超聲導(dǎo)波檢測壓力彎管的仿真與試驗(yàn)

鄧 進(jìn) *

（河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

0 前言

彎頭是重要的壓力管道元件，可以改變介質(zhì)的流向，是壓力管道定期檢驗(yàn)中重要的部件。彎頭受到管道內(nèi)流體的沖刷和腐蝕作用，較易產(chǎn)生缺陷。常規(guī)檢查技術(shù)需要進(jìn)行拆除絕緣層、登高作業(yè)[1-2]等工序，工作量較大。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)具有成本低、安全性高、效率高等優(yōu)勢，許多學(xué)者對其進(jìn)行了相關(guān)研究[3]。

當(dāng)超聲導(dǎo)波通過不連續(xù)結(jié)構(gòu)（如彎頭和焊縫）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生頻散和模態(tài)轉(zhuǎn)換，信號(hào)分析時(shí)很難識(shí)別該類缺陷信號(hào)[4-6]。與T 模態(tài)相比，L 模態(tài)導(dǎo)波群傳播速度更快，缺陷信號(hào)比干擾信號(hào)能更早被探頭接收，因此更易識(shí)別缺陷信號(hào)。L 模態(tài)導(dǎo)波沿管道軸向振動(dòng)，對周向缺陷靈敏度更高[7-8]。因此在架空彎管的檢測中，L 模態(tài)導(dǎo)波檢測效果優(yōu)于T 模態(tài)導(dǎo)波。

1 理論基礎(chǔ)

根據(jù)彈性波理論，可以得到導(dǎo)波在圓柱管中傳播的質(zhì)量位移方程：

式中：ur，uθ， uz——分別為徑向、圓周和軸向的位移矢量；

n——階數(shù)，n=0，1，2，3；

w——角頻率；

k——波數(shù)。

基于線性彈性理論，給出了軸對稱模態(tài)頻散方程：

超聲導(dǎo)波在管道中傳播模態(tài)有不同的傳播模態(tài)：L 模態(tài)、T 模態(tài)和F 模態(tài)。理論上超聲導(dǎo)波可以產(chǎn)生不同階次的聲學(xué)模態(tài)，但在實(shí)際中只有少數(shù)階次模態(tài)可以觀測到，所以將其簡化為三階模態(tài)。圖1 所示為20 μm 導(dǎo)波在DN50 管道中各種導(dǎo)波的頻散曲線。L（0，2）的聲速為5 350 m/s。

圖 1 20#鋼管（DN50）的頻散曲線

2 仿真模擬

彎頭是不對稱的突變結(jié)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)波在彎頭中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換。為了確定L 模態(tài)轉(zhuǎn)換后的模態(tài)，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。激勵(lì)信號(hào)是由Hanning 窗調(diào)制的頻率為80 kHz 的正弦周期。信號(hào)被加載在管的側(cè)端，激勵(lì)信號(hào)的表達(dá)式如下：

式中：t——激勵(lì)時(shí)間；

fc——頻率；

n——信號(hào)周期。

為了觀察導(dǎo)波在彎頭中的聲學(xué)模態(tài)并檢查L 模態(tài)的檢測能力，進(jìn)行了仿真模擬研究。仿真參數(shù)與上述條件相同，彎頭部位具有深為2.6 mm，寬為2 mm的人工刻槽，如圖2 所示。信號(hào)接收位置位于距信號(hào)激發(fā)端面約0.5 m 處。

圖 2 彎管缺陷位置和尺寸（單位：mm）

如圖3 a）和圖3 b）所示，當(dāng)導(dǎo)波沿直管傳播時(shí)，由于傳播距離短，導(dǎo)波幾乎不存在頻散，然后導(dǎo)波到達(dá)彎頭部位位置。L（0，2）模態(tài)波在彎頭缺陷位置沿著彎頭外彎部位傳播，如圖3 c）所示。在圖3 d）中，部分導(dǎo)波由于缺陷而被反射，部分導(dǎo)波返回被探頭接收。剩余導(dǎo)波繼續(xù)向前傳播并伴隨著模態(tài)轉(zhuǎn)換、頻散和能量減少。結(jié)果表明，仿真信號(hào)與確定的檢測信號(hào)一致，仿真信號(hào)如圖4 所示。

圖 3 缺陷彎管中的L（0，2）模波變換

圖 4 L（0，2）有缺陷彎頭的仿真信號(hào)

3 試驗(yàn)

磁致伸縮效應(yīng)受到磁場強(qiáng)度和排列的影響。為了激發(fā)L 型導(dǎo)波，永磁體的布置將是至關(guān)重要的。通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了相對最佳的磁場布置方式，換能器中的交變磁場由銅線圈組裝而成，匝數(shù)為40 匝。靜磁場由N35，NdFeB 的矩形永磁體激勵(lì)，永磁體橫跨換能器并盡量貼近換能器，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖5 所示。試驗(yàn)樣管材料為20#鋼，在管中用深為1 mm 人工刻槽來驗(yàn)證激發(fā)縱向?qū)Рǖ奶綔y能力，其結(jié)構(gòu)與仿真模擬時(shí)保持一致。在線圈上施加電聲脈沖信號(hào)激勵(lì)超聲導(dǎo)波，頻率為80 kHz，峰值電壓為140 V。根據(jù)圖4 和圖6 可知，仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致，且缺陷信號(hào)幅值為端面信號(hào)幅值的60%，檢測效果良好。

圖 5 實(shí)驗(yàn)裝置

4 結(jié)論

圖 6 L（0，2）有缺陷彎頭的實(shí)際檢測信號(hào)

L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波具有傳播速度快、操作簡單等特點(diǎn)，可以在工程中推廣應(yīng)用。本文提出采用L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波對彎頭進(jìn)行檢測。通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波在彎頭中的傳播特性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果與實(shí)際檢測結(jié)果一致。因此L（0，2）模態(tài)導(dǎo)波可以用于檢測彎頭部位的缺陷，其信噪比高，檢測效果良好。