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基于磁致伸缩效应的超声导波管道检测实验研究
发布时间：2017-09-01
1 引言
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。管道的安全使用不仅影响到经济运行安全，还会影响到千家万户以及社会的稳定。传统的检测技术只能对管道进行抽样检测，容易造成漏检，难以适应长距离管道检测要求;超声导波检测技术具有检测距离远、检测速度快的特点，使得超声导波技术在长距离管道检测中得到越来越广泛地应用。
目前国际上先进的超声导波检测设备主要有英国PI 公司的TELETEST 和英国Guided Wave 公司的Wavemaker G3 系统以及美国西南研究院的MsSR3030 系统，前两者基于压电效应激励和接收超声导波，而MsSR3030 系统是基于磁致伸缩效应(Magnetostrictive Effect) 来激励和接收超声导波。磁致伸缩超声导波技术具有以下优势：可进行长距离管道检测，单方向可检测150m;检测精度高，最高灵敏度为管道横截面积损失量的2%~3%;磁致伸缩传感器(magnetostrictive sensor, MsS)不受管道直径的限制;可以采取机械干耦合和施加耦合胶的方式，前者安装简单，后者探测灵敏度高且可以长期保留磁致伸缩传感器，便于在线监测和对允许存在的缺陷进行跟踪对比。磁致伸缩超声导波技术除用于铁磁性材料检测外还可用于非铁磁性和非金属材料的检测。这些优势使得基于磁致伸缩效应的超声导波管道检测技术具有极大的应用潜力。
本文基于利用MsSR3030 系统，通过实验研究了基于磁致伸缩效应的超声导波可检测的管道距离及弯管检测能力。
2 基于磁致伸缩的超声导波技术
超声导波是由超声波在介质中不连续交界面间产生多次来回反射，进而产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。管道中超声导波可沿周向传播, 称其为周向导波, 也可沿轴向传播, 分别称为纵向模态L(0,m)、弯曲模态F(n,m)和扭转模态T(0,n)。与纵向模态相比，扭转模态径向位移和轴向位移均为0，而切向位移不为0，这为扭转模态用于管道周向和轴向缺陷检测等不同类型缺陷检测提供了理论依据，扭转模态中T(0,1)模态超声导波在无包覆层单层管道中几乎无频散，用于管道检测时与管道尺寸无关且不受管道外包覆层和管内介质流动的影响，最适合用于实际管道检测。磁致伸缩效应是指铁磁性材料受磁场作用时，它的尺寸大小、形状会发生变化的效应;磁致伸缩逆效应是指当铁磁物体在原有恒定磁场作用下，同时受外力作用发生形变瞬间会引起内部磁场发生变化的效应。
H.Kwun 等利用磁致伸缩传感器激励超声导波并应用于长距离管道检测。在此利用基于磁致伸缩效应的超声导波管道检测系统MsSR3030 激励低频T(0,1)模态超声导波应用于实验室管道试样和现场实际管道检测。
3 基于磁致伸缩效应的超声导波管道检测系统MsSR3030
MsSR3030 系统由MsSR3030 仪器(主机)，磁致伸缩传感器和数据采集软件构成。系统实际连接如图1(a)所示。磁致伸缩传感器由薄铁磁性铁钴合金带、排线线圈和线圈适配器组成。实验过程中采用机械干耦合的方式，磁化器用于磁化铁钴合金带，配合传感器安装，还配有充气气垫和包覆带。实物如图1(b)所示。
脉冲电流通过传感器的线圈在铁磁性材料管道表面产生交变磁场，由磁致伸缩效应在管道中产生超声导波。MsSR3030 系统可以通过调节直流偏磁场和传感器线圈之间的相对方向，分别激励出纵向模态(L 模态)和扭转模态(T 模态)导波。超声导波沿管道传播，当遇到缺陷或管道典型结构如焊缝、支架、弯头等，将产生反射导波;当反射导波被传感器线圈接收到时，在磁致伸缩逆效应的作用下，引起接收线圈电压的变化，该电压经系统处理后得到上述结构的回波信号。
4 实验研究
为了研究基于磁致伸缩效应的超声导波管道检测技术可检测的管道距离及弯管检测能力，利用MsSR3030 系统激励低频T(0,1)模态超声导波对一根碳钢管道试样及两段在役带包覆层20 号钢蒸汽管道进行实验，实验过程中探头与管道之间采用机械干耦合方式，选择使用64kHz 和128kHz 两种线圈适配器，采用发收信号激励接收方式。MsSR3030 系统可以对激励的超声导波方向进行控制，通常选择激励正向超声导波使超声导波传播方向与管道检测方向一致。但由于加工因素实际铁钴合金带的宽度不能精确地与激励的超声导波波长相匹配，另外传感器安装过程中排线线圈位置与铁钴合金位置上容易发生错动，在实际操作中选择单向激励超声导波时，仍然会有部分能量向反方向传播。
4.1 实验室管道试样检测结果与分析
采用图1 所示的实验装置，实验室管道试样为无包覆层、无缺陷的碳钢管，外径108mm，壁厚4mm，长度9.6mm。将磁致伸缩传感器安装在碳钢管端，在数据采集软件中设置激励信号周期数为6，增益为0，采样率1000kS/s，采样点数61000，激励频率分别为64kHz 和128kHz。分别获得如图2 所示信号波形。
从图2(a)、图2(b)中分析得出，64kHz 传感器接收的各次端面回波幅值比128kHz 传感器接收的各次端面回波幅值高，说明在使用128kHz 传感器的激励超声导波的衰减率比64kHz 大，在实际检测过程中，检测长距离管道应该选择使用64kHz 传感器;检测短距离内的小缺陷，由于128kHz 传感器激励的超声导波波长是64kHz 传感器激励的超声导波波长的1/2，其检测精度更高，应该选择使用128kHz 传感器。
根据可分辨的端面回波的次数可以确定超声导波在管道试样中的传播距离，每次端面回波对应超声导波在管道试样中传播2 倍管道长度的距离。图2(a)可分辨的端面回波次数为8，图2(b)可分辨的端面回波次数为6，说明在使用64kHz 和128kHz 传感器时，激励的超声导波在管道中分别传播9.6×8×2=153.6m 和9.6×6×2=115.2m 后，信号仍然具有高的信噪比，也说明基于磁致伸缩效应的超声导波技术适用于长距离管道检测。
5 现场管道检测
选取北京某石化厂的两段在役蒸汽管道进行现场管道检测实验，管道带外包覆层，材质为20 号钢，对蒸汽管道(1)、(2)的检测实验主要用来分析基于磁致伸缩效应的超声导波管道检测技术对弯管中焊缝、支架、弯头等典型结构的检测能力。
5.1 蒸汽管道(1)检测结果与分析
蒸气管道(1)见图3，检测结果与分析见图4，表1。
实验过程中采用64kHz 传感器，设置增益为20，激励超声导波沿图3 所标正向传播。由于传感器安装过程中人为因素影响在选择单向激励超声导波时有部分能量往反向传播。从图4 中可以分析得出，在时间位置4.0ms 之后的波形难以分辨，在碳钢管中T(0,1)模态传播速度按3240.00m/s 计算，其实际传播距离对应管道长度为12.96m，说明在此次现场条件下，干耦合方式下单向激励超声导波可检测的管道长度大约为13m。
从表1 的数据对比可以分析得出，图4 中管道检测信号回波1、回波2、回波3、回波5 在传播距离上分别与实际管道中焊缝2、焊缝3、焊缝4、支架位置接近，位置误差不超过11cm。
图4 中管道检测信号回波4 幅值较大，其时间位置为2.2826ms，计算得出回波4 对应管道位置为2.2826×3240/2=3.698m，该处管道外有包覆层，推测在该处可能存在缺陷或焊缝等结构性反射体，经拆除保温层验证，在距传感器另一侧3.65m 处，存在焊缝。这种情况说明在管道带外包覆层的条件下，使用T(0,1)模态超声导波可以很好地进行管道检测。
5.2 蒸汽管道(2)检测结果与分析
蒸气管道(2)见图5，检测结果与分析见图6、表2。
实验过程中采用64kHz 传感器，设置增益为20。从表2 的数据对比可以分析得出，图6 中管道检测信号回波4、回波5、回波6 在传播距离上分别与实际管道中支架、焊缝2、包覆层起始位置接近，位置误差不超过150mm，进一步说明基于磁致伸缩效应的超声导波管道检测技术能够用于实际管道检测，并且对管道典型结构如焊缝、支架等的定位精度能满足实际检验的需要。
图6 中回波1 的时间位置为0.9622ms，以传感器安装位置为原点，其实际传播距离对应管道长度为0.961×3240/2=1.559m，该位置在弯管区域。通过采用其他方法验证，未发现缺陷。经分析应为弯管加工工艺的原因，造成弯管外径部位管壁厚度减小而内径部位管壁厚度增大。采用超声波测厚仪多次测量，测得弯管1/2 弧长区域内外管壁厚分别为10.0mm 和8.0mm。弯管内外径管壁厚度差使得弯管处产生类似断面面积缺失的现象，因此出现回波信号，超声导波传播到弯头1/2 弧长处传播距离为1.617m，与回波1 传播距离的位置误差小于60mm。
说明基于磁致伸缩效应的超声导波管道检测技术可用于管道弯管处管壁厚度变化的检测。
图6 中回波2、回波3 的时间位置为1.8387ns和2.0165ns，实际传播距离对应管道长度为2.979m和3.267m，这两处位于图5 支架所在直管道上，经验证，存在腐蚀。
6 结束语
当磁致伸缩传感器安装于管道端部，在与管道表面采用机械干耦合的方式时，单向激励低频超声导波，对一根单层碳钢管道试样进行实验。结果表明，单向激励64kHz，T(0,1)模态超声导波用于管道检测时，从接收信号中可分辨出8 次端面回波，也就是超声导波在管道中传播153.6m 后端面反射回波仍可分辨，说明基于磁致伸缩效应的超声导波技术具有长距离管道检测能力。从64kHz 和128kHz两种传感器的检测效果对比来看，64kHz 传感器更适用于长距离管道检测，128kHz 传感器适用于近范围小缺陷检测。磁致伸缩传感器安装于带弯头的实际管道上，对两段在役带包覆层的20 号钢蒸汽管道进行实验研究，当单向激励64kHz，T(0,1)模态超声导波时，在此次现场条件下，能够检测到13m 管道长度内的焊缝、支架、弯头等管道典型结构，并且根据接收信号回波计算得出的典型结构位置与实际位置的误差能满足实际检测的需要。
实验结果为进一步研究基于磁致伸缩效应的超声导波管道缺陷检测能力奠定了一定的基础。
摘自：中国计量测控网
