李曉亞 田苑 康捷 石楠 石家莊鐵道大學
基于磁致伸縮導波的鋼管裂紋無損檢測研究
李曉亞 田苑 康捷 石楠 石家莊鐵道大學
壓力管道越來越廣泛應用于石油、化工、熱電、供水及供熱等行業(yè)。本項目通過建立有效的數(shù)學模型,針對金屬管道設(shè)計了磁致伸縮超聲檢測裝置,然后利用激勵傳感器、接收傳感器和磁致伸縮檢測儀等裝置對管道末端的導波進行檢測,通過數(shù)據(jù)分析,得到了鋼管的長度和缺陷位置信息,驗證了該檢測裝置的實用性。
磁致伸縮 導波 管道檢測
管道的安全使用不僅會影響到經(jīng)濟運行的安全,還會影響到千家萬戶以及社會的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)已經(jīng)不能滿足長距離管道的檢測要求。目前,國內(nèi)外用于管道檢測的方式主要分為漏磁法和超聲導波法,其中超聲導波法可細分為接觸式檢測法(如電壓式)和非接觸式檢測法(如激光超聲法、電磁聲傳感器法、磁致伸縮傳感器法)。而磁致伸縮傳感器法測技術(shù)具有檢測距離遠,檢測速度快的特點,從而在管道檢測方面擁有無可替代的優(yōu)勢。
磁致伸縮效應是指軟磁體磁化后,其形狀,大小會發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。當長度為L的磁性材料在磁化方向上的長度變化量為△L時,其磁致伸縮率可表示為:λ=△L/L。
磁致伸縮導波檢測就是依靠磁致伸縮效應來發(fā)射和接受超聲波:當鐵磁性材料在交變磁場環(huán)境中被磁化時,材料內(nèi)部會產(chǎn)生磁致伸縮應變,從而發(fā)出應力波,通過分析此類信號的相關(guān)特征,就可以初步得管道內(nèi)部的檢測。其基本原理為:由激勘信號源產(chǎn)生摔發(fā)激勵信號,經(jīng)過功率放大器放大后輸出給導波激勘傳感器,在被測管道中激發(fā)出導波;激勘產(chǎn)生的導波在被測管道中傳播,當被測管道中存在缺陷時,導波將在缺陷處發(fā)生反射、頻散及模式轉(zhuǎn)換等;接收傳感器檢測相應的回波信號,再數(shù)字示波器觀察接收傳感器的檢測信號,利用機對檢測到的回波信號進行信號分析與處理,實現(xiàn)管道缺陷的檢測。
基于磁致伸縮效應的管道超聲導波無損檢測裝置主要由激勵傳感器、接收傳感器和磁致伸縮激勵及檢測系統(tǒng)組成,如圖1所示。激勵傳感器和接收傳感器為纏繞在螺線管上的金屬線圈,磁致伸縮激勵及檢測系統(tǒng)包括計算機、信號放大器、功率放大器、濾波器及A/D轉(zhuǎn)換器。實驗使用的待測管道為無縫鋼管,外徑26mm,內(nèi)徑20mm,全長2500mm,存在的裂紋距離右端面為500mm。激勵線圈中心距離鋼管左端面300mm,激勵線圈與接收線圈距離為700mm。實驗時,計算機產(chǎn)生正弦信號通過信號放大器和功率放大器進行放大,對接收信號進行高頻濾波后,通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入計算機。
圖2所示為計算機接收到的導波信號。1~6條線分別為接收端測到的6次激勵信號。開始時,激勵端向兩側(cè)發(fā)送激勵信號,向右端發(fā)送的激勵信號會最先到達接收端,產(chǎn)生第1條波形,隨后信號繼續(xù)向右傳送。向左發(fā)送的信號到達管道盡頭處會折返并向右繼續(xù)傳送,由原理圖可知,裂縫距接收端的距離小于管道左端端口處距發(fā)送器的距離,所以開始向左端傳送的信號會其次到達接收端,產(chǎn)生第2條波形。第3條波形是由產(chǎn)生第1條波形的信號繼續(xù)向右傳送到達裂縫處再返回時產(chǎn)生的。第4條波形是由產(chǎn)生第2條波形的信號繼續(xù)向右傳送到達裂縫處再返回時產(chǎn)生的,此后的信號以此類推。結(jié)合圖片與計算可得,在9271.751ms激勵端發(fā)送信號,9271.895ms接收端第一次接收信號,已知信號傳遞速度約為5000m/s,可測的第一次接收與第二次接收相差的距離為720mm;接收端第二次接收信號時間為9272.0517ms,可計算得接收端距離左端端口距離為1553.5mm,計算得激勵端距左端端口距離為391.75mm;接收端第三次接收信號時間為9272.325ms,計算得接收端距裂縫1017mm。通過計算上述數(shù)據(jù),并結(jié)合激勵端與接收端之間的實際距離,可驗證接收到的波形與實際相符。
本論文利用磁致伸縮導波對有裂紋的鋼管進行了檢測,其實驗結(jié)果證明了磁致伸縮效應在管道無損檢測領(lǐng)域的有效性?;诖胖律炜s的管道無損檢測具有檢測距離遠、檢測速度快的特點,該技術(shù)在生產(chǎn)、生活中具有廣闊的應用前景。
石家莊鐵道大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“用于管道無損檢測的電磁超聲檢測裝置的設(shè)計與實現(xiàn)”,項目編號:201610107048。