面向高溫管道壁厚測量的雙模態(tài)電磁超聲換能器研究

肖 菲,錢 超,宋海濤,李智玲,雷兆鋼,黃 河,呂福在,唐志峰

(1.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司包頭供電分公司,內(nèi)蒙古包頭 014031;2.浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310027;3.浙江大學(xué)數(shù)字技術(shù)與儀器研究所,浙江杭州 310027)

0 引言

目前電磁超聲檢測技術(shù)已被廣泛引入到了室溫及高溫下金屬材料的厚度測量中[1-3],但仍存在一些不足[4-7]。首先,目前高溫電磁超聲換能器可檢測的最高溫度普遍在650 ℃左右,難以實(shí)現(xiàn)對超高溫管道(如發(fā)電站主蒸汽管道,生產(chǎn)過程中的熱軋管、鑄管等)的檢測。其次,由于高溫管道檢測的環(huán)境惡劣,目前高溫?fù)Q能器在檢測或監(jiān)測過程中很容易損壞,難以長時(shí)間工作且更換、維護(hù)困難。

目前,大部分室溫或高溫電磁超聲換能器都為橫波換能器,對高溫條件下縱波的檢測潛力的研究較少。其原因一方面是橫波的激勵(lì)容易且橫波在金屬材料中的波速(室溫下約3 000 m/s)低于縱波波速(室溫下約5 000 m/s),橫波檢測的時(shí)間分辨率優(yōu)于縱波檢測;另一方面是縱波難以對室溫及中高溫下的鐵磁性材料進(jìn)行檢測,許多學(xué)者對這一現(xiàn)象提出了不同解釋,包括磁致伸縮干擾、集膚層磁感線分布等[8],但目前學(xué)界尚未有定論。英國華威大學(xué)的S.E.Burrows等利用電磁超聲換能器在表面635 ℃(爐溫800 ℃)的316鋼管上捕捉到了縱波測厚信號,并發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼管溫度接近居里溫度時(shí)橫波信號會(huì)消失[9]。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了高溫檢測時(shí)橫波的局限性以及應(yīng)用縱波的可能性。

本文提出了一種高溫雙模態(tài)測量方法,設(shè)計(jì)、優(yōu)化并制作了換能器,可同時(shí)激勵(lì)橫、縱波進(jìn)行壁厚測量。雙模態(tài)換能器利用縱波在750 ℃溫度條件下實(shí)現(xiàn)了對鋼管的壁厚測量,與橫波換能器相比,提高了高溫檢測能力,驗(yàn)證了縱波在高溫檢測中的可行性;同時(shí)利用橫波測量,彌補(bǔ)了縱波在對室溫及中高溫下的鐵磁性材料檢測時(shí)信號差的缺點(diǎn),解決了橫波測量時(shí)因溫度或材料改變(如熱軋管不同管徑或坯料軋制后的溫度不同)而頻繁更換探頭的問題,拓展了換能器在不同溫度下檢測的通用性。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了高溫雙模態(tài)換能器在特定溫度范圍內(nèi)存在模態(tài)混疊的現(xiàn)象。

1 高溫對不同模態(tài)傳播特性的影響

利用COMSOL對管道中超聲波的傳播過程進(jìn)行建模,如圖1所示。其中,管道壁厚為15 mm,材料為45鋼,其在不同溫度下的物理屬性如表1所示。在管道表層下0.1 mm處設(shè)置二維節(jié)點(diǎn),在節(jié)點(diǎn)處添加2個(gè)周期正弦波應(yīng)力信號作為超聲波激勵(lì)源,激勵(lì)頻率為3 MHz。通過改變應(yīng)力施加方向分別實(shí)現(xiàn)橫、縱波的生成,并捕捉該節(jié)點(diǎn)處的回波振動(dòng)位移幅值。

圖1 管道超聲波傳播模型

表1 不同溫度下45鋼物理屬性

保持其他條件不變,分別將20、200、400、600、800 ℃下的45鋼物理屬性導(dǎo)入模型中進(jìn)行仿真,二維節(jié)點(diǎn)處橫、縱波振動(dòng)位移結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 不同溫度下縱波振動(dòng)位移

圖3 不同溫度下橫波振動(dòng)位移

分別以20 ℃時(shí)的橫、縱波回波幅值為基準(zhǔn),對不同溫度下的回波幅值進(jìn)行歸一化處理,得到不同溫度下橫、縱波的衰減情況,如圖4所示。

圖4 橫、縱波在不同溫度下的衰減

從圖2和圖3中的回波信號可看出,隨著溫度升高,橫波和縱波的波包出現(xiàn)偏移,波速顯著下降,如圖中虛線所示。以800 ℃下的信號為例,縱波波速在800 ℃時(shí)約為5 028 m/s,與20 ℃下的5 806 m/s相比下降到約86.6%;橫波波速在800 ℃時(shí)約為2 434 m/s,與20 ℃下的3 119 m/s相比下降到約78.04%。

同時(shí),由圖4可知,隨著溫度的升高,橫波與縱波幅值均出現(xiàn)不同程度的下降,且橫波衰減幅度大于縱波衰減幅度。以800 ℃下的信號為例,橫波幅值相較20 ℃時(shí)下降了約22%,而縱波下降了約14%。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在高溫環(huán)境下縱波比橫波的衰減率更小。

2 高溫雙模態(tài)電磁超聲換能器設(shè)計(jì)

2.1 換能器總體設(shè)計(jì)

圖5為換能器在壁厚測量時(shí)的示意圖,此時(shí)換能器與管道中心線重合。由于管道具有一定曲率,位于中心區(qū)域內(nèi)線圈的提離距離整體小于位于兩側(cè)區(qū)域內(nèi)線圈的提離距離。

圖5 測量時(shí)換能器安裝在管道上方

為了提高雙模態(tài)換能器的高溫檢測性能,優(yōu)先針對縱波進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于蝶形線圈的主要工作區(qū)域集中在中間位置,可以有效利用換能器中心區(qū)域提離距離小的優(yōu)點(diǎn),因此換能器選用蝶形線圈和水平偏置磁場的組合,如圖6所示。為進(jìn)一步提高換能器動(dòng)態(tài)磁場強(qiáng)度,設(shè)計(jì)了具有雙層蝶形線圈的柔性印刷電路板(flexible printed circuit,FPC),并確保每層線圈在中心區(qū)域內(nèi)的電流方向相同,進(jìn)一步增加中心區(qū)域內(nèi)的電流密度。

圖6 蝶形線圈和水平偏置磁場

為了在激勵(lì)縱波的同時(shí)激勵(lì)橫波,對蝶形線圈進(jìn)行調(diào)整:減小蝶形線圈兩側(cè)的部分與中間部分的距離,將兩側(cè)部分的位置調(diào)整到磁鐵的正下方,利用兩側(cè)磁鐵的垂直偏置磁場激勵(lì)橫波。調(diào)整后的蝶形線圈及其換能機(jī)理如圖7所示。換能器主要基于洛倫茲力機(jī)理,但應(yīng)用于室溫或中高溫下的鐵磁性材料中時(shí)也會(huì)生成磁致伸縮力和磁化力[10-11]。

圖7 雙層蝶形線圈及其換能機(jī)理

2.2 永磁體優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合考慮磁能積、剩磁與居里溫度,采用2∶17型釹鐵硼永磁體(Sm2Co17)提供水平偏置磁場。由于洛倫茲力正比于磁場強(qiáng)度的平方[12],為提高縱波強(qiáng)度,在傳統(tǒng)馬鞍形永磁體中兩端的磁鐵之間加入水平磁化的磁鐵以增加水平磁場強(qiáng)度,如圖8所示。中間磁鐵高度略小于兩端磁鐵以便于安裝時(shí)進(jìn)行定位和固定。優(yōu)化后的磁鐵整體尺寸為37.5 mm×12.5 mm×30 mm(寬×深×高)。

圖8 優(yōu)化設(shè)計(jì)永磁鐵以增強(qiáng)水平磁場強(qiáng)度

為分析優(yōu)化后磁鐵對橫波和縱波激勵(lì)的提升,利用COMSOL對永磁體進(jìn)行建模,分別在中間磁鐵和兩側(cè)磁鐵的正下方設(shè)置磁場強(qiáng)度參考點(diǎn),對不同提離距離下的水平和豎直磁場強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?優(yōu)化后磁鐵的中間區(qū)域的水平磁場強(qiáng)度具有明顯提升,兩側(cè)的豎直磁場強(qiáng)度略有提高。

(a)磁場強(qiáng)度水平分量

(b)磁場強(qiáng)度豎直分量圖9 優(yōu)化前后永磁體磁場對比

2.3 雙模態(tài)線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用COMSOL對換能器主要部件進(jìn)行建模,包括永磁體、線圈、管道和空氣域等,如圖10所示。其中管道材料為45鋼,溫度為800 ℃。

圖10 雙模態(tài)換能器仿真模型

與縱波換能器的蝶形線圈不同,雙模態(tài)線圈對其兩側(cè)部分與中間部分的間距S進(jìn)行了調(diào)整。間距S須保證線圈兩側(cè)部分處于左右側(cè)永磁體的下方。但間距S過小時(shí),導(dǎo)致縱波聲場與橫波聲場相互重疊,相互影響,進(jìn)而降低回波質(zhì)量;同時(shí)間距S過大時(shí),由于兩側(cè)區(qū)域內(nèi)的提離距離逐漸增大,導(dǎo)致試件內(nèi)的偏置磁場強(qiáng)度與感應(yīng)渦流逐漸減小,進(jìn)而引起橫波信號強(qiáng)度的下降。

為確定間距S的最優(yōu)值,分別以t=1.8×10-6s時(shí)橫波、縱波的聲場位移幅值為指標(biāo),t為傳播時(shí)間。如圖11所示,分別對不同間距下的線圈換能情況進(jìn)行仿真分析。

(a)橫波聲場

(b)縱波聲場圖11 t=1.8×10-6 s時(shí)試件中的聲場

不同間距下橫、縱波聲場位移幅值的仿真結(jié)果如圖12所示。可以看出,縱波的振動(dòng)位移幅值隨著兩側(cè)間距的增大而不斷增強(qiáng),其原因?yàn)閮蓚?cè)間距越大,橫波聲場與縱波聲場的重疊區(qū)域越小,橫波聲場對縱波聲場的影響也就越小。隨著兩側(cè)間距的進(jìn)一步增加,縱波聲場的位移幅值增量逐漸減小,4 mm間距下的位移幅值相較1 mm間距下的位移幅值增加了約30%,而8 mm間距下的位移相較4 mm間距下的位移幅值只增加了約4%。因此,可認(rèn)為當(dāng)間距大于4 mm后橫、縱波聲場間無相互影響,此時(shí),若再繼續(xù)增加間距,則縱波換能效率提升逐漸減小。同時(shí),橫波聲場位移幅值在兩側(cè)間距小于4 mm時(shí),同樣會(huì)隨間距的增大而不斷增大,但當(dāng)間距大于4 mm后,聲場位移幅值呈現(xiàn)下降趨勢,主要原因是提離距離增加導(dǎo)致了橫波換能效率下降。

圖12 不同間距下橫、縱波位移幅值

因此,綜合考慮橫、縱波聲場的換能效率以及試件的曲率影響等因素,選取兩側(cè)間距S=4 mm作為高溫雙模態(tài)線圈的最優(yōu)參數(shù)。

3 高溫雙模態(tài)電磁超聲換能器實(shí)驗(yàn)

3.1 雙模態(tài)換能器

如圖13所示,為實(shí)現(xiàn)對高溫管道壁厚的連續(xù)測量,設(shè)計(jì)了具有風(fēng)冷和水冷模塊的高溫雙模態(tài)換能器。換能器底部裝有陶瓷片,在固定線圈的同時(shí)避免其與高溫管道直接接觸。磁鐵安裝在鋁制水冷模塊內(nèi),通過內(nèi)部流動(dòng)的冷卻水進(jìn)行冷卻。換能器一側(cè)設(shè)有進(jìn)氣口和氣流通道,通道出口為厚度0.5 mm的狹縫,冷卻氣體經(jīng)過狹縫后流速大幅增加。高速氣流通過出口處的換能器弧形面時(shí),由于科恩達(dá)效應(yīng)而沿弧面轉(zhuǎn)向,在換能器和高溫管道間形成高速氣流,以冷卻陶瓷片和線圈。

(a)換能器模型

(b)換能器剖面示意圖圖13 高溫雙模態(tài)電磁超聲換能器示意圖

3.2 高溫測厚實(shí)驗(yàn)

采用上述高溫雙模態(tài)換能器對直徑100 mm、壁厚10 mm的45鋼鋼管進(jìn)行厚度測量。鋼管加熱設(shè)備采用KSL-1750X高溫箱式爐,其最高可提供1 750 ℃的爐膛溫度。測量時(shí),先將鋼管加熱至850 ℃并保溫15 min后,取出鋼管固定并放置換能器開始測量,同時(shí)采用紅外測溫槍對鋼管溫度進(jìn)行測量。激勵(lì)信號為峰值電壓1 000 V、頻率3 MHz的正弦信號。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場設(shè)置如圖14所示。

(a)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖

(b)鋼管溫度測量圖14 雙模態(tài)換能器高溫測試實(shí)驗(yàn)圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

高溫測厚實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖15所示?？梢钥闯?當(dāng)鋼管溫度約750 ℃時(shí),可觀察到縱波回波信號,橫波信號不可見;當(dāng)鋼管溫度降低至650 ℃左右時(shí),由于鋼管鐵磁性恢復(fù),開始出現(xiàn)橫、縱波混疊,縱波信號仍略微可見;當(dāng)鋼管溫度降至約550 ℃左右時(shí),回波信號中的相鄰波包間隔較750 ℃時(shí)顯著增大,其前兩次回波清晰可見,說明此時(shí)由于鋼管的鐵磁性進(jìn)一步增強(qiáng),回波信號模態(tài)已變?yōu)闄M波為主;在溫度逐漸降低直至250 ℃左右的過程中,橫波信號一直存在,同時(shí)隨著溫度的降低和聲波衰減率的減小,信噪比逐漸提高,可以觀察到后續(xù)的回波。在此過程中,為保證信號幅值不超限,接收增益由65 dB下調(diào)至40 dB。

(a)增益65 dB不同溫度的測量結(jié)果 (b)增益40 dB不同溫度的測量結(jié)果圖15 高溫鋼管測厚結(jié)果

由于電磁超聲換能器的激勵(lì)過程受金屬材料電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、磁致伸縮系數(shù)等屬性影響,同時(shí)橫、縱波在金屬材料中的傳播特性受剪切模量、楊氏模量等彈性屬性不同程度的影響(例如,橫波主要受剪切模量的影響,而縱波同時(shí)還受楊氏模量的影響),而溫度變化會(huì)導(dǎo)致上述屬性發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致橫、縱波在不同溫度下表現(xiàn)出了不同的檢測效果。此外,對于45鋼,750 ℃可能已超過臨界轉(zhuǎn)變溫度,作為亞共析鋼,45鋼的組織開始由常溫下的鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和奧氏體。微觀結(jié)構(gòu)的變化也對超聲波的傳播產(chǎn)生了影響。

高溫鋼管測厚實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了縱波用于高溫檢測的可行性,表明了雙模態(tài)電磁超聲換能器可以實(shí)現(xiàn)對750 ℃鋼管的厚度測量,其中,當(dāng)溫度為650 ℃以上時(shí)縱波信號明顯,當(dāng)溫度為550～650 ℃時(shí)存在一定模態(tài)混疊現(xiàn)象,當(dāng)溫度為550 ℃以下時(shí)橫波信號明顯。

4 結(jié)束語

本文通過對45鋼鋼管的橫、縱波高溫測厚實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為650～750 ℃時(shí)縱波信號明顯,當(dāng)溫度為550～650 ℃時(shí)存在橫、縱波模態(tài)混疊,當(dāng)溫度為550 ℃以下時(shí)橫波信號明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了橫、縱波在不同溫度下具有不同的檢測效果,驗(yàn)證了縱波用于高溫檢測的可行性以及橫波在高溫檢測時(shí)的局限性。特定溫度區(qū)間存在的模態(tài)混疊現(xiàn)象可能是由于溫度變化對橫、縱波波速具有不同程度影響所引起的。同時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明了雙模態(tài)換能器利用縱波檢測提高了電磁超聲換能器的高溫檢測能力,同時(shí)還通過橫波檢測解決了縱波對室溫和中高溫度下的鐵磁性材料檢測時(shí)信號差的問題,拓展了電磁超聲換能器在不同溫度下檢測的通用性。

在未來工作中,可開展小型換能器的研究與優(yōu)化以提高便攜性,更好地滿足高溫在役管道巡檢、點(diǎn)檢等檢測需求;針對檢測信號中出現(xiàn)的模態(tài)混疊現(xiàn)象,可開展針對不同材料中的模態(tài)混疊及相應(yīng)溫度區(qū)間的研究,同時(shí)也可開展解耦算法的研究,進(jìn)一步提升不同溫度下的檢測效果。此外,高溫雙模態(tài)換能器也可應(yīng)用于高溫下的聲彈應(yīng)力檢測等其他檢測技術(shù)中。