邓 进 *

（河南理工大学 机械与动力工程学院）

0 前言

弯头是重要的压力管道元件，可以改变介质的流向，是压力管道定期检验中重要的部件。弯头受到管道内流体的冲刷和腐蚀作用，较易产生缺陷。常规检查技术需要进行拆除绝缘层、登高作业[1-2]等工序，工作量较大。超声导波检测技术具有成本低、安全性高、效率高等优势，许多学者对其进行了相关研究[3]。

当超声导波通过不连续结构（如弯头和焊缝）时，会产生频散和模态转换，信号分析时很难识别该类缺陷信号[4-6]。与T 模态相比，L 模态导波群传播速度更快，缺陷信号比干扰信号能更早被探头接收，因此更易识别缺陷信号。L 模态导波沿管道轴向振动，对周向缺陷灵敏度更高[7-8]。因此在架空弯管的检测中，L 模态导波检测效果优于T 模态导波。

1 理论基础

根据弹性波理论，可以得到导波在圆柱管中传播的质量位移方程：

式中：ur，uθ， uz——分别为径向、圆周和轴向的位移矢量；

n——阶数，n=0，1，2，3；

w——角频率；

k——波数。

基于线性弹性理论，给出了轴对称模态频散方程：

超声导波在管道中传播模态有不同的传播模态：L 模态、T 模态和F 模态。理论上超声导波可以产生不同阶次的声学模态，但在实际中只有少数阶次模态可以观测到，所以将其简化为三阶模态。图1 所示为20 μm 导波在DN50 管道中各种导波的频散曲线。L（0，2）的声速为5 350 m/s。

图 1 20#钢管（DN50）的频散曲线

2 仿真模拟

弯头是不对称的突变结构，当导波在弯头中传播时会发生模态转换。为了确定L 模态转换后的模态，进行了模拟实验。激励信号是由Hanning 窗调制的频率为80 kHz 的正弦周期。信号被加载在管的侧端，激励信号的表达式如下：

式中：t——激励时间；

fc——频率；

n——信号周期。

为了观察导波在弯头中的声学模态并检查L 模态的检测能力，进行了仿真模拟研究。仿真参数与上述条件相同，弯头部位具有深为2.6 mm，宽为2 mm的人工刻槽，如图2 所示。信号接收位置位于距信号激发端面约0.5 m 处。

图 2 弯管缺陷位置和尺寸（单位：mm）

如图3 a）和图3 b）所示，当导波沿直管传播时，由于传播距离短，导波几乎不存在频散，然后导波到达弯头部位位置。L（0，2）模态波在弯头缺陷位置沿着弯头外弯部位传播，如图3 c）所示。在图3 d）中，部分导波由于缺陷而被反射，部分导波返回被探头接收。剩余导波继续向前传播并伴随着模态转换、频散和能量减少。结果表明，仿真信号与确定的检测信号一致，仿真信号如图4 所示。

图 3 缺陷弯管中的L（0，2）模波变换

图 4 L（0，2）有缺陷弯头的仿真信号

3 试验

磁致伸缩效应受到磁场强度和排列的影响。为了激发L 型导波，永磁体的布置将是至关重要的。通过实验总结出了相对最佳的磁场布置方式，换能器中的交变磁场由铜线圈组装而成，匝数为40 匝。静磁场由N35，NdFeB 的矩形永磁体激励，永磁体横跨换能器并尽量贴近换能器，实验装置结构如图5 所示。试验样管材料为20#钢，在管中用深为1 mm 人工刻槽来验证激发纵向导波的探测能力，其结构与仿真模拟时保持一致。在线圈上施加电声脉冲信号激励超声导波，频率为80 kHz，峰值电压为140 V。根据图4 和图6 可知，仿真结果与实际结果一致，且缺陷信号幅值为端面信号幅值的60%，检测效果良好。

图 5 实验装置

4 结论

图 6 L（0，2）有缺陷弯头的实际检测信号

L（0，2）模态导波具有传播速度快、操作简单等特点，可以在工程中推广应用。本文提出采用L（0，2）模态导波对弯头进行检测。通过仿真实验分析了L（0，2）模态导波在弯头中的传播特性，并通过实验验证了仿真结果与实际检测结果一致。因此L（0，2）模态导波可以用于检测弯头部位的缺陷，其信噪比高，检测效果良好。