彎折小徑管中槽型缺陷的L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波檢測

韓佳琪，劉 堯，楊寧祥，劉秀成，吳 斌

(1.北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部，北京 100124；2.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 珠海檢測院，珠海 519002)

小直徑金屬管(簡稱小徑管)在船舶、化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要用于介質(zhì)輸送或測量儀表的取樣。實際應(yīng)用中，為了改變內(nèi)部介質(zhì)的輸送方向，常對小徑管進行不同角度的彎折處理。由于內(nèi)部輸送介質(zhì)的腐蝕性和濕潤環(huán)境所造成的電化學(xué)腐蝕，小徑管的彎折部位或存在缺陷的位置容易形成腐蝕點，長期積累會造成穿孔泄漏事故[1]。因此，開發(fā)面向小徑管的缺陷檢測技術(shù)具有重要的工程意義。

超聲導(dǎo)波可以沿小徑管傳播，利用反射回波信號對小徑管進行缺陷檢測[2]，其具有快速、長距離檢測的優(yōu)勢[3]。長直管道中超聲導(dǎo)波的傳播特性相對簡單，可以用頻散曲線進行描述[4]。靳小強等[5]利用壓電傳感器在直徑為8 mm，壁厚為1.5 mm的小徑不銹鋼直管中激發(fā)出中心頻率為70 kHz的L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波，實現(xiàn)了模擬裂紋缺陷的檢測與準(zhǔn)確定位，并通過試驗觀察到了缺陷導(dǎo)致L(0,1)模態(tài)向F(1,1)模態(tài)轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。

超聲導(dǎo)波在一定角度彎折小徑管中的傳播特性更為復(fù)雜。李衍[6]和耿海泉等[7]分別研究了T(0,1)模態(tài)和F(1,1)模態(tài)導(dǎo)波在彎頭處的傳播特性，均指出彎頭的幾何非對稱性會引起導(dǎo)波發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，且導(dǎo)波對彎頭不同區(qū)域缺陷的檢測靈敏度存在差異。

筆者采用有限元仿真和試驗方法，利用L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波繞過彎頭對彎折小徑管中的槽型缺陷進行檢測，重點分析了彎折角度對導(dǎo)波傳播特性及導(dǎo)波的缺陷檢測能力的影響規(guī)律。

1 超聲導(dǎo)波傳播特性

檢測對象是外徑為10 mm,壁厚為2 mm的不銹鋼管(長約2 m)，共制作3根。在小徑管中段位置進行不同角度的彎折，彎折角度θ分別為45°，90°和135°。計算導(dǎo)波在小徑不銹鋼直管中傳播的頻散曲線[8]，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，在頻率小于150 kHz時，L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波的頻散小，適合缺陷檢測。在90 kHz附近，L(0,1)模態(tài)和F(1,1)模態(tài)導(dǎo)波的群速度vp分別為5 000 m·s-1和2 600 m·s-1。二者相差越大，L(0,1)模態(tài)和F(1,1)模態(tài)在缺陷處的反射回波信號更易于在時域上分離。因此，選擇激發(fā)中心頻率為90 kHz的L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波對小徑管進行檢測。

圖1 小徑不銹鋼管導(dǎo)波群速度頻散曲線

為了分析不同角度彎頭對導(dǎo)波傳播特性的影響，在ABAQUS有限元仿真軟件中，建立了彎折小徑管模型。模型幾何尺寸與實際測試的3根彎折小徑管保持一致。模型采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，在管道端面施加均布載荷，以激勵軸對稱模態(tài)超聲導(dǎo)波。激勵信號為中心頻率為90 kHz，由漢寧窗調(diào)制的5周期正弦波。

仿真計算時，首先分析L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波在無缺陷小徑管中的傳播過程，重點觀察其在彎頭處的反射和模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象；其次，在模型的水平段小徑管中加工一個寬為1 mm，深為1.8 mm，周向長度為8.76 mm的槽型缺陷，其中心距離近端面750 mm。先后在兩個端面設(shè)置激勵和接收節(jié)點，模擬自激自收檢測模式，對比分析導(dǎo)波經(jīng)過和未經(jīng)過彎頭情況下對模擬缺陷的檢測能力。

不同彎折角度小徑管的有限元仿真模型與結(jié)果如圖2所示，在仿真模型中進行信號提取時，在兩個端面圓周上設(shè)置如圖2(a)所示的8個均布接收節(jié)點，所有節(jié)點提取位移波形進行加和處理，以模擬實際傳感器檢測信號，用于分析彎折角度對導(dǎo)波檢測能力的影響規(guī)律。

圖2 不同彎折角度小徑管的有限元仿真模型與結(jié)果

圖3為在N端面圓周4個節(jié)點提取的典型自激自收位移波形。當(dāng)激勵的L(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波沿小徑管傳播時，在其彎頭處發(fā)生反射和模態(tài)轉(zhuǎn)換[9]。圖3中標(biāo)記為A的波形代表彎頭反射回N端面的L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波。由于彎頭處有明顯的幾何不對稱性，所以部分L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波轉(zhuǎn)換成非軸對稱的F(1,1)模態(tài)導(dǎo)波，其群速度較小，約為L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波群速度的1/2。因此，在彎頭處因模態(tài)轉(zhuǎn)換形成的F(1,1)模態(tài)導(dǎo)波反射回N端面的傳播時間落后于信號A的傳播時間，而形成回波信號B。

當(dāng)導(dǎo)波經(jīng)過彎頭后，仍然保持以L(0,1)模態(tài)和F(1,1)模態(tài)兩組波形向前傳播。波形C代表L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波從N端面折返再次經(jīng)過彎頭產(chǎn)生的第二次反射信號。波形D為L(0,1)模態(tài)從E端反射回N端的信號。

圖4給出了N端面所有8個節(jié)點提取的位移波形疊加后的結(jié)果，可以明顯看出，彎折角度對接收導(dǎo)波信號存在影響。這里主要關(guān)注入射的L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波在彎頭處的反射特性。因此，選擇對0.3 ms0.55 ms時間內(nèi)的波形進行短時傅里葉變換，以便于觀察波形A,B的成分。無缺陷小徑管N端面接收信號的時頻分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 無缺陷小徑管中N端面的接收信號

圖5 無缺陷小徑管N端面接收信號的時頻分析結(jié)果

將圖1中的L(0,1)和F(1,1)模態(tài)的群速度頻散曲線疊加繪制在如圖5所示的時頻分析結(jié)果中。通過對照，可以確定波形A，B分別為從彎頭反射回來的L(0,1)模態(tài)和F(1,1)模態(tài)。值得注意的是，當(dāng)θ=45°和θ=135°時，F(xiàn)(1,1)模態(tài)反射回波明顯。相比而言，當(dāng)彎折角度θ=90°時，F(xiàn)(1,1)模態(tài)反射回波非常微弱，這與θ=90°時彎頭處的幾何不對稱性相對較低有關(guān)。當(dāng)θ=45°時，彎折導(dǎo)致外凸弧長和內(nèi)凹弧長存在較大差異，導(dǎo)波在內(nèi)、外凸弧的反射回波出現(xiàn)微小時間差，而在時頻分析結(jié)果中呈現(xiàn)兩個相互重疊的波包信號。

為了定量分析彎折角度對彎頭處L(0,1)和F(1,1)模態(tài)反射回波的影響，計算圖4中回波A，B的幅值平方和(代表波形能量)，不同彎折角度時不同模態(tài)導(dǎo)波的反射回波能量如圖6所示。按照F(1,1)模態(tài)反射回波能量的高低，對彎折角度進行排序，依次為45°，135°，90°。這表明：當(dāng)彎折角度為90°時，L(0,1)模態(tài)向F(1,1)模態(tài)轉(zhuǎn)換的能量最??；彎折角度為45°時，彎頭處內(nèi)外側(cè)的非對稱性最高，此時L(0,1)模態(tài)向F(1,1)模態(tài)轉(zhuǎn)換的能量最高。

圖6 不同彎折角度時不同模態(tài)導(dǎo)波的反射回波能量

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗裝置

為了對有限元仿真結(jié)果進行驗證，開展缺陷檢測試驗，構(gòu)建如圖7所示的試驗裝置。試驗所用的3根彎折的不銹鋼小徑管(含缺陷)尺寸與有限元仿真模型保持一致。采用磁致伸縮原理[10]在小徑管端部激勵和接收超聲導(dǎo)波。將多片長條形鐵鈷合金條帶沿圓柱殼排布形成鼠籠式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)布置雙環(huán)永磁體陣列，使得鐵鈷合金條帶沿其長度方向偏置磁化。

圖7 試驗裝置外觀

在鼠籠結(jié)構(gòu)外側(cè)正反交替繞制線圈(共4段，間距為25 mm)，通入交變電流以使動態(tài)磁場對鐵鈷合金條帶進行磁化。動態(tài)磁場和靜態(tài)偏置磁場方向平行，由磁致伸縮效應(yīng)可知，鐵鈷合金條帶內(nèi)將形成縱波，經(jīng)過環(huán)氧樹脂耦合至小徑管，在傳播一定距離后形成縱向模態(tài)導(dǎo)波。

采用UT350型超聲波檢測儀進行導(dǎo)波激勵和接收，傳感器激發(fā)信號的中心頻率為90 kHz，周期數(shù)為1。將接收信號的采樣頻率設(shè)置為6.25 MHz，數(shù)字濾波器的截止頻率設(shè)置為：高通為30 kHz；低通為150 kHz。

2.2 N端面檢測結(jié)果

將傳感器布置在彎折角度θ=45°小徑管的N端，激勵縱向模態(tài)超聲導(dǎo)波對槽型缺陷進行檢測。導(dǎo)波首先需要經(jīng)過彎頭，再到達缺陷所在的水平段直管。檢測得到的信號波形如圖8所示，其試驗結(jié)果中紫色虛線和紅色實線分別表示無缺陷和有缺陷的信號，可以看出其與仿真所得波形基本一致。

圖8中：P1表示N端，距離傳感器0 mm；P2，P3分別表示彎頭和缺陷，其與傳感器距離分別為810 mm和1 155 mm；P4表示F端，距離傳感器1 905 mm。

圖8 θ=45°時的試驗與仿真結(jié)果

L(0,1)模態(tài)在彎頭的反射回波傳播時間為tP1=0.324 ms。彎頭處模態(tài)轉(zhuǎn)換形成的F(1,1)模態(tài)返回小徑管N端的傳播時間為tP2=0.462 ms，與缺陷處L(0,1)模態(tài)反射回波的傳播時間tP3=0.474 ms非常接近，tP4=0.76 ms。因此，在圖8(a)所示的波形B中既包含缺陷回波，又包含彎頭模態(tài)轉(zhuǎn)換形成的回波信號。

圖9，10分別為θ=90°和θ=135°的試驗與仿真結(jié)果，其試驗結(jié)果中紫色虛線和紅色實線分別表示無缺陷和有缺陷的信號，檢測所得波形信號與仿真結(jié)果吻合，驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性和試驗系統(tǒng)的可靠性。由于彎頭的存在，從回波B的幅值或波形無法直接判定小徑管中是否存在缺陷，所以導(dǎo)波對彎頭后端缺陷的檢測能力明顯下降。

圖9 θ=90°時的試驗與仿真結(jié)果

圖10 θ=135°時的試驗與仿真結(jié)果

從圖810中提取缺陷信息。彎頭處L(0,1)模態(tài)的反射回波(波形A)信號不受缺陷影響，因此可以作為分析基準(zhǔn)。在有、無缺陷兩種條件下，回波B的波形及能量存在一定差異。將回波B的波形能量除以基準(zhǔn)回波A的波形能量，得到的比值β為缺陷表征參數(shù)。

圖11(a)給出了依據(jù)仿真信號計算得到的比值β。當(dāng)小徑管中存在缺陷時，比值β明顯高于無缺陷的結(jié)果。比值β為無量綱參數(shù)，利用其是否高于閾值(無缺陷時計算的基準(zhǔn)值)，可以判定缺陷的有無。當(dāng)θ為45°，90°和135°的小徑管中存在缺陷時，比值β分別增加了61.2%，220%和43.4%。這預(yù)示著彎折角度為90°時，利于導(dǎo)波檢測出彎頭后端的缺陷。圖11(b)為從檢測信號中統(tǒng)計得到的參數(shù)β的結(jié)果?？傊?，缺陷的引入會導(dǎo)致比值β增大，與仿真所得結(jié)論一致，驗證了所提出方法對缺陷檢出的可行性。當(dāng)彎折角度為90°和135°時，槽型缺陷的存在導(dǎo)致比值β分別增加了324%和205%。因此，基于比值β的方法可以有效判定小徑管彎頭后端是否存在缺陷。在含缺陷的彎折角度為45°的小徑管中，測得的比值β只比無缺陷時測得的高出5%，低于仿真的增長量(約61.2%)?？赡艿脑驗椋孩?實際小徑管彎頭區(qū)域內(nèi)側(cè)和外側(cè)壁厚沿軸線方向存在明顯的不均勻性，仿真模型中難以真實建模，導(dǎo)致仿真與試驗存在差異；② 圖8(a)所示的回波B幅值較低，在統(tǒng)計其波包能量時易受雜擾波形影響而存在誤差。

圖11 仿真和試驗的β值隨彎折角度的變化

2.3 E端面檢測結(jié)果

將傳感器布置于E端，此時激勵的縱向模態(tài)導(dǎo)波將先經(jīng)過缺陷再進入彎頭區(qū)域。圖12給出了彎折角度不同時，傳感器在E端自激自收采集的信號波形。L(0,1)模態(tài)在缺陷處的反射回波信號不再受彎頭處模態(tài)轉(zhuǎn)換形成的F(1,1)模態(tài)的影響，呈現(xiàn)為清晰的缺陷回波信號。

圖12 θ不同時傳感器在E端自激自收檢測結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，缺陷回波幅值幾乎不隨彎折角度的變化而變化，不同彎折角度時檢測得到的缺陷回波幅值存在差異。這是因為，在3根不同小徑管上先后安裝傳感器時，傳感器與小徑管的耦合狀態(tài)存在一定差異，導(dǎo)致激勵的導(dǎo)波幅值出現(xiàn)波動，進而影響缺陷處反射回波的絕對幅值。

3 結(jié)語

(1) L(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波經(jīng)過彎頭時將發(fā)生明顯的模態(tài)轉(zhuǎn)換和反射，模態(tài)轉(zhuǎn)換后F(1,1)模態(tài)和L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波在彎頭處的反射能量與彎折角度有關(guān)。彎折角度為45°時，L(0,1)模態(tài)能量向F(1,1)模態(tài)能量轉(zhuǎn)換的比例最高。當(dāng)彎折角度為90°時，反射信號中L(0,1)模態(tài)能量最強，F(xiàn)(1,1)模態(tài)能量最低。

(2) 彎頭導(dǎo)致的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象會降低L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波對彎頭后端缺陷的檢測能力，但利用特征波形的能量比值β的取值范圍，仍可對小徑管中是否存在缺陷進行有效判定。

(3) 在小徑管彎折角度為90°時，比值β對缺陷的檢出能力更高。相比繞過彎頭進行缺陷檢測的方法，利用導(dǎo)波直接在直管段進行缺陷檢測的方法更優(yōu)，且檢測結(jié)果不受彎折角度的影響。