羅更生，譚建平

(1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，湖南長(zhǎng)沙，410111；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

大曲率油氣對(duì)焊彎管是城鎮(zhèn)油氣管道系統(tǒng)中常用的一類(lèi)彎管，由彎曲半徑較小的標(biāo)準(zhǔn)彎頭與直管對(duì)接焊接而成，外表面覆蓋黏彈性防腐層。彎管中的彎頭在長(zhǎng)期輸送介質(zhì)過(guò)程中易受制造缺陷、介質(zhì)沖刷腐蝕和管外第三方力量沖壓等因素破壞，導(dǎo)致管壁減薄或開(kāi)裂，從而造成危險(xiǎn)介質(zhì)泄漏或爆炸等安全事故，因此，定期對(duì)彎管部位開(kāi)展檢測(cè)并及時(shí)處置安全隱患是非常必要的。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道缺陷快速檢測(cè)的技術(shù)，是目前的研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在彎管缺陷的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方面開(kāi)展了大量研究，但主要集中在不帶防腐層的自然彎管缺陷檢測(cè)方面，如：SANDERSON等[1]采用實(shí)驗(yàn)與有限元相結(jié)合的方法研究了T(0,1)模態(tài)在彎管中的模態(tài)轉(zhuǎn)換特性，分析了彎頭在彎制過(guò)程中形成的不均勻壁厚對(duì)T(0,1)模態(tài)的傳播影響；BRATH等[2]采用有限元和實(shí)驗(yàn)方法研究了導(dǎo)波在彎管中的傳播和散射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)波在彎管中傳播時(shí)，其波陣面會(huì)在彎管表面發(fā)生自然聚焦現(xiàn)象；VERMA 等[3]采用有限元法研究了L(0,2)模態(tài)導(dǎo)波在具有不同彎曲角度、不同壁厚、不同彎曲曲率半徑彎管中的傳播特性，發(fā)現(xiàn)盡管在較小彎曲角度下，彎頭會(huì)影響L(0,2)模態(tài)20%的傳輸能力，但采用超聲導(dǎo)波檢測(cè)或監(jiān)測(cè)彎管缺陷是可行的；HEINLEIN 等[4]采用有限元法研究了T(0,1)模態(tài)檢測(cè)彎頭小缺陷的能力，發(fā)現(xiàn)小缺陷反射信號(hào)的幅值隨著分布位置的不同而變化很大；王建龍[5]研究了32 kHz 的T(0,1)模態(tài)在帶缺陷彎管中的傳播特性，得出了缺陷反射系數(shù)與其軸向長(zhǎng)度、徑向深度和周向?qū)挾乳g的關(guān)系；趙冬梅等[6]采用有限元仿真分析L(0,2)模態(tài)彎管缺陷，發(fā)現(xiàn)當(dāng)彎頭處裂紋缺陷的橫截面比不變時(shí)，其反射系數(shù)隨直管段腐蝕缺陷橫截面比變大而減?。还⒑Ｈ萚7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真研究了信號(hào)頻率和彎頭彎曲半徑的變化對(duì)小徑管彎頭處L(0,1)模態(tài)的模態(tài)轉(zhuǎn)換和反射系數(shù)的影響；李陽(yáng)等[8]采用有限元方法分析了激勵(lì)頻率、彎曲半徑和彎管角度對(duì)T(0,1)模態(tài)透過(guò)率的影響規(guī)律；王立[9]采用有限元法研究了激勵(lì)頻率、激勵(lì)周期和彎曲角度等因素對(duì)L(0,2)模態(tài)、T(0,1)模態(tài)在架空彎管中傳播特性的影響規(guī)律；QI等[10-11]通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)超聲導(dǎo)波對(duì)彎頭不同部位的裂紋具有不同的檢測(cè)靈敏度，其中彎頭拱腹裂紋的檢測(cè)靈敏度最低；伍文君等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)L(0,1)模態(tài)通過(guò)管道彎頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生模態(tài)轉(zhuǎn)換波F(1,1)模態(tài)。一些國(guó)外學(xué)者對(duì)不帶防腐層的對(duì)焊彎管缺陷的超聲導(dǎo)波檢測(cè)進(jìn)行了研究，如NISHINO 等[13-14]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了T(0,1)模態(tài)檢測(cè)對(duì)焊彎管和直管缺陷的能力，發(fā)現(xiàn)對(duì)焊彎管缺陷的檢測(cè)靈敏度為直管的25%～20%，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了T(0,1)模態(tài)在彎管中的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)T(0,1)模態(tài)在彎頭位置會(huì)轉(zhuǎn)換成扭轉(zhuǎn)波T(1,1)模態(tài)、T(2,1)模態(tài)、T(3,1)模態(tài)和T(4,1)模態(tài)；PREDOI 等[15]采用有限元方法分析了L(0,2)模態(tài)在焊縫熱影響區(qū)帶切槽的90°彎管中的傳播特性，發(fā)現(xiàn)L(0,2)模態(tài)在通過(guò)彎頭前后的焊縫時(shí)分別產(chǎn)生一種速度不一的模態(tài)波等；SIMONETTIA 等[16]應(yīng)用超聲導(dǎo)波成像法開(kāi)展了對(duì)焊彎管彎頭缺陷的在線長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。目前，關(guān)于應(yīng)用超聲導(dǎo)波檢測(cè)大曲率油氣對(duì)焊彎管缺陷的研究很少，為此，本文作者提出基于相控陣超聲導(dǎo)波掃描成像的檢測(cè)方法，以解決該類(lèi)彎管彎頭及彎頭后直管上缺陷難以快速檢測(cè)的技術(shù)難題。

1 油氣對(duì)焊彎管的彎頭及環(huán)焊縫對(duì)超聲導(dǎo)波傳播的影響

應(yīng)用ANSYS14.0 仿真分析油氣對(duì)焊彎管的彎頭及環(huán)焊縫對(duì)超聲導(dǎo)波的傳播影響。分別設(shè)計(jì)1根對(duì)焊彎管和1 根無(wú)縫直管，這2 根管道材質(zhì)均為20 鋼，外徑為159.0 mm，壁厚為4.5 mm，軸向長(zhǎng)度均為4 500.0 mm，外表面覆蓋2.0 mm 厚的聚乙烯防腐層，相關(guān)材料的聲學(xué)常數(shù)如表1所示。對(duì)焊彎管模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中R=318 mm，θ=90°。直管模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。管道模型選用Solid164單元類(lèi)型，應(yīng)用布爾運(yùn)算在鋼管相應(yīng)部位加工焊縫及缺陷，運(yùn)用掃略方式將網(wǎng)格劃分成六面體單元，其中，沿壁厚方向?qū)摴軇澐譃?個(gè)單元，防腐層劃分為2個(gè)單元。進(jìn)行仿真分析時(shí)，在管道端面A加載以下超聲導(dǎo)波信號(hào)：L(0,2)模態(tài)，5周期，40 kHz；T(0,1)模態(tài)，5周期，30 kHz。

表1 材料聲學(xué)常數(shù)Table 1 Acoustic constants of materials

圖1 油氣對(duì)焊彎管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of butt-welded bend with viscoelastic anticorrosive coating

圖2 直管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of straight pipe

仿真結(jié)果分別如圖3和圖4所示。從圖3和圖4可以看出：超聲導(dǎo)波穿越環(huán)焊縫1、彎頭及環(huán)焊縫2后在端面B產(chǎn)生的首次反射波的幅值比直管端面B的首次反射波幅值低；當(dāng)管道端面A處加載L(0,2)模態(tài)時(shí)，彎管和直管的端面B反射波相對(duì)幅度分別為0.206 7 和0.717 3，彎頭和環(huán)焊縫共同對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)幅度的衰減為71.2%；當(dāng)管道端面A處加載T(0,1)模態(tài)時(shí)，彎管和直管的端面B反射波相對(duì)幅值分別為0.157 2 和0.384 4，彎頭和環(huán)焊縫共同對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)幅度的衰減為59.1%，可見(jiàn)彎頭和環(huán)焊縫對(duì)L(0,2)模態(tài)或T(0,1)模態(tài)產(chǎn)生了大量衰減，同時(shí)，L(0,2)模態(tài)、T(0,1)模態(tài)經(jīng)過(guò)彎頭后，分別產(chǎn)生了模態(tài)轉(zhuǎn)換波F(1,3)模態(tài)和F(1,2)模態(tài)。

圖3 管道端面A處加載L(0,2)模態(tài)時(shí)管道端面B的反射波Fig.3 Reflected waves from endB when L(0,2)mode is excited at endA of two pipes

圖4 管道端面A處加載T(0,1)模態(tài)時(shí)管道端面B的反射波Fig.4 Reflected waves from endB when T(0,1)mode is excited at the endA of two pipes

2 基于相控陣超聲導(dǎo)波掃描成像的檢測(cè)方法

從上述研究發(fā)現(xiàn)，超聲導(dǎo)波經(jīng)過(guò)大曲率油氣對(duì)焊彎管的彎頭時(shí)，在環(huán)焊縫處產(chǎn)生明顯的反射信號(hào)，當(dāng)彎頭上缺陷距離環(huán)焊縫較近時(shí)，環(huán)焊縫反射信號(hào)包絡(luò)可能與彎頭上缺陷反射信號(hào)包絡(luò)相連，影響彎頭缺陷的識(shí)別；彎頭和環(huán)焊縫使超聲導(dǎo)波產(chǎn)生大量衰減和模態(tài)轉(zhuǎn)換，降低了超聲導(dǎo)波檢測(cè)彎頭后直管上缺陷的能力。此外,聚乙烯防腐層會(huì)對(duì)超聲導(dǎo)波產(chǎn)生衰減。上述問(wèn)題導(dǎo)致超聲導(dǎo)波難以檢出對(duì)焊彎管的彎頭及過(guò)彎頭后直管部位的缺陷。

為此，提出相控陣超聲導(dǎo)波掃描成像技術(shù)，用于檢測(cè)大曲率油氣對(duì)焊彎管缺陷。該技術(shù)采用相控陣技術(shù)控制超聲導(dǎo)波的激勵(lì)，提高超聲導(dǎo)波的缺陷檢出能力；同時(shí)，應(yīng)用A掃描和B掃描成像技術(shù)，提高超聲導(dǎo)波的缺陷識(shí)別能力。

2.1 超聲導(dǎo)波信號(hào)的控制

相控陣超聲導(dǎo)波掃描成像技術(shù)通過(guò)控制傳感器的激勵(lì)延時(shí)，使所需要的超聲導(dǎo)波信號(hào)幅值疊加增強(qiáng)，也可以使不需要的信號(hào)幅值疊加后減弱或抵消，提高所需要信號(hào)的缺陷檢測(cè)能力。對(duì)焊彎管缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理如圖5所示，在壓電傳感器陣列上施加經(jīng)漢寧窗調(diào)制的單音頻信號(hào)[17]，激勵(lì)出L(0,2)模態(tài)或T(0,1)模態(tài)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)的控制，需要解決2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是傳感器陣列設(shè)計(jì)，二是傳感器激勵(lì)延時(shí)設(shè)定。

圖5 實(shí)驗(yàn)原理Fig.5 Experimental schematic diagram

2.1.1 L（0，2）模態(tài)的傳播控制

傳感器陣列設(shè)計(jì)如圖6所示，由L1，L2 和L3共3圈傳感器構(gòu)成。其中，d2為L(zhǎng)1傳感器離管道左側(cè)Z處的距離，l為L(zhǎng)1與L2傳感器或L2與L3傳感器之間的間距，d3為L(zhǎng)3 傳感器離管道右側(cè)Y處的距離。壓電傳感器在激勵(lì)L(0,2)模態(tài)的同時(shí)，也會(huì)激勵(lì)L(0,1)模態(tài)。在相同頻率下，L(0,1)模態(tài)的傳播速度幾乎是L(0,2)模態(tài)傳播速度的一半[18]。應(yīng)用相控陣技術(shù)控制傳感器的激勵(lì)延時(shí)，使3圈傳感器激勵(lì)出來(lái)的L(0,2)模態(tài)疊加后信號(hào)幅值增強(qiáng)，提高檢測(cè)距離；使L(0,1)模態(tài)疊加后信號(hào)幅值抵消，避免L(0,1)模態(tài)的干擾。

L1，L2 和L3 傳感器激勵(lì)出的L(0, 2)模態(tài)和L(0,1)模態(tài)傳播到管道右側(cè)Y處的時(shí)間分別為：

圖6 L(0,2)模態(tài)傳感器陣列設(shè)計(jì)Fig.6 Sensor array design of L(0,2)mode

其中：tYL1，tYL2和tYL3分別為L(zhǎng)1，L2 和L3 傳感器激勵(lì)的L(0,2)模態(tài)到達(dá)管道右側(cè)Y處的傳播時(shí)間；t′YL1，t′YL2和t′YL2分別為L(zhǎng)1，L2和L3傳感器激勵(lì)的L(0,1)模態(tài)到達(dá)管道右側(cè)Y處的傳播時(shí)間；v2和v′1分別為L(zhǎng)(0,2)模態(tài)和L(0,1)模態(tài)波速，v2= 2v′1；Td1和Td3分別為L(zhǎng)1 和L3 傳感器的激勵(lì)延遲時(shí)間。為使L(0,2)模態(tài)在管道右側(cè)Y處加強(qiáng)、L(0,1)模態(tài)在管道右側(cè)Y處抵消，激勵(lì)延遲時(shí)間應(yīng)滿足以下要求：

其中：T2和T′1分別為L(zhǎng)(0,2)模態(tài)和L(0,1)模態(tài)的周期，且T2=T′1；n為奇數(shù)，且n>1。聯(lián)合式(3)和式(4)及v2= 2v′1，經(jīng)計(jì)算得

式中：λ2和λ′1分別為L(zhǎng)(0,2)模態(tài)和L(0,1)模態(tài)的波長(zhǎng)。從式(5)可以看出：當(dāng)3圈傳感器彼此間距l(xiāng)為λ2/2 或λ′1，L1 和L3 傳感器的激勵(lì)延時(shí)均為T(mén)2/2 或T′1/2 時(shí)，3 圈傳感器激勵(lì)的L(0,2)模態(tài)加強(qiáng)，L(0,1)模態(tài)被抵消。以管道左側(cè)Y處為計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，也可以得到相同的結(jié)果。

2.1.2 T（0，1）模態(tài)的傳播控制

圖7 T(0,1)模態(tài)傳感器陣列設(shè)計(jì)Fig.7 Sensor array design of T(0,1)mode

傳感器陣列設(shè)計(jì)如圖7所示，由T1 和T2 共2圈傳感器構(gòu)成。其中，d4為T(mén)1 傳感器離管道左側(cè)Z處的距離；d1為T(mén)2 傳感器離管道右側(cè)Y處的距離；l0為T(mén)1 與T2 傳感器之間的間距。為了只檢出傳感器右側(cè)方向上管道的缺陷，應(yīng)用相控陣技術(shù)控制傳感器的激勵(lì)延時(shí)，可使2圈傳感器激勵(lì)出來(lái)的T(0,1)模態(tài)往管道右端傳播時(shí)信號(hào)幅值疊加增強(qiáng)，提高缺陷檢出率；往管道左端傳播時(shí)信號(hào)幅值相互抵消，防止其經(jīng)管道左端反射后往管道右端傳播，影響缺陷檢測(cè)及定位。

T1 和T2 傳感器激勵(lì)出的T(0,1)模態(tài)傳播到管道左側(cè)Z處和管道右側(cè)Y處的時(shí)間分別為

式中：v1為T(mén)(0,1)模態(tài)波速；Td為T(mén)2傳感器延遲激勵(lì)時(shí)間；tZT1和tZT2分別為T(mén)1 和T2 傳感器激勵(lì)的T(0,1)模態(tài)到達(dá)管道左側(cè)Z處的傳播時(shí)間；tYT1和tYT2分別為T(mén)1和T2傳感器激勵(lì)的T(0,1)模態(tài)到達(dá)管道右側(cè)Y處的傳播時(shí)間。為使T(0,1)模態(tài)在管道左側(cè)Z處信號(hào)幅值抵消，在管道右側(cè)Y處信號(hào)幅值加強(qiáng)，應(yīng)滿足以下條件：

式中：T1為T(mén)(0,1)模態(tài)的周期。根據(jù)式(8)可得

式中：λ1為T(mén)(0,1)模態(tài)的波長(zhǎng)。從式(9)可以看出：當(dāng)2 圈傳感器間距l(xiāng)0為λ1/4，T2 傳感器的激勵(lì)延遲時(shí)間為T(mén)1/4 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)T1 和T2 傳感器激勵(lì)出的T(0,1)模態(tài)往管道左側(cè)傳播時(shí)信號(hào)幅值抵消，往管道右側(cè)傳播時(shí)信號(hào)幅值增強(qiáng)。

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，通常以T(0,1)模態(tài)或L(0,2)模態(tài)的某個(gè)重要頻率為基準(zhǔn)來(lái)設(shè)置傳感器間距，當(dāng)頻率改變時(shí)，傳感器間距固定，以提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率。為此，以L(0,2)模態(tài)的60 kHz 為基準(zhǔn)，根據(jù)式(5)進(jìn)行計(jì)算并設(shè)置3 圈傳感器間距為30 mm；以T(0,1)模態(tài)的27 kHz為基準(zhǔn)，根據(jù)式(9)進(jìn)行計(jì)算并設(shè)置2圈傳感器間距為30 mm。通過(guò)控制傳感器的激勵(lì)延時(shí)，使3 圈傳感器激勵(lì)的L(0,2)模態(tài)疊加增強(qiáng)，L(0,1)模態(tài)疊加減弱；使2 圈傳感器激勵(lì)的T(0,1)模態(tài)往管道右端傳播時(shí)疊加增強(qiáng)，往管道左端傳播時(shí)疊加減弱，此時(shí)，傳感器激勵(lì)的10周期L(0,2)模態(tài)和T(0,1)模態(tài)幅值隨頻率的變化關(guān)系分別如圖8和圖9所示，圖中的灰色部分為檢測(cè)盲區(qū)。從圖8和圖9可以看出：T(0,1)模態(tài)和L(0,2)模態(tài)分別在27 kHz和60 kHz時(shí)信號(hào)最強(qiáng)，在其他頻率下信號(hào)相對(duì)變?nèi)?。此外，?dāng)T(0,1)模態(tài)和L(0,2)模態(tài)的周期數(shù)改變時(shí)，2 種模態(tài)幅值隨頻率的變化關(guān)系不變。

圖8 3圈傳感器激勵(lì)的10周期L(0,2)模態(tài)幅值與頻率的關(guān)系Fig.8 Relationship between amplitude and frequency of 10-cycle L(0,2)mode excited from three-circle sensor

圖9 2圈傳感器激勵(lì)的10周期T(0,1)模態(tài)幅值與頻率的關(guān)系Fig.9 Relationship between amplitude and frequency of 10-cycle T(0,1)mode excited from two-circle sensor

2.2 缺陷信號(hào)的識(shí)別

當(dāng)同時(shí)采用A掃描、B掃描成像技術(shù)時(shí)，為了提高對(duì)缺陷信號(hào)的識(shí)別能力，需解決以下2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是傳感器布置，二是B 掃描圖像顏色設(shè)置。

2.2.1 傳感器布置

超聲導(dǎo)波傳感器布置如圖10所示。將每圈傳感器沿著管道圓周360°方向均勻布置，為簡(jiǎn)化操作和減少數(shù)據(jù)連接，將傳感器等分成數(shù)量相同的A，B，C，D，E，F(xiàn)，G 和H 共8個(gè)組，分別負(fù)責(zé)管道圓周上[0°，45°)，[45°，90°)，[90°，135°)，[135°，180°)，[180°，225°)，[225°，270°)，[270°，315°)和[315°，360°]區(qū)域內(nèi)缺陷的檢測(cè)。

圖10 超聲導(dǎo)波傳感器布置圖Fig.10 Layout of ultrasonic guided wave sensors

2.2.2 B掃描圖像顏色設(shè)置

當(dāng)超聲導(dǎo)波遇到不同類(lèi)型的管道結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位(如焊縫、管端、缺陷等)或遇到不同橫截面積比(即指缺陷橫截面積與缺陷處管壁橫截面積之比)的缺陷時(shí)，會(huì)有不同幅度的反射信號(hào)。此外，當(dāng)相同橫截面積比的缺陷與傳感器距離不同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生不同幅度的反射信號(hào)。為了使管道上不同位置的相同橫截面積比缺陷具有相同的B掃描圖像顏色，在掃描成像處理時(shí)采用對(duì)數(shù)標(biāo)度法來(lái)設(shè)置顏色。超聲導(dǎo)波在鋼管中的衰減關(guān)系滿足[19]

式中：y為距離起始波源x處的波幅；x為離起始波源的距離；y0為起始波源幅值；a為鋼管的衰減系數(shù)；e為自然常數(shù)。取式(10)的自然對(duì)數(shù)，得

從式(11)可以看出，ln(y/y0)與x的關(guān)系是1 條斜率為-a的直線。只要缺陷的幅度y及離波源距離x滿足式(11)，便可在B 掃描圖像中用同一顏色予以標(biāo)識(shí)。

3 大曲率油氣對(duì)焊彎管缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

大曲率油氣對(duì)焊彎管采用的標(biāo)準(zhǔn)彎頭種類(lèi)如表2所示，其中，45°長(zhǎng)半徑彎頭、90°長(zhǎng)半徑彎頭、90°短半徑彎頭是壓力管道系統(tǒng)中常用的管件。實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用上述3 類(lèi)彎頭加工制作5 根對(duì)焊彎管，在彎頭和彎頭后直段上分別加工周向切槽缺陷，切槽寬度為5 mm，用于模擬實(shí)際的腐蝕和裂紋缺陷。彎管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。對(duì)焊彎管帶2 mm厚的聚乙烯防腐層，材質(zhì)為20鋼，外徑為159.0 mm，壁厚為4.5 mmm，彎頭左側(cè)直管長(zhǎng)度為2 500 mm，彎頭右側(cè)直管長(zhǎng)度為1 500 mm。其他技術(shù)參數(shù)如表3所示。彎頭上切槽加工在彎頭外弧側(cè)或內(nèi)弧側(cè)，其中超聲導(dǎo)波在彎頭外弧側(cè)的能量最強(qiáng)，在彎頭內(nèi)弧側(cè)的能量最弱[20]。

表2 標(biāo)準(zhǔn)彎頭種類(lèi)Table 2 Types of standard elbows

圖11 對(duì)焊彎管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic diagrams of butt-welded bends

表3 對(duì)焊彎管技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of butt-welded bends

根據(jù)缺陷不同加工位置，將5 根彎管分為2組：第1組為1號(hào)彎管、2號(hào)彎管和3號(hào)彎管，缺陷加工在彎頭外弧側(cè)和彎頭后直段上，此外，1號(hào)彎管、2 號(hào)彎管的彎頭具有相同彎曲角度θ、不同彎曲半徑R，2 號(hào)彎管、3 號(hào)彎管的彎頭具有相同彎曲半徑R、不同彎曲角度θ；第2組為4號(hào)彎管和5 號(hào)彎管，缺陷加工在彎頭內(nèi)弧側(cè)和彎頭后直段上，2 個(gè)彎管的彎頭具有相同彎曲半徑R、不同彎曲角度θ。本次實(shí)驗(yàn)充分考慮了缺陷加工位置、彎頭彎曲角度θ、彎頭彎曲半徑R的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

采用相控陣超聲導(dǎo)波掃描成像的方法檢測(cè)5根彎管的缺陷，實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示。其中，主機(jī)采用英國(guó)PI 公司的Teletest主機(jī)，傳感器陣列設(shè)計(jì)如表4所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在管道左端加載以下超聲導(dǎo)波信號(hào)：采用L(0,2)模態(tài)時(shí)，周期數(shù)為5，頻率為50 kHz；采用T(0,1)模態(tài)時(shí)，周期數(shù)為5，頻率為40 kHz。

表4 傳感器陣列設(shè)計(jì)Table 4 The design of sensor array

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

這里只對(duì)第1 組的1 號(hào)彎管和第2 組的4 號(hào)彎管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果分別如圖12和圖13所示。在B掃描圖像中，不同亮度顏色圖譜對(duì)應(yīng)不同幅值的A掃描波形。從圖12和圖13可以看出：

1)環(huán)焊縫1和彎頭切槽缺陷、環(huán)焊縫2和彎頭后切槽缺陷以及管端的時(shí)域脈沖反射波位置，對(duì)應(yīng)著相應(yīng)顏色的B掃描圖像；環(huán)焊縫及管端部位的B掃描圖像沿管道圓周360°分布，管道切槽缺陷的B掃描圖像顏色只出現(xiàn)在相應(yīng)局部位置上。

2) 綜合分析A 掃描圖像和B 掃描圖像，可有效找出結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位在管道上的軸向位置。以圖12(a)為例，彎頭切槽距離左側(cè)管端2 500 mm，彎頭后直管上切槽距離左側(cè)管端3 750 mm。

圖12 1號(hào)彎管的測(cè)試結(jié)果Fig.12 Test results of No.1 bend

圖13 4號(hào)彎管的測(cè)試結(jié)果Fig.13 Test results of No.4 bend

3)相控陣超聲導(dǎo)波掃描成像技術(shù)能夠有效識(shí)別和定位大曲率對(duì)焊彎管彎頭缺陷和過(guò)彎頭后直管上的缺陷。

4 結(jié)論

1) 超聲導(dǎo)波經(jīng)過(guò)大曲率對(duì)焊彎管的彎頭時(shí)，在環(huán)焊縫處產(chǎn)生明顯的反射信號(hào)，當(dāng)彎頭上缺陷距離環(huán)焊縫較近時(shí)，環(huán)焊縫反射信號(hào)包絡(luò)可能與彎頭上缺陷反射信號(hào)包絡(luò)相連，影響彎頭缺陷的識(shí)別；彎頭和環(huán)焊縫使超聲導(dǎo)波產(chǎn)生大量衰減和模態(tài)轉(zhuǎn)換，降低了超聲導(dǎo)波檢測(cè)彎頭后直管上缺陷的能力。這些因素均將導(dǎo)致超聲導(dǎo)波難以檢出對(duì)焊彎管的彎頭及過(guò)彎頭后直管部位的缺陷。

2)提出基于相控陣超聲導(dǎo)波掃描成像的大曲率對(duì)焊彎管缺陷的檢測(cè)方法，闡述了該方法應(yīng)用相控陣技術(shù)控制L(0,2)模態(tài)和T(0,1)模態(tài)的激勵(lì)，并提出了這2 種模態(tài)導(dǎo)波的缺陷檢出能力的原理，以及應(yīng)用A掃描和B掃描成像技術(shù)提高這2種模態(tài)導(dǎo)波的缺陷識(shí)別能力的原理。

3)該檢測(cè)方法能夠有效識(shí)別和定位大曲率油氣對(duì)焊彎管的彎頭缺陷和過(guò)彎頭后直管上的缺陷。