馬宏偉，張喆斯，宋振華

（1.暨南大學 理工學院，廣州 510632；2.暨南大學 “重大工程災害與控制”教育部實驗室，廣州 510632）

運輸管道在投入使用一段時間后其內(nèi)部或表面易出現(xiàn)損傷，對公共安全造成一定威脅，因此對管道進行快速、準確、高效的檢測十分重要。常規(guī)的管道超聲波損傷檢測技術都以逐點掃描的方式進行檢測［1］，對于工業(yè)中的長距離管道進行檢測，存在代價高、效率低的缺點［2］，而新型的超聲導波管道檢測技術是基于Rayleigh和Lamb［3］等關于有界介質(zhì)中超聲導波的傳播理論研究而提出的。檢測原理為利用傳感器在管道一端激勵超聲導波，導波沿著管道縱向傳播時遇到缺陷會發(fā)生反射、透射，利用另一傳感器接收反射波或透射波，并根據(jù)回波信號的時間和幅值確定損傷位置及其程度。因此該技術對于檢測細長型的管道結構有較大的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)管道的快速低成本檢測。在各種管道檢測技術中，超聲導波檢測技術具有單點檢測、傳播距離長等優(yōu)點［4］。目前，在超聲導波管道檢測中所使用的傳感器主要有壓電式傳感器（PZT）、磁致伸縮式傳感器（MsS）、電磁聲傳感器（EMAT）、脈沖激光式傳感器和PVDF式傳感器等［5］，其中壓電式傳感器的應用較為廣泛。磁致伸縮傳感器相比于傳統(tǒng)的壓電式傳感器，具有可實現(xiàn)對任意截面結構的檢測、能量轉(zhuǎn)化效率高、能適應各種高溫的檢測環(huán)境等優(yōu)勢，避免了壓電式傳感器必須與結構完全耦合的缺點，屬于非接觸式的傳感器［6－7］。

Kaule［8］于20世紀50年代首次提出了基于磁致伸縮效應的超聲導波無損檢測技術。Kwun［9－10］闡述和分析了磁致伸縮超聲導波傳感器長距離檢測的優(yōu)點，并采用磁致伸縮超聲導波傳感器對鋼絲繩的斷絲情況進行了檢測。Kwun，J.Hanley和Holt［11］通過試驗表明了磁致伸縮超聲導波傳感器能夠用于鋼管腐蝕坑的檢測，證明了磁致伸縮超聲導波法對于不同類型的損傷均可實現(xiàn)無損檢測。武新軍［12－13］等人詳細論述了管道用磁致伸縮超聲導波檢測系統(tǒng)的組成，研制了相關試驗裝置進行信號檢測，現(xiàn)場試驗結果表明磁致伸縮傳感器用于管道導波檢測的可行性、有效性和實用性。金建華［14］等人利用磁致伸縮式超聲導波傳感器激勵了周向?qū)Рㄐ盘枌Υ笾睆焦艿肋M行了損傷檢測?？聨r［15］等人進行了基于磁致伸縮技術的鋼管無損檢測試驗研究，但其試驗管道屬于直徑為38mm的小直徑管道。程濤［16］等人開展了管道超聲導波磁致伸縮傳感器的研發(fā)工作，對直徑51mm的管道進行了裂紋檢測。因此在國內(nèi)，磁致伸縮縱向?qū)Р夹g對大直徑管道的無損檢測研究尚處于起步階段。筆者在此基礎上試驗選擇適用于大直徑管道上的超聲導波磁致伸縮傳感器陣列方法和布置原則。大直徑管道中偏置磁場由于管徑較大的原因而呈現(xiàn)磁場強度弱、分布不均勻的特點。而傳感器偏置磁場在管道中的磁場分布情況直接影響了傳感器對于導波的激發(fā)與接收。因此，筆者對大直徑管道中偏置磁場的分布情況進行了數(shù)值計算，通過截面磁場分布方差來衡量截面上磁場的均勻性，從而設計出適用于大直徑管道的偏置磁場最優(yōu)化布置，為磁致伸縮傳感器在大直徑管道上的應用提供了布置原則及其理論基礎。

1 磁致伸縮管道檢測的理論基礎與偏置磁場設計

1.1 磁致伸縮效應與傳感器組成

鐵磁體在被磁化時其長度和體積均會發(fā)生變化，這種效應被稱為磁致伸縮效應。反之，稱為磁致伸縮逆效應［17］。磁致伸縮式超聲導波傳感器利用了鐵磁體的磁致伸縮效應激發(fā)超聲導波；及其逆效應來接收超聲導波，以實現(xiàn)管道的無損檢測。

如圖1所示，部分管道處于靜態(tài)偏置磁場下，當交變電流通過激勵傳感器線圈時會產(chǎn)生出交變磁場，導致該部分管道內(nèi)的縱向應變，從而激發(fā)縱向超聲導波。超聲導波沿著管道縱向傳播，經(jīng)過接收傳感器時由磁致伸縮逆效應引起接收線圈的電壓變化而實現(xiàn)導波信號的接收和識別。

圖1 磁致伸縮效應在管道檢測中的應用

磁致伸縮傳感器主要由兩部分組成：①內(nèi)層激勵／接收線圈。作用為產(chǎn)生交變磁場作用于管道（激勵線圈）和接收相應的交變磁場變化產(chǎn)生的感生電動勢（接收線圈）。②外層偏置磁場。其主要作用為適當提高鐵磁體的磁化強度，增強傳感器的靈敏度。

在激勵／接收線圈的設計中，為了增強磁致伸縮效應，考慮導波的疊加原理，采用三段式密繞線圈［18］，如圖2所示。其中，兩側(cè)段線圈的繞制方向與中段相反，并且每段長度均為半波長l：

式中：λ為導波波長；f為導波中心頻率；Vp為中心頻率所對應的導波相速度。

圖2 三段式線圈示意圖

在利用縱向超聲導波檢測時，需要根據(jù)導波在管道中傳播的頻散曲線來確定所需激發(fā)的中心頻率。根據(jù)式（1），中心頻率的大小直接影響了傳感器內(nèi)層每段線圈的繞制長度，從而影響了外層偏置磁場所需覆蓋的區(qū)域長度。

1.2 偏置磁場的磁路設計及其數(shù)值計算

磁致伸縮超聲導波管道檢測的實現(xiàn)，主要取決于靜態(tài)偏置磁場的合理設計。偏置磁場需滿足磁源純凈、磁路簡單、長期穩(wěn)定等要求。文獻［19］的研究表明，隨著偏置磁場強度的增加，磁致伸縮效應及其逆效應的能量轉(zhuǎn)換效率先提高，到達最優(yōu)值點后又隨偏置磁場強度的增加而降低，如圖3所示。因此，需要對靜態(tài)偏置磁場進行優(yōu)化設計，以達到磁場強度和分布的最佳效果。筆者以永磁體作為靜態(tài)偏置磁場的激勵源，以分析磁場強度及分布對導波激勵和接收的影響。過強、過弱及不均勻的靜態(tài)偏置磁場都會導致導波無法激勵和接收以及激勵強度不夠等問題。三磁路靜態(tài)偏置磁場由三組永磁體磁路組成，每組磁路由兩塊高度方向充磁的永磁體、與構件連接的兩塊鞍片以及一塊導磁軛鐵組成，如圖4（a）所示。

為了使得鐵磁體管道中的磁致伸縮效應達到最佳效果，靜態(tài)偏置磁場在管道截面上的最佳磁場強度應選擇為鐵磁體材料最大磁導率附近的磁場強度，且該磁場在整個管道截面為均勻分布。在工業(yè)和民用管道中，直徑88毫米的大直徑管道為應用最為廣泛的管道種類和型號之一。因此，筆者以上述一組磁路作為一個單元，利用有限元計算討論適用于大直徑管道（φ88mm）檢測的磁路組偏置磁場最優(yōu)布置方案及其規(guī)律。

模型采用SolidWorks建模并通過Ansoft Maxwell軟件實現(xiàn)該磁場強度及分布的數(shù)值計算。各部件模型如圖4（b）～4（e）所示，其參數(shù)如表1所示。

表1 磁路組各部件模型參數(shù) mm

為討論磁路組個數(shù)對偏置磁場的影響，通過仿真模擬，分別計算了磁路組個數(shù)為n＝3，4，5，6，7個偏置磁場的磁場強度及分布情況。利用Ansoft進行三維磁場分析時，管道網(wǎng)格劃分為10000個四面體單元，每個磁路組的網(wǎng)格劃分為8000個四面體單元以確保計算精度。同時，為達到較理想的磁場分布，磁路組沿管道周向均勻陣列布置，如圖5所示。

圖5 傳感器不同磁路組個數(shù)陣列示意圖

2 結果分析與討論

由于磁路組個數(shù)不同，每種磁路下相同截面的磁場強度分布情況不同。加之磁場沿鐵磁體管道縱向上能量有所耗散，因此在相同的磁路組個數(shù)的情況下，管道上各個截面的磁場強度分布也會有不同。為客觀反映偏置磁場在管道橫截面上的分布情況，分別在磁路組覆蓋區(qū)域的管道端部及其覆蓋區(qū)域的中部選取兩個截面，并在每個截面處周向均勻選取8個節(jié)點作為磁場強度采樣點，如圖6所示。

通過仿真計算可以得到磁路組覆蓋區(qū)域中管端面及其中截面上磁場強度云圖，如圖7，8所示。從圖中可以看到，在同一截面上，當磁路組個數(shù)較少時，磁場在管端截面的分布略不均勻，隨著單元數(shù)的增加，磁場分布逐漸趨于均勻。而中截面上的磁場分布比上截面的更為均勻。

為衡量管道周向磁場強度分布的均勻程度，定義截面磁場分布方差如下：

圖6 采樣截面及采樣點分布示意圖

式中：Bi為該截面各采樣點的磁場強度值（i＝1，2，…8為該截面8個采樣點磁場強度的算術平均值。

由上式可以計算得到的各截面磁場強度方差，如表2所示。

表2 磁路組覆蓋區(qū)域管道端部、中截面處的磁場強度方差對照表

通過將采樣點數(shù)據(jù)進行擬合，得到磁路組覆蓋區(qū)域上管道端部和中截面磁場分布方差與磁路組個數(shù)的關系曲線，如圖9所示。周向已較為均勻。

圖9 各截面磁場分布方差與磁路組個數(shù)關系圖

隨著磁路組個數(shù)的增加，磁場總能量增大。管道上同一點的磁場強度絕對值也隨之增大。同時，沿管道縱向從端部至中截面處，由于磁場能量的均勻化，中截面處磁場強度的最大值比磁路組覆蓋區(qū)域其他節(jié)目上該值都要小。同時，為研究磁路組個數(shù)對磁場強度分布的綜合影響，從數(shù)值計算結果可知磁路組個數(shù)與中截面磁場強度平均值的關系曲線如圖10所示。

圖10 中截面平均磁場強度與磁路組個數(shù)的關系

對比圖9（a），9（b）可知，在相同磁路組個數(shù)情況下，磁路組覆蓋區(qū)域的管道端截面與中截面的磁場分布方差在量級上相差很大。而中截面上的磁場分布比端截面更為均勻，這是由于端截面比中截面更靠近磁路組中永磁體激勵源而引起的磁場不均勻。因此，偏置磁場的優(yōu)化設計中，應選擇中截面處的管道磁場強度作為偏置磁場的強度衡量標準。

同時，由圖可知，對于端截面以及中截面上的磁場分布方差隨著磁路組個數(shù)n的增加而明顯下降，其呈現(xiàn)對數(shù)型衰減關系；但當n大于5時該方差的下降趨勢趨于平緩。由于該方差反映得是磁場分布得均勻性，且方差越小表明磁場強度沿管道周向越均勻。因此，增加磁路組個數(shù)能較好地提高管道中偏置磁場的均勻程度。但在n大于5后，單純以增加磁路組個數(shù)的方式已無法再顯著的改善管道周向磁場強度的均勻性。此時，磁場強度的分布在管道

由圖10可知，中截面磁場強度平均值與磁路組個數(shù)n成單調(diào)線性遞增關系，這是由于磁場強度的可疊加性所致。通過擬合得到平均磁場強度B（T）與單元數(shù)n的關系式如下：

該關系式為直徑88毫米管道磁路組個數(shù)與磁場平均強度的計算公式；利用筆者所提供的分析方法，同理可得到其他不同管徑下管道的磁路組個數(shù)與磁場平均強度的計算關系式，以便于工程計算和應用。

對于一般鐵磁材料，磁場最大磁導率的磁場強度為0.5T左右［20］。由圖10可知，所計算的各磁路均已滿足該磁場強度的要求，3磁路（n＝3）設計時的磁場強度最接近鐵磁體的最優(yōu)磁場強度。但從圖9（b）可知，3磁路設計的磁場分布均勻性較差。因此，綜合考慮磁場強度和均勻性等方面的要求，對于外徑88mm壁厚4mm的大直徑管道而言，選擇5磁路（n＝5）的設計時，中截面平均磁場強度為0.87T，雖然不是最優(yōu)磁場強度，但在保證磁場分布較為均勻的情況下其值最為接近最優(yōu)磁場強度。該設計可為磁致伸縮超聲導波傳感器提供最優(yōu)化的偏置磁場強度及分布方案。

3 結論

當磁路組個數(shù)較少時，磁場分布方差較大，在磁路組個數(shù)不變的情況下，管道中不同位置的截面上磁場分布情況也不相同。在本算例中，磁路組覆蓋區(qū)域的管道中截面處磁場強度平均值與磁路組個數(shù)呈單調(diào)線性遞增關系。并滿足線性表達式B＝0.18n－0.03的關系，可以通過筆者提供的思路設計出其他不同管徑管道磁路組個數(shù)與偏置磁場的簡單公式以便工程計算和應用。

考慮磁場強度及分布的均勻性、磁場最優(yōu)值點、傳感器成本等因素，對于本算例中外徑88mm壁厚4mm的大直徑管道而言，選擇5磁路（n＝5）的設計可為磁致伸縮超聲導波傳感器提供最優(yōu)化的偏置磁場強度及分布。同理，其他管徑管道的磁場強度及磁路個數(shù)可按照筆者提供的方法和思路進行有效的優(yōu)化設計，以達到最優(yōu)的導波激發(fā)和接收效果。

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