李曉亞 田苑 康捷 石楠 石家莊鐵道大學(xué)

基于磁致伸縮導(dǎo)波的鋼管裂紋無損檢測研究

李曉亞 田苑 康捷 石楠 石家莊鐵道大學(xué)

壓力管道越來越廣泛應(yīng)用于石油、化工、熱電、供水及供熱等行業(yè)。本項(xiàng)目通過建立有效的數(shù)學(xué)模型，針對金屬管道設(shè)計(jì)了磁致伸縮超聲檢測裝置，然后利用激勵(lì)傳感器、接收傳感器和磁致伸縮檢測儀等裝置對管道末端的導(dǎo)波進(jìn)行檢測，通過數(shù)據(jù)分析，得到了鋼管的長度和缺陷位置信息，驗(yàn)證了該檢測裝置的實(shí)用性。

磁致伸縮 導(dǎo)波 管道檢測

1 引言

管道的安全使用不僅會(huì)影響到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的安全，還會(huì)影響到千家萬戶以及社會(huì)的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)已經(jīng)不能滿足長距離管道的檢測要求。目前，國內(nèi)外用于管道檢測的方式主要分為漏磁法和超聲導(dǎo)波法，其中超聲導(dǎo)波法可細(xì)分為接觸式檢測法（如電壓式）和非接觸式檢測法（如激光超聲法、電磁聲傳感器法、磁致伸縮傳感器法）。而磁致伸縮傳感器法測技術(shù)具有檢測距離遠(yuǎn)，檢測速度快的特點(diǎn)，從而在管道檢測方面擁有無可替代的優(yōu)勢。

2 磁致伸縮導(dǎo)波檢測原理

磁致伸縮效應(yīng)是指軟磁體磁化后，其形狀，大小會(huì)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。當(dāng)長度為L的磁性材料在磁化方向上的長度變化量為△L時(shí)，其磁致伸縮率可表示為：λ=△L/L。

磁致伸縮導(dǎo)波檢測就是依靠磁致伸縮效應(yīng)來發(fā)射和接受超聲波：當(dāng)鐵磁性材料在交變磁場環(huán)境中被磁化時(shí)，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮應(yīng)變，從而發(fā)出應(yīng)力波，通過分析此類信號(hào)的相關(guān)特征，就可以初步得管道內(nèi)部的檢測。其基本原理為：由激勘信號(hào)源產(chǎn)生摔發(fā)激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過功率放大器放大后輸出給導(dǎo)波激勘傳感器，在被測管道中激發(fā)出導(dǎo)波；激勘產(chǎn)生的導(dǎo)波在被測管道中傳播，當(dāng)被測管道中存在缺陷時(shí)，導(dǎo)波將在缺陷處發(fā)生反射、頻散及模式轉(zhuǎn)換等；接收傳感器檢測相應(yīng)的回波信號(hào)，再數(shù)字示波器觀察接收傳感器的檢測信號(hào)，利用機(jī)對檢測到的回波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析與處理，實(shí)現(xiàn)管道缺陷的檢測。

3 實(shí)驗(yàn)方案

基于磁致伸縮效應(yīng)的管道超聲導(dǎo)波無損檢測裝置主要由激勵(lì)傳感器、接收傳感器和磁致伸縮激勵(lì)及檢測系統(tǒng)組成，如圖1所示。激勵(lì)傳感器和接收傳感器為纏繞在螺線管上的金屬線圈，磁致伸縮激勵(lì)及檢測系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、信號(hào)放大器、功率放大器、濾波器及A/D轉(zhuǎn)換器。實(shí)驗(yàn)使用的待測管道為無縫鋼管，外徑26mm，內(nèi)徑20mm，全長2500mm，存在的裂紋距離右端面為500mm。激勵(lì)線圈中心距離鋼管左端面300mm，激勵(lì)線圈與接收線圈距離為700mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生正弦信號(hào)通過信號(hào)放大器和功率放大器進(jìn)行放大，對接收信號(hào)進(jìn)行高頻濾波后，通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入計(jì)算機(jī)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2所示為計(jì)算機(jī)接收到的導(dǎo)波信號(hào)。1～6條線分別為接收端測到的6次激勵(lì)信號(hào)。開始時(shí)，激勵(lì)端向兩側(cè)發(fā)送激勵(lì)信號(hào)，向右端發(fā)送的激勵(lì)信號(hào)會(huì)最先到達(dá)接收端，產(chǎn)生第1條波形，隨后信號(hào)繼續(xù)向右傳送。向左發(fā)送的信號(hào)到達(dá)管道盡頭處會(huì)折返并向右繼續(xù)傳送，由原理圖可知，裂縫距接收端的距離小于管道左端端口處距發(fā)送器的距離，所以開始向左端傳送的信號(hào)會(huì)其次到達(dá)接收端，產(chǎn)生第2條波形。第3條波形是由產(chǎn)生第1條波形的信號(hào)繼續(xù)向右傳送到達(dá)裂縫處再返回時(shí)產(chǎn)生的。第4條波形是由產(chǎn)生第2條波形的信號(hào)繼續(xù)向右傳送到達(dá)裂縫處再返回時(shí)產(chǎn)生的，此后的信號(hào)以此類推。結(jié)合圖片與計(jì)算可得，在9271.751ms激勵(lì)端發(fā)送信號(hào)，9271.895ms接收端第一次接收信號(hào)，已知信號(hào)傳遞速度約為5000m/s，可測的第一次接收與第二次接收相差的距離為720mm；接收端第二次接收信號(hào)時(shí)間為9272.0517ms，可計(jì)算得接收端距離左端端口距離為1553.5mm，計(jì)算得激勵(lì)端距左端端口距離為391.75mm；接收端第三次接收信號(hào)時(shí)間為9272.325ms，計(jì)算得接收端距裂縫1017mm。通過計(jì)算上述數(shù)據(jù)，并結(jié)合激勵(lì)端與接收端之間的實(shí)際距離，可驗(yàn)證接收到的波形與實(shí)際相符。

5 結(jié)論

本論文利用磁致伸縮導(dǎo)波對有裂紋的鋼管進(jìn)行了檢測，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了磁致伸縮效應(yīng)在管道無損檢測領(lǐng)域的有效性。基于磁致伸縮的管道無損檢測具有檢測距離遠(yuǎn)、檢測速度快的特點(diǎn)，該技術(shù)在生產(chǎn)、生活中具有廣闊的應(yīng)用前景。

石家莊鐵道大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“用于管道無損檢測的電磁超聲檢測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”，項(xiàng)目編號(hào)：201610107048。