用于管道縱向缺陷檢測(cè)的超聲波線性探頭的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

呂慶貴,查華彬,唐 宇

(1.中國(guó)石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院,成都 610213;2.四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司,成都 610213)

眾所周知,在環(huán)狀結(jié)構(gòu)(如軸承、管道)中,沿其徑向生長(zhǎng)和擴(kuò)展的疲勞裂紋缺陷會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生很大影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使結(jié)構(gòu)失效。而廣泛應(yīng)用于天然氣、熱力和石油等工業(yè)領(lǐng)域中的管道系統(tǒng),通常也會(huì)沿其縱向或斜向產(chǎn)生裂紋缺陷,造成安全隱患[1]。常規(guī)的超聲成像檢測(cè)技術(shù)常用于檢測(cè)厚壁環(huán)狀結(jié)構(gòu)的徑向裂紋,但不能實(shí)時(shí)檢測(cè)和集成診斷。應(yīng)用超聲波技術(shù)檢測(cè)沿管道周向分布的裂紋缺陷已經(jīng)較為常見,對(duì)于管道縱向或者斜向裂紋缺陷的研究較少[2]。筆者提出了一種利用特殊線性探頭來(lái)檢測(cè)管道縱向缺陷的方法,并用自行研制的超聲光彈設(shè)備進(jìn)行了驗(yàn)證,證明了方法的可行性。

1 線性探頭的設(shè)計(jì)

筆者把多個(gè)壓電晶片貼在有機(jī)玻璃上面,利用超聲波在有機(jī)玻璃中的延時(shí),使后到達(dá)的超聲波一直在加強(qiáng)沿管道中傳播的超聲波。如圖1所示,脈沖發(fā)生器發(fā)出的階躍脈沖同時(shí)激勵(lì)有機(jī)玻璃上的換能器線陣壓電晶片,離圓環(huán)最近的壓電晶片激發(fā)出的超聲波首先到達(dá)玻璃圓環(huán)并沿著圓環(huán)管道傳播。在傳播過(guò)程中,相鄰壓電晶片激發(fā)的超聲波經(jīng)過(guò)楔塊也到達(dá)圓環(huán)。設(shè)計(jì)特殊的有機(jī)玻璃楔塊形狀,使到達(dá)圓環(huán)的兩個(gè)聲波的相位差滿足≤λ/8,則后到達(dá)的超聲波加強(qiáng)了前面超聲波的能量,以此類推。只要使楔塊的設(shè)計(jì)滿足上述條件,則超聲波在傳播中不斷得到加強(qiáng)。該方法的重點(diǎn)是有機(jī)玻璃楔塊角度的設(shè)計(jì)。

如圖2所示,以圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系,超聲波從A點(diǎn)開始向B點(diǎn)傳播。在傳播中,圓上每一點(diǎn)都可以看作新的輻射源,圖中Q為A到B中的任意一點(diǎn)。設(shè)R為圓的半徑,c1為超聲波在圓上聲速,c2為超聲波在圓外介質(zhì)中聲速,t1為超聲波在圓上傳播時(shí)間,t2為超聲波在圓外介質(zhì)中的傳播時(shí)間,α為超聲波從一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)的折射角,C點(diǎn)為t時(shí)刻超聲波到達(dá)的位置,則可得出:

由圖2所示幾何關(guān)系可得出任意一點(diǎn)C的坐標(biāo)(楔塊上壓電晶片分布曲線)為:

2 試驗(yàn)研究

2.1 壓電晶片分布曲線圖

試驗(yàn)中選取的玻璃圓環(huán)外徑為100 mm,內(nèi)徑為90 mm,圓環(huán)中瑞利波速度cr=3 210 m/s,縱波速度cL=5 900 m/s,橫波速度 cs=3 520 m/s,有機(jī)玻璃楔塊的縱波速度cL=2 690 m/s。

把上述速度代入式(3)中,利用Matlab軟件,分別模擬出關(guān)于縱波、橫波和瑞利波的楔塊上分布?jí)弘娋那€,如圖3所示。按圖中求出的曲線加工楔塊并貼上壓電晶片。試驗(yàn)中采用 3個(gè)長(zhǎng)為22 mm,寬為6～8mm,頻率為2 MHz的壓電晶片,晶片間距為1 mm,分布在有機(jī)玻璃楔塊上,如此就得到一個(gè)簡(jiǎn)易的探頭。

2.2 光彈試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖4所示,光源為高亮度LED,激發(fā)它的電脈沖寬度為20 ns,光源發(fā)出的光脈沖3 dB帶寬為50 ns,有較好的同步性能,對(duì)于8 MHz以下的聲脈沖可以分辨出單獨(dú)的周期。凸透鏡L1和L2焦距為960 mm(有效口徑約為320 mm)。CCD選用的型號(hào)為 WV-CP230,靈敏度 F0.75時(shí)為0.6 Lux?？刂破髟?時(shí)刻命令發(fā)出聲激發(fā)脈沖,通過(guò)延時(shí)器,在τ時(shí)刻命令發(fā)出光脈沖。上述過(guò)程以較低的頻率重復(fù),就可以觀察或記錄到被“凍結(jié)”在固體中的聲場(chǎng),延時(shí)時(shí)間在0～99.9 μ s內(nèi)可調(diào),最小時(shí)間間隔為0.1 μ s,相當(dāng)于玻璃中傳播距離約0.5 mm。L1為準(zhǔn)直光束透鏡,L2為成像透鏡,P為起偏振片,A為檢偏振片,Q1和Q2為1/4波長(zhǎng)玻片[2]。

圖4 光彈試驗(yàn)裝置示意圖

使用圖4所示光彈系統(tǒng)對(duì)樣品中的超聲波進(jìn)行成像,以直觀地看到超聲波在玻璃圓環(huán)中的聲傳播行為。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

圖5～7是采用光彈系統(tǒng)獲得的不同波型在不同時(shí)刻的傳播圖像。

由圖5可見,縱波在傳播中遇到內(nèi)表面的缺陷時(shí),有明顯的反射。圖5(b)中由于入射的波比較強(qiáng),所以反射波在靜態(tài)圖像中不好區(qū)分,但是利用動(dòng)態(tài)的光彈軟件連續(xù)播放圖像時(shí)可以很明顯地區(qū)分出反射波。由圖6可見,橫波能量主要集中在圓環(huán)內(nèi)部,并且在傳播很遠(yuǎn)距離后還有很大能量。由圖7可見,瑞麗波能量主要集中在圓環(huán)外表面,傳播很遠(yuǎn)距離到達(dá)缺陷時(shí),可以清楚地看到反射波。

圖8是在相同測(cè)試條件下,單晶片探頭和線陣探頭測(cè)量的圖1所示樣品中外壁缺陷的回波信號(hào)。從圖中可以看出,采用單晶片探頭獲得的回波信號(hào)的幅值在示波器中為3.5格,線陣探頭獲得的回波信號(hào)的幅值為5格,幅值提高了1.5倍。

3 結(jié)論

(1)瑞利波對(duì)玻璃圓環(huán)外表面缺陷比較敏感,橫波對(duì)圓環(huán)內(nèi)部缺陷敏感,而縱波對(duì)圓環(huán)內(nèi)表面的缺陷敏感。

(2)設(shè)計(jì)的線性探頭可以加強(qiáng)所需波型的能量,以用于實(shí)際檢測(cè)工作。

[1] 他得安,易勇,劉鎮(zhèn)清.傳播距離對(duì)管中導(dǎo)波傳播特性的影響[J].無(wú)損檢測(cè),2003,25(11):553-556.

[2] 李隆濤,何存富,吳斌.周向超聲導(dǎo)播對(duì)管道縱向曲線檢測(cè)的研究[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2005,30(4):344-345.