基于S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT的管道裂紋電磁超聲螺旋導(dǎo)波定量檢測(cè)

李孟奇,李 勇,王 瑾,高乾祥,劉天浩,陳振茂

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省無(wú)損檢測(cè)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)研究中心,西安 710049;2.比亞迪汽車工程研究院 電動(dòng)技術(shù)開(kāi)發(fā)中心,西安 710049)

金屬管道廣泛應(yīng)用于煉油、化工、核電、航空等各個(gè)行業(yè)的工業(yè)系統(tǒng)中,是系統(tǒng)核心部件的重要組成部分。然而在服役過(guò)程中,管道腐蝕、外力、材料、施工作業(yè)等都會(huì)引起管道損傷,嚴(yán)重影響管道的結(jié)構(gòu)完整性和運(yùn)行安全性。因此,定期對(duì)管道進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),評(píng)價(jià)其服役壽命和性能,對(duì)于保障管道的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。相比于常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法,超聲導(dǎo)波檢測(cè)因具有傳播路徑衰減小、傳播距離遠(yuǎn)、缺陷檢出率高及適用于不可達(dá)區(qū)域等優(yōu)點(diǎn),在管道檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。作為一種超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法,軸對(duì)稱超聲導(dǎo)波檢測(cè)已經(jīng)得到了深入研究并大量應(yīng)用于管道的無(wú)損檢測(cè)。

金屬管道在加工、焊接、服役過(guò)程中,其內(nèi)部可能出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域,進(jìn)而在這些區(qū)域中形成裂紋,且以斜向裂紋居多。目前代表性的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法,如L(0,2)模態(tài)、T(0,1)模態(tài)等軸對(duì)稱超聲導(dǎo)波對(duì)管道斜向裂紋的檢測(cè)能力較差,無(wú)法實(shí)現(xiàn)裂紋的分類與定量評(píng)價(jià),未能滿足實(shí)際檢測(cè)需求。為突破金屬管道斜向裂紋超聲導(dǎo)波檢測(cè)瓶頸,非軸對(duì)稱超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法是有力手段之一,有望作為軸對(duì)稱導(dǎo)波檢測(cè)的補(bǔ)充,進(jìn)一步提高管道斜向裂紋超聲導(dǎo)波檢測(cè)能力,更精準(zhǔn)地獲取裂紋的位置和尺寸等信息?，F(xiàn)有研究表明[2],管道螺旋導(dǎo)波檢測(cè)是一種有效的非軸對(duì)稱超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法,其采用的螺旋導(dǎo)波實(shí)質(zhì)上是一種蘭姆波在曲面上的傳播形式,由于管道結(jié)構(gòu)的周向封閉性,波前會(huì)反復(fù)交叉重疊,波束、波矢與管道軸線成一定角度,使導(dǎo)波沿著管道軸向成一定角度傳播,繼而形成管道螺旋導(dǎo)波。

對(duì)于管道螺旋導(dǎo)波的激發(fā)與接收,除采用壓電換能器以外,亦可通過(guò)電磁超聲換能器(EMAT)來(lái)實(shí)現(xiàn)。相比于壓電換能器,EMAT 具有無(wú)需耦合劑、檢測(cè)靈敏度高、適用溫度范圍廣等優(yōu)勢(shì),鑒于這些優(yōu)勢(shì),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管道螺旋導(dǎo)波EMAT 展開(kāi)了系列研究。THOMPSON 等[3]研究了采用電磁超聲換能器在天然氣管道上產(chǎn)生反對(duì)稱模態(tài)蘭姆波的可行性。BRATH 等[4-5]采用EMAT在管道中激勵(lì)接收A0模態(tài)或S0模態(tài)螺旋導(dǎo)波進(jìn)行層析成像。THRING等[6-7]通過(guò)控制多激勵(lì)線圈組合,實(shí)現(xiàn)了換能器法線及其偏移方向一定范圍內(nèi)的缺陷檢測(cè)。ZHANG等[8]采用螺旋磁致伸縮貼片換能器激勵(lì)和接收單一扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波,分析了扭轉(zhuǎn)模態(tài)彎曲波與螺旋角的傳播關(guān)系,得到管道軸線與螺旋角度頻散曲線,提高了螺旋焊縫檢測(cè)率。楊理踐等[9]研究了超聲導(dǎo)波的傳播過(guò)程和頻散特性,得到了蘭姆波多模態(tài)的識(shí)別方法。趙繼辰等[10]構(gòu)建了螺旋波紋管計(jì)算模型,模擬超聲導(dǎo)波在螺旋波紋管中的傳播特性,得到頻率為240 k Hz的軸向?qū)Р菪y管可實(shí)現(xiàn)環(huán)向缺陷檢測(cè)的結(jié)論,實(shí)現(xiàn)了螺旋波紋管中缺陷的識(shí)別和定位。

鑒于電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)的優(yōu)勢(shì),在分析管道螺旋導(dǎo)波傳播規(guī)律及檢測(cè)機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT,以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬管道斜向裂紋的電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)。建立有限元仿真模型,研究了管道不同走向裂紋對(duì)螺旋導(dǎo)波的影響規(guī)律,分析檢測(cè)信號(hào)特性;搭建試驗(yàn)系統(tǒng),制備了S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT并開(kāi)展研究,對(duì)仿真所得分析結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)一步確認(rèn)所提EMAT 在金屬管道斜向裂紋電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)中的可行性及有效性。

1 S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT檢測(cè)機(jī)理

為實(shí)現(xiàn)電磁超聲導(dǎo)波沿管道螺旋傳播,需基于電磁超聲換能原理,對(duì)影響波傳播方向的相關(guān)因素進(jìn)行分析。電磁超聲導(dǎo)波換能器工作時(shí),渦流線圈通有高頻激勵(lì)電流而激發(fā)線圈磁場(chǎng),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,線圈磁場(chǎng)于管道內(nèi)部感應(yīng)出交變電磁場(chǎng)(包括管道內(nèi)部的磁場(chǎng)及渦流),感應(yīng)渦流在交變磁場(chǎng)和靜態(tài)偏置磁場(chǎng)作用下,在管道近表面產(chǎn)生周期性收縮和拉伸的洛倫茲力,這種周期性收縮和拉伸的機(jī)械力帶動(dòng)管道中的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生高頻振動(dòng),形成超聲導(dǎo)波。超聲導(dǎo)波的傳播方向由磁場(chǎng)方向和渦流方向共同決定,由于內(nèi)檢式換能器普遍采用的永磁體所提供的偏置磁場(chǎng)方向一般為軸向或周向(無(wú)法提供斜向磁場(chǎng)),故只能通過(guò)改變渦流線圈來(lái)控制管道內(nèi)感應(yīng)渦流方向,從而進(jìn)一步調(diào)控導(dǎo)波的傳播方向?；谝陨戏治龊鸵延醒芯縖11],提出了基于管道徑向勵(lì)磁的S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT結(jié)構(gòu)示意

所提S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT采用徑向充磁的永磁體,以提供徑向偏置磁場(chǎng);渦流線圈構(gòu)型為S型雙螺旋線,纏繞于永磁體上,各螺旋線繞組位于永磁體磁極正上方。當(dāng)EMAT 工作時(shí),兩段S型螺旋線繞組上的激勵(lì)電流方向相反,且所處位置處的偏置磁場(chǎng)方向也相反,故其產(chǎn)生出的洛倫茲力為同一旋向,保證了螺旋導(dǎo)波在周向上的投影為一個(gè)完整的圓,以提高螺旋導(dǎo)波對(duì)于斜向裂紋的檢測(cè)靈敏度。此外,位于永磁體端部的徑向渦流線圈繞組距離待檢管件遠(yuǎn),該部分繞組所激發(fā)磁場(chǎng)在管道內(nèi)感應(yīng)的渦流極小,可忽略不計(jì),故在管道內(nèi)激發(fā)的洛倫茲力及超聲導(dǎo)波主要取決于螺旋線繞組。

由上述換能原理及導(dǎo)波傳播方向的分析可知,所提S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT激發(fā)的電磁超聲螺旋導(dǎo)波主聲束的傳播方向垂直于渦流線圈的S型螺旋線繞組,可通過(guò)改變?cè)摾@組的螺旋角來(lái)調(diào)控螺旋導(dǎo)波在管道中的傳播方向,以檢測(cè)管道內(nèi)可能出現(xiàn)的斜向裂紋。此外,當(dāng)螺旋角分別為0°和90°時(shí),所激發(fā)的超聲導(dǎo)波等同于沿管件周向和軸向傳播的兩種導(dǎo)波。

2 S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT的有限元仿真

2.1 螺旋導(dǎo)波傳播特性分析

為分析基于S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT的金屬管道斜向裂紋電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)的可行性,基于課題組自主開(kāi)發(fā)的超聲導(dǎo)波檢測(cè)有限元仿真源代碼[12],建立金屬管道電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)的有限元模型(見(jiàn)圖2),圖中α和β分別為S型螺旋線繞組和斜向裂紋與管道軸線間的夾角。在該模型中,待測(cè)管材料為6063鋁合金,其幾何、材料參數(shù)如下:外徑為26 mm;壁厚為2.5 mm;管長(zhǎng)為700 mm;彈性模量為190 GPa;密度為7 980 kg·m-3;泊松比為0.27。

圖2 電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)有限元模型

在荷載設(shè)置方面,通過(guò)MATLAB軟件的計(jì)算得出S型螺旋線繞組在管件內(nèi)壁所投影出的螺旋線上各點(diǎn)的洛倫茲力分量,將其作為荷載施加于管件內(nèi)壁上。由于所提S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT所激發(fā)的螺旋導(dǎo)波主位移方向?yàn)?°～90°,故選取螺旋角α為30°,45°,60°的螺旋導(dǎo)波作為仿真分析對(duì)象。

為了抑制導(dǎo)波的頻散現(xiàn)象,使能量更為集中,采用漢寧窗調(diào)制單頻正弦信號(hào)作為窄帶激勵(lì)信號(hào),即

式中:F(t)為激勵(lì)信號(hào)/荷載;n為激勵(lì)信號(hào)中的正弦周期數(shù);f和A分別為激勵(lì)信號(hào)的中心頻率和最大幅值;t為時(shí)間。

為了進(jìn)一步保證比較集中的激勵(lì)信號(hào)頻率和較窄的時(shí)域?qū)挾?最終確定式(1)中的相關(guān)參數(shù),即n=5,f=250 k Hz,A=1.0 N·m-1。仿真計(jì)算中,設(shè)置模型計(jì)算時(shí)長(zhǎng)不小于導(dǎo)波場(chǎng)被換能器接收所需的時(shí)間;對(duì)管道模型劃分網(wǎng)格,保證沿著導(dǎo)波傳播方向網(wǎng)格尺寸小于導(dǎo)波波長(zhǎng)的1/10,以提高計(jì)算精度。由于螺旋導(dǎo)波為非軸對(duì)稱模態(tài)導(dǎo)波,單一質(zhì)點(diǎn)的位移很難完整反映螺旋導(dǎo)波檢測(cè)的信號(hào)形式,因此,沿螺旋線對(duì)各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移進(jìn)行積分,所得結(jié)果即為螺旋線質(zhì)點(diǎn)總體位移信號(hào),由于該信號(hào)與EMAT檢測(cè)信號(hào)正相關(guān)[13],故仿真結(jié)果分析中采用螺旋線質(zhì)點(diǎn)總體位移信號(hào)作為分析對(duì)象。

為了探究所提S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT 在管道中激發(fā)的不同螺旋角(α=30°,45°,60°)的螺旋導(dǎo)波傳播規(guī)律,筆者對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算,所獲得的不同螺旋角的螺旋導(dǎo)波場(chǎng)及其傳播過(guò)程示意如圖3所示。

圖3 不同螺旋角的螺旋導(dǎo)波波場(chǎng)及其在金屬管道中的傳播過(guò)程示意

通過(guò)對(duì)圖3所示計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知,提出的S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT可激勵(lì)產(chǎn)生模態(tài)較為純凈的螺旋導(dǎo)波,在被測(cè)管道內(nèi)形成相對(duì)穩(wěn)定的導(dǎo)波場(chǎng),表明所提EMAT可用于金屬管道的電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)。此外,由圖3可見(jiàn),聲場(chǎng)波陣面和管道軸線間的夾角與換能器螺旋線繞組的螺旋角一致,導(dǎo)波經(jīng)管道端面反射后波陣面螺旋旋向發(fā)生變化,其回波發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換,對(duì)應(yīng)的波包在傳播過(guò)程中逐漸變寬,體現(xiàn)了所激發(fā)螺旋導(dǎo)波的頻散特性。

2.2 不同角度裂紋檢測(cè)結(jié)果及分析

為了進(jìn)一步探究S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT對(duì)于斜向裂紋檢測(cè)的有效性,模型中在距管道左端面600 mm 處設(shè)置斜向裂紋(β=45°),通過(guò)仿真,獲取不同螺旋角的螺旋導(dǎo)波對(duì)應(yīng)的螺旋線質(zhì)點(diǎn)總體位移信號(hào)(見(jiàn)圖4)。

圖4 不同螺旋角的螺旋導(dǎo)波對(duì)應(yīng)的螺旋質(zhì)點(diǎn)總體位移信號(hào)

由圖4可見(jiàn),所提S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT激勵(lì)產(chǎn)生的螺旋導(dǎo)波可實(shí)現(xiàn)對(duì)斜向裂紋的響應(yīng),形成檢測(cè)信號(hào)。對(duì)于同一斜向裂紋,螺旋導(dǎo)波螺旋角α不同,回波信號(hào)中的裂紋回波幅值也存在差異?；诖?為了進(jìn)一步探究不同螺旋角螺旋導(dǎo)波對(duì)斜向裂紋的檢測(cè)靈敏度,在管道外壁上設(shè)置β為0°～360°的斜向裂紋(深度為1 mm,軸向?qū)挾葹? mm,距管道左端面600 mm),通過(guò)仿真,獲取檢測(cè)信號(hào),求取裂紋回波幅值,結(jié)合裂紋夾角β,繪制不同螺旋角螺旋導(dǎo)波檢測(cè)靈敏度極坐標(biāo)圖,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同螺旋角螺旋導(dǎo)波檢測(cè)靈敏度極坐標(biāo)圖

分析圖5可知,α為30°時(shí)的螺旋導(dǎo)波對(duì)β為30°的斜向裂紋檢測(cè)靈敏度最高,對(duì)與其垂直的β為120°斜向裂紋檢測(cè)靈敏度最低;α為45°時(shí)與α為60°時(shí)的螺旋導(dǎo)波也遵循相同規(guī)律,即螺旋導(dǎo)波對(duì)與導(dǎo)波場(chǎng)波陣面相平行的斜向裂紋檢測(cè)靈敏度最高,與導(dǎo)波場(chǎng)波陣面相垂直的斜向裂紋檢靈敏度最低。這是因?yàn)閷?dǎo)波對(duì)裂紋引起的待檢管道橫截面積變化敏感,裂紋在導(dǎo)波場(chǎng)波陣面上投影的面積越大,裂紋回波幅值越大,檢測(cè)靈敏度越高。

3 檢測(cè)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步探究電磁超聲螺旋導(dǎo)波在管道裂紋檢測(cè)中的可行性,搭建基于S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT 的電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng),其系統(tǒng)框圖及實(shí)物如圖6所示。該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、電磁超聲設(shè)備(RITEC RAM-5000型)、阻抗匹配器(RITEC RT-50型)、S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT、帶通濾波器(NF FV-628B型)以及示波器(Tektronix DPO 4104型)組成。

圖6 電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)框圖及其實(shí)物

S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT是檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件,其結(jié)構(gòu)主要包括徑向永磁體、S型螺旋線繞組以及支撐骨架。試驗(yàn)所采用的試件參數(shù)如下:外徑為26 mm;壁厚為2.5 mm;長(zhǎng)度為1.25 m;材料為6063鋁合金。預(yù)先在試件外壁加工了局部斜向裂紋,其位于距左端面500 mm 處,裂紋長(zhǎng)10 mm,深1 mm,與試樣軸線夾角為45°。試驗(yàn)時(shí),將所制備的S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT同軸放置于試件內(nèi),設(shè)置其工作模式為“自激自檢”,在激發(fā)電磁超聲螺旋導(dǎo)波的同時(shí),拾取繞組兩端的電動(dòng)勢(shì)作為電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)。同時(shí),為了驗(yàn)證所提S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT檢測(cè)斜向裂紋的高效性,筆者進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),同時(shí)采用L(0,2)軸向?qū)Р‥MAT[13]對(duì)試件實(shí)施檢測(cè),兩種EMAT對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)如圖7所示。

圖7 兩種EMAT對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)

由圖7可見(jiàn),與L(0,2)軸向?qū)Р‥MAT 的裂紋檢測(cè)效果相類似,所提S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT 所輸出的檢測(cè)信號(hào)呈現(xiàn)出了有效的裂紋回波,可對(duì)同一斜向裂紋進(jìn)行檢出。進(jìn)一步分析對(duì)比兩種換能器的裂紋檢測(cè)性能發(fā)現(xiàn),L(0,2)導(dǎo)波所得裂紋回波信號(hào)幅值為0.18 V,而螺旋導(dǎo)波所得裂紋回波信號(hào)幅值為0.32 V,與L(0,2)軸向?qū)Р‥MAT相比,信號(hào)幅值提高了78%,說(shuō)明相比于軸向?qū)Р?螺旋導(dǎo)波對(duì)于斜向裂紋檢測(cè)具有更高的靈敏度。此外,由圖7還發(fā)現(xiàn),螺旋導(dǎo)波在管道中的散射使得噪聲加大,后續(xù)將對(duì)降低噪聲影響進(jìn)行研究,以提高螺旋導(dǎo)波對(duì)于裂紋檢測(cè)的有效性。

4 結(jié)論

基于電磁超聲換能原理和螺旋導(dǎo)波檢測(cè)機(jī)理,提出了S構(gòu)型的內(nèi)檢式EMAT,建立了電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)有限元仿真模型,系列仿真結(jié)果表明,所提EMAT 激勵(lì)產(chǎn)生的螺旋導(dǎo)波可對(duì)管道斜向裂紋實(shí)現(xiàn)響應(yīng)。同時(shí),搭建了電磁超聲螺旋導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng),制備了S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT 并進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn),結(jié)果表明,相比于L(0,2)軸向?qū)Р‥MAT,S構(gòu)型內(nèi)檢式EMAT 對(duì)管道斜向裂紋有更高的檢測(cè)靈敏度。