王向宇，張偉偉，張 雷，鐘江城

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引 言

管道在服役過(guò)程中不可避免的會(huì)受到設(shè)計(jì)載荷、環(huán)境腐蝕或人為破壞等影響，從而導(dǎo)致管道破裂發(fā)生泄漏事故。2012年4月23日，新疆巴音郭楞蒙古自治州發(fā)生一起因?yàn)槭┕ぴ斐傻奶烊粴夤艿佬孤┦鹿?，事故造成附?萬(wàn)多戶居民和餐飲商戶停止供氣[1]，給生產(chǎn)和居民的生活帶來(lái)諸多不便。數(shù)百公里的管道，特別是核電站(NPP)的彎頭和焊接接頭，易受老化和其他類型的損壞[2]。隨著焊接結(jié)構(gòu)不斷向高參數(shù)、大型化、重型化發(fā)展，對(duì)焊接質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。在許多重要的焊接結(jié)構(gòu)中，如鍋爐、船舶、橋梁和高層建筑等，缺陷的存在都將影響焊縫處的質(zhì)量，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件的安全使用造成威脅。因此，管道焊縫缺陷檢測(cè)對(duì)于管道的安全服役具有重要意義。

近些年，其他國(guó)家開(kāi)發(fā)了相應(yīng)超聲類檢測(cè)產(chǎn)品，比如：德國(guó)管道檢測(cè)公司開(kāi)發(fā)了專用于檢測(cè)輸油管道的超聲裂縫檢測(cè)器[3]；為解決超聲波耦合問(wèn)題，英國(guó)國(guó)家天然氣公司提出了輪胎式換能器的設(shè)計(jì)思路[4]；美國(guó)一家公司研制出了相控陣超聲波檢測(cè)器[5]。但大多數(shù)超聲檢測(cè)技術(shù)均需要直接與焊縫接觸，通過(guò)掃描焊縫區(qū)域來(lái)檢測(cè)焊縫缺陷，對(duì)于穿墻的焊接管道或者人員不易接近的焊縫檢測(cè)，傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)方法就必須先移除覆蓋物或進(jìn)行其它工序以滿足測(cè)試要求，給測(cè)試造成成本高，且不能在線檢測(cè)等問(wèn)題[6]。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)是近幾年非常流行的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它是在結(jié)構(gòu)的一端激勵(lì)超聲導(dǎo)波，通過(guò)應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中的傳播特性判別結(jié)構(gòu)中的缺陷特點(diǎn)[7]。超聲波檢測(cè)適用于壁厚為5～50 mm，材質(zhì)為低碳鋼、低合金鋼等金屬材料的石油天然氣長(zhǎng)輸、集輸及其站場(chǎng)管道環(huán)向?qū)咏宇^的超聲波檢測(cè)與質(zhì)量分級(jí)[8]。

最近幾年也有很多學(xué)者致力于超聲導(dǎo)波在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中的研究。他得安等分析了導(dǎo)波在管中的傳播特性以及管材內(nèi)徑與壁厚之比變化時(shí)，對(duì)導(dǎo)波頻散特性的影響[9]；王悅民等利用研制的磁致伸縮超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)裝置對(duì)長(zhǎng)直無(wú)縫鋼管、艦用鍋爐U型管和彎管進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[10]；劉勝等將磁致伸縮超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道的檢測(cè)中，可以提高檢測(cè)效率和檢測(cè)靈敏度[11]；張偉偉等提出一種基于相關(guān)性分析的管道缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法；M.J.S.Lowe介紹了導(dǎo)波傳播及其對(duì)缺陷的敏感性的研究，建立了缺陷尺寸與波反射強(qiáng)度之間的關(guān)系[12]；H.Yun研究了基于雙金屬?gòu)?fù)合管中導(dǎo)波傳播的損傷檢測(cè)，可以識(shí)別軸向和圓周方向的損傷位置[13]；Z.Fan介紹了導(dǎo)波和焊縫缺陷之間的相互作用，討論了2種導(dǎo)波對(duì)不同缺陷的敏感性，并得出了檢測(cè)這些缺陷的適當(dāng)導(dǎo)波頻率[14]；G.Luo引入無(wú)缺陷彎曲管和缺陷彎管的FE(有限元)模型，分析了超聲導(dǎo)波的能量分布，模態(tài)轉(zhuǎn)換和缺陷檢測(cè)[15]；許延春應(yīng)用超聲波檢測(cè)技術(shù)測(cè)定巖體在不同裂隙寬度下的聲波傳播速度，進(jìn)而推算巖體動(dòng)彈性模量，并對(duì)比分析注漿前后裂隙巖體的損傷變量與動(dòng)彈性模量的變化程度及規(guī)律[16]；W.Zhang提出了一種基于分析非線性振蕩器與記錄的縱向超聲導(dǎo)波信號(hào)作為附加輸入的響應(yīng)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)回波來(lái)檢測(cè)小結(jié)構(gòu)損傷。經(jīng)過(guò)研究人員的不懈努力，關(guān)于導(dǎo)波的基本理論、數(shù)值計(jì)算與模擬和實(shí)驗(yàn)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[17]。從以往的研究中可以看出，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用非常有效，但這些研究都只是定性地檢測(cè)缺陷程度和缺陷的位置，并沒(méi)有得到缺陷的具體尺寸。

文中將利用數(shù)值模擬提出一種基于縱向超聲導(dǎo)波檢測(cè)焊縫缺陷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，首先利用ANSYS軟件進(jìn)行焊接管道焊縫缺陷的不同工況模擬，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線圖；通過(guò)觀察導(dǎo)波在焊縫缺陷前后的傳播特征，以入射波與透射波峰值點(diǎn)之比作為損傷指標(biāo)，檢驗(yàn)損傷指標(biāo)識(shí)別焊縫缺陷的位置與大小的能力。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

管道的幾何模型以及焊縫處的截面[18]，如圖1所示，管道長(zhǎng)2.6 m，外徑76 mm，管壁厚5.5 mm.管道左端固定，右端自由。文中的模擬環(huán)境較簡(jiǎn)單，不考慮噪聲等復(fù)雜的外部環(huán)境，只考慮超聲導(dǎo)波在管壁的傳播。

圖1 管道缺陷模型以及測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Damaged pipe model and probe position

其力學(xué)模型的單元選用Shell 63單元；在進(jìn)行有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格時(shí)，管道軸向單元的單位長(zhǎng)度為8 mm，環(huán)向均布24個(gè)單元；距離管道左端1.8 m處，通過(guò)改變單元的材料參數(shù)來(lái)模擬焊接(材料參數(shù)見(jiàn)表1)；將測(cè)點(diǎn)均勻設(shè)在距離焊縫8 mm的左右兩側(cè)，24個(gè)測(cè)點(diǎn)從x軸開(kāi)始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)排列。

表1 幾何模型的基本參數(shù)Table 1 Material parameters of the bi-metal composite pipe

1.2 模擬結(jié)果

在缺陷程度為3.5 mm，60°(圖2)的焊接管道最左端，沿著軸向施加如圖3所示的位移激勵(lì)。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，焊縫后測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線圖的第一個(gè)波包相對(duì)于焊縫前都有所衰減，而缺陷后對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的衰減更加明顯，換言之，缺陷的存在對(duì)焊接管道中超聲導(dǎo)波的傳播產(chǎn)生了影響，這就是文中研究的突破口，若要進(jìn)行損傷識(shí)別，首先要確定焊縫后測(cè)點(diǎn)所接收到的波包的由來(lái)。

圖2 缺陷程度示意Fig.2 Defect degree

圖3 激勵(lì)信號(hào)Fig.3 Pumping signal

圖4 焊縫缺陷前后測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線對(duì)比Fig.4 Guided wave signal by the probes before and after defects(后測(cè)點(diǎn)的第一個(gè)波包是由前測(cè)點(diǎn)的第一個(gè)波包通過(guò)焊縫透射得到，詳見(jiàn)2.1)

2 損傷識(shí)別

2.1 損傷指標(biāo)

對(duì)無(wú)缺陷的焊接管道進(jìn)行模擬，同樣加載，取管道最右側(cè)端點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)，得到其位移時(shí)程曲線圖，如圖5所示。從圖5可見(jiàn)，在t時(shí)刻，測(cè)點(diǎn)開(kāi)始接收到波，由此可以計(jì)算得到導(dǎo)波在管道中傳播的速度5 169 m/s.此波速值可用于接下來(lái)的計(jì)算。

首先，對(duì)焊縫前測(cè)點(diǎn)的波包進(jìn)行核實(shí)，以S1測(cè)點(diǎn)為例(圖6)，在t時(shí)刻，測(cè)點(diǎn)接收到導(dǎo)波信號(hào)，可以計(jì)算出測(cè)點(diǎn)距離初始激勵(lì)位置(管道最左端)的距離為1.794 m，這與焊縫前測(cè)點(diǎn)距離左端的實(shí)際距離1.792 m基本一致。

圖6 S1測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線Fig.6 Guided wave signal by the probe S1

綜上分析，焊縫后測(cè)點(diǎn)的第一個(gè)波包是由焊縫前測(cè)點(diǎn)的第一個(gè)波包通過(guò)焊縫透射得到，兩者相對(duì)應(yīng)，這為接下來(lái)的分析奠定了基礎(chǔ)。

文中1.2已提出，缺陷的存在會(huì)對(duì)超聲導(dǎo)波的傳播產(chǎn)生較大影響，但是無(wú)法通過(guò)觀察位移時(shí)程曲線圖準(zhǔn)確定位缺陷，更不能準(zhǔn)確判斷缺陷的程度。因此需要定義一個(gè)損傷指標(biāo)使這種前后波形的變化更加具體。其定義如下。

圖7 測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線Fig.7 Guided wave signal by the probe

將缺陷前測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線圖中第一個(gè)波包的峰值記為a；缺陷后測(cè)點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖對(duì)應(yīng)波包的峰值記為b，將a/b定義為損傷指標(biāo)。即

Dindex=a/b

(1)

2.2 算例分析

研究對(duì)象雖是含有缺陷的焊接管道，但仍有必要先對(duì)無(wú)缺陷的焊接管道進(jìn)行初步研究，觀察焊縫對(duì)超聲導(dǎo)波傳播的具體影響。通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到損傷指標(biāo)分布，如圖8所示。

圖8 無(wú)缺陷焊接管道損傷指標(biāo)分布Fig.8 Distribution of damage index of defect-free welded pipe

對(duì)于理想的焊縫，在管道一周，損傷指標(biāo)均為2.2.以下考慮含缺陷焊縫，通過(guò)改變單元實(shí)常數(shù)來(lái)模擬不同的缺陷角度和厚度，得到以下12種不同工況。工況1～6，重點(diǎn)考察缺陷徑向參數(shù)對(duì)損傷指標(biāo)的影響，工況7～11重點(diǎn)考察缺陷環(huán)向參數(shù)對(duì)損傷指標(biāo)的影響。

首先，分別對(duì)相同角度(30°)不同厚度缺陷的6種工況進(jìn)行模擬，將無(wú)缺陷的焊接管道作為基準(zhǔn)，得到一系列的損傷指標(biāo)環(huán)向分布圖(圖9)。

圖9 同種角度不同厚度工況的透射率倒數(shù)Fig.9 Reciprocal of transmission about different thickness of the same angle

工況缺陷環(huán)向角度/(°)缺陷徑向厚度/mm1300.52301.53302.54303.55304.56304.87603.58903.591203.5101503.5111803.5

從圖9可以看出，隨著實(shí)際模擬缺陷厚度的增加，尖點(diǎn)到基準(zhǔn)圖的最短距離也在變大。因此，可通過(guò)分析二者之間的關(guān)系來(lái)得出檢測(cè)缺陷厚度的方法。

如圖10所示，將實(shí)際厚度定義為x，缺陷圖中最高尖點(diǎn)到基準(zhǔn)圖的最短距離定義為測(cè)量厚度y，通過(guò)曲線擬合，可以得到y(tǒng)與x的關(guān)系。

圖10 測(cè)量厚度與實(shí)際厚度之間的關(guān)系Fig.10 Relation between measured thickness and actual thickness

測(cè)量厚度y和實(shí)際厚度x之間的關(guān)系可以擬合為直線d2=0.95*x-0.45(圖10)，因此，根據(jù)兩者的擬合關(guān)系，由數(shù)據(jù)處理得到的缺陷的測(cè)量厚度，即可得到缺陷的實(shí)際厚度，從而達(dá)到檢測(cè)缺陷厚度的目的。

接下來(lái)對(duì)同厚度(3.5 mm)不同角度缺陷的6種工況進(jìn)行模擬，將無(wú)缺陷的焊接管道作為基準(zhǔn)，損傷指標(biāo)分布情況，如圖11所示。

圖11 同厚度不同角度工況的透射率倒數(shù)Fig.11 Reciprocal of transmission about different tangle of the same thickness

從圖11可以看出，隨著實(shí)際缺陷角度的增大，缺陷圖相對(duì)于基準(zhǔn)圖的張角也在增大，而且無(wú)論角度如何變化，圖像總是關(guān)于實(shí)際缺陷角度的角平分線對(duì)稱。如圖中標(biāo)注所示，將實(shí)際角度定義為x，缺陷圖與無(wú)缺陷圖的交點(diǎn)(張角處)分別與原點(diǎn)連線，將其夾角定義為測(cè)量角度y，將二者進(jìn)行擬合(圖12)。

圖12 測(cè)量角度與實(shí)際角度之間的關(guān)系Fig.12 Relation between measured angle and actual angle

這樣不僅可以定位缺陷，還可以根據(jù)擬合的直線方程y=0.92*x+34.67，由測(cè)量的缺陷角度來(lái)確定實(shí)際的缺陷角度，從而達(dá)到檢測(cè)缺陷角度的目的。

3 結(jié) 論

1)隨著實(shí)際缺陷的角度和厚度的變化，損傷指標(biāo)也發(fā)生了明顯變化，說(shuō)明該方法可以對(duì)焊接管道的缺陷進(jìn)行識(shí)別；

2)缺陷的測(cè)量厚度和實(shí)際厚度、測(cè)量角度和實(shí)際角度之間都存在較好的線性關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系，不僅可以定位損傷，而且可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)缺陷的徑向和環(huán)向尺寸，對(duì)實(shí)際工程中的檢測(cè)工作有很好的參考作用。