基于CIVA仿真與試驗(yàn)的磁致伸縮導(dǎo)波和壓電導(dǎo)波檢測比對分析

張子健* 傅書暢 趙大禹 吳家喜 常 騰 李武俊 張小龍 薛秉康

（1. 寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)公司 2. 中國石油天然氣股份有限公司東北銷售寧波分公司3. 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 前言

目前國內(nèi)壓力管道超聲導(dǎo)波檢測的標(biāo)準(zhǔn)主要是GB/T 28704—2012《無損檢測 磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測方法》及GB/T 31211—2014《無損檢測 超聲導(dǎo)波檢測 總則》，這兩個標(biāo)準(zhǔn)中均提出了對比試樣和靈敏度校準(zhǔn)要求，即應(yīng)采用與被檢測構(gòu)件材料性能及幾何形狀相同或相近的材料制作，并采用對比試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)測繪制距離-幅度曲線[1-3]。但在實(shí)際檢測過程中，現(xiàn)場管道規(guī)格和形式復(fù)雜多變，標(biāo)準(zhǔn)要求的對比試樣和靈敏度校準(zhǔn)條件在實(shí)際操作時(shí)較難達(dá)到。針對以上問題，本文采用CIVA 仿真和對比試管驗(yàn)證方法，分析了兩種超聲導(dǎo)波在檢測過程中存在的差異，為超聲導(dǎo)波的應(yīng)用提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持。

1 原理簡介

1.1 磁致伸縮導(dǎo)波

磁致伸縮導(dǎo)波檢測系統(tǒng)通常由主機(jī)、計(jì)算機(jī)、鐵鈷帶、耦合劑、線圈卡具及線圈探頭帶組成。將探頭線圈放置在磁致伸縮帶材上，當(dāng)有交流電通過線圈時(shí)，在魏德曼效應(yīng)的作用下，磁致伸縮帶材中的交流磁場就會產(chǎn)生剪切位移，剪切位移通過耦合膠的耦合層機(jī)械地傳遞到管道中，然后以扭轉(zhuǎn)波形式沿著管道軸向傳播[4]。

1.2 壓電導(dǎo)波

壓電導(dǎo)波檢測系統(tǒng)由主機(jī)、氣泵、工具導(dǎo)線、氣管、計(jì)算機(jī)、卡具及壓電探頭組成。傳感器采用一種壓電陶瓷材料制造，該材料具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)換。壓電導(dǎo)波技術(shù)可同時(shí)激發(fā)縱向、扭轉(zhuǎn)和彎曲波，三種波形同時(shí)檢測則可以極大地降低缺陷漏檢率。因?yàn)槟承┤毕萑菀妆豢v波檢測到，同時(shí)扭轉(zhuǎn)波可以應(yīng)用于管道帶料檢測中，其介質(zhì)衰減較小[5]。

2 CIVA仿真計(jì)算

2.1 頻散曲線計(jì)算

超聲導(dǎo)波在管道中的傳播過程存在一個顯著的特點(diǎn)——頻散現(xiàn)象。頻散現(xiàn)象是指超聲導(dǎo)波的相速度和群速度隨著頻率變化而變化，發(fā)生頻散現(xiàn)象后，導(dǎo)波的能量衰減非常迅速，這對于管道長距離檢測是極為不利的。因此需要研究針對某一規(guī)格管道，何種模態(tài)導(dǎo)波在何種頻率范圍內(nèi)不會發(fā)生頻散現(xiàn)象。導(dǎo)波的頻散曲線就是描述導(dǎo)波的群速度、相速度和頻率對應(yīng)關(guān)系的一種曲線。本文通過CIVA 軟件GWT 模塊計(jì)算規(guī)格為DN 80 mm×6 mm，材質(zhì)為Q345R 的壓力管道中的頻散曲線，計(jì)算的頻率范圍為0～150 kHz，頻率數(shù)為150 個，計(jì)算方式為3D，包含所有模態(tài)（T，L，F(xiàn)），結(jié)果如圖1～圖4 所示。

圖1 DN 80 mm×6 mm管道群速度頻散曲線

圖2 DN 80 mm×6 mm管道相速度頻散曲線

圖3 DN 80 mm×6 mm管道頻率-波長曲線

圖4 DN 80 mm×6 mm管道頻率-波數(shù)曲線

由圖1 ～圖4 中的頻散曲線可知，在導(dǎo)波常用頻率范圍（20～100 kHz）內(nèi)，T（0，1）模態(tài)導(dǎo)波是非頻散的，群速度為3 230 m/s，相速度為3 230 m/s，波長為51.75 mm；L（0，2）模態(tài)在50～100 kHz 頻率范圍內(nèi)基本是非頻散的，具有最大群速度為5 347 m/s，相速度為5 419 m/s，波長為69.9 mm，其作為激發(fā)波形可以有效地與其他模態(tài)波形進(jìn)行區(qū)分，有利于識別缺陷，抗干擾性強(qiáng)；L（0，1）模態(tài)具有嚴(yán)重的頻散現(xiàn)象；彎曲模態(tài)除了F（1，3）在70～100 kHz 頻率范圍內(nèi)是基本是非頻散的以外，其余模態(tài)均存在較強(qiáng)頻散現(xiàn)象。

2.2 聲場計(jì)算

不同模態(tài)和頻率的導(dǎo)波沿管道壁厚方向的位移分布情況不同，通過對軸向、徑向、周向位移分量進(jìn)行計(jì)算，可以得到當(dāng)前檢測工況下的導(dǎo)波模態(tài)和頻率的適合值。

2.2.1 CIVA建模與設(shè)置

綜合考慮后續(xù)模擬試管檢測和仿真計(jì)算時(shí)間，本次選擇的管道直徑為80 mm，壁厚為6 mm，長度為800 mm，材質(zhì)為Q345R。采用外壁弧形探頭，矩形單晶片，陣列數(shù)為1，寬度為5mm。信號分別為漢寧窗調(diào)制的頻率為30，60，90，120，150，180 kHz，帶寬為30%超聲導(dǎo)波信號，僅計(jì)算常用軸對稱導(dǎo)波模態(tài)，計(jì)算區(qū)域?yàn)榫嚯x探頭500 mm 處的橫截面，對該橫截面處質(zhì)點(diǎn)的軸向、徑向、周向位移分量進(jìn)行計(jì)算，CIVA 模型可見圖5。

圖5 導(dǎo)波檢測CIVA模型

2.2.2 位移分量計(jì)算與討論

分別對頻率為30，60，90，120，150，180 kHz的超聲導(dǎo)波進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)波模態(tài)包含L（0，1），L（0，2）和T（0，1），對軸向、徑向、周向位移分量進(jìn)行比較。

隨著超聲導(dǎo)波激發(fā)頻率增大，軸向位移分量也不斷增大，且在管道內(nèi)壁軸向位移分量相對較大，因此隨著頻率增大，導(dǎo)波檢測內(nèi)、外表面周向缺陷的靈敏度增大，有利于發(fā)現(xiàn)缺陷。軸向位移的大小決定了其檢測周向缺陷的靈敏度強(qiáng)弱。隨著超聲導(dǎo)波激發(fā)頻率增大，徑向位移分量不斷增大，導(dǎo)波傳播過程中的能量衰減與內(nèi)、外表面上的徑向位移分布有關(guān)，內(nèi)、外表面上的徑向位移分量越小，傳播過程中能量泄漏相對較少，傳播距離就越大，因此激發(fā)頻率越大，徑向位移分量越大，傳播距離就越小。隨著超聲導(dǎo)波激發(fā)頻率增大，周向位移分量不斷減小，整體處于極低水平，軸向缺陷檢測靈敏度低。

3 對比試管檢測

目前超聲導(dǎo)波檢測的靈敏度主要依靠對比試管來標(biāo)定，但行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對比試管的試樣要求沒有明確規(guī)定，不像常規(guī)A 超具有標(biāo)準(zhǔn)對比試塊，且已經(jīng)應(yīng)用得很成熟，導(dǎo)波對比試塊可以按照合同自行約定。除此之外，超聲導(dǎo)波檢測的距離-幅度（DAC）曲線應(yīng)用還存在一定困難，現(xiàn)場管道規(guī)格、式樣眾多，標(biāo)準(zhǔn)中要求根據(jù)被檢工件的材料和規(guī)格在實(shí)驗(yàn)室繪制DAC 曲線，這在無形中增加了成本，因此目前超聲導(dǎo)波的主要應(yīng)用范圍為缺陷定位，同時(shí)采用其他檢測方法來驗(yàn)證這一思路。本文分別采用壓電導(dǎo)波和磁致伸縮導(dǎo)波進(jìn)行對比試管檢測，驗(yàn)證檢測靈敏度，并分析二者在應(yīng)用過程中的差異。

3.1 檢測設(shè)備

壓電導(dǎo)波采用的是英國PI 公司的Teletest Foucs+設(shè)備，該設(shè)備的激發(fā)頻率范圍是20～300 kHz，根據(jù)檢測工況需要，設(shè)備可選用多模式模塊、扭轉(zhuǎn)波模塊或迷你模塊。其中多模式模塊可以同時(shí)執(zhí)行縱波和扭轉(zhuǎn)波模式，迷你模塊適用于DN 50～100 mm 管道，是一個3 環(huán)扭轉(zhuǎn)波系統(tǒng)，間距為30 mm。針對于本次檢測管道的尺寸，選取DN 75 mm 卡具，模塊數(shù)量為12，傳感器數(shù)量為36，無需進(jìn)行表面預(yù)處理，干耦合壓力為275.8 MPa，檢測頻率為系統(tǒng)根據(jù)檢測工況智能推薦，通常范圍為20～100 kHz。

磁致伸縮導(dǎo)波采用的是UG30 超聲導(dǎo)波檢測儀，檢測過程主要是基于磁致伸縮效應(yīng)和磁致伸縮逆效應(yīng)，波形僅為扭轉(zhuǎn)波，目前支持中心頻率為16，32，64，128，180 kHz，檢測時(shí)需選取相應(yīng)頻率線圈進(jìn)行掃頻，管道表面需進(jìn)行打磨處理，通過耦合膠粘貼磁致伸縮帶。

3.2 對比試管

比對試管規(guī)格為DN 80 mm×6 mm，材質(zhì)為Q345R，長度為7 m，其中包含2 個90°彎頭，包含3 類典型管道缺陷，A 組（A1，A2，A3，A4，A5，A6）為不同尺寸方向的刻槽缺陷，B 組（B1，B2，B3，B4，B5，B6）為不同尺寸規(guī)格的平底孔缺陷，C 組（C1，C2，C3，C4，C5）為不同尺寸規(guī)格的通孔缺陷，對比試管尺寸可見圖6，對比缺陷情況可見表1。

圖6 對比試管尺寸圖（單位：mm）

表1 對比試管缺陷統(tǒng)計(jì)表

3.3 檢測與結(jié)果分析

分別采用Teletest Foucs+壓電導(dǎo)波和UG30 磁致伸縮導(dǎo)波對DN 80 mm×6 mm 對比試管進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖7 和圖8 所示，統(tǒng)計(jì)情況可見表2。

圖7 超聲導(dǎo)波現(xiàn)場檢測圖

圖8 導(dǎo)波檢測結(jié)果

根據(jù)圖8 和表2 可知：（1）壓電導(dǎo)波盲區(qū)較大，盲區(qū)范圍為卡具安裝處前后各0.5 m，A6 缺陷在盲區(qū)范圍內(nèi)，所以并未檢出，磁致伸縮導(dǎo)波盲區(qū)較小，僅為0.1 m，因此沒有缺陷漏檢；（2）壓電導(dǎo)波檢測范圍較大，可從安裝點(diǎn)A 端檢測出經(jīng)過兩個彎頭后的C組缺陷；磁致伸縮導(dǎo)波傳播經(jīng)過一個彎頭后，能量衰減較大，對于C 組缺陷的分辨力較低，無法有效區(qū)分；（3）兩種激發(fā)方式的導(dǎo)波在經(jīng)過彎頭傳播后，缺陷的定位均會出現(xiàn)偏差，導(dǎo)波波形的復(fù)雜程度增大，對于缺陷的識別難度上升，這對于現(xiàn)場檢測是不利的，因此應(yīng)盡量選取直管段進(jìn)行檢測；（4）在近距離檢測中，磁致伸縮導(dǎo)波具有一定的優(yōu)勢，如靈敏度高、分辨力高等；（5）在長距離管線檢測中，壓電導(dǎo)波具有一定的優(yōu)勢，如激發(fā)能量高、傳播距離遠(yuǎn)、導(dǎo)波模態(tài)多；（6）在缺陷比較密集或結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況下，兩種導(dǎo)波回波信號幅值與橫截面積損失率未呈現(xiàn)出明顯的對應(yīng)關(guān)系，因此GB/T 28704—2012和GB/T 31211—2014標(biāo)準(zhǔn)中提及的DAC曲線制作要求在現(xiàn)場檢測時(shí)無法達(dá)到，所以目前導(dǎo)波檢測主要用于定位缺陷，同時(shí)采用有效的檢測手段來驗(yàn)證這一思路并開展工作。

表2 壓電導(dǎo)波和磁致伸縮導(dǎo)波檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

針對壓電和磁致伸縮超聲導(dǎo)波在實(shí)際檢測中存在靈敏度校準(zhǔn)的難題，首先采用了CIVA 軟件進(jìn)行仿真，分析了不同頻率下超聲導(dǎo)波的傳播特點(diǎn)與應(yīng)用要點(diǎn)，其次對DN 80 mm×6 mm 對比試管進(jìn)行了檢測驗(yàn)證，最后對兩種導(dǎo)波的檢測結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)分析。結(jié)果表明：導(dǎo)波的激發(fā)頻率會影響檢測靈敏度和傳播距離；壓電導(dǎo)波在長距離管線檢測中具有一定優(yōu)勢，磁致伸縮導(dǎo)波在短距離管線檢測中具有一定優(yōu)勢；目前導(dǎo)波應(yīng)用主要是結(jié)合缺陷定位與其他檢測手段來驗(yàn)證這一思路并開展工作。