基于超聲導(dǎo)波檢測(cè)的彎管缺陷數(shù)值模擬研究

趙冬梅 羅月迎 賈傳偉 巫帥珍

基于超聲導(dǎo)波檢測(cè)的彎管缺陷數(shù)值模擬研究

趙冬梅 羅月迎 賈傳偉 巫帥珍

(西南科技大學(xué)制造過程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川綿陽(yáng) 621010)

針對(duì)彎管缺陷檢測(cè)的問題，利用有限元方法，對(duì)彎管缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過建立90°彎管模型，在彎管中設(shè)置不同尺寸以及不同距離的雙缺陷，根據(jù)超聲導(dǎo)波理論設(shè)置有限元計(jì)算的參數(shù)，由計(jì)算結(jié)果擬合出雙缺陷中直管段腐蝕坑缺陷尺寸變化對(duì)彎頭處裂紋缺陷反射系數(shù)的影響曲線以及缺陷間距離不同時(shí)反射系數(shù)的變化趨勢(shì)曲線。結(jié)果表明，當(dāng)彎頭處缺陷的尺寸不變時(shí)，其反射系數(shù)隨直管段缺陷尺寸的變大而減小，兩個(gè)缺陷間的反射系數(shù)與兩缺陷間的距離變化關(guān)系可忽略不計(jì)。研究結(jié)果對(duì)彎管缺陷程度檢測(cè)有一定應(yīng)用價(jià)值。

彎管 超聲導(dǎo)波 缺陷檢測(cè) 有限元 反射系數(shù)

彎管作為管道系統(tǒng)不可或缺的部分，在船舶工業(yè)、石油化工領(lǐng)域以及城市建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。而因彎管缺陷造成重大損失或傷害的事件卻屢見不鮮，因此，找到一種高效、實(shí)用的彎管的缺陷檢測(cè)方法具有重要意義。目前，用于管件無損檢測(cè)的方法主要有漏磁檢測(cè)、渦流檢測(cè)等，但這些方法存在很多問題，例如需要探頭和管件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)探頭未到達(dá)的部位無法檢測(cè)，導(dǎo)致檢測(cè)效率較低。

超聲導(dǎo)波技術(shù)具有一次性檢測(cè)衰減小等優(yōu)點(diǎn)，為彎管質(zhì)量檢測(cè)提供了一種具有吸引力的檢測(cè)技術(shù)。目前超聲導(dǎo)波檢測(cè)在直管中的檢測(cè)研究較多，而在彎管檢測(cè)中應(yīng)用相對(duì)較少。在彎管檢測(cè)中，所有模態(tài)導(dǎo)波因彎曲產(chǎn)生的回波都可以忽略不計(jì)［1］。Hideo Nishino等［2］研究了導(dǎo)波在彎管中隨著彎曲角度的不同，L(0，1)模態(tài)的反射和模態(tài)轉(zhuǎn)變的變化特征。北京工業(yè)大學(xué)何存富教授等［3］用有限元方法對(duì)導(dǎo)波在帶單缺陷及雙缺陷的90°彎管中的傳播分別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明利用有限元方法可以對(duì)彎管缺陷檢測(cè)進(jìn)行有效的數(shù)值模擬。

本文通過有限元數(shù)值分析方法，利用ANSYS/ LS－DYNA模塊對(duì)超聲導(dǎo)波在彎管加工中的不同位置、不同類型的缺陷檢測(cè)進(jìn)行一些探索，在一定程度和范圍內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果預(yù)測(cè)和評(píng)估，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，可為超聲導(dǎo)波在工程實(shí)際中對(duì)缺陷程度的檢測(cè)提供參考。

1 彎管有限元的建立

彎管的幾何模型參數(shù):彎管長(zhǎng)度為1.957 m，彎曲角度90°，外徑80 mm，壁厚4 mm，曲率半徑為0.1 m，管件材料選擇彈性模量210 GPa、泊松比為0.29、密度為7 850 kg/m3的鋼材。為了模擬彎管的實(shí)際情形，選擇SOLID164三維實(shí)體單元建模。

彎管有限元模型的建立、單元的選擇和網(wǎng)格劃分是關(guān)鍵。在實(shí)際超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)中，為產(chǎn)生軸對(duì)稱導(dǎo)波使其能在4個(gè)象限內(nèi)均勻分布，傳感器數(shù)量應(yīng)足夠且傳感器的個(gè)數(shù)應(yīng)為4的倍數(shù)。在有限元模型的網(wǎng)格劃分中軸向單元的個(gè)數(shù)又應(yīng)為傳感器數(shù)目的倍數(shù)才能滿足仿真要求。考慮以上因素以及計(jì)算時(shí)間問題，將彎管周向劃分成32等份。劃分網(wǎng)格時(shí)需要對(duì)有缺陷和無缺陷部分先分割再劃分，對(duì)于無缺陷部分，根據(jù)文獻(xiàn)［4］及文獻(xiàn)［5］，網(wǎng)格單元長(zhǎng)度應(yīng)小于導(dǎo)波波長(zhǎng)的0.125倍，同時(shí)為了更好地模擬導(dǎo)波波形，要求一個(gè)震蕩周期內(nèi)至少要有20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此設(shè)置軸向單元長(zhǎng)度為5 mm。對(duì)于有缺陷部分，為提高計(jì)算精度，需對(duì)缺陷部分網(wǎng)格細(xì)化，設(shè)置單元邊長(zhǎng)最大為2 mm。設(shè)置邊界條件時(shí)，由于無其他外界因素干擾，因此假設(shè)彎管處于真空環(huán)境，并在一端所有節(jié)點(diǎn)施加周向和徑向位移約束。在此之前還嘗試將一端所有節(jié)點(diǎn)施加全位移約束，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果相差不大。

超聲導(dǎo)波的3種模態(tài)中，L(0，n)表示縱向超聲導(dǎo)波模態(tài)，F(xiàn)(0，n)表示彎曲超聲導(dǎo)波模態(tài)，T(0，n)表示周向超聲導(dǎo)波模態(tài)，其中只有縱向和周向模態(tài)超聲導(dǎo)波是軸對(duì)稱波形。由于在實(shí)際檢測(cè)中，用群速度來表征波傳播的速度，可由相速度得出群速度頻散曲線。軸對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波的頻率選擇應(yīng)根據(jù)群速度頻散曲線得到，軸對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波的頻散方程為:

其中，

由D1=0可得出軸對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波的相速度，相速度cp與群速度cg的關(guān)系為:

圖1為一外徑80 mm、壁厚為4 mm鋼管的群速度頻散曲線。根據(jù)頻散曲線，選擇L(0，2)模態(tài)，頻率為100 kHz的激勵(lì)信號(hào)。

圖1 外徑80 mm、壁厚4 mm鋼管的群速度頻散曲線Fig.1 Velocity dispersion curves of outside diameter 70 mm，wall thickness of 4 mm steel group

載荷的施加選擇相對(duì)于約束端的另一端外側(cè)所有節(jié)點(diǎn)施加軸向位移載荷，模擬管道端部的L(0，2)模態(tài)激勵(lì)信號(hào)［6］。由于周期數(shù)越少，信號(hào)的頻散現(xiàn)象越嚴(yán)重，給缺陷信號(hào)的識(shí)別帶來困難。同時(shí)為減少高頻干擾和能量泄漏，激勵(lì)信號(hào)選擇為10個(gè)周期頻率［7］加HANNING窗調(diào)制的正弦波，波形如圖2所示。

圖2 激勵(lì)信號(hào)波形圖Fig.2 The waveform figure of excitation signal

由于導(dǎo)波測(cè)量?jī)x檢測(cè)時(shí)是將管件一周所有測(cè)量點(diǎn)的回波信號(hào)進(jìn)行疊加，用ANSYS數(shù)值模擬時(shí)，當(dāng)在一端施加載荷后會(huì)將這部分節(jié)點(diǎn)的位移約束置0，所以端部節(jié)點(diǎn)的時(shí)間位移歷程反映不了回波信號(hào)的變化，因此信號(hào)的接收選擇距載荷施加端一個(gè)單元長(zhǎng)度的所有節(jié)點(diǎn)的位移疊加后取平均。

當(dāng)軸對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波經(jīng)過彎頭后，由于幾何結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，會(huì)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換。L(0，2)模態(tài)導(dǎo)波在經(jīng)過彎管后會(huì)同時(shí)轉(zhuǎn)換成F(1，3)模態(tài)與F(2，3)模態(tài)以及L(0，2)模態(tài)3種模態(tài)導(dǎo)波［8］。F(2，3)模態(tài)幅值相對(duì)于F(1，3)和L(0，2)來說較小，可忽略不計(jì)。而F(1，3)模態(tài)不僅幅值相對(duì)于L(0，2)來說不可忽略，而且當(dāng)頻率大于某一頻率時(shí)，F(xiàn)(1，3)模態(tài)導(dǎo)波群速度與L(0，2)模態(tài)非常接近，應(yīng)用時(shí)頻散現(xiàn)象較嚴(yán)重，會(huì)對(duì)跨過彎頭之后的直管段的缺陷檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，對(duì)相對(duì)微小的缺陷的檢測(cè)識(shí)別造成干擾。故在模擬計(jì)算時(shí)僅模擬超聲導(dǎo)波在彎管前一部分的傳播變化特征。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)可采取調(diào)換一次裝夾端，以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，減少誤檢和漏檢。

2 雙缺陷彎管數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在實(shí)際有芯彎管加工中［9－10］，當(dāng)管坯熱處理不當(dāng)，壓緊模壓力過大，會(huì)造成彎管阻力過大等，導(dǎo)致彎曲處圓弧外側(cè)有微小裂紋;當(dāng)芯棒太靠前或與管坯內(nèi)壁間隙不當(dāng)以及潤(rùn)滑效果不好等原因引起接觸力過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致直管段靠近彎頭部分出現(xiàn)凹坑，造成沉淀，腐蝕出坑洞缺陷。因此，缺陷設(shè)置為靠近彎頭的直管段坑洞缺陷和彎頭處圓弧外側(cè)周向裂紋缺陷。

2.1 腐蝕坑缺陷損傷程度對(duì)雙缺陷反射系數(shù)的影響

在直管段設(shè)置直徑分別為3 mm，6 mm，9 mm，12 mm的腐蝕坑缺陷，在彎頭處設(shè)置90°裂紋缺陷，兩缺陷軸向距離不變。設(shè)置完畢后，在時(shí)間歷程后處理器POST26中提取距激勵(lì)端一個(gè)單元長(zhǎng)度處外側(cè)所有節(jié)點(diǎn)的軸向位移，讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行疊加取平均值，其波形圖如圖3所示。

從圖3可以看出，入射信號(hào)的波峰出現(xiàn)時(shí)間為0.000 057 99 s，第一次回波的波峰出現(xiàn)時(shí)間為0.000 371 s，其時(shí)間差為0.000 313 01 s。導(dǎo)波傳播的距離為1.68 m，則導(dǎo)波傳播的速度為:

由頻散曲線得到縱波波速的理論值為5 421.93 m/s，模擬波速為理論值的98.99%，說明了模型建立的合理性與有效性。

圖3 彎管在不同損傷程度缺陷下接收到的波形圖Fig.3 The received waveform from defective pipe with different degree of injury

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)缺陷尺寸增大第二個(gè)缺陷尺寸不變時(shí)，將第一個(gè)缺陷的半徑與其反射系數(shù)變化關(guān)系以及第一個(gè)缺陷的半徑與第二個(gè)缺陷的反射系數(shù)變化關(guān)系用Matlab進(jìn)行擬合，得到的圖形如圖4所示。

由圖4(a)可以看出當(dāng)?shù)谝粋€(gè)缺陷半徑逐漸增大時(shí)其反射系數(shù)也會(huì)增大，只是隨著缺陷程度的增加，其反射系數(shù)的增長(zhǎng)速度有所減慢。圖4(b)為第二個(gè)缺陷的反射系數(shù)隨著第一個(gè)缺陷半徑變化的關(guān)系。由圖可知，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)缺陷半徑逐漸增大時(shí)，第二個(gè)缺陷程度雖然沒有變化，但其反射系數(shù)卻在逐漸減小，其反射系數(shù)變化幾乎與第一個(gè)缺陷損傷半徑呈線性關(guān)系。由此可知，缺陷的反射系數(shù)不僅與本身的缺陷程度有關(guān)，而且與其相鄰的缺陷尺寸有關(guān)。

圖4 反射系數(shù)與損傷程度的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship curve between reflection coefficient and the damage degree

2.2 雙缺陷反射系數(shù)隨距離的變化關(guān)系

在直管段設(shè)置半徑為3 mm的腐蝕坑缺陷，彎頭處設(shè)置90°裂紋缺陷，控制變量為兩缺陷的距離變化，研究距離變化對(duì)缺陷反射系數(shù)的影響，結(jié)果如圖5所示。缺陷反射系數(shù)與距離的關(guān)系如圖6所示。由圖6可看出，隨著缺陷間距離變化，缺陷的反射系數(shù)幾乎沒有變化。由此可知，當(dāng)缺陷的損傷程度不變時(shí)，缺陷間距離變化對(duì)反射系數(shù)的影響可以忽略。

圖6 反射系數(shù)與距離的關(guān)系曲線Fig.6 The relationship curve of reflection coefficient and distance

4 結(jié)論

隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)實(shí)際檢測(cè)要求逐漸提高，彎管的檢測(cè)不能僅僅停留在對(duì)缺陷有無的判斷上，同時(shí)希望得到對(duì)管件缺陷程度估算。利用ANSYS仿真軟件模擬軸對(duì)稱縱向L(0，2)模態(tài)導(dǎo)波對(duì)彎管缺陷檢測(cè)進(jìn)行研究。使用控制變量法，研究雙缺陷中直管段缺陷尺寸變化對(duì)彎頭處缺陷反射系數(shù)的影響以及缺陷間距離變化對(duì)反射系數(shù)的影響，可得如下結(jié)論:(1)根據(jù)超聲導(dǎo)波理論及有限元方法建立有限元模型，其波速與理論值相差較小，說明模型建立的有效性與合理性。(2)當(dāng)直管段處缺陷半徑增大，彎頭處缺陷不變時(shí)，彎頭處缺陷的反射系數(shù)逐漸減小，說明彎頭處的反射系數(shù)不僅與本身的缺陷大小有關(guān)，也與其前面的缺陷大小有關(guān)。(3)當(dāng)兩個(gè)缺陷大小均不變時(shí)，改變?nèi)毕蓍g的距離，兩個(gè)缺陷的反射系數(shù)未有明顯改變，說明缺陷間距離的變化對(duì)缺陷反射系數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。

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11－14.

The Numerical Simulation Research for the Bend Tube Defects Detection Based on Ultrasonic Guided Wave

ZHAO Dong－mei，LUO Yue－ying，JIA Chuan－wei，WU Shuai－zhen

(School of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China)

For the problem of bend tube defects detection，did some numerical simulation research for the bend tube defects detection based on ultrasonic guided wave testing by using finite element method.First of all，this paper built a 90 degrees bend model，and set double defects like different sizes and different distances in the bend model.Secondly，set the parameters of finite element calculation based on the ultrasonic guided wave theory.Then，according to the calculation results，made a fitting curve of the influence of corrosion pit defect dimensional change in straight pipe to crack curve reflection coefficient in elbow，and the variation tendency curve of the reflection coefficient with the change of the distances between defects is made as well.The results show that when the size of the elbow defects remains constant，the reflection coefficient decreases with the straight pipe flaw size increasing，and the changing relationship between the reflection coefficient and the distance of the two defects can be ignored.These results have an application value for the bend tube degree of defects detection.

Bend Tube;Ultrasonic Guided Wave;Defects Detection;Finite Element;Reflection Coefficient

TB559

A

1671－8755(2015)03－0089－05

2015－04－20

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAF12B05)。

趙冬梅(1978—)，女，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化。E－mail:zdongmei@swust.edu.com