超声导波对弯管处缺陷的检测与研究

刘书宏 丁 菊 朱旭晨

上海市特种设备监督检验技术研究院 （上海 200062）

弯头是压力管道中改变管路方向的管道元件，是压力管道中数量最多的管件。弯头常年受到内部流质的冲击，因而在整个压力管道中属于常见失效部位。根据法律法规，在管道年度检验、定期检验和监督检验中，弯头均是被检验检测的对象，因此实现对弯管部位的检查很重要。常规对弯头部位的壁厚测定采用超声法，由于超声测厚是单点检测，容易产生漏检；在检测中，即使发现了减薄，也很难测量减薄的面积。此外，在常规检测中，由于需要拆除保温层、高空作业等，需要耗费大量的人力成本，也增加了安全风险[1]，尤其是管廊上的高空管道。超声导波能对管道进行长距离检测，能对管道减薄截面积进行测量，是一种低成本、高安全性和更高效率的新技术[2]。

美国西南研究院基于超声导波的MsS（磁致伸缩传感器）技术已经开发出来并用于直管的检测。在进行弯管的检测时，由于导波在不连续结构中传播时会产生明显的模态转换和频散现象[3]，促使出现干扰模态的导波。现阶段MsS激励的是T（0，1）模态导波，其波速为3230 m/s，低于其他模态转换干扰波，因此模态干扰波将出现在缺陷回波前，使得缺陷波与干扰波无法区分，在识别缺陷波时存在一定困难。为了突破这一限制，本文提出了基于磁致伸缩效应的L（0，2）模式导波激励。与T模态相比，L模态导波的传播速度较快，其他模态转换波波速低于缺陷回波，缺陷回波不会与干扰波重叠。因此，在管道检测时，缺陷波在不连续结构缺陷识别方面具有更好的性能[4]。

1 理论

基于铁磁材料在磁场中的应力变形，采用磁致伸缩技术对铁磁管道进行检测。材料的磁致伸缩性能与磁性和机械性能有关[5-6]，见式（1）。

其中：E为弹性模量；M为磁化系数；M0为饱和磁化系数；MWM为壁面滑动磁化；M0（σ）为随应力变化的磁化强度；ε为应变；σ为弹性应力；θ为松弛系数；λ为饱和磁致伸缩系数；λ0（σ）为饱和磁致伸缩随应力变化系数。

在弹性应力、洛伦兹力和磁致伸缩力的相互作用下，铁磁性材料质点将产生振动，从而产生超声波。通过控制洛伦兹力和磁致伸缩力可以控制质点的振动方向，从而产生扭转模态和纵向模态导波，甚至弯曲模态。其中铁磁材料弹性运动方程的表达式见式（2）。

其中：F1为洛伦兹力；F2为磁致伸缩应力；x为笛卡尔X坐标；ρ为材料密度；σ为弹性应力。

导波在管道中传播存在频散现象，即传播速度随着频率而变化。频散曲线是导波前需要计算的重要数据，用于得到检测模态导波的传播速度，即群速度和相速度。导波速度采用两种表示方式，其中导波相位传播速度和角频率的关系为Cp（ω），单位为mm/μs，或者表示为与频率相关的波数形式k（ω），单位为rad/mm。它们之间的转换公式见式（3)。

同理，群速度转换公司见式（4）。

从式（3）、（4）可以看出，若导波是非频散的，那么相速度等于群速度，即Cp（ω）=Cg（ω）。群速度和相速度相互关联，见式（5）。

其中：Cp为相速度；Cg为群速度；fd为频率与厚度的乘积，也称为频厚积；f为超声导波的激励频率；d为测试工件的厚度。通过软件计算，得到直径60.3 mm，壁厚3.91 mm管道的频散曲线如图1所示。

2 实验

磁致伸缩导波检测系统由一组永磁体、激励和检测线圈、功率放大器、计算机和信号发生器组成。在系统中利用永磁体产生局部磁化和偏磁场在钢中激励产生导波。因此，为了保证励磁线圈与检测线圈之间的工件在磁致伸缩线性范围内，需要合理选择磁场强度。

超声导波产生的过程是：信号发生器首先产生脉冲信号，使得激励线圈中的电流发生变化，从而产生变化的磁场，磁致伸缩材料在外磁场的共同作用下在特定方向上产生振动，从而形成超声导波。在超声导波检测中，导波一旦遇到缺陷，产生反射回波，通过检测反射回波获得缺陷信息。磁场布置如图2所示。检测试样为DN50的碳钢弯管，直径60.3 mm，壁厚3.91 mm，弯管两侧直管长度为1 m，带有缺陷的试样中缺陷为深2.6 mm，宽2 mm的刻槽。试样示意图如图3所示。

图1 管道（直径60.3 mm，壁厚3.91 mm）频散曲线

图2 磁场布置示意图

图3 检测试样

通过上述的激励磁场布置，在管道中产生纵向导波对弯管试样进行检测，其中对无缺陷试样的检测信号如图4所示。在检测图中，并没有产生明显的弯头变形波，只有弯头另一端面的回波。这是因为纵向导波传播速度最快，产生的变形波在端面回波之后，因此对弯管的检测没有影响。在实际检测中，超声导波激励装置与弯头的相对位置是可以测量的，通过计算可以得到弯头部位在导波检测信号图中的显示范围。

图4 无缺陷试样检测信号

在本实验中，弯管的范围为0.6～1.0 m处。在该范围内未发现缺陷回波。因此在无缺陷弯管检测时，在弯头部位不会出现其他干扰的波形。

对带有缺陷的试样进行检测，发现在弯管范围内出现了明显的缺陷回波。此外，还有缺陷波经左端面反射后被传感器接收到的信号波，如图5所示。通过两个图的对比，发现除了可预见的信号波之外，并未观察到其他波形转换波。因此本实验激励的纵向模态具有对弯管缺陷的检测能力。

图5 带缺陷试样检测信号图

在化工装置中，弯管部位通常采用焊缝连接弯头的形式。因此本文对带焊缝的弯头进行导波检测。因为2个焊接接头的设计相同，所以其相对振幅相似。但实际上，考虑到弯管对导波的衰减作用，非传感器侧的焊接回波振幅应略低于传感器侧的振幅。带有2个焊接接头的无缺陷弯管的扫描信号如图6所示。

图6 带弯头焊缝无缺陷试样检测信号

带缺陷试样为在焊缝上加工一个深2.6 mm，宽2 mm的刻槽。为了研究传感器位置对缺陷检测的影响，传感器分别布置在缺陷同侧和异侧。由于缺陷的存在会降低焊缝回波幅值，因此，如果2个缺陷回波幅值明显不同，可以判断在幅值较低的焊缝上存在缺陷。检测信号如图7和图8所示。

图7 传感器和缺陷在同侧时检测信号

图8 传感器和缺陷在异侧时检测信号

如果非传感器侧振幅明显低于传感器侧振幅（如图8所示），则表明非传感器侧焊缝存在一定的缺口缺陷。同样，如果前者高于后者（如图7所示），则表明传感器侧存在一定的缺口缺陷。在检测中这些数据可以作为缺陷诊断的参考。此外，还有其他类型的缺陷可能导致更复杂的扫描信号。

3 结论

现场检测的步骤是首先测量导波激励装置与弯头的距离范围，再进行检测，在导波检测图谱中通过时间反推距离，最终在图谱上对弯头范围内的信号进行判断。通过实验发现：采用L（0，2）导波检测时，无缺陷弯管在图谱上的弯头范围内无缺陷信号；当弯头存在腐蚀减薄时，在图谱上能发现缺陷信号。

本文提出了一种基于磁致伸缩效应的L（0，2）型导波激励方法，采用该方法对压力弯管进行检测，通过实验验证了检测结果的正确性。对带焊缝弯头检测结果表明，可以通过对比焊缝幅值的方法发现焊缝内缺陷。