超聲導(dǎo)波檢測管道缺陷的實驗研究

石小何 井 然 嚴有琪

（1．江蘇省特檢院鎮(zhèn)江分院 2.江蘇大學(xué)）

0 引言

管道在化工、石油、能源、航空等各類工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。管道通常都是埋在地下的，其輸送距離長。然而由于管道老化、腐蝕和外力損傷等原因，常造成管道泄漏，除了影響正常的生產(chǎn)外，還造成資源浪費、經(jīng)濟損失，甚至?xí)o人們的生命安全造成巨大隱患。因此，管道需要定期檢測，以保證其安全運行。常用的管道檢測方法是單點檢測，這種檢測方法要求剝開管道的外包層進行檢測，存在檢測速度慢、檢測費用高、檢測距離短、檢測結(jié)果誤差大等不足。而超聲導(dǎo)波檢測作為一種新興的無損檢測方法，其具有沿傳播路徑衰減小的特性，可以對管道內(nèi)、外表面的缺陷進行長距離檢測，具有快速、可靠、經(jīng)濟且無須剝離外包層的優(yōu)點[1-2]。

隨著導(dǎo)波檢測技術(shù)的推廣應(yīng)用，在缺陷檢測時準(zhǔn)確地確定缺陷的位置已成為一個重要的問題。本文對超聲導(dǎo)波的缺陷檢測原理做了闡述。同時，以反射波理論為基礎(chǔ)，搭建了超聲導(dǎo)波管道缺陷檢測的實驗平臺，通過實驗驗證了超聲導(dǎo)波在管道缺陷檢測定位上的可行性。

1 超聲導(dǎo)波的檢測原理

1.1 導(dǎo)波的傳播與模態(tài)選擇

導(dǎo)波是由于聲波在介質(zhì)中的不連續(xù)交界面間產(chǎn)生多次往復(fù)反射，并進一步產(chǎn)生復(fù)雜的干涉和幾何彌散而形成的。超聲導(dǎo)波在管道等有界介質(zhì)中傳播時，受介質(zhì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響較大。超聲波傳播速度依賴于波的頻率，因而導(dǎo)波的相速度隨著頻率的不同而改變，這就是超聲導(dǎo)波的頻散現(xiàn)象。圖1為超聲導(dǎo)波的縱向模態(tài)頻散曲線圖。

圖1 縱向模態(tài)頻散曲線圖

根據(jù)Silk和Bainton的理論，在管道中，沿軸向傳播的超聲導(dǎo)波存在3種不同模態(tài)，即軸對稱縱向模態(tài)L(0,m)、縱向非軸對稱模態(tài)F(n,m)和軸對稱扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,m)。其中，m和n分別表示模態(tài)的周向階次和模數(shù)。通常，激勵單元能夠激勵出某一頻率帶寬內(nèi)的所有模態(tài)，導(dǎo)致很難分析單一模態(tài)，故激勵單一模態(tài)的超聲導(dǎo)波是必要的。軸對稱縱向模態(tài)L(0,2)由于傳播速度快，能比其它模態(tài)的導(dǎo)波更快到達導(dǎo)波接收裝置，在時域內(nèi)更易于區(qū)分。同時，在高于某一頻率的頻率帶寬內(nèi)，L(0,2)模態(tài)無頻散現(xiàn)象。另外，L(0,2)模態(tài)的導(dǎo)波內(nèi)外表面的徑向位移均相對較小，傳播過程中能量泄漏現(xiàn)象也相對較小，傳播距離相對較長，故可以檢測更長距離的管道。

1.2 缺陷軸向定位

管道中傳播的導(dǎo)波波速與管道材料的性質(zhì)有關(guān)，在特定材料下其波速恒定。具體的波速公式如式（1）所示[3]：

式中C——L(0,2)模態(tài)和T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波在管道中的傳播速度，mm/s；

E——管道材質(zhì)的彈性模量，MPa；

ρ——管道材質(zhì)的密度，kg/m3；

υ——泊松比。

試建立一管道缺陷模型，如圖2所示。即在管道一端設(shè)置傳感器單元，通過激勵產(chǎn)生一縱向應(yīng)力波，并采用同端激勵、同端接收的方式。假定距管道接收信號位置x處有一缺陷，并設(shè)從激發(fā)到接收缺陷回波信號的時間間隔為t，則有下式成立：

圖2 缺陷軸向定位

導(dǎo)波從傳感器發(fā)出并經(jīng)缺陷反射到接收器的傳播時間t（單位ms）可測量獲取，故x值可確定。由式 （1）、式 （2）即可判斷缺陷在管道中的具體軸向位置。

2 實驗研究

2.1 實驗裝置

實驗裝置由鋼管、計算機、任意波形發(fā)生器(YB3020A)、多功能混合數(shù)字存儲示波器(LDS31010)和探頭 (一組PZT5壓電陶瓷片)所組成。激勵信號為單音頻信號，由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生。激勵傳感器單元，在管道中產(chǎn)生縱向模態(tài)L(0,2)超聲導(dǎo)波。激勵導(dǎo)波后，將接收到的導(dǎo)波信號顯示在數(shù)字示波器上，通過示波器上的USB接口將數(shù)據(jù)輸入到計算機中，用于信號分析和處理。本實驗中，被測試的管道為碳鋼無縫管，長度為3 m，鋼管外直徑為76 mm，壁厚為4 mm，密度為7800 kg/m3。

為了對管道中的缺陷進行準(zhǔn)確的定位和研究，在每根管道距導(dǎo)波激勵端2 m處加工一個人工周向裂紋非穿透缺陷。該缺陷的周向弧長為30 mm，最大深度為2.5 mm。經(jīng)計算，缺陷橫截面面積與管道橫截面面積之比為7%。

2.2 探頭選取

探頭采用PZT5長度伸縮型壓電陶瓷片，將壓電陶瓷片在管道一端部周向均勻分布，采用并聯(lián)連接，并采用耦合劑和502膠水粘貼在管道表面。實驗中采用同端激勵、同端接收的方式，當(dāng)管道中存在缺陷時，反射的缺陷回波會被接收，通過式（1）、式（2）即可計算出缺陷沿管道軸向的具體位置。

2.3 激勵信號

為了在管道中激勵出L(0,2)模態(tài)，實驗中采用的震蕩周期為10個單音頻信號。如圖3所示，頻域圖中峰值點對應(yīng)的頻率即為采樣頻率0.7 MHz。

圖3 時域圖和頻域圖

2.4 實驗結(jié)果與分析

實驗中采用整環(huán)激勵、整環(huán)接收的方式，以消除彎曲波和扭轉(zhuǎn)波的影響。圖4所示為缺陷橫截面面積與管道橫截面面積之比為7%的裂紋位移時程曲線，根據(jù)式 （2）可計算出缺陷位置，即

其中，波速C=5400 mm/s。本文實驗中預(yù)設(shè)的裂紋缺陷位置在距接收端2 m處，故計算結(jié)果與實際裂紋位置相吻合。

當(dāng)超聲導(dǎo)波通過缺陷時，由于介質(zhì)的不連續(xù)性和缺陷的非對稱性，導(dǎo)波在缺陷處將發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換。由圖4可知，缺陷回波后面的回波波形即為發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換后的波形，新模態(tài)的導(dǎo)波回波稱為轉(zhuǎn)換回波。通過轉(zhuǎn)換回波傳播時間和缺陷位置，可計算出新模態(tài)導(dǎo)波的波速，從而可根據(jù)頻散曲線確定出該導(dǎo)波的模態(tài)。

圖4 裂紋位移時程曲線

3 結(jié)論

（1）通過測量裂紋缺陷反射波導(dǎo)波傳播的時間，可準(zhǔn)確地判斷出缺陷所在位置。反射波返回的時間與缺陷大小無關(guān)，而與缺陷位置和材料參數(shù)有關(guān)。（2）當(dāng)超聲導(dǎo)波通過缺陷時，由于介質(zhì)的不連續(xù)性和缺陷的非對稱性，導(dǎo)波在缺陷處將發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換。

[1] 吳斌,劉增華,王秀彥,等.利用縱向?qū)Рz測充水管道周向缺陷的實驗研究 [J].中國機械工程,2005,16(22)：2038-2043.

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[3] Joseph L Rose.固體中的超聲波 [M].何存富，吳斌，王秀彥譯.北京：科學(xué)出版社，2004.