探究管道检测中的磁致伸缩导波技术

摘 要：随着现代社会对压力管道使用的不断增多，其质量检测就成为一项重点工作。传统检测技术在检测全面性上存在明显缺陷，对此，本文对当前的磁致伸缩导波技术展开探讨，对其技术原理、检测系统的设计和应用效果等进行了研究分析。

关键词：磁致伸缩导波技术;管道检测;系统设计;效果分析

引言

管道运输是五种常见的运输方式之一，压力管道越来越广泛的应用与石油、化工、热电、供水、供热等行业。作为这些工程行业中的关键组件，其质量直接影响着实际项目的运行稳定性和安全性。然而当前的压力管道在实际使用中常常会受到各种因素的影响，如腐蚀、疲劳、材质劣化等影响而出现损坏，所以实践中就需要做好压力管道的定期检测工作。传统检测方法只能对管道进行抽样检测，难以适应长距离管道检测要求。导波技术具有在单点激励就可以实现长距离检测的优点，且导波传播时需要对象横截面上全部质点的参与，因此可实现对象的100%检测。这种新技术在现代管道检测工作中的运用就显得十分关键，具有广阔的市场前景和应用价值。

一、磁致伸缩导波技术概述

磁致伸缩导波技术是基于现代导波技术原理而诞生的一种全新检测技术，其能够通过单点激励来完成长距离检测，且导波的传播过程需要对象横截面所有质点全部参与，这就帮助管道检测实现了全面性的检测。同时，磁致伸缩导波技术将磁致伸缩效应及其逆效应应用到检测技术中，使得导波技术检测能力得到进一步提升。

该技术的具体检测原理，是基于导波這种在有限边界介质内平行于其边界平面而快速传播的机械弹性波，以及磁铁性材料受外界磁场变化而发生几何性质变化的特性，而实现的检测技术。其中铁磁性材料在变化的外磁场的激励下，外形尺寸发生变化所导致的磁畴按照一定方向运动并产生弹性机械波，然后再经过耦合沿结构件有限边界形状进行传播，期间机械波还会受构件边界形状影响发生导向变化。如果导波在遇到缺陷结构，其一部分导波将被反射回检测点，同时产生细微震动，这一震动将会引起铁磁性材料磁畴运动方向的变化，进而引发其磁化状态变化。这一变化再被传感器所检测，就可以实现对缺陷结构的检测目的。目前，该技术已经在实践中得到了一定应用，且由于其检测的全面性，该技术拥有更大的研究价值和更广阔的应用空间，这就需要我们对该技术在管道检测中的实际应用展开进一步研究。

二、磁致伸缩导波技术检测系统设计

磁致伸缩导波技术在管道检测实践中的应用，首先需要依据其技术原理建设起一套磁致伸缩导波系统，这是其技术应用的基础。

（一）磁致伸缩导波检测系统设计

依据磁致伸缩导波技术原理，其检测中需要进行导波的发射和接收，所以系统设计方面就需要围绕从导波发射到最后信号反馈来进行系统构建。首先，系统中应设置上位机，并通过USB电路进行发射频率、重复频率、周波数等控制参数的传输，使之能够进入发射控制电路。发射控制电路主要用以对DDS电路、驱动电路、功率放大电路的正弦波信号进行控制，从而使磁致伸缩传感器能够发出超声波。其次，系统中的超声波反馈也要由传感器进行接收，所以要在上位机与大功率脉冲发射电路之间装设传感器，使得其反馈信号经放大电路放大后传送至高速采集电路。最后，控制电路接收相应反馈数据并利用USB电路传回到上位机，由上位机进行分析处理，最终得到管道中缺陷的具体情况。

（二）磁致伸缩导波检测中的硬件电路设计

该检测技术下的硬件电路设计，主要涉及大功率正弦脉冲发射电路设计以及可控增益接收采集电路设计两部分。其中大功率正弦脉冲发射电路可利用现场可编程门阵列来对DDS电路的频率、周波数、重复频率可调的正弦脉冲信号等进行控制。正弦脉冲信号要经驱动电路中的放大电路进行功率放大后，驱动磁致伸缩换能器发出超声波。为了保证发射电路能够始终处于良好的工作状态，硬件电路设计过程中还需要增设一个温度保护电路。可控增益接收采集电路设计主要针对增益范围进行合理确定，以0-40dB的增益调整范围为例，设计中如果要确保回波信号采集数据的精度，同时满足管道长距离检测要求，其ADC采样频率就应该设定为20KHz-100KHz。其具体的工作原理是磁致伸缩传感器接收回波信号，然后该信号在固定增益放大电路与可控增益放大电路作用下被放大，再通过抗混叠滤波器进行滤波，最后送至ADC电路之中。其中现场可编程门阵列可以对ADC电路的数据采集和缓存进行控制，然后再经USB电路传输至上位机之中。

（三）磁致伸缩导波检测中的软件设计

在整个技术系统的设计中，为确保最终检测系统能够正常运行，还需要结合磁致伸缩导波检测技术下的工作要求进行软件设计。软件设计可以考虑借助LabWindows/CVI进行，其软件功能需要包含发射接收电路参数控制、信号处理、回波显示、波形存储等。基于这些功能下的软件工作流程设计具体为：首先查找与匹配UBS设备，并根据系统情况对相关参数进行配置，上位机新建数据采集线程同时控制电路进行单次采集，最后上位机对采集数据读取后进行进一步数据处理并对处理结果进行显示。此外，软件设计中还需要考虑到人机交互问题，结合人工操作检测的需求科学设计图形操作界面，为该技术的应用和系统的实际操作提供便利。

三、磁致伸缩导波技术在管道检测实践中的应用效果分析

（一）管道检测实例

为了验证导波检测系统对在用管道的现场检测能力，选取某油库的输送原油管道进行检测。该输油管道为螺旋焊缝，通过对接环焊缝连接，外径为508mm，壁厚为8.6mm。采用MsS检测系统出具的检测报告如图1和表1所示。可知在距离探头正向2.0m和5.9m处分别存在缺陷D1和D2。对检测到的缺陷部位进行宏观检查发现，正方向距离探头2.0m处存在腐蚀缺陷，该处防锈油漆局部脱落，锈蚀严重，并且发现一个大的孤立腐蚀凹坑（图2）;距离探头5.9m处存在凹坑缺陷。

（二）应用效果分析

根据当前磁致伸缩导波技术在检测中的应用情况和人们对于此技术的实验研究可以发现，该技术可较准确地发现管道缺陷，并确定其长度方向上的位置，但不能有效确定管道缺陷的具体性质。同时该技术的实际检测灵敏度也较高，在各种行业管道的检测上都表现出了较高的检测精度。因此在未来的技术研究中，人们应该进一步在磁致伸缩导波技术管道检测的缺陷性质确认方面进行努力，同时探索该技术与其他检测技术的相互结合，以使该技术能够解决管道检测上的更多难题，为现代各行业压力管道检测提供更有力的技术支撑。

四、结束语

综上所述，磁致伸缩导波技术是基于现代导波技术和磁性材料性质而产生的一种全新检测技术，其在管道检测方面具有突出优势，为许多行业中的管道建设与维护都提供了强大技术支持。但同时，该技术在实际应用中需要结合其检测原理科学、合理的进行检测系统的设计，这是该技术得以有效发挥作用的基础。

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作者简介：

刘竞雄（1991-）男，汉，甘肃榆中，助理工程师，本科，研究方向：特种设备安全，特种设备检验检测，无损检测。

（甘肃省特种设备检验检测研究院  甘肃  兰州  730050）