基于磁致伸縮超聲導(dǎo)波的管道周向掃查技術(shù)

，，，，，

(1.杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司， 杭州 311121；2.浙江大學(xué) 數(shù)字技術(shù)與儀器研究所， 杭州 310027；3.浙江大學(xué) 制造技術(shù)及裝備自動化研究所， 杭州 310027)

管道作為一種非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的流體運(yùn)輸工具，應(yīng)用非常廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2017年，我國油氣管道總里程累計約13.31萬公里[1]。但我國油氣管道的建設(shè)并不是十分完善，油氣儲運(yùn)方面的理論知識缺乏、儲運(yùn)安全風(fēng)險較大以及管道腐蝕比較嚴(yán)重[2]，使得管道安全生產(chǎn)的壓力較大。目前，管道五大常規(guī)無損檢測的方法有漏磁、滲透、射線、超聲、渦流等，這些常規(guī)檢測技術(shù)都屬于踩點(diǎn)式檢測，存在著極大的漏檢風(fēng)險。超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)具有單點(diǎn)激勵、檢測距離遠(yuǎn)、全截面檢測等優(yōu)點(diǎn)，作為常規(guī)無損檢測方法的補(bǔ)充，已被大量應(yīng)用于管道的無損檢測中[3-6]。

軸對稱模態(tài)的超聲導(dǎo)波在管道上具有良好的頻散特性和可激勵性，故目前國內(nèi)外大多數(shù)超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)的應(yīng)用研究和成熟的商業(yè)應(yīng)用都是基于軸對稱模態(tài)如T(0,1)、L(0,2)展開的[7-10]，但是其在實(shí)際應(yīng)用上還存在一些不足。例如，現(xiàn)有的超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)只可以通過A掃信號對管道缺陷在軸向上進(jìn)行定位，無法實(shí)現(xiàn)周向定位，也無法分辨管道周向上有幾個缺陷。其次，目前超聲導(dǎo)波技術(shù)對缺陷大小的描述是基于相對管道的橫截面損失比進(jìn)行的，即管道直徑越大，超聲導(dǎo)波最小可檢測的缺陷尺寸就越大，這就存在著有些大直徑管道已經(jīng)發(fā)生穿孔腐蝕缺陷但還沒有達(dá)到超聲導(dǎo)波檢測最小靈敏度的風(fēng)險，因此該方法對于大直徑管道沒有實(shí)際的檢測意義。第三，現(xiàn)有的超聲導(dǎo)波檢測方法無法發(fā)現(xiàn)管道上焊接支架、不等徑三通等部位的缺陷，存在著檢測盲區(qū)。

針對上述不足，筆者提出了一種基于局部加載的超聲導(dǎo)波管道周向掃查技術(shù)。通過對基于局部加載的管道周向掃查技術(shù)和現(xiàn)有T(0,1)模態(tài)檢測技術(shù)的仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，了解基于局部加載的超聲導(dǎo)波管道周向掃查技術(shù)的適用范圍及其技術(shù)優(yōu)勢。

1 管道周向掃查的建模與仿真分析

1.1 管道周向掃查的理論模型

基于局部載荷作用下的管道周向掃查技術(shù)是在管道周向上某一局部角度內(nèi)逐一進(jìn)行聲波激勵和接收，并記錄激勵和接收時的周向位置信息，最終整合成一個將管道沿著周向展開的0～360°的B掃成像圖，從而實(shí)現(xiàn)對管道全覆蓋周向掃查的方法。管道周向掃查展開成像示意如圖1所示。

圖1 管道周向掃查展開成像示意

基于局部載荷作用下的管道周向掃查理論模型是管道周向某一局部受迫振動后的瞬態(tài)擾動，其激勵原型如圖2所示。將基于簡正模態(tài)展開法展開管道導(dǎo)波激勵理論的研究，分析波源的影響，分析管道在各類受迫載荷作用下的激勵響應(yīng)，為管道超聲導(dǎo)波換能器的設(shè)計與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)和設(shè)計依據(jù)。

首先考慮管道受到局部載荷時的激勵響應(yīng)和瞬態(tài)擾動分析，如圖2所示，載荷區(qū)域軸向?qū)挾葹?L，周向角度為2α，基于簡正模態(tài)展開法得到周向、軸向波源因子[11]

(1)

(2)

式中：P1為局部載荷的角度，其范圍為[-α,α]；P2為局部載荷的長度，其范圍為[-L,L];b為公式的系數(shù);k為波數(shù);m為超聲導(dǎo)波模數(shù);N為正整數(shù)。

圖2 局部激勵載荷作用下的管道模型

根據(jù)式(1)，周向波源因子Hθ是周向階數(shù)n和載荷圓周角2α的函數(shù)。顯然，Hθ對于載荷角度2α表現(xiàn)為線性響應(yīng)(n=0,n為導(dǎo)波周向階數(shù))或正弦響應(yīng)(n≥1)。當(dāng)2α=2π時，有Hθ=0(n≥1)，即當(dāng)磁致伸縮載荷為軸對稱載荷，作用于管道整個圓周時，僅能激勵產(chǎn)生零階軸對稱模態(tài)。這種模式即為傳統(tǒng)T(0,1)模態(tài)的導(dǎo)波檢測方法，采用圓周一體激勵產(chǎn)生單一軸對稱模態(tài)；當(dāng)nα=pπ,p=0,1,2…時，有Hθ=0(n≥1)，表明這種情況下n階模態(tài)導(dǎo)波不能被激勵，其幅值為0；當(dāng)nα=(2p+1)π/2,p=0,1,2…時，sin(nα)取到極值，有Hθ=HθE(n≥1)，即此時n階模態(tài)導(dǎo)波幅值達(dá)到極值。局部載荷對導(dǎo)波模態(tài)的階次具有一定的選擇性，載荷圓周角較小時，高階非軸對稱模態(tài)幅值較大，隨著圓周角的增大，非軸對稱模態(tài)逐漸被抑制，直至完全軸對稱載荷情形下只能激勵產(chǎn)生0階軸對稱模態(tài)導(dǎo)波。

(3)

圖3所示為式(3)表述的軸向波源因子對于頻率f和相速度Cp的響應(yīng)，其中載荷軸向?qū)挾?L=50.8 mm。

圖3 軸向波源因子隨相速度、頻率變化的趨勢

1.2 管道周向掃查仿真分析

根據(jù)周向波源因子可知，基于局部加載下的超聲導(dǎo)波會激勵多種模態(tài)。首先，分析管道的頻散曲線特性。圖4所示為管道的頻散曲線，其管道屬性為：直徑為219 mm，壁厚為6 mm，材料為碳鋼L245，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.28，密度為7 800 kg·m-3。由該頻散曲線可知，基于100 kHz～200 kHz頻帶的剪切波局部加載方式，在管道中將會激勵T(n,1)模態(tài)的超聲導(dǎo)波，且導(dǎo)波頻率大于160 kHz時，T(n,1)各階次的導(dǎo)波群速度較為接近。

圖4 直徑為219 mm，壁厚為6 mm的碳鋼管頻散曲線

圖5 直徑為219 mm，壁厚為6 mm的管道全周向激勵時各階模態(tài)歸一化幅值和波結(jié)構(gòu)

仿真以上述管道為例，利用磁致伸縮的方式激勵軸向?qū)挾葹?0.8 mm，整個周向同時激勵，頻率為180 kHz帶漢寧窗調(diào)制的正弦信號，對激勵的超聲導(dǎo)波進(jìn)行波結(jié)構(gòu)分析，其分析結(jié)果如圖5所示(圖中直徑線上的數(shù)字代表超聲導(dǎo)波能量歸一化后在管道周向分布的比例，紅色一圈在1.0說明該模態(tài)的超聲導(dǎo)波能量在周向均勻分布，能量相同。下同)。從圖5可以看出，通過這種方式激勵的超聲導(dǎo)波為純凈的T(0,1)模態(tài)，由于是整個周向同時激勵且該模態(tài)無頻散特性，故傳播至10 m處超聲導(dǎo)波能量仍然是圓周均布。因此，采用T(0,1)模態(tài)的超聲導(dǎo)波可以應(yīng)用于管道的長距離檢測中。

再次利用磁致伸縮的方式激勵軸向?qū)挾葹?0.8 mm，周向長度為100 mm，頻率為180 kHz帶漢寧窗調(diào)制的正弦信號，將激勵獲得的各T(n,1)導(dǎo)波模態(tài)能量進(jìn)行歸一化幅值處理，并仿真獲得如圖6所示的導(dǎo)波模態(tài)歸一化分布。從分布圖中可以看出，產(chǎn)生的各階模態(tài)能量主要集中在0～5階內(nèi)。

圖6 直徑219 mm管道在周向激勵長度為100 mm，局部載荷作用時的各階導(dǎo)波模態(tài)歸一化幅值

超聲導(dǎo)波在管道中的傳播特性決定了超聲導(dǎo)波的檢測效果，基于局部加載作用下的超聲導(dǎo)波傳播特性可以利用管道截面上的波結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析。圖7所示為管道中不同距離截面上的波結(jié)構(gòu)分析，從圖中可以看出，隨著傳播距離的增加，超聲導(dǎo)波能量在管道截面上的分布越擴(kuò)散。即基于局部加載的超聲導(dǎo)波的傳播距離越近，其能量越集中，檢測范圍就越小，檢測靈敏度越高。傳播距離越遠(yuǎn)，超聲導(dǎo)波的檢測范圍越大，但相應(yīng)的檢測靈敏度會降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是聲波的擴(kuò)散性和超聲導(dǎo)波的多模態(tài)效應(yīng)綜合的結(jié)果。

圖7 直徑219 mm管道在周向激勵長度為100 mm，局部載荷作用時不同距離截面上的波結(jié)構(gòu)

將基于局部加載的超聲導(dǎo)波作用在管道直徑為508 mm，壁厚為6 mm，材料為碳鋼L245，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.28，密度為7800 kg/m3，其超聲導(dǎo)波激勵軸向?qū)挾葹?0.8 mm，周向長度為100 mm，頻率為180 kHz帶漢寧窗調(diào)制的正弦信號。對該管道模態(tài)分布進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖8所示。

圖8 直徑508 mm管道在周向激勵長度為100 mm，局部載荷作用時的各階導(dǎo)波模態(tài)歸一化幅值

與圖6進(jìn)行對比可知，在508 mm直徑管道上激勵產(chǎn)生的超聲導(dǎo)波的高階模態(tài)能量明顯增大，說明激勵的0階軸對稱模態(tài)占比變小。對508 mm直徑管道上的波結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 直徑508 mm管道在周向激勵長度為100 mm，局部載荷作用時不同距離截面上的波結(jié)構(gòu)

圖9將與圖7進(jìn)行對比可知，在508 mm直徑管道上激勵基于局部加載的超聲導(dǎo)波，在相同的距離上其超聲導(dǎo)波擴(kuò)散角度更小。

由以上的對比可知，基于局部加載的超聲導(dǎo)波應(yīng)用于管道周向掃查時，由于聲波擴(kuò)散、超聲導(dǎo)波的多模態(tài)特性和頻散效應(yīng)，只能掃查一段有效的距離，距離過遠(yuǎn)容易產(chǎn)生周向分辨率不高的問題。相同的激勵頻率和周向長度，大管徑的超聲導(dǎo)波擴(kuò)散性更小，周向分辨率更高，有效的掃查距離可以更遠(yuǎn)。因此，基于局部加載超聲導(dǎo)波的有效周向掃查距離與管道直徑有關(guān)。由頻散曲線可知，超聲導(dǎo)波的頻率越高，T(n,1)模態(tài)導(dǎo)波的群速度越接近，頻散效應(yīng)對導(dǎo)波檢測的影響越小，導(dǎo)波聚焦性越好。

2 管道周向掃查技術(shù)的試驗(yàn)

采用對比試驗(yàn)，將現(xiàn)有的T(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波檢測方式和局部加載的周向掃查方式應(yīng)用在管道上的結(jié)果進(jìn)行分析對比。試驗(yàn)對象為外徑140 mm，壁厚6 mm，長度0.9 m的碳鋼無縫鋼管。缺陷共計兩個，分別為距離檢測位置540 mm的盲孔缺陷，其橫截面損失比為0.5%；以及距離檢測位置650 mm的槽缺陷，其橫截面損失比為1%，兩個缺陷在管道周向上相差90°。檢測儀器選用杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司的MSGW30超聲導(dǎo)波檢測儀，其具有檢測和周向掃查兩種功能。MSGW30超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)和掃查系統(tǒng)都是基于磁致伸縮原理開發(fā)的，掃查器超聲導(dǎo)波激勵長度為100 mm，激勵寬度為50.8 mm。

試驗(yàn)使用T(0,1)模態(tài)的常規(guī)磁致伸縮探頭和掃查器，其檢測頻率均為180 kHz，檢測儀器使用相同的激勵和接收導(dǎo)波參數(shù)，掃查器的掃查步進(jìn)角度為10°，即每10°采集一個數(shù)據(jù)。試驗(yàn)平臺框圖如圖10所示。

圖10 管道周向掃查試驗(yàn)平臺框圖

采用局部加載的周向掃查方式，可將每個周向角度檢測獲得的A掃信號組成二維圖像，其縱坐標(biāo)為周向角度，橫坐標(biāo)為距離位置，顏色越紅代表超聲導(dǎo)波回波能量越大，獲得的管道B掃成像圖如圖11(a)所示。由成像圖可知，B掃成像圖可以將管道沿著周向360°展開，直觀地表示出缺陷在管道周向和軸向上的位置，通過顏色深淺可以判斷該缺陷的回波幅值大小。選擇缺陷幅值最大的周向角度，顯示該角度下的A掃信號圖如圖11(b)，(c)所示。兩個缺陷的位置和幅值信息如表1所示。

圖11 超聲導(dǎo)波局部加載周向掃查管道的信號圖

采用傳統(tǒng)T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波檢測方式進(jìn)行檢測，其結(jié)果如圖12所示。其兩個缺陷的位置和幅值信息分別列在表1中。

圖12 基于T(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波檢測A掃圖

從兩種方式的結(jié)果上看，B掃的成像效果更加直觀。從表1可以看出，局部加載的周向掃查方式與T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波檢測方式得到的缺陷軸向位置基本對應(yīng)，但是前者得到的缺陷回波幅值更高，約是后者的3倍以上。周向掃查方式獲得的缺陷回波幅值較大，主要是因?yàn)楫?dāng)檢測儀器輸出的功率固定時，局部加載時單位面積上加載的激勵能量比整個周向同時激勵的能量要大；當(dāng)管道直徑越大時，這種現(xiàn)象越明顯。因此，局部加載的周向掃查方式適用于大管徑的缺陷掃查。

表1 T(0,1)模態(tài)檢測和基于局部加載的周向掃查缺陷特征對比

3 結(jié)論

基于磁致伸縮原理的T(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波檢測適用于小管徑、長距離的管道缺陷掃查，并可以獲得缺陷相對檢測位置的軸向距離位置信息?；诰植考虞d的超聲導(dǎo)波周向掃查方式可將管道沿著周向360°展開，對缺陷進(jìn)行軸向和周向二維定位，并可通過B掃成像的方式直觀顯示檢測結(jié)果?；诰植考虞d的周向掃查技術(shù)特別適用于大直徑管道的中距離周向掃查，在相同的局部激勵尺寸和頻率下，管道直徑越大，周向分辨率越高；而且由于掃查器的局部激勵尺寸不變，周向掃查器可掃查出的缺陷大小與管道直徑無關(guān)，形成一個相對固定的缺陷靈敏度。這與T(0,1)軸對稱模態(tài)檢測對缺陷采用相對管徑橫截面損失比有很大的不同，管道直徑越大，這種優(yōu)勢越明顯。基于局部加載的周向掃查技術(shù)可應(yīng)用于焊接支架、不等徑三通等部位的缺陷檢測中，可減少超聲導(dǎo)波檢測的盲區(qū)。

基于局部加載的周向掃查技術(shù)是現(xiàn)有T(0,1)軸對稱模態(tài)檢測方法的一種補(bǔ)充，在大直徑管道檢測以及特定部位如焊接支架、不等徑三通等檢測中，具有較好的應(yīng)用效果和前景。