吴雪娇,廖俊必

(四川大学制造科学与工程学院,成都610065)

基于磁致伸缩效应的扭转模式导波管道缺陷检测

吴雪娇,廖俊必

(四川大学制造科学与工程学院,成都610065)

为实现管道缺陷的快速检测,用实验室现有仪器搭建了扭转模式导波管道检测系统,同时测试了该系统的频率特性,并对有周向人工缺陷的样管进行了检测,成功实现了扭转模式导波的激励和接收。试验结果表明,该系统可以检测并定位样管中的周向缺陷,为管道中激励接收扭转模式导波并实现缺陷检测提供参考。

导波;周向缺陷;检测系统;定位

利用传统无损检测方法对管道腐蚀进行在线检测时,多数是逐点检测,不仅检测速度慢,并且对管道表面粗糙度要求高。如何对管道进行快速有效的在线检测成为一大难点,研究发现磁致伸缩超声导波技术有很好的应用优势和发展前景[1－3]。管道中的导波可分为纵向模式、扭转模式及弯曲模式,其中只有扭转模式导波在一定频率下是非频散的,这一特性使其在对管道损伤的检测上比其他模式导波更具有优势。国外对基于磁致伸缩效应的扭转导波传感器展开了一系列研究,并取得了良好效果。KWUN[4]将经过预磁化的镍条带圆周状放在被测管道上,在条带中激发出扭转导波并耦合到被测管道中,从而在被测管道中激发出扭转导波。CHO等[5]优化了磁致伸缩传感器结构,提高了接收信号的强度。在国内,武新军等[6]发明了一种基于磁致伸缩效应的导波传感器,可用于对构件进行无损检测。刘增华等[7]设计并研制了一种扭转模态磁致伸缩阵列传感器,实现了管道中扭转模态的激励。李宏雷等[8]研究了基于磁致伸缩扭转模态导波的波速和检测长度。

1 磁致伸缩扭转导波管道缺陷检测原理

1.1 磁致伸缩效应

磁致伸缩效应是指铁磁体在外加磁场的作用下发生形变的现象;反之,铁磁体受到外界力作用时,其内部产生应变,导致磁性能改变的现象,即为磁致伸缩逆效应。按铁磁体形状变化的不同,磁致伸缩效应可分为三种:线磁致伸缩效应、体积磁致伸缩效应和扭转磁致伸缩效应[9－10]。从微观上分析,铁磁体内的磁畴会向外加磁场方向偏转,导致材料结构内部产生应变,进而导致材料形变。外加磁场较小时,磁畴几乎无变化;外加磁场逐渐增大时,磁畴逐渐向外加磁场方向偏转;外加磁场足够大时,所有磁畴都沿磁场方向排列整齐,此时形变已达到饱和状态[]。

1.2 扭转模式导波管道缺陷检测原理

超声导波是由介质边界传播的一种超声波,满足波动方程和边界条件,其传播时在边界面上来回反射,并产生复杂的波形转换以及全反射[12]。扭转模式导波相比于其他模态导波,在0～1 MHz范围内具有非频散特性,这有利于信号的识别,非常适合用于管道缺陷的检测[13－14]。扭转超声导波传感机理如图1所示,BDC是周向直流磁场,BAC是轴向交变磁场,在它们的共同作用下,圆管表面质点产生周向扭转振动并形成波源,带动临近质点振动,从而产生沿轴向传播的超声导波[15]。该导波在构件中沿轴向传播,当遇到圆管的端部或缺陷时会产生反射回波。当反射回波经过接收端时,接收线圈产生感应电压,分析该电压信号即可获得圆管的端部或缺陷信息。

图1 扭转超声导波传感机理示意

2 检测系统

用实验室现有仪器搭建扭转导波管道缺陷检测试验系统,所用仪器包括信号发生器、功率放大器、前置放大器以及示波器。用预先磁化的铁钴带提供周向静态磁场,带材表面上周向缠绕的线圈提供轴向瞬态交变磁场。图2是磁致伸缩扭转导波检测系统示意,用信号发生器产生脉冲信号,功率放大器将该信号放大后驱动激励线圈产生瞬态交变磁场。瞬态交变磁场与铁钴带提供的周向静态磁场形成合成磁场,铁钴带在合成磁场的作用下发生形变,形成波源。铁钴带中产生扭转模式导波,该导波耦合进管道向前传播。接收信号是发射信号的逆过程,反射回波经过接收端时耦合进铁钴带,铁钴带产生形变,导致铁钴带轴向磁感应强度发生变化,接收线圈输出感应电压信号,再将该信号送至前置放大器放大后由示波器显示。

图2 磁致伸缩扭转导波检测系统示意

3 检测试验与结果分析

3.1 导波激发

图3(a)是搭建的扭转模式导波激发系统,首先采用无缺陷的钢管作为被测件,该钢管总长1 465 mm,直径100 mm,壁厚2 mm。将激发线圈设置在管道的一端,而接收线圈接收点分为三处,分别为:接收点1(离激发线圈较近的接收点)、接收点2(位于管道中部的接收点)、接收点3(管道另一端的接收点)。用于产生周向静态磁场的铁钴带宽50 mm,用于产生轴向瞬态交变磁场的激发线圈宽32 mm,所用漆包线线径0.8 mm,匝数为40,接收线圈采用排线线圈,先后依次放置在接收点1,2,3处,用于接收导波信号。信号源产生的触发正弦脉冲信号经功率放大器输出后驱动激励线圈,接收线圈输出的电压信号经前置放大器放大滤波后,用示波器显示以观察回波信号。

图3 扭转模式导波检测系统示意

如图3(b)所示,三处接收点位于管道不同位置,若成功地激发出导波,示波器上显示这三处接收点接收到的回波信号应不同。图4是三处接收点接收到的回波信号。

如图4所示,接收点不同时,回波信号也不同。由图3(b)可知,对于每处接收点,激发的导波都首先经过接收线圈,此时接收线圈输出第一次经过波。导波继续向右传播,遇到右端面反射,反射波经过接收线圈,此时接收线圈输出第一次右端面回波。导波继续向左传播,遇到左端面反射,反射波又经过接收线圈,此时接收线圈输出第一次左端面回波,此后是一个循环过程,因此分析回波信号图中的前三个波包。以电磁脉冲为时间原点,示波器上可观测到第一次经过波、第一次右端面回波以及第一次左端面回波与电磁脉冲的时间差分别为Δt1、Δt2、Δt3。可利用式(1)计算得出第一次经过波、第一次右端面回波以及第一次左端面回波的理论值分别为Δ′t1、Δ′t2、Δ′t3。

式中:s为超声导波在管道中传播的距离;c为扭转模式超声导波在管道中的理论传播速度,约为3 250 m·s－1[16]。

示波器观测值与理论值的误差计算公式如下:

式中:Δt为从示波器观测所得时间差;Δt′为计算所得理论值。

各接收线圈前三个回波情况如表1所示。

图4 三处接收点接收到的回波信号

表1 各接收线圈前三个回波情况

由表1可知,示波器显示的回波信号位置与理论值相符,所以该试验平台成功地激发出了扭转超声导波。

3.2 系统频率特性测试

对管道进行现场检测时,一般将管道的一处开挖再检测,因此进行导波性能测试试验时,要使激发线圈和接收线圈相距较近。该检测试验研究了导波回波信号与激励信号频率的关系,将脉冲信号的频率分别设置为32,64,128 k Hz,观察示波器上的回波信号,并存储3个频率点的回波信号,随后取出回波信号进行对比分析。

三种激励频率下的回波信号如图5所示,当改变激励信号频率时,接收线圈的电压输出信号也随之改变。当增大激励频率时,每个回波的最大电压都减小,并且回波个数也减少。这说明,随着激励信号频率的增大,导波在管道中传播时衰减增强,接收电压信号减弱。为了使接收的回波信号幅值最大,始终将脉冲信号频率设置为32 k Hz。

3.3 导波系统管道缺陷检测

扭转模式导波管道缺陷检测示意如图6(a)所示,在距离激励线圈1 095 mm处人工制造一个周向贯穿缺陷,缺陷外观如图6(b)所示,该周向缺陷弧长为3.3 cm,宽为1 mm。

图5 三种激励频率下的回波信号

图6 扭转模式导波管道缺陷检测示意和缺陷外观

图7是接收线圈输出的长3.3 cm裂纹的检测波形,由于初始脉冲与第一次经过接收线圈的输出信号重合,不便于识别,则以第一次左端面回波作为起始点作相应计算,从示波器上观测到第二次缺陷回波与第一次左端面回波时间差为540μs,实际缺陷位置则以接收线圈位置为起点。由式(1),(2)可计算出缺陷位置为877.5 mm(实际位置为951 mm),并计算相对误差为7.73%。

由此可知,示波器上显示的缺陷回波是导波遇到缺陷后的反射回波,即用试验系统可检测到管道上的人工缺陷。

图7 长3.3 cm裂纹的检测波形

4 结论

用实验室现有仪器搭建了磁致伸缩扭转模式超声导波管道缺陷检测系统,利用该系统成功地激发了扭转模式超声导波。试验结果表明,该系统中扭转波传感器激励信号频率越高,接收到的反射回波信号幅值越小,并且该系统准确地检测出样管中的人工周向缺陷,为扭转导波管道缺陷检测系统设计提供参考。

[1] 张胜军,暴永铭,张贵华.MsS超声导波技术在高温管道在线检测中的应用[J].无损检测,2012,34(8): 73-75.

[2] 朱龙翔,王悦民,孙丰瑞.非铁磁性管道磁致伸缩式扭转导波检测[J].海军工程大学学报,2013,25(2): 30-34.

[3] 程涛.管道裂纹磁致伸缩导波检测传感器研制与开发[D].武汉:湖北工业大学,2012.

[4] KWUN H,KIM S Y,CROUCH A E.Method and apparatus generating and detecting torsional waves for long range Inspection of pipes and tubes:US,US 6624628 B1[P].2003-09-23.

[5] CHO S H,PARK C I,YOUNG K Y.Effects of the orientation of magnetostrictive nickel strip on torsional wave transduction efficiency of cylindrical waveguides[J].Applied Physics Letters,2005,26 (86):101-105.

[6] 武新军,丁秀莉,孙鹏飞.基于磁致伸缩效应的导波传感器:中国,CN104122327A[P].2014-10-29.

[7] 刘增华,樊军伟,胡亚男,等.一种扭转模态磁致伸缩阵列传感器:中国,CN10400-7180A[P].2014-08-27.

[8] 李宏雷,刘增华,李文春.基于磁致伸缩技术的超声导波波速及最大检测长度试验[J].无损检测,2010, 32(9):700-703.

[9] 靳志胜.磁致伸缩导波无损检测方法与仿真试验研究[D].武汉:湖北工业大学,2009.

[10] 冯红亮,肖定国,徐春广,等.一种磁致伸缩式超声波激发/接收传感器的研究[J].仪表技术与传感器, 2003,39(7):4-6.

[11] OLABI A G,GRUNWALD A.Design and application of magnetostrictive materials[J].Material and Design,2008,29(2):469-483.

[12] 邢耀淇,高佳楠,陈以方.超声近场导波在薄壁管检测中的应用[J].无损检测,2016,38(2):5-8.

[13] 高博.基于新型磁致伸缩传感器的管道缺陷和液体粘滞系数检测研究[D].北京:北京工业大学,2014.

[14] 王悦民,朱龙翔,李城华.磁致伸缩导波模式控制传感器技术[J].无损检测,2010,32(9):722-724.

[15] 汤欢.管道缺陷接触式磁致伸缩扭转导波检测方法[D].武汉:华中科技大学,2011.

[16] 刘增华,吴斌,何存富,等.超声导波扭转模态在粘弹性包覆层管道中传播特性研究[J].应用基础与工程科学学报,2005,13(3):291-299.

Detecting Crack in a Pipe with Magnetostrictive-based Torsional Guided Waves

WU Xue-jiao,LIAO Jun-bi
(School of Manufacturing Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

In order to meet the demand of rapid detection of the pipe cracks,a system of torsional guided waves consisting of existing instruments in laboratory to detect pipe is designed.Meanwhile,the frequency response characteristic of the system was tested and the artificial defect along the circumferential direction of sample pipe was detected.The system excited and received the torsional mode guided waves successfully.The results showed that the system could detect and locate the crack in the circumferential direction of the sample pipe,which provided a reference value for generating and receiving the torsional mode guided waves and detection of cracks in the pipe.

Guided wave;Circumferential defect;Detecting system;Locate

TB559;TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0001-04

10.11973/wsjc201701001

2016-07-07

吴雪娇(1993－),女,硕士,主要研究方向为超声波检测。

吴雪娇,E-mail:1107207636＠qq.com。