基于磁致伸缩导波的钢管裂纹无损检测研究

李晓亚 田苑 康捷 石楠 石家庄铁道大学

基于磁致伸缩导波的钢管裂纹无损检测研究

李晓亚 田苑 康捷 石楠 石家庄铁道大学

压力管道越来越广泛应用于石油、化工、热电、供水及供热等行业。本项目通过建立有效的数学模型，针对金属管道设计了磁致伸缩超声检测装置，然后利用激励传感器、接收传感器和磁致伸缩检测仪等装置对管道末端的导波进行检测，通过数据分析，得到了钢管的长度和缺陷位置信息，验证了该检测装置的实用性。

磁致伸缩 导波 管道检测

1 引言

管道的安全使用不仅会影响到经济运行的安全，还会影响到千家万户以及社会的稳定。传统的检测技术已经不能满足长距离管道的检测要求。目前，国内外用于管道检测的方式主要分为漏磁法和超声导波法，其中超声导波法可细分为接触式检测法（如电压式）和非接触式检测法（如激光超声法、电磁声传感器法、磁致伸缩传感器法）。而磁致伸缩传感器法测技术具有检测距离远，检测速度快的特点，从而在管道检测方面拥有无可替代的优势。

2 磁致伸缩导波检测原理

磁致伸缩效应是指软磁体磁化后，其形状，大小会发生变化的物理现象。当长度为L的磁性材料在磁化方向上的长度变化量为△L时，其磁致伸缩率可表示为：λ=△L/L。

磁致伸缩导波检测就是依靠磁致伸缩效应来发射和接受超声波：当铁磁性材料在交变磁场环境中被磁化时，材料内部会产生磁致伸缩应变，从而发出应力波，通过分析此类信号的相关特征，就可以初步得管道内部的检测。其基本原理为：由激勘信号源产生摔发激励信号，经过功率放大器放大后输出给导波激勘传感器，在被测管道中激发出导波；激勘产生的导波在被测管道中传播，当被测管道中存在缺陷时，导波将在缺陷处发生反射、频散及模式转换等；接收传感器检测相应的回波信号，再数字示波器观察接收传感器的检测信号，利用机对检测到的回波信号进行信号分析与处理，实现管道缺陷的检测。

3 实验方案

基于磁致伸缩效应的管道超声导波无损检测装置主要由激励传感器、接收传感器和磁致伸缩激励及检测系统组成，如图1所示。激励传感器和接收传感器为缠绕在螺线管上的金属线圈，磁致伸缩激励及检测系统包括计算机、信号放大器、功率放大器、滤波器及A/D转换器。实验使用的待测管道为无缝钢管，外径26mm，内径20mm，全长2500mm，存在的裂纹距离右端面为500mm。激励线圈中心距离钢管左端面300mm，激励线圈与接收线圈距离为700mm。实验时，计算机产生正弦信号通过信号放大器和功率放大器进行放大，对接收信号进行高频滤波后，通过A/D转换器输入计算机。

4 实验结果

图2所示为计算机接收到的导波信号。1～6条线分别为接收端测到的6次激励信号。开始时，激励端向两侧发送激励信号，向右端发送的激励信号会最先到达接收端，产生第1条波形，随后信号继续向右传送。向左发送的信号到达管道尽头处会折返并向右继续传送，由原理图可知，裂缝距接收端的距离小于管道左端端口处距发送器的距离，所以开始向左端传送的信号会其次到达接收端，产生第2条波形。第3条波形是由产生第1条波形的信号继续向右传送到达裂缝处再返回时产生的。第4条波形是由产生第2条波形的信号继续向右传送到达裂缝处再返回时产生的，此后的信号以此类推。结合图片与计算可得，在9271.751ms激励端发送信号，9271.895ms接收端第一次接收信号，已知信号传递速度约为5000m/s，可测的第一次接收与第二次接收相差的距离为720mm；接收端第二次接收信号时间为9272.0517ms，可计算得接收端距离左端端口距离为1553.5mm，计算得激励端距左端端口距离为391.75mm；接收端第三次接收信号时间为9272.325ms，计算得接收端距裂缝1017mm。通过计算上述数据，并结合激励端与接收端之间的实际距离，可验证接收到的波形与实际相符。

5 结论

本论文利用磁致伸缩导波对有裂纹的钢管进行了检测，其实验结果证明了磁致伸缩效应在管道无损检测领域的有效性。基于磁致伸缩的管道无损检测具有检测距离远、检测速度快的特点，该技术在生产、生活中具有广阔的应用前景。

石家庄铁道大学大学生创新创业项目“用于管道无损检测的电磁超声检测装置的设计与实现”，项目编号：201610107048。