磁致伸缩纵向导波对充油弯管缺陷检测研究*

龙盛蓉，黄永跃，李志农，邓文武

(南昌航空大学 a.无损检测技术教育部重点实验室；b.工程训练中心，南昌 330063)

0 引言

管道已广泛应用于石油、天然气的输送等生产生活的诸多方面，据悉，截至2017年底，我国的油气管道的总铺设长度己经超过13万km[1]，因此针对管道裂纹、腐蚀坑和焊缝损坏的检测就显得极为重要。超声检测技术[2]是长输管道检测的重要手段之一，近年来，由超声检测衍生出的超声导波检测技术[3-4]逐渐成为国内外学者和科研人员的研究热点。相较于其他检测方法而言，磁致伸缩导波检测技术具有无需耦合剂、能量转化率高以及无需移动探头即可实现长距离检测等优势[5-7]，成为导波检测技术的有效补充。

学者们针对弯曲管道检测进行了相关研究，其中Hayashi等[8]采用半有限元法分析了L(0，2)模态经过弯头后的能量衰减率，并证明弯头造成的模态转换会延迟信号反射时间。D Ta等[9]研究了管道中粘性液体及管道内径壁厚比值等参数对导波传播特性的影响，但并未进行缺陷定位检测。周邵萍等[10]基于有限元和实验相结合的方式研究了导波在90°弯管中的传播特性，发现弯头拱背处导波能量发生聚焦现象，缺陷检测敏感性很高。童今鸣等[11]基于ANSYS软件激励出L(0,2)模态导波，针对充水管道的周向裂纹缺陷进行了模拟检测，得到反射系数与缺陷周向长度间的关系，但并没有实验的验证。

本文在相关学者的研究基础上，针对充油管道在检测过程中存在的相关问题开展了研究。研究基于美国西南研究院研发的MsSR-3030R检测仪器，采用自主制作的纵向磁致伸缩导波自发自收式检测传感器开展了实验，探究了L(0,2)纵向模态导波对充油弯管缺陷定位的准确性与能量衰减情况。

1 纵向模态磁致伸缩导波检测机理

磁致伸缩导波检测是依靠磁致伸缩效应来发射和接收超声波的，由于磁致伸缩效应，在外加磁场作用下，铁磁体的外形尺寸会改变，出现磁致伸缩应变，激发出应力波，即弹性导波。导波会在铁磁体内向前传播，当遇到裂纹、腐蚀坑等缺陷以及焊缝或者端面时，导波会发生反射和透射等现象[12]。基于逆磁致伸缩效应，应变产生时，磁感应强度将会发生变化，由法拉第电磁感应定律，变化的磁感应强度会使得感应电压产生变化，通过接收电压信号便可以识别出相关缺陷信息。导波的激励和接收过程可以简单表述为：

导波激励：基于磁致伸缩效应，在外磁场的作用下，铁磁性材料的实际尺寸将发生变化，产生弹性导波。

导波接收：基于磁致伸缩逆效应，弹性导波在铁磁性材料中传播时，会引起其磁特性的变化，使得其磁感应强度发生变化，即电信号的变化。

基于上述检测机理，形成了磁致伸缩导波检测示意图如图1所示。

图1 磁致伸缩纵向导波实验装置示意图

2 实验过程

2.1 实验管道与油液参数

本实验采用20#无缝钢管，材料属性如表1所示。管道弯曲角度为90°，其外径为60.3mm，壁厚为3.91mm，弯头两端的直管段各为1000mm，弯头部分长度为400mm。在距离管端1200mm处，弯头最外侧加工了一个直径为5mm，深度为3mm的圆孔型缺陷。实验所选用的油液为15W-40 API SF级机油，其参数如表2所示。

表1 管道材料属性参数

表2 油液属性参数

2.2 纵向导波检测传感器的制作

基于纵向模态磁致伸缩导波检测原理制作的纵向导波检测传感器如图2所示，总体由偏置磁场和交流磁场两部分构成，其中交流磁场由线圈和适配器组成，进行管道缺陷检测时紧紧缠绕在选定的管道周向某处。偏置磁场则由磁轭和钕铁硼磁铁构成，磁铁每3块构成一组，两组磁铁分居磁轭两端，和磁轭一起构成一组磁路，两组磁铁极性相反，一组为N极，另一组为S极，以便和金属管道构成磁回路。磁路的个数视管道外径而定，并非越多越好，各磁路沿管道周向均匀放置，并且各磁路极性相同的一端应对齐，以增强磁场强度。

图2 纵向模态导波磁致伸缩传感器

该检测传感器激励信号波形如图3所示，为10周期的汉宁窗调制函数。

图3 纵向导波检测传感器激励信号

2.3 实验平台的搭建

基于MsSR3030R仪器搭建的磁致伸缩纵向L(0,2)模态导波检测系统如图4所示。

图4 磁致伸缩导波检测系统平台

检测系统主要由集成的仪器主机、磁致伸缩导波激励和接收传感器(自发自收传感器)、数据信号显示系统以及传输线路等组成。集成化的主机和数据信号显示系统可以实现激励信号的可调节输出和接收信号的放大滤波处理，在实施管道缺陷检测时，通过主机信号发生器发出需要的脉冲信号，经过集成的功率放大器放大处理后输入激励线圈，待检测管道中形成交变瞬态磁场，在偏置磁场与交变瞬态磁场的耦合作用下产生磁致伸缩效应，从而在管道中形成L(0,2)模态纵向导波。导波在管道中向前传播，遇到缺陷或端面等不同的边界时会形成反射回波和透射波，通过接收传感器来接收特征信号，接收到的电信号经由仪器主机放大器的放大滤波处理后输入到数显系统当中，通过读取其显示的时频信号即可排查出管道是否存在缺陷及其所处的位置。该检测系统的主要调节参数表3所示。

表3 系统主要调节参数

实验平台搭建完成后即开始进行实验。实验分6次进行，即管道中油液含量共计6种情况，管道中油液含量分别占管道容积的0%、20%、40%、60%、80%和100%，将管道平放于托盘上开始检测。

3 实验结果与分析

通过检测，所得检测结果如图5所示。图5中分别标记出了始波、缺陷波和端面回波，图中所示横坐标主要表示管道缺陷以及端面与检测传感器之间的距离，纵坐标表示导波检测电压幅值，图中标记出了缺陷波和端面回波的幅值大小。

图5 油液含量为0时缺陷检测结果

检测所得波形信号中，缺陷幅值处对应的距离为1103.1mm，而且当油液含量为20%～100%时，该测量距离并不改变，同样为1103.1mm。预置缺陷距离管端1200mm，但是，由于纵向导波检测传感器的安装位置为距管端100mm(如图2)，所以正确位置应为1100mm，故测量误差为：(1103.1-1100)/1100=0.28%,可见，所实施的纵向磁致伸缩导波检测技术可实现对管道缺陷轴向的准确定位，并且具有很高的信噪比，但却无法确定其周向位置。现分别提取缺陷波和端面回波峰值并绘制出其与油液含量的曲线关系如图6所示。

图6 缺陷波和端面波幅值与油液含量的曲线关系

通过分析上述结果可以看到，磁致伸缩纵向导波可对弯管缺陷进行准确定位，误差仅为0.28%，并且随着油液含量的增多仅仅使超声波能量减小，但不会对定位准确性造成影响，即缺陷幅值以及端面回波幅值均逐渐减小，具体特点如下：①在油液含量从0%增加到20%时，以及油液含量从80%增加到100%时幅值的下降幅度均较大；而在油液含量为20%～80%时下降幅度较小。②端面回波幅值的下降速率较缺陷波大；③虽然随着油液含量的增加，缺陷波和端面回波幅值均下降，但缺陷回波与端面回波的比值却在逐渐上升，即仍能保持较高的信噪比。

4 结论

根据纵向模态磁致伸缩导波检测原理，基于MsSR3030R仪器采用磁致伸缩纵向导波激励与接收一体化传感器实施对充油管道的缺陷检测。通过分析实验结果，主要得出如下结论：

(1)制作的纵向磁致伸缩导波检测传感器可以激励出检测波形信号，能实现待测管道缺陷的轴向准确定位，造成的误差可忽略不计且定位准确性不受油液含量的变化的影响；

(2)随着油液含量的增多，缺陷幅值以及端面回波幅值均逐渐减小，即导波能量不断衰减，但仍能非常直观地判断缺陷的位置，即信噪比仍然较好。由此证明纵向模态磁致伸缩导波检测技术可应用于充油管道的在役检测。