羅更生,2, 戴 翔

(1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院,長(zhǎng)沙 410117;2.南昌航空大學(xué) 測(cè)試與光電工程學(xué)院,南昌 330063)

油氣對(duì)焊彎管由無(wú)縫直管和無(wú)縫彎頭焊接而成，內(nèi)層為鋼管，外層為防腐層，在城鎮(zhèn)油氣輸送管道系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。彎管中的彎頭部位受管內(nèi)輸送介質(zhì)的沖刷腐蝕，管壁易減薄或開(kāi)裂，而引起安全隱患。因此，定期對(duì)彎管部位進(jìn)行檢測(cè)是非常有必要的。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在不帶防腐層的自然彎管缺陷的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方面開(kāi)展了大量研究，如BAKKALI等[1]采用有限元方法建立了彎管直管段與彎頭接頭部位的散射矩陣，并計(jì)算了導(dǎo)波模態(tài)在接頭兩側(cè)位置的反射系數(shù)和傳播系數(shù)；VERMA等[2]采用有限元法研究了L(0,2)模態(tài)導(dǎo)波在具有不同彎曲角度、不同壁厚、不同彎曲曲率半徑彎管中的傳播特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)R/λ=1[R為彎曲曲率半徑，λ為L(zhǎng)(0,2)模態(tài)波長(zhǎng)]時(shí)，隨著彎曲角度的減小，模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象變得明顯，且小壁厚變化對(duì)導(dǎo)波傳輸效率的影響不大；宗侶等[3]采用有限元方法研究了L(0,2)模態(tài)在彎管中的傳播特性，發(fā)現(xiàn)L(0,2)模態(tài)在彎頭處發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，且隨著信號(hào)頻率的增加模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象越發(fā)明顯，以及L(0,2)模態(tài)在彎頭傳播時(shí)，能量主要集中在彎頭外側(cè)；王秀彥等采用ANSYS的編程技術(shù)分析超聲導(dǎo)波在彎頭處加工有缺陷的彎管中的傳播特性[4]，并采用試驗(yàn)方法測(cè)定了L(0,2)模態(tài)在4種不同曲率半徑的90°彎管中傳播時(shí)的透射系數(shù)，發(fā)現(xiàn)曲率半徑增大會(huì)導(dǎo)致透射系數(shù)的減小[5]；呂文超[6]采用有限元分析了L(0,2)模態(tài)導(dǎo)波在彎頭前后0.5m處分別加工有裂紋缺陷的彎管中的傳播規(guī)律，得出裂紋信號(hào)反射系數(shù)與裂紋圓心角大小之間的關(guān)系。

少數(shù)國(guó)外學(xué)者在不帶防腐層的對(duì)焊彎管缺陷的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方面開(kāi)展了研究，如NISHINO等采用試驗(yàn)研究了T(0,1)模態(tài)檢測(cè)對(duì)焊彎管中過(guò)彎頭后直管上的人工缺陷的能力，發(fā)現(xiàn)人工缺陷反射波受到其與焊縫(彎頭和直管間)反射波之間的相位差的影響，超聲導(dǎo)波難以對(duì)人工缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)[7]，并且研究了T(0,1)模態(tài)在彎管中的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)T(0,1) 模態(tài)在彎頭位置會(huì)轉(zhuǎn)換成高階扭轉(zhuǎn)波T(1,1)模態(tài)、T(2,1)模態(tài)、T(3,1)模態(tài)和T(4,1)模態(tài)[8]等。

在帶防腐層直管缺陷的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究。如JIA等[9]采用混合半解析有限元法研究了超聲導(dǎo)波在埋于無(wú)限厚泥土中的帶0.27mm瀝青砂膠50覆蓋層的鋼管中的相速度頻散曲線和衰減曲線；張喆斯[10]開(kāi)展了磁致伸縮縱向?qū)Рz測(cè)帶黏彈性包覆層管道裂紋缺陷的試驗(yàn)，用于評(píng)價(jià)改進(jìn)的縱向?qū)Р▊鞲衅鞯男阅?；楊理踐[11]研究了超聲導(dǎo)波檢測(cè)管道覆蓋層剝離或脫落的機(jī)理等。

但是，目前尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于應(yīng)用超聲導(dǎo)波檢測(cè)帶防腐層的對(duì)焊彎管缺陷的研究報(bào)道。為此，筆者提出基于B掃描成像的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，以解決油氣對(duì)焊彎管缺陷難以檢出的技術(shù)難題。

1 彎頭及環(huán)焊縫對(duì)超聲導(dǎo)波的傳播影響

文章應(yīng)用ANSYS14.0軟件仿真分析彎管彎頭及環(huán)焊縫對(duì)超聲導(dǎo)波的傳播影響。為此，分別設(shè)計(jì)了一根對(duì)焊彎管和一根無(wú)縫直管，兩根管道的材料均為20鋼，規(guī)格(直徑×壁厚)為159 mm×4.5 mm，軸向長(zhǎng)度均為4 500 mm，外表面覆蓋2 mm聚乙烯防腐層，相關(guān)材料的聲學(xué)常數(shù)如表1所示。對(duì)焊彎管模型如圖1所示，其中彎頭左側(cè)直管長(zhǎng)度L1=2 500 mm,彎頭右側(cè)直管長(zhǎng)度L2=1 500 mm,彎曲半徑R=2D,彎曲角度θ=90°。直管模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。仿真時(shí)，管道模型選用Solid164單元類型、六面體網(wǎng)格。求解時(shí)，在端面A處加載如式(1)所示的經(jīng)Hanning窗調(diào)制的單音頻信號(hào)。

(1)

式中：n為脈沖周期;f為中心頻率;τ=n/f,為信號(hào)脈沖寬度。

因?yàn)榭v向模態(tài)L(0,2)沿管軸向、徑向振動(dòng)及沿軸向傳播，扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,1)沿管周向振動(dòng)及沿軸向

圖1 對(duì)焊彎管模型結(jié)構(gòu)示意

圖2 直管模型結(jié)構(gòu)示意

表1 材料聲學(xué)常數(shù)

傳播，故兩種模態(tài)的激勵(lì)加載方式不同，L(0,2)模態(tài)直接在管道端面垂直加載，T(0,1)模態(tài)則在管道端面切向加載。L(0,2)和T(0,1)模態(tài)的激勵(lì)信號(hào)加載方式如圖3。檢測(cè)信號(hào)參數(shù)選為：L(0,2)模態(tài)，5周期、40 kHz；T(0,1)模態(tài)，5周期、30 kHz。

圖3 L(0,2)模態(tài)和T(0,1)模態(tài)的激勵(lì)信號(hào)加載示意

圖4 檢測(cè)信號(hào)為L(zhǎng)(0,2)模態(tài)時(shí)，兩根管道端面B的反射波

圖5 檢測(cè)信號(hào)為T(mén)(0,1)模態(tài)時(shí)，兩根管道端面B的反射波

仿真分析結(jié)果如圖4,5所示。從兩圖中可以看出，超聲導(dǎo)波穿越環(huán)焊縫1、彎頭及環(huán)焊縫2后在端面B產(chǎn)生的首次反射波的幅值，比直管端面B的首次反射波幅值低，如檢測(cè)信號(hào)為L(zhǎng)(0,2)模態(tài)時(shí)，彎管和直管端面B的反射波相對(duì)幅值分別為0.206 7,0.717 3，彎頭和環(huán)焊縫對(duì)導(dǎo)波的衰減為71.2%；檢測(cè)信號(hào)為T(mén)(0,1)模態(tài)時(shí)，兩者的反射波相對(duì)幅值分別為0.157 2,0.384 4，彎頭和環(huán)焊縫對(duì)導(dǎo)波的衰減為59.1%?？梢钥闯?，彎頭和環(huán)焊縫對(duì)檢測(cè)信號(hào)L(0,2)模態(tài)或T(0,1)模態(tài)帶來(lái)了大幅的衰減。同時(shí)，L(0,2)模態(tài)、T(0,1)模態(tài)經(jīng)過(guò)彎頭后，分別產(chǎn)生了F(1,3)模態(tài)、F(1,2)模態(tài)的轉(zhuǎn)換波。

2 基于B掃描成像的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法

從上述分析發(fā)現(xiàn)，超聲導(dǎo)波經(jīng)過(guò)環(huán)焊縫時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的反射信號(hào)，如果彎頭上缺陷距離環(huán)焊縫較近，環(huán)焊縫反射信號(hào)包絡(luò)可能與彎頭上缺陷反射信號(hào)包絡(luò)相連，影響彎頭缺陷的識(shí)別；導(dǎo)波經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)，彎頭會(huì)使其產(chǎn)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，且彎頭和環(huán)焊縫也會(huì)使其發(fā)生嚴(yán)重衰減，此外聚乙烯防腐層也對(duì)導(dǎo)波有衰減作用[12]，這些都降低了超聲導(dǎo)波對(duì)缺陷的檢測(cè)能力。上述問(wèn)題導(dǎo)致超聲導(dǎo)波難以檢出油氣對(duì)焊彎管的彎頭及過(guò)彎頭后直管部位的缺陷。

為此，文中提出基于B掃描成像的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，用于檢測(cè)油氣對(duì)焊彎管缺陷。B掃描成像是超聲波掃描成像中常用的一種方法，為實(shí)現(xiàn)B掃描成像，需要對(duì)超聲導(dǎo)波傳感器進(jìn)行相應(yīng)布置，以及設(shè)置B掃描圖像顏色。

圖6 超聲導(dǎo)波傳感器布置圖

2.1 傳感器布置

如圖6所示，將每圈傳感器沿著管道圓周360°方向均勻布置，為簡(jiǎn)化操作和減少數(shù)據(jù)連接，將傳感器等分成數(shù)量相同的A,B,C,D,E,F,G,H等8個(gè)組，分別負(fù)責(zé)管道圓周上0°～45°,45°～90°,90°～135°，135°～180°，180°～225°，225°～270°，270°～315°，315°～360°區(qū)域內(nèi)缺陷的檢測(cè)。

2.2 B掃描圖像顏色設(shè)置

超聲導(dǎo)波遇到不同類型的管道結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位(如焊縫、管端、缺陷等)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同幅度的反射信號(hào)；遇到不同大小的缺陷，會(huì)有不同幅度的反射信號(hào)。此外，相同大小的缺陷離傳感器距離不同時(shí)，也會(huì)有不同幅度的反射信號(hào)。為了使管道上不同位置、大小相同的缺陷具有相同的B掃描圖像顏色，在掃描成像處理時(shí)，采用對(duì)數(shù)標(biāo)度法來(lái)設(shè)置顏色。超聲導(dǎo)波在鋼管中的衰減關(guān)系滿足下式[13]。

y=y0exp(-ax)

(2)

式中：y為距離起始波源x處的波幅;x為離起始波源的距離;y0為起始波源幅值;a為鋼管的衰減系數(shù)。

對(duì)式(2)取自然對(duì)數(shù)，得到：

ln(y/y0)=-ax

(3)

可以看出，ln(y/y0)與x之間是一條斜率為-a的直線。只要缺陷的幅度y及離波源距離x滿足式(3)，便在B掃描圖像中用同一顏色予以標(biāo)識(shí)。

圖7 試驗(yàn)用對(duì)焊彎管結(jié)構(gòu)示意

3 試驗(yàn)應(yīng)用

試驗(yàn)中加工了2根城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿老到y(tǒng)中常用的帶聚乙烯防腐層的對(duì)焊彎管(見(jiàn)圖7)，且在彎管上不同部位加工了周向切槽缺陷，周向缺陷大小用缺陷橫截面積比(即缺陷橫截面積與缺陷處管壁橫截面積之比)表示，切槽寬度為5 mm，用于模擬實(shí)際的腐蝕和裂紋缺陷。圖7(a)所示的彎管1的彎曲角度θ為90°、彎曲半徑R為159 mm，切槽分別加工在外弧側(cè)和過(guò)彎頭后的直管上，切槽的橫截面積比分別為5.8%，6.1%；圖7(b)所示的彎管2的彎曲角度θ為90°、彎曲半徑R為238.5 mm，切槽分別加工在內(nèi)弧側(cè)和過(guò)彎頭后的直管上，切槽的橫截面積比也分別為5.8%，6.1%。其中超聲導(dǎo)波在彎頭外弧側(cè)的能量最強(qiáng)、內(nèi)弧側(cè)的能量最弱[14]，所以彎頭切槽加工時(shí)充分考慮了位置的影響。

試驗(yàn)原理如圖8所示，計(jì)算機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器激發(fā)如式(1)所示的單音頻信號(hào)，再施加在壓電傳感器陣列上。一圈壓電傳感器數(shù)量為24個(gè)，均勻布置在管道外圍，所有壓電傳感器同時(shí)激勵(lì)出5周期60 kHz的L(0,2)模態(tài)或5周期40 kHz的T(0,1)模態(tài)。采用基于B掃描成像的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法檢測(cè)如圖7所示的2根油氣對(duì)焊彎管的缺陷。

圖9 激勵(lì)信號(hào)為5周期60 kHz的L(0,2)模態(tài)(彎管1)

圖10 激勵(lì)信號(hào)為5周期40 kHz的T(0,1)模態(tài)(彎管1)

圖11 激勵(lì)信號(hào)為5周期60kHz的L(0,2)模態(tài)(彎管2)

圖12 激勵(lì)信號(hào)為5周期40 kHz的T(0,1)模態(tài)(彎管2)

彎管1、彎管2的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖912所示。以圖9為例，圖9(a)為A掃描波形，圖9(b)為B掃描圖像，B掃描圖像的縱坐標(biāo)為沿管道圓周方向展開(kāi)的方位角度，橫坐標(biāo)為反射信號(hào)離傳感器的軸向距離，使用紅色、黃色、綠色、藍(lán)色依次表示信號(hào)強(qiáng)度由強(qiáng)到弱，灰色區(qū)域代表檢測(cè)盲區(qū)。由圖9可以看出，環(huán)焊縫1、切槽缺陷、環(huán)焊縫2以及彎頭后切槽缺陷、管端的時(shí)域脈沖反射波位置，對(duì)應(yīng)著相應(yīng)顏色的B掃描圖像；環(huán)焊縫、管端部位的B掃描圖像沿管道圓周360°分布，管道切槽缺陷的B掃描圖像顏色只出現(xiàn)在相應(yīng)的局部位置上；彎頭切槽距離左側(cè)管端2 500 mm、彎頭后直管上切槽距離左側(cè)管端3 750 mm。此外，圖1012具有類似結(jié)果。

從圖912的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于B掃描成像的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法能有效檢測(cè)和定位出2根對(duì)焊彎管彎頭部位和過(guò)彎頭后直管上的缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)，油氣對(duì)焊彎管的彎頭和環(huán)焊縫對(duì)檢測(cè)信號(hào)L(0,2)模態(tài)或T(0,1)模態(tài)造成了大幅的衰減；L(0,2)模態(tài)、T(0,1)模態(tài)經(jīng)過(guò)彎頭后，分別產(chǎn)生了模態(tài)轉(zhuǎn)換波F(1,3)模態(tài)、F(1,2)模態(tài)。此外，聚乙烯防腐層也會(huì)使超聲導(dǎo)波發(fā)生衰減。上述原因?qū)е鲁晫?dǎo)波難以檢出油氣對(duì)焊彎管上的缺陷。

為此，提出基于B掃描成像的超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法能有效檢測(cè)和定位出油氣對(duì)焊彎管彎頭部位和過(guò)彎頭后直管上的缺陷。