鋼管無損檢測中的磁致伸縮導波技術試驗研究

孫欽蕾，李愛華，范江瑋，劉美全

（1.軍械工程學院車輛與電氣工程系，河北石家莊 050003；2.軍械工程學院無人機工程系，河北石家莊 050003）

輸液輸氣管道在工業(yè)、農業(yè)、軍事等領域中占有極為重要的地位。在管道使用過程中，由于壓力、溫度等原因極容易發(fā)生腐蝕、裂縫等缺陷，一旦缺陷達到一定程度將會導致管道泄漏乃至爆炸等安全事故，因此必須定期對管道進行無損檢測。目前常規(guī)的無損檢測方法主要有射線照相法、超聲波檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測、聲發(fā)射檢測、超聲波衍射時差法等，但這些方法需要去除管線的包敷層，并且只能進行逐點檢測，檢測速度慢，經濟成本和人力成本都大大提高。

磁致伸縮導波檢測技術是近年來興起的一種新型無損檢測方法，由于其具有單點激勵長距離檢測、檢測方式簡單、檢測精度高等優(yōu)點［1－7］，在管道無損檢測中日益受到關注。目前國外研究導波技術的主要有英國導波公司和美國西南研究院的研究團隊［8］，他們已經生產出導波檢測儀并在部分領域得到使用，但是由于其價格昂貴，大范圍的推廣應用受到限制［3］。中國許多機構開展了磁致伸縮導波的研究，其中王悅民等［9］研究了管道導波無損檢測頻率選擇與管材特征的關系，對后續(xù)研究具有重要的實用意義；張易農［10］研制了鋼絞線超聲導波檢測用磁致伸縮型傳感器，實現了對鋼絞線中預應力的測量；劉卓然等［7］研究了不同材質鋼管缺陷檢測的電磁超聲傳感器直流電磁鐵的勵磁電流與超聲波幅值的關系及其與磁致伸縮曲線的變化關系，為以不同材質鋼管進行試驗提供了理論支撐。

但是上述研究都處于試驗階段，在市面上尚沒有國產的磁致伸縮無損檢測設備。針對中國在該領域內研究偏重于理論性，而工程性不強的缺陷，聚焦采用磁致伸縮導波技術對輸氣和輸液管道進行無損檢測的可行性及其傳播特點等熱點問題，通過對4處輸液輸氣管道實施的檢測試驗，力求驗證磁致伸縮導波技術能夠檢出并定位管道突變這一重要結論。所獲得的試驗數據和工程經驗對于進一步擴大在非空管道檢測中的應用研究具有重要借鑒意義。

1 磁致伸縮導波管道無損檢測原理及裝置

鐵磁體在外磁場中被磁化時，其外型尺寸會發(fā)生變化，即產生磁致伸縮應變，從而在鐵磁體內激發(fā)應力波，這種應力波實際上是結構導波，也是一種彈性波。相反，鐵磁體材料在受到彈性波作用時，會產生逆磁致伸縮效應，引起磁導率或磁阻的變化，進而引起鐵磁體內磁感應強度的變化。根據法拉第電磁感應定律，變化的磁感應強度必定引起接收線圈電壓的變化，從而實現對機械量彈性力的電學量測量轉變。聲波遇到介質不連續(xù)時即聲阻抗不同時將發(fā)生反射、折射和模式轉換現象，因此聲波在介質中傳播時的回波信號將包含豐富的介質連續(xù)信息，通過分析回波信號特征就可以實現對結構中是否存在聲阻抗不同介質如腐蝕、裂紋、破損等缺陷的判斷，經過信號處理還可以進一步對缺陷的類型、大小進行識別，從而實現對結構健康狀況的評估［11］。這就是磁致伸縮效應在無損檢測中應用的機理。也可以簡單歸納為基于磁致伸縮效應的導波產生:即鐵磁性材料在外磁場的作用下，其實際的外型尺寸將發(fā)生小的改變。基于磁致伸縮逆效應的導波檢測:即鐵磁性材料受到機械應力（或應變）時，其磁感應強度將發(fā)生變化［12－14］，如圖1所示。

圖1 導波產生與檢測的機理Fig.1 Mechanism of guided wave generation and test

由于磁致伸縮效應使得鐵磁性材料在磁化時發(fā)生形變，并且這一現象與磁化過程密切相關，因此，若對鐵磁性材料施加一個交變磁場，必然能在該材料中獲得相應的機械振動。圖2給出了利用磁致伸縮效應在鐵磁性材料中產生機械振動的示意圖，輸入交變磁場，由于磁致伸縮效應，可以得到一個機械振動輸出［15－17］。

圖2 基于磁致伸縮效應的磁與機械信號的轉換Fig.2 Transform with magnetization and mechanical signal based on magnetostrictive effect

磁性材料在方向相反的磁場作用下，形變方向不會改變，因此若僅僅外加一個交變磁場，磁性材料的振動頻率將為交變磁場變化頻率的2倍，這種現象稱為倍頻效應。倍頻效應的存在，使得能量轉換的效率較低，在實際應用中，必須克服倍頻效應，提高能量的轉換效率。要得到與交變磁場同步的線性磁致伸縮變化，就必須再加一個適當的直流磁場，這一直流磁場稱為偏置磁場。在沒有偏置磁場情況下，對鐵磁性材料施加交變磁場Ai，得到機械振動輸出Ao，由圖2可以看出，Ao的頻率是輸入信號Ai的2倍；施加適當的偏置磁場后，輸入交變磁場Ci，鐵磁性材料中可以獲得同頻率的機械振動信號Co。

根據以上論述，設計出如圖3所示的基于磁致伸縮效應的磁致伸縮導波激勵裝置［18］。在鐵磁性構件上繞制一個很短的線圈，當線圈中通過交流電信號時，鐵磁性構件中將感應出交變磁場，由于磁致伸縮效應，構件中激勵出磁致伸縮導波。偏置磁場的存在是為了消除倍頻效應，提高電聲轉換效率。

2 磁致伸縮導波技術管道檢測試驗

2.1 試驗條件

利用導波快速檢測的特點，針對某輸液輸氣管道進行導波驗證性試驗，即檢測已知的法蘭及焊縫的有無及其位置，以判斷管道本身變化對導波的影響，從而驗證導波檢測缺陷的可行性。管道材質為20號鋼，試驗在4處（A1—A4）管道進行，4處管道情況如表1所示。

表1 4處管道情況Tab.1 Pipe state about four positions

試驗布置如圖4所示。

2.2 管道導波檢測流程

管道導波檢測流程如下［14，19－20］。

第1步:選取待測管道準備進行檢測的區(qū)域，根據檢測需要對安裝傳感器的位置進行打磨。

圖4 試驗布置圖Fig.4 Testing arrangement situations

第2步:連接電源，檢查設備情況并識別現場電源噪聲。

第3步:a）選取傳感器；b）磁化高能磁致伸縮帶；c）安裝高能磁致伸縮帶、激勵線圈和接收線圈，如圖5所示；d）主機產生導波激勵信號，現場檢測實物如圖6所示。

第4步:信號采集處理，判斷管道焊縫及法蘭的存在及其位置。

圖5 傳感器安裝Fig.5 Sensors installation

圖6 現場檢測實物圖Fig.6 Testing ground

2.3 檢測試驗與結論

磁致伸縮導波激勵頻率64kHz，試驗中對4個20號鋼管道進行了數據采集及試驗分析，檢測結果給出了信號位置、歸一化的信號最大幅值以及距離補償后的信號最大幅值。

1）A1管道檢測

A1管道檢測波形如圖7所示。

圖7 64kHz頻率下A1管道檢測波形Fig.7 A1pipe testing figure under 64kHz

檢測結果如表2所示。

表2 A1管道檢測結果Tab.2 Test result of A1pipe

2）A2管道檢測

A2管道檢測波形如圖8所示。

圖8 64kHz頻率下A2管道檢測波形Fig.8 A2pipe testing figure under 64kHz

檢測結果如表3所示。

表3 A2檢測結果Tab.3 Test result of A2pipe

3）A3管道檢測

A3管道檢測波形如圖9所示。

檢測結果如表4所示。

圖9 64kHz頻率下A3管道檢測波形Fig.9 A3pipe testing figure under 64kHz

表4 A3管道檢測結果Tab.4 Test result of A3pipe

4）A4管道檢測

A4管道檢測波形如圖10所示，檢測結果見表5。

圖10 64kHz頻率下A4管道檢測波形Fig.10 A4pipe testing figure under 64kHz

表5 A4管道檢測結果Tab.5 Test result of A4pipe

3 結 語

試驗驗證了磁致伸縮導波技術應用于輸氣和輸液管道無損檢測的可行性；該技術能夠較好地檢測出充氣直管焊縫、法蘭等突變及其位置，但較難應用于彎管的檢測，充液管道的缺陷可以被檢出，但較輸氣管道的衰減大，檢測距離將大幅衰減。同時，觀察圖7—圖10發(fā)現，若在未知管道情況下，從導波檢測波形上不易辨別法蘭、焊縫等類別，因此導波對于缺陷類別和缺陷尺寸的檢測還存在一定的局限性，需要結合其他手段得到，本文在此未加探討。

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