彎頭裂紋缺陷對(duì)超聲導(dǎo)波回波幅值的影響研究

唐登超 鄧建強(qiáng) 丁 菊 朱旭晨

（1.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院；2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

管道運(yùn)輸具有安全性高、連續(xù)性強(qiáng)、成本低及效益好等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著重要作用。 彎頭作為管道系統(tǒng)中的重要部件，處于流體的主要沖刷部位，在役期間易受復(fù)雜工況的影響，輕則受腐蝕產(chǎn)生裂紋，重則發(fā)生泄漏，危及整個(gè)管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全。 對(duì)比各種傳統(tǒng)無損檢測，如漏磁、超聲、渦流、射線及磁粉檢測等，超聲導(dǎo)波沿傳播路徑衰減小， 可沿構(gòu)件傳播幾十米，超聲導(dǎo)波在管的內(nèi)外表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，聲場遍及整個(gè)壁厚，既可檢測構(gòu)件內(nèi)部缺陷，也可檢測內(nèi)外表面缺陷，因此超聲導(dǎo)波檢測實(shí)質(zhì)上是檢測了發(fā)射和接收兩面間或者發(fā)射兼接收面與固定約束端面間傳播路徑上的整體信息。 對(duì)于彎頭眾多且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的管道結(jié)構(gòu)來說，超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)是一種簡潔、高效且易于操作的無損檢測技術(shù)。

超聲導(dǎo)波是在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的超聲波，在傳播過程中不僅會(huì)受到結(jié)構(gòu)尺寸的影響，還會(huì)受到頻率的影響，導(dǎo)波的相速度大小隨頻率變化而變化的現(xiàn)象稱為頻散。 頻散是材料本身的固有特性， 使得超聲導(dǎo)波在傳播過程中發(fā)生能量的衰減。 頻散曲線指出了所有傳播路徑中的相長干涉區(qū)域， 同時(shí)描繪了具有傳播能力的各種模態(tài)形式，主要有軸對(duì)稱縱向L（0，m）模態(tài)、軸對(duì)稱扭轉(zhuǎn)T（0，m）模態(tài)和非軸對(duì)稱彎曲F（n，m）模態(tài)3 種，其中n 表示目標(biāo)模態(tài)的環(huán)向階數(shù)，m 表示目標(biāo)模態(tài)在管道中徑向的振動(dòng)形式。 彎曲F（n，m）模態(tài)超聲導(dǎo)波由于本身激勵(lì)方式復(fù)雜且耗散太快，模態(tài)不穩(wěn)定，一般不常用于無損檢測，軸對(duì)稱縱向L（0，m）模態(tài)和軸對(duì)稱扭轉(zhuǎn)T（0，m）模態(tài)的加載方式相對(duì)簡單，其中縱向L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波和扭轉(zhuǎn)T（0，1）模態(tài)導(dǎo)波傳播速度快、模態(tài)穩(wěn)定、頻散現(xiàn)象小，是管道缺陷無損檢測的理想模態(tài)。

在超聲導(dǎo)波模態(tài)轉(zhuǎn)換、頻散曲線等理論研究方面，Lowe M J S 等分析總結(jié)了不同程度缺陷對(duì)導(dǎo)波的模態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律和缺陷反射規(guī)律， 開發(fā)出Disperse 商用軟件， 可對(duì)各種規(guī)則物體計(jì)算其頻散曲線，提高識(shí)別缺陷的精度，并用縱向L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波驗(yàn)證了不同缺陷管道；研究了縱向L（0，2）和 扭 轉(zhuǎn)T（0，1）兩 種 激 勵(lì) 模 態(tài) 與 缺 陷反 射 系 數(shù) 之 間 的 關(guān) 聯(lián)，并 總 結(jié) 了 相 關(guān) 規(guī) 律［1，2］。Alleyne D N 等激勵(lì)縱向模態(tài)導(dǎo)波對(duì)擁有不同半徑的管道中的缺陷進(jìn)行了分析，總結(jié)了不同方向上周向缺陷的反射系數(shù)與管道半徑之間的關(guān)系［3］。 他得安等通過分析不同厚度和內(nèi)徑的管道的頻散曲線，得出管道的內(nèi)徑和厚度之比與頻散狀態(tài)存在一定的關(guān)系［4］。

在超聲導(dǎo)波激發(fā)設(shè)備 （如傳感器和壓電晶片）方面，李一博等研究了傳感器數(shù)量和間距對(duì)于導(dǎo)波檢測的影響，并以縱向L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波為例研究頻率對(duì)管道中缺陷檢測靈敏度的影響和一次導(dǎo)波有效檢測長度的區(qū)別［5］。 王悅民等研究激勵(lì)頻率和激發(fā)模式之間的聯(lián)系，通過選取激勵(lì)頻率可以抑制相關(guān)干擾波的產(chǎn)生［6］。 Nishino H 等將壓電晶片周期均勻布置在管道圓周，激發(fā)出扭轉(zhuǎn)T（0，m）模態(tài)用于管道檢測［7］。 Liu Z H 等開發(fā)的MPSA-MPT 陣列線圈可以增強(qiáng)扭轉(zhuǎn)T（0，1）模態(tài) 的 信 號(hào) 強(qiáng) 度［8］，Nurmalia 等 采 用 電 磁 傳 感 器 激勵(lì)出扭轉(zhuǎn)T（0，1）模態(tài)導(dǎo)波，通過改變管道上缺陷的形狀來研究其模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象［9］，Kim H W 等將磁致伸縮貼片線圈均勻布置在管道圓周，成功激發(fā)出扭轉(zhuǎn)T（0，1）模態(tài)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法具有識(shí)別管道中多個(gè)軸向裂紋位置的潛力［10］。

管道幾何結(jié)構(gòu)對(duì)超聲導(dǎo)波具有影響。Verma B等采用縱向L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波對(duì)不同的彎曲管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究總結(jié)了不同彎曲角度管道的透射率和模態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律，還研究了不同壁厚的彎曲管道對(duì)模態(tài)轉(zhuǎn)換的影響［11］。 Ni J 等研究了不同彎曲狀態(tài)下彎管的傳播特性、 缺陷檢測靈敏度等問題，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證［12］。 何存富等通過使用L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波對(duì)彎頭上不同位置的缺陷進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)檢測，驗(yàn)證L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波可以檢測彎頭處的缺陷［13］。 王秀彥等實(shí)驗(yàn)研究了不同中心曲率半徑的90°彎管的透射系數(shù)， 總結(jié)出彎管中心曲率半徑與透射系數(shù)之間的關(guān)系［14］。 王悅民等使用超聲導(dǎo)波對(duì)多彎頭的管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)磁致伸縮激勵(lì)的超聲導(dǎo)波可以檢測管道缺陷，但彎管中的能量衰減呈指數(shù)下降［15］。

采用有限元方法模擬超聲導(dǎo)波在管道中的傳播、頻散現(xiàn)象和模態(tài)轉(zhuǎn)換方面，是一種有效、成熟的研究手段。 何存富等模擬了縱向L（0，m）模態(tài)和彎曲F（1，m ）模態(tài)導(dǎo)波在管道中的傳播過程，觀測到各個(gè)模態(tài)的頻散現(xiàn)象，其中縱向L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波頻散現(xiàn)象最小，傳播速度最快［16］。鄭明方等使用ABAQUS 有限元模擬了縱向L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波在環(huán)形缺陷圓管中的傳播過程，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過環(huán)形缺陷時(shí)超聲導(dǎo)波由縱向L（0，2）模態(tài)轉(zhuǎn)換成縱向L（0，1）模態(tài)［17］。 Demma A 等模擬了超聲導(dǎo)波在彎頭處的頻散現(xiàn)象，并總結(jié)了不同模態(tài)導(dǎo)波在彎頭處反射率與透射率的關(guān)系［18］。Nishino H 等模擬了縱向L（0，1）模態(tài)導(dǎo)波在不同彎曲角度的彎管中的傳播現(xiàn)象，觀測到在低頻范圍內(nèi)，縱向L（0，1）模態(tài)經(jīng)過彎頭時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)換成彎曲F（1，1）模態(tài)，且幅值強(qiáng)度隨著彎管彎曲角度的增加而增加［19］。

目前，超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)在管道檢測中的應(yīng)用已經(jīng)越來越成熟， 超聲導(dǎo)波在檢測范圍、檢測靈敏度方面有著極大的優(yōu)勢(shì)。 針對(duì)管道中的切槽、裂紋、孔、腐蝕及密集型坑洞等典型缺陷，基于不同模態(tài)超聲導(dǎo)波進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，而裂紋缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)作用于超聲導(dǎo)波回波幅值的量化影響研究還不夠。 鑒于模擬研究對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的可視化表征方面發(fā)揮了積極作用，筆者采用數(shù)值模擬方法，通過改變彎管彎頭處裂紋缺陷的位置和側(cè)壁處缺陷的周向長度、軸向?qū)挾群蛷较蛏疃?，探究?duì)超聲導(dǎo)波回波最大幅值相對(duì)值的影響規(guī)律，這對(duì)于利用超聲導(dǎo)波快速分析裂紋缺陷的類型位置，判斷是否進(jìn)一步對(duì)設(shè)備管道進(jìn)行健康診斷與監(jiān)測有著參考價(jià)值。

1 模型建立

1.1 三維模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

彎管材料選用不銹鋼材料，將彎管分為直管段和彎管段建立三維模型，管道模型參數(shù)如下：

彎管外徑 60.30mm

彎管壁厚 3.91mm

彈性模量 217GPa

泊松比 0.286

密度 7 932kg/m3

彎頭中心線曲率半徑 100.00mm

如圖1 所示， 在彎頭處設(shè)置一個(gè)裂紋缺陷，通過改變?nèi)毕葺S向?qū)挾萢 和周向長度b 兩個(gè)參數(shù)，能模擬出不同尺寸的周向裂紋缺陷，改變徑向深度h，能模擬裂紋缺陷的局部減薄。筆者主要研究周向缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)縱向L（0，2）導(dǎo)波的影響。 筆者采用ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行模擬，綜合考慮計(jì)算速度和精度，采用四面體單元C3D10對(duì)管道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在裂紋缺陷區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，提高計(jì)算精度。

圖1 裂紋缺陷的實(shí)體模型和網(wǎng)格模型

具體裂紋缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。其中，在沿管道徑向深度方向上設(shè)置的不同深度缺陷，分別代表由管道淺層表面直至貫穿整個(gè)壁厚的缺陷類型。 通過固定其中兩個(gè)參數(shù)，改變第3 個(gè)參數(shù)的賦值，研究裂紋缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對(duì)缺陷回波最大幅值相對(duì)值的影響，確定出超聲導(dǎo)波經(jīng)過彎頭處不同參數(shù)缺陷的傳播特性。

表1 管道裂紋缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 激勵(lì)信號(hào)加載

如圖2 所示， 將管道其中一個(gè)端面設(shè)為約束面，固定6 個(gè)自由度，另一端面設(shè)置為激勵(lì)面，將激勵(lì)面分為內(nèi)、中、外3 個(gè)區(qū)域，其中的中間區(qū)域作為激勵(lì)信號(hào)的加載區(qū)域，在激勵(lì)信號(hào)的加載區(qū)域施加中心頻率為70kHz、 周期數(shù)為5 的漢寧窗調(diào)制正弦超聲導(dǎo)波信號(hào)，內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域作為激勵(lì)信號(hào)的接收區(qū)域，用來接收裂紋缺陷回波和約束端面回波。

圖2 縱向模態(tài)超聲導(dǎo)波加載方式示意圖

如在外徑60.30mm、 壁厚3.91mm 彎管彎頭側(cè)壁處設(shè)置一個(gè)a=1.00mm、b=20.00mm 的周向裂紋缺陷，在端面激勵(lì)一個(gè)超聲導(dǎo)波信號(hào)，提取時(shí)域波形如圖3 所示。 可以看出，時(shí)域波形中存在初始信號(hào)和明顯的缺陷與端面回波，證明在彎頭上的缺陷能夠被檢測出來。

2 模擬結(jié)果和分析

2.1 裂紋缺陷位置對(duì)超聲導(dǎo)波回波最大幅值相對(duì)值的影響

圖3 彎管周向裂紋缺陷檢測的時(shí)域波形

超聲導(dǎo)波在彎管中傳播時(shí)，在彎頭處會(huì)發(fā)生不同程度的衰減。 為了研究不同位置處的周向裂紋缺陷對(duì)導(dǎo)波檢測的影響，以經(jīng)過管道最外側(cè)母線的中心面作為基準(zhǔn)面， 分別每隔45°設(shè)置一個(gè)a=1.00mm、b=20.00mm 的周向裂紋缺陷， 分別表示為A、B、C、D、E（圖4）。

圖4 裂紋缺陷位置分布示意圖

為了提高計(jì)算精度，增加數(shù)據(jù)模型，分別設(shè)置3 種不同深度h （1.00、2.50、3.91mm） 進(jìn)行分析，提取激勵(lì)面接收區(qū)域接收的裂紋缺陷回波的最大幅值，與初始信號(hào)最大幅值相比，即進(jìn)行歸一化處理，其缺陷回波最大幅值相對(duì)值隨缺陷位置角度與深度的變化關(guān)系如圖5 所示。

圖5 缺陷回波最大幅值相對(duì)值隨裂紋缺陷位置的變化

從圖5 看出，裂紋缺陷在彎頭外側(cè)時(shí)缺陷回波最大幅值相對(duì)值明顯高于內(nèi)側(cè)， 且逐步遞減。表明裂紋缺陷在彎頭內(nèi)側(cè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)比較大的能量耗散，不容易被檢測，當(dāng)裂紋缺陷出現(xiàn)在彎頭外側(cè)時(shí)，會(huì)有明顯的缺陷回波，比較容易被檢測。在彎頭處由于管道幾何結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致超聲導(dǎo)波反射、折射的路徑發(fā)生了改變，縱向L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波在彎頭處發(fā)生了頻散現(xiàn)象，在彎頭內(nèi)側(cè)的缺陷不易被檢測，外側(cè)的缺陷比較容易被檢測。

2.2 軸向?qū)挾葘?duì)L（0，2）導(dǎo)波缺陷回波最大幅值相對(duì)值的影響

考慮到缺陷位置對(duì)缺陷回波最大幅值相對(duì)值的影響， 在彎頭90°側(cè)壁C 處的缺陷回波最大幅值相對(duì)值適中，具有一定的代表性。 筆者研究側(cè)壁C 處裂紋缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)回波最大幅值相對(duì)值的影響，提取不同裂紋的缺陷軸向?qū)挾群蛷较蛏疃龋?獲得各自的缺陷回波最大幅值相對(duì)值，如圖6 所示。

圖6 回波最大幅值相對(duì)值隨軸向?qū)挾鹊淖兓?/p>

從圖6 可以看出，當(dāng)缺陷的周向長度b 和徑向深度h 固定時(shí)，不同的軸向?qū)挾萢 反射幅值起伏很小，說明對(duì)于縱向L（0，2）導(dǎo)波來說，軸向?qū)挾萢 的變化不是引起缺陷幅值變化的主要因素，縱向L（0，2）導(dǎo)波對(duì)于軸向?qū)挾萢 不敏感。表明對(duì)于沿管道軸向的缺陷（軸向?qū)挾萢 較小、周向長度b 較大）來說，縱向L（0，2）導(dǎo)波不易檢測。

2.3 周向長度對(duì)L（0，2）導(dǎo)波缺陷回波最大幅值相對(duì)值的影響

由于縱向L（0，2）導(dǎo)波對(duì)于軸向?qū)挾萢 不敏感， 在彎頭側(cè)壁C 處， 固定缺陷軸向?qū)挾萢 為1.00mm 不會(huì)帶來明顯影響， 研究徑向深度h 為1.00、2.50、3.91mm， 周向長度b 為10.00、15.00、20.00、25.00、30.00mm，提取不同缺陷周向長度和徑向深度， 獲得各自的缺陷回波最大幅值相對(duì)值，如圖7 所示。

圖7 回波最大幅值相對(duì)值隨周向長度的變化

從圖7 可以看出，對(duì)于管道淺層缺陷，即徑向深度h 為1.00mm 時(shí)，縱向L（0，2）導(dǎo)波缺陷回波最大幅值相對(duì)值范圍為0.15～0.29；對(duì)于管道中部缺陷，即徑向深度h 為2.50mm 時(shí)，縱向L （0，2） 導(dǎo)波缺陷回波最大幅值相對(duì)值范圍為0.24～0.52；對(duì)于貫穿整個(gè)管道壁厚的缺陷，即徑向深度h 為3.91mm 時(shí)，縱向L（0，2）導(dǎo)波缺陷回波最大幅值相對(duì)值范圍為0.31～0.64。 可以看出，缺陷回波最大幅值相對(duì)值對(duì)周向長度b 值的變化較為敏感，縱向L（0，2）導(dǎo)波可以檢測沿管道周向的缺陷。 當(dāng)缺陷軸向?qū)挾萢 和徑向深度h 不變，b 值不斷增大時(shí)， 缺陷回波幅值逐漸增大，但增長速率在逐漸減緩。

2.4 徑向深度對(duì)L（0，2）導(dǎo)波回波最大幅值相對(duì)值的影響

在彎頭側(cè)壁C 處， 固定缺陷寬度為1.00mm，周向長度b 為10.00、20.00、30.00mm， 徑向深度h分別為1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50、3.91mm，提取不同缺陷周向長度和徑向深度， 獲得各自的缺陷回波最大幅值相對(duì)值，如圖8 所示。

從圖8 可以看出，對(duì)比不同徑向深度h 下的缺陷回波最大幅值相對(duì)值，縱向L（0，2）導(dǎo)波回波最大幅值相對(duì)值對(duì)缺陷深度h 的檢測較為敏感，在周向長度b 為10.00mm 下，縱向L（0，2）導(dǎo)波缺陷回波最大幅值相對(duì)值范圍為0.15～0.31；在周向長度b 為20.00mm 下，縱向L（0，2）導(dǎo)波缺陷回波最大幅值相對(duì)值范圍為0.21～0.46；周向長度b 為30.00mm 下，縱向L（0，2）導(dǎo)波缺陷回波最大幅值相對(duì)值范圍為0.28～0.62。 當(dāng)缺陷軸向?qū)挾萢、周向長度b 固定不變時(shí)，缺陷深度h 增大，缺陷回波最大幅值相對(duì)值也明顯增大，對(duì)比周向長度b，徑向深度h 的影響更為明顯。

圖8 回波最大幅值相對(duì)值隨徑向深度的變化

3 結(jié)束語

筆者采用ABAQUS 軟件模擬了超聲導(dǎo)波在設(shè)置不同位置、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的裂紋缺陷的彎頭中的傳播。 研究發(fā)現(xiàn)，超聲導(dǎo)波在彎頭處會(huì)出現(xiàn)頻散現(xiàn)象，在彎頭外側(cè)缺陷回波最大幅值相對(duì)值比內(nèi)側(cè)的要高，而且逐步降低，表明在彎頭內(nèi)側(cè)的裂紋缺陷比較難以檢測，在彎頭外側(cè)的裂紋缺陷比較容易檢測。對(duì)周向裂紋缺陷縱向L（0，2）導(dǎo)波來說，軸向?qū)挾萢 的改變對(duì)于縱向L（0，2）導(dǎo)波缺陷回波最大幅值相對(duì)值無顯著影響，而周向長度b 和徑向深度h 增大時(shí)，缺陷回波最大幅值相對(duì)值有明顯增大，但對(duì)于周向長度b 的增長其變化速率有所減緩，相比較而言徑向深度h 的影響更明顯。 總的來說，缺陷在縱向L（0，2）導(dǎo)波振動(dòng)方向上的特征長度越長，缺陷回波最大幅值相對(duì)值越大，缺陷越容易被檢測。 研究結(jié)論對(duì)應(yīng)用超聲導(dǎo)波技術(shù)分析管道彎頭縱向裂紋缺陷位置、參數(shù)敏感性以及是否采取進(jìn)一步應(yīng)對(duì)措施有著一定的參考價(jià)值。