吳雪嬌,廖俊必

(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,成都610065)

基于磁致伸縮效應(yīng)的扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波管道缺陷檢測(cè)

吳雪嬌,廖俊必

(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,成都610065)

為實(shí)現(xiàn)管道缺陷的快速檢測(cè),用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器搭建了扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波管道檢測(cè)系統(tǒng),同時(shí)測(cè)試了該系統(tǒng)的頻率特性,并對(duì)有周向人工缺陷的樣管進(jìn)行了檢測(cè),成功實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波的激勵(lì)和接收。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以檢測(cè)并定位樣管中的周向缺陷,為管道中激勵(lì)接收扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波并實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)提供參考。

導(dǎo)波;周向缺陷;檢測(cè)系統(tǒng);定位

利用傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)管道腐蝕進(jìn)行在線檢測(cè)時(shí),多數(shù)是逐點(diǎn)檢測(cè),不僅檢測(cè)速度慢,并且對(duì)管道表面粗糙度要求高。如何對(duì)管道進(jìn)行快速有效的在線檢測(cè)成為一大難點(diǎn),研究發(fā)現(xiàn)磁致伸縮超聲導(dǎo)波技術(shù)有很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景[1－3]。管道中的導(dǎo)波可分為縱向模式、扭轉(zhuǎn)模式及彎曲模式,其中只有扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波在一定頻率下是非頻散的,這一特性使其在對(duì)管道損傷的檢測(cè)上比其他模式導(dǎo)波更具有優(yōu)勢(shì)。國(guó)外對(duì)基于磁致伸縮效應(yīng)的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器展開(kāi)了一系列研究,并取得了良好效果。KWUN[4]將經(jīng)過(guò)預(yù)磁化的鎳條帶圓周狀放在被測(cè)管道上,在條帶中激發(fā)出扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波并耦合到被測(cè)管道中,從而在被測(cè)管道中激發(fā)出扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波。CHO等[5]優(yōu)化了磁致伸縮傳感器結(jié)構(gòu),提高了接收信號(hào)的強(qiáng)度。在國(guó)內(nèi),武新軍等[6]發(fā)明了一種基于磁致伸縮效應(yīng)的導(dǎo)波傳感器,可用于對(duì)構(gòu)件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。劉增華等[7]設(shè)計(jì)并研制了一種扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮陣列傳感器,實(shí)現(xiàn)了管道中扭轉(zhuǎn)模態(tài)的激勵(lì)。李宏雷等[8]研究了基于磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波的波速和檢測(cè)長(zhǎng)度。

1 磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波管道缺陷檢測(cè)原理

1.1 磁致伸縮效應(yīng)

磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁體在外加磁場(chǎng)的作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象;反之,鐵磁體受到外界力作用時(shí),其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變,導(dǎo)致磁性能改變的現(xiàn)象,即為磁致伸縮逆效應(yīng)。按鐵磁體形狀變化的不同,磁致伸縮效應(yīng)可分為三種:線磁致伸縮效應(yīng)、體積磁致伸縮效應(yīng)和扭轉(zhuǎn)磁致伸縮效應(yīng)[9－10]。從微觀上分析,鐵磁體內(nèi)的磁疇會(huì)向外加磁場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變,進(jìn)而導(dǎo)致材料形變。外加磁場(chǎng)較小時(shí),磁疇?zhēng)缀鯚o(wú)變化;外加磁場(chǎng)逐漸增大時(shí),磁疇逐漸向外加磁場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn);外加磁場(chǎng)足夠大時(shí),所有磁疇都沿磁場(chǎng)方向排列整齊,此時(shí)形變已達(dá)到飽和狀態(tài)[]。

1.2 扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波管道缺陷檢測(cè)原理

超聲導(dǎo)波是由介質(zhì)邊界傳播的一種超聲波,滿足波動(dòng)方程和邊界條件,其傳播時(shí)在邊界面上來(lái)回反射,并產(chǎn)生復(fù)雜的波形轉(zhuǎn)換以及全反射[12]。扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波相比于其他模態(tài)導(dǎo)波,在0～1 MHz范圍內(nèi)具有非頻散特性,這有利于信號(hào)的識(shí)別,非常適合用于管道缺陷的檢測(cè)[13－14]。扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波傳感機(jī)理如圖1所示,BDC是周向直流磁場(chǎng),BAC是軸向交變磁場(chǎng),在它們的共同作用下,圓管表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生周向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)并形成波源,帶動(dòng)臨近質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),從而產(chǎn)生沿軸向傳播的超聲導(dǎo)波[15]。該導(dǎo)波在構(gòu)件中沿軸向傳播,當(dāng)遇到圓管的端部或缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射回波。當(dāng)反射回波經(jīng)過(guò)接收端時(shí),接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓,分析該電壓信號(hào)即可獲得圓管的端部或缺陷信息。

圖1 扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波傳感機(jī)理示意

2 檢測(cè)系統(tǒng)

用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器搭建扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波管道缺陷檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng),所用儀器包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、前置放大器以及示波器。用預(yù)先磁化的鐵鈷帶提供周向靜態(tài)磁場(chǎng),帶材表面上周向纏繞的線圈提供軸向瞬態(tài)交變磁場(chǎng)。圖2是磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)示意,用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào),功率放大器將該信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈產(chǎn)生瞬態(tài)交變磁場(chǎng)。瞬態(tài)交變磁場(chǎng)與鐵鈷帶提供的周向靜態(tài)磁場(chǎng)形成合成磁場(chǎng),鐵鈷帶在合成磁場(chǎng)的作用下發(fā)生形變,形成波源。鐵鈷帶中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波,該導(dǎo)波耦合進(jìn)管道向前傳播。接收信號(hào)是發(fā)射信號(hào)的逆過(guò)程,反射回波經(jīng)過(guò)接收端時(shí)耦合進(jìn)鐵鈷帶,鐵鈷帶產(chǎn)生形變,導(dǎo)致鐵鈷帶軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化,接收線圈輸出感應(yīng)電壓信號(hào),再將該信號(hào)送至前置放大器放大后由示波器顯示。

圖2 磁致伸縮扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)示意

3 檢測(cè)試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)波激發(fā)

圖3(a)是搭建的扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波激發(fā)系統(tǒng),首先采用無(wú)缺陷的鋼管作為被測(cè)件,該鋼管總長(zhǎng)1 465 mm,直徑100 mm,壁厚2 mm。將激發(fā)線圈設(shè)置在管道的一端,而接收線圈接收點(diǎn)分為三處,分別為:接收點(diǎn)1(離激發(fā)線圈較近的接收點(diǎn))、接收點(diǎn)2(位于管道中部的接收點(diǎn))、接收點(diǎn)3(管道另一端的接收點(diǎn))。用于產(chǎn)生周向靜態(tài)磁場(chǎng)的鐵鈷帶寬50 mm,用于產(chǎn)生軸向瞬態(tài)交變磁場(chǎng)的激發(fā)線圈寬32 mm,所用漆包線線徑0.8 mm,匝數(shù)為40,接收線圈采用排線線圈,先后依次放置在接收點(diǎn)1,2,3處,用于接收導(dǎo)波信號(hào)。信號(hào)源產(chǎn)生的觸發(fā)正弦脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器輸出后驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈,接收線圈輸出的電壓信號(hào)經(jīng)前置放大器放大濾波后,用示波器顯示以觀察回波信號(hào)。

圖3 扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)示意

如圖3(b)所示,三處接收點(diǎn)位于管道不同位置,若成功地激發(fā)出導(dǎo)波,示波器上顯示這三處接收點(diǎn)接收到的回波信號(hào)應(yīng)不同。圖4是三處接收點(diǎn)接收到的回波信號(hào)。

如圖4所示,接收點(diǎn)不同時(shí),回波信號(hào)也不同。由圖3(b)可知,對(duì)于每處接收點(diǎn),激發(fā)的導(dǎo)波都首先經(jīng)過(guò)接收線圈,此時(shí)接收線圈輸出第一次經(jīng)過(guò)波。導(dǎo)波繼續(xù)向右傳播,遇到右端面反射,反射波經(jīng)過(guò)接收線圈,此時(shí)接收線圈輸出第一次右端面回波。導(dǎo)波繼續(xù)向左傳播,遇到左端面反射,反射波又經(jīng)過(guò)接收線圈,此時(shí)接收線圈輸出第一次左端面回波,此后是一個(gè)循環(huán)過(guò)程,因此分析回波信號(hào)圖中的前三個(gè)波包。以電磁脈沖為時(shí)間原點(diǎn),示波器上可觀測(cè)到第一次經(jīng)過(guò)波、第一次右端面回波以及第一次左端面回波與電磁脈沖的時(shí)間差分別為Δt1、Δt2、Δt3?？衫檬?1)計(jì)算得出第一次經(jīng)過(guò)波、第一次右端面回波以及第一次左端面回波的理論值分別為Δ′t1、Δ′t2、Δ′t3。

式中:s為超聲導(dǎo)波在管道中傳播的距離;c為扭轉(zhuǎn)模式超聲導(dǎo)波在管道中的理論傳播速度,約為3 250 m·s－1[16]。

示波器觀測(cè)值與理論值的誤差計(jì)算公式如下:

式中:Δt為從示波器觀測(cè)所得時(shí)間差;Δt′為計(jì)算所得理論值。

各接收線圈前三個(gè)回波情況如表1所示。

圖4 三處接收點(diǎn)接收到的回波信號(hào)

表1 各接收線圈前三個(gè)回波情況

由表1可知,示波器顯示的回波信號(hào)位置與理論值相符,所以該試驗(yàn)平臺(tái)成功地激發(fā)出了扭轉(zhuǎn)超聲導(dǎo)波。

3.2 系統(tǒng)頻率特性測(cè)試

對(duì)管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí),一般將管道的一處開(kāi)挖再檢測(cè),因此進(jìn)行導(dǎo)波性能測(cè)試試驗(yàn)時(shí),要使激發(fā)線圈和接收線圈相距較近。該檢測(cè)試驗(yàn)研究了導(dǎo)波回波信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)頻率的關(guān)系,將脈沖信號(hào)的頻率分別設(shè)置為32,64,128 k Hz,觀察示波器上的回波信號(hào),并存儲(chǔ)3個(gè)頻率點(diǎn)的回波信號(hào),隨后取出回波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。

三種激勵(lì)頻率下的回波信號(hào)如圖5所示,當(dāng)改變激勵(lì)信號(hào)頻率時(shí),接收線圈的電壓輸出信號(hào)也隨之改變。當(dāng)增大激勵(lì)頻率時(shí),每個(gè)回波的最大電壓都減小,并且回波個(gè)數(shù)也減少。這說(shuō)明,隨著激勵(lì)信號(hào)頻率的增大,導(dǎo)波在管道中傳播時(shí)衰減增強(qiáng),接收電壓信號(hào)減弱。為了使接收的回波信號(hào)幅值最大,始終將脈沖信號(hào)頻率設(shè)置為32 k Hz。

3.3 導(dǎo)波系統(tǒng)管道缺陷檢測(cè)

扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波管道缺陷檢測(cè)示意如圖6(a)所示,在距離激勵(lì)線圈1 095 mm處人工制造一個(gè)周向貫穿缺陷,缺陷外觀如圖6(b)所示,該周向缺陷弧長(zhǎng)為3.3 cm,寬為1 mm。

圖5 三種激勵(lì)頻率下的回波信號(hào)

圖6 扭轉(zhuǎn)模式導(dǎo)波管道缺陷檢測(cè)示意和缺陷外觀

圖7是接收線圈輸出的長(zhǎng)3.3 cm裂紋的檢測(cè)波形,由于初始脈沖與第一次經(jīng)過(guò)接收線圈的輸出信號(hào)重合,不便于識(shí)別,則以第一次左端面回波作為起始點(diǎn)作相應(yīng)計(jì)算,從示波器上觀測(cè)到第二次缺陷回波與第一次左端面回波時(shí)間差為540μs,實(shí)際缺陷位置則以接收線圈位置為起點(diǎn)。由式(1),(2)可計(jì)算出缺陷位置為877.5 mm(實(shí)際位置為951 mm),并計(jì)算相對(duì)誤差為7.73%。

由此可知,示波器上顯示的缺陷回波是導(dǎo)波遇到缺陷后的反射回波,即用試驗(yàn)系統(tǒng)可檢測(cè)到管道上的人工缺陷。

圖7 長(zhǎng)3.3 cm裂紋的檢測(cè)波形

4 結(jié)論

用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器搭建了磁致伸縮扭轉(zhuǎn)模式超聲導(dǎo)波管道缺陷檢測(cè)系統(tǒng),利用該系統(tǒng)成功地激發(fā)了扭轉(zhuǎn)模式超聲導(dǎo)波。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)中扭轉(zhuǎn)波傳感器激勵(lì)信號(hào)頻率越高,接收到的反射回波信號(hào)幅值越小,并且該系統(tǒng)準(zhǔn)確地檢測(cè)出樣管中的人工周向缺陷,為扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波管道缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

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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

吳雪嬌(1993－),女,碩士,主要研究方向?yàn)槌暡z測(cè)。

吳雪嬌,E-mail:1107207636＠qq.com。