超声导波检测管道任意方向缺陷的数值研究

赵 顼

(太原锅炉集团有限公司，山西 太原 030024)

管道是大多数工业设备中的重要构件，然而管道在服役期不可避免的会受设计载荷、腐蚀等影响发生破裂，小则影响生产、生活，大则造成重大经济损失和人员伤亡。为此，管道检测就成为保障设备安全运行的重要手段。20世纪90年代研究人员提出了一种适用于管道检测的超声导波法[1]，该方法只需要在一个位置粘贴传感器就可以对整条管道进行检测(一次可检测20 m～50 m)，非常适用于检测遮盖、架空等检测人员不易直接接触的管道。超声导波检测技术自提出以来得到了广大科技人员的关注。如Peter等[2]利用A0特殊模式的应力波对管道缺陷进行了检测。随后，Moon等[3]也用A0模式Lamb波对长钢管中的缺陷进行了检测，A0模式Lamb波对管中表面缺陷最为敏感，能量损失最小，数值模拟与实验结果吻合较好。Lowe等[4]提出用L(0,2)模式导波进行缺陷检测，该模态在一定的频带内，非频散，且传播速度最快，适于长距离检测。何存富等[5]经过模拟实验得出结论，对于32.6 kHz的T(0,1)导波，纵向缺陷的反射系数呈单调增大，然后减小的趋势。焦敬品等[6]认为实验证明应用泄漏应力波信号检测气体和液体的泄漏是可行的，并具有较高的灵敏度。本文在前人研究的基础上，提出了一种基于超声导波的腐蚀缺陷识别方法。采用ANSYS对缺陷管道进行仿真研究，分别采用T(0,1)与L(0,2)模态的导波对纵向与环向管道缺陷进行检测，并将两种导波的检测结果进行对比，找到了能同时检测纵向缺陷与环向缺陷的方法。

1 超声导波检测理论

超声导波检测缺陷主要依靠缺陷端面回波，此处以一维纵波为例，说明缺陷端面波的反射原理。已知一维波动方程如下：

(1)

u=f(x-ct)

(2)

则根据几何方程与物理方程，可以得到在波的传播过程中，质点的位移、速度、应变、应力分别为：

(3)

其中，v为质点的振动速度，此处与波速c相区别。比较σ与v的表示式后可得：

(4)

即质点的运动速度与应力是正相关的，此外，当波在两个不同的介质间传播时，可以写出如下平衡条件与连续性条件。

(5)

其中，I,T,R分别为入射，透射与反射波，联立求解式(3)～式(5)可求得如下：

(6)

其中，A为波所在的介质，B为波即将到达的介质，如图1所示。在无损检测中，认为缺陷导致了材料的不连续，使波出现了透射与反射现象。此处，认为缺陷处的边界面为固体介质—真空界面，此时有ρBcB=0，将其代入式(6)中有：

(7)

已知结构受拉应力时，波的传播方向与质点的运动速度方向相同，受压应力时，波的传播方向与质点的运动速度方向相反[7]。由式(7)可得，入射波与反射波的应力必然一拉一压，质点的运动速度方向则相同，因此可得入射波与反射波的传播方向相反，即波在缺陷界面会发生反射。在已知反射波速cR的前提下，测得回波的时间，就可以对缺陷进行定位：

d=cRt

(8)

其中，d为缺陷距信号接收点的距离。

2 数值研究

管道模型总长为2.6 m，内径为76 mm，管壁厚度6 mm。材料参数：弹性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85 g/cm3。设距离管道左端0.87 m处存在一个腐蚀缺陷，我们将在ANSYS19.0中模拟管道中的超声导波，以检测其对纵向、横向、斜方向缺陷的检测能力。在数值仿真中，以左端为激励端，在距离左端0.8 m处设置缺陷，以距离左端0.18 m处作为记录信号位置，如图2所示。

选用Shell181单元对管道划分网格，单元环向和纵向长度均设置为6 mm。然后，在Section中设置两种单元厚度，一种为6 mm，一种为1 mm，将损伤位置处的单元厚度修改为1 mm，模拟管道因腐蚀导致壁厚减薄5 mm。为了比较缺陷方向对检测结果的影响，分别设置如图3a)～图3d)所示的四种缺陷：

1)纵向缺陷(见图3a)),缺陷与管道轴线方向成0°角；

2)斜缺陷1，与轴线成22°角(见图3b))；

3)斜缺陷2，与轴线成45°角(见图3c))；

4)横向缺陷(见图3d)),此时，缺陷与管道轴线方向成90°角。

根据文献[8]，L(0,2)模态导波频率在70 kHz处频散现象小且群速度最大，T(0,1)模态导波在20 kHz处群速度最大,不易受其他模态信号干扰,故分别选取70 kHz和20 kHz 为上述两种模态导波激励信号的中心频率。在管道左端选取一圈24个节点，施加沿管道方向的纵向脉冲波，加载时长为14 ms，脉冲函数为：

(9)

3 缺陷检测

按照以下方式设置缺陷，对于图3a)所示的纵向缺陷，在环向选择1个单元，然后在纵向选择20个单元，相当于6 mm×120 mm的矩形腐蚀坑。对于图3b)和图3c)的斜方向缺陷，通过沿环向方向变化时向纵向错动相应的单元数，设置斜方向缺陷。对于图3d)所示环向缺陷，具体参数如图4所示，这里设缺陷参数为：a=5 mm，l=48 mm,θ=0.001 6π。

选用瞬态动力学进行分析，图5所示为中心频率为70 kHz的L(0,2)超声导波入射到完好管道中的测试信号，从图5可以看出，此时只有激励信号和管端回波，在它们中间没有缺陷回波。通过测试激励信号与管端回波的时刻，可得纵波的波速约为5 094.74 m/s。

而图6a)～图6d)所示为中心频率为70 kHz的L(0,2)超声导波入射到四种含缺陷管道时的测试信号，从图中可以清晰的看出，在激励信号和管端回波之间还存在着缺陷回波，基于此，管道中的缺陷可以被识别出来。对于四种识别结果还可以发现，当缺陷倾斜角逐渐增大时(0°～90°之间)，缺陷回波的能量也逐渐增强，说明大倾斜角会产生大幅值的缺陷回波，利用L(0,2)模态导波检测管道缺陷时，这说明L(0,2)对于环向缺陷更为敏感。

4 结语

本文运用ANSYS软件对管道腐蚀缺陷的超声导波检测进行了数值研究，采用修改单元厚度的方法模拟了腐蚀缺陷，比较分析了缺陷方向对L(0,2)模态导波的影响规律。分析结果表明，L(0,2)导波可以检测任意方向的缺陷，但在检测灵敏度上有所不同，当缺陷平行于管道轴线时，缺陷回波能量最低，当缺陷与轴线的夹角逐渐增大，并最终垂直于轴线时，缺陷回波能量最大，说明L(0,2)模态更适用于检测环向缺陷。