速度最大,不易受其他模態(tài)信號(hào)干擾,故分別選取70 kHz和20 kHz 為上述兩種模態(tài)導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)的中心頻率。在管道左端選取一圈24個(gè)節(jié)點(diǎn)，施加沿管道方向的縱向脈沖波，加載時(shí)長(zhǎng)為14 ms，脈沖函數(shù)為：

(9)

3 缺陷檢測(cè)

按照以下方式設(shè)置缺陷，對(duì)于圖3a)所示的縱向缺陷，在環(huán)向選擇1個(gè)單元，然后在縱向選擇20個(gè)單元，相當(dāng)于6 mm×120 mm的矩形腐蝕坑。對(duì)于圖3b)和圖3c)的斜方向缺陷，通過沿環(huán)向方向變化時(shí)向縱向錯(cuò)動(dòng)相應(yīng)的單元數(shù)，設(shè)置斜方向缺陷。對(duì)于圖3d)所示環(huán)向缺陷，具體參數(shù)如圖4所示，這里設(shè)缺陷參數(shù)為：a=5 mm，l=48 mm,θ=0.001 6π。

選用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，圖5所示為中心頻率為70 kHz的L(0,2)超聲導(dǎo)波入射到完好管道中的測(cè)試信號(hào)，從圖5可以看出，此時(shí)只有激勵(lì)信號(hào)和管端回波，在它們中間沒有缺陷回波。通過測(cè)試激勵(lì)信號(hào)與管端回波的時(shí)刻，可得縱波的波速約為5 094.74 m/s。

而圖6a)～圖6d)所示為中心頻率為70 kHz的L(0,2)超聲導(dǎo)波入射到四種含缺陷管道時(shí)的測(cè)試信號(hào)，從圖中可以清晰的看出，在激勵(lì)信號(hào)和管端回波之間還存在著缺陷回波，基于此，管道中的缺陷可以被識(shí)別出來。對(duì)于四種識(shí)別結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷傾斜角逐漸增大時(shí)(0°～90°之間)，缺陷回波的能量也逐漸增強(qiáng)，說明大傾斜角會(huì)產(chǎn)生大幅值的缺陷回波，利用L(0,2)模態(tài)導(dǎo)波檢測(cè)管道缺陷時(shí)，這說明L(0,2)對(duì)于環(huán)向缺陷更為敏感。

4 結(jié)語

本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)管道腐蝕缺陷的超聲導(dǎo)波檢測(cè)進(jìn)行了數(shù)值研究，采用修改單元厚度的方法模擬了腐蝕缺陷，比較分析了缺陷方向?qū)(0,2)模態(tài)導(dǎo)波的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明，L(0,2)導(dǎo)波可以檢測(cè)任意方向的缺陷，但在檢測(cè)靈敏度上有所不同，當(dāng)缺陷平行于管道軸線時(shí)，缺陷回波能量最低，當(dāng)缺陷與軸線的夾角逐漸增大，并最終垂直于軸線時(shí)，缺陷回波能量最大，說明L(0,2)模態(tài)更適用于檢測(cè)環(huán)向缺陷。