趙 亮 張 金 董子華 王 鑫 王學(xué)彬

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院 合肥 230031)

0 引言

厚壁管道指管道外徑和壁厚之比小于20 的管道，常被用于武器裝備、化工液體運輸和高壓氣體輸送等，在加工和服役的過程中，受各種復(fù)雜的交變應(yīng)力、循環(huán)應(yīng)力的影響，內(nèi)表面會不可避免地產(chǎn)生各種裂紋。如果不能及時有效地對裂紋進行檢測，裂紋會逐漸擴展加深、增長形成網(wǎng)狀裂紋，進而影響整個武器裝備或化工流程的穩(wěn)定性和安全性，甚至可能導(dǎo)致災(zāi)難性的突發(fā)后果，造成巨大的經(jīng)濟損失[1?2]。

SH 波是超聲波剪切波的一種形式，質(zhì)點振動方向與試樣表層平行，并與傳播方向垂直，因此SH波不易轉(zhuǎn)換成SV 波或縱向模態(tài)導(dǎo)波[3]，在遇到界面不連續(xù)或邊界處損失能量較少，信號分析較為容易，更適合用于缺陷檢測。SH 波難以用傳統(tǒng)的壓電超聲方式進行激勵，目前主要是通過周期性永磁體陣列(Permanent periodic magnet,PPM)的電磁超聲換能器(Electromagnetic acoustic transducer EMAT)進行激勵[4]。通過改變EMAT 探頭激勵頻率可將SH 導(dǎo)波變?yōu)榫哂幸欢ǚ较蛐缘男比肷銼H波[5?7]。相比SV 波和縱向模態(tài)導(dǎo)波，斜入射SH 波具有較強的穿透性，常被用于焊縫檢測[8?9]、管道檢測[4?5]、缺陷板檢測[10?11]、試樣測厚[12]等。

由于斜入射SH 波的檢測效果與激勵方式密切相關(guān)，因此近些年大部分學(xué)者主要對斜入射SH 波的激勵方式進行了深入研究。2016年，Isla等[13?14]改進了斜入射SH 波電磁超聲探頭的激勵編碼算法，使其在低功率下也有較好的損傷分辨率。2017年，Isla 等[15]采用編碼激勵斜入射SH 波8 端電磁超聲相控陣探頭，并減少了不同跑道線圈之間的渦流干擾，對鋁板底部的預(yù)制裂紋進行了有效檢測。

然而，大部分學(xué)者利用斜入射SH 波檢測管道或板的缺陷往往是焊縫或較大尺寸的裂紋，對管道內(nèi)壁較小尺寸的裂紋檢測及裂紋徑向深度與回波信號的作用規(guī)律并沒有相關(guān)研究。本文在分析斜入射SH 波激勵原理的基礎(chǔ)上，在COMSOL Multiphysics仿真軟件中對厚壁管道進行參數(shù)化建模，探究斜入射SH 波與裂紋徑向深度的作用規(guī)律，并通過實驗驗證斜入射SH 波厚壁管道內(nèi)壁裂紋檢測方法的可行性和科學(xué)性。

1 EMAT探頭換能機理

EMAT 換能器由提供偏置磁場的永磁鐵和跑道線圈組成，其中永磁鐵的極性呈周期性交替排列。在跑道線圈中通入高頻電流，將會在被測試樣表面感生出頻率相同、方向相反的電感應(yīng)渦流，在偏置磁場的作用下會在試樣表面產(chǎn)生洛倫茲力，試樣產(chǎn)生周期性的振動，這種振動在試樣內(nèi)以波的形式傳播，便實現(xiàn)了EMAT 斜入射SH 波的激勵過程，如圖1所示。

圖1 洛倫茲力斜入射SH 波工作機理Fig.1 Lorentz force inclined beams of SH waves working mechanism

在試樣表面，感應(yīng)電渦流Jx在永磁場Bz作用下所引起的洛倫茲力為

當(dāng)兩個相同極性產(chǎn)生的聲波互相干涉且滿足一定條件時會形成斜入射SH波，波長等于2 倍相鄰永磁體中心間距d，且激勵形成的斜入射SH波會沿著某一方向傳播，入射角度與法線夾角θ與相鄰永磁體中心間距d和激勵頻率f有關(guān)，滿足[13]

式(2)中，v為超聲波在試樣中傳播波速。如果相鄰永磁體中心間距d固定，則入射角只與激勵頻率f有關(guān)。

2 斜入射SH波檢測厚壁管道內(nèi)壁裂紋

2.1 斜入射SH波激勵頻率優(yōu)選

斜入射SH波的檢測效果與激勵頻率密切相關(guān)，因此需要對斜入射SH 波的聲場特性進行分析，選擇合適的激勵頻率。在COMSOL Multiphysics 軟件中建立半徑100 mm、高10 mm 的半圓柱體固體力學(xué)頻域模型，為了模擬斜入射SH 波在厚壁管道中的傳播，在其圓心建立長40 mm 的弧面區(qū)域，曲率與外徑205 mm 厚壁管道相同，在弧面上與永磁體尺寸相同區(qū)域交替加載大小相同、方向相反的載荷，一方面可以模擬EMAT 探頭在激勵斜入射SH波時產(chǎn)生的交替作用的洛倫茲力，另一方面可以降低仿真模型的運算量。永磁體寬度為3 mm，長度為8 mm，相鄰永磁體中心間距d取3.2 mm，仿真模型力學(xué)參數(shù)如表1所示，仿真模型如圖2所示。

表1 模型相關(guān)參數(shù)Table 1 Model related parameters

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

在斜入射SH 波激勵有限元模型中，試樣中形成的斜入射SH 波幅值受計算時間步長和網(wǎng)格尺寸的影響，當(dāng)計算時間步長不大于1/(100×f)、最大網(wǎng)格大小不大于λ/10 時，有限元結(jié)果收斂，仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠[16]。因此計算時間步長取0.1 μs，最大網(wǎng)格取0.6 mm，得到聲壓分布如圖3所示。

對較大半圓弧面進行積分得到徑向位移極值如圖4 所示。由圖4 可知，隨著激勵頻率增加，斜入射SH 波主瓣束向性變好，徑向位移極值增加，并在頻率為1 MHz 時達到極值。但隨著頻率繼續(xù)增加，主瓣徑向位移逐漸減小，旁瓣能量隨之增加，對主瓣能量進行干擾，影響檢測效果。因此，斜入射SH波的檢測頻率取1 MHz 較為合適，此時主瓣能量最高，束向性較好，旁瓣能量適中，適宜對厚壁管道進行檢測。

圖3 激勵頻率為1 MHz 時聲壓分布Fig.3 Sound pressure distribution at excitation frequency of 1 MHz

圖4 不同頻率徑向位移極值Fig.4 In-plane displacement extremes at different frequencies

2.2 斜入射SH波檢測厚壁管道內(nèi)壁裂紋

在COMSOL Multiphysics 軟件中建立內(nèi)徑155 mm、外徑205 mm 的厚壁管道固體力學(xué)時域模型，管道力學(xué)參數(shù)與表1 相同，在管道內(nèi)壁預(yù)制長8 mm、周向?qū)? mm 的軸向裂紋，徑向深度由0.01 mm增加到3 mm，網(wǎng)格劃分和計算時間步長與聲場模型相同，如圖5所示，聲場快照如圖6所示。

圖5 厚壁管道建模Fig.5 Thick-walled pipe modeling

圖6 裂紋徑向深度為3 mm 時聲場快照Fig.6 Sound field snapshot when the radial depth of the crack is 3 mm

在管道內(nèi)壁預(yù)制10 組軸向長度為8 mm、周向?qū)挾葹?.01 mm 的軸向裂紋，徑向深度由0.01 mm增加到3 mm。在EMAT激勵端提取徑向位移得到裂紋徑向深度與徑向位移的變化規(guī)律如圖7 所示。從圖7 中可以看出，隨著裂紋徑向深度增加，徑向位移呈現(xiàn)曲折型上升。

圖7 裂紋徑向深度最大回波幅值Fig.7 Crack radial depth maximum amplitude

一般情況下認為隨著裂紋徑向深度增加，反射面積增加，缺陷回波幅值應(yīng)增加。然而，由于裂紋尖端衍射波與缺陷反射回波相互疊加導(dǎo)致超聲波幅值出現(xiàn)“多峰”現(xiàn)象。當(dāng)裂紋徑向深度為1 mm、2 mm、3 mm，分別取到達裂紋徑向頂端和裂紋徑向底端的超聲波幅值進行對比，仿真云圖如圖8 所示，在裂紋上下端面提取回波信號如圖9所示。

由圖9可知，隨著裂紋徑向長度增加，裂紋底端反射波幅值增加，相位不變，而裂紋頂端衍射波幅值先增加后降低，且相位發(fā)生變化，裂紋上下端面的波峰時間差逐漸增加。這是由于斜入射SH 波在檢測裂紋時，首先遇到裂紋頂端，產(chǎn)生裂紋頂端衍射波后，再遇到裂紋底端，產(chǎn)生裂紋底端反射波，而激勵端接收到的裂紋回波信號是由裂紋頂端衍射波和裂紋底端反射波疊加形成的，因此當(dāng)裂紋徑向深度增加時，裂紋底端反射波由于反射面增大，回波信號增強，傳播距離和相位不變；裂紋頂端衍射波由于傳播距離減小且入射到裂紋頂端的能量逐漸減小，頂端衍射波能量與相位不停改變，使回波幅值隨著徑向深度增加而起伏變化。

圖8 裂紋回波仿真云圖Fig.8 Crack simulation cloud chart

圖9 裂紋不同位置回波信號Fig.9 Waves of different crack positions

3 實驗驗證

3.1 實驗方案

實驗采用相同EMAT 探頭激勵/接收斜入射SH 波，在缺陷一側(cè)放置激勵端探頭，在同一側(cè)放置接收端探頭，探頭沿圓弧外表面中心間距為83 mm，EMAT 采用12 對雙排周期性永磁體，尺寸為20 mm×3 mm×2 mm，相鄰永磁體中心間距為3.2 mm，跑道線圈有效換能區(qū)域為40 mm×40 mm，探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10(a)所示。被測試樣為內(nèi)徑155 mm、外徑205 mm、長1 m 的45#鋼厚壁鋼管，在管道內(nèi)壁預(yù)制3 組長方形刻槽軸向裂紋，尺寸分別為8 mm×1 mm×1 mm、8 mm×1 mm×2 mm、8 mm×1 mm×4 mm。

實驗采用Agilent 33220A 信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵1.0 MHz 的正弦脈沖串，經(jīng)功率放大器放大，通過阻抗匹配將激勵電壓加載到EMAT探頭上，再由接收端EMAT探頭接收到感生電壓，經(jīng)過濾波處理后，由數(shù)據(jù)采集卡完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集顯示處理終端，從而完成數(shù)據(jù)采集、波形顯示和數(shù)據(jù)存儲，實驗裝置如圖10(b)所示，實驗原理如圖10(c)所示。

3.2 實驗結(jié)果分析

實驗得到回波信號如圖11 所示，缺陷波經(jīng)過3次反射被接收端探頭接收到，通過幾何關(guān)系計算得到缺陷波包理論出現(xiàn)時間為58.84 μs 處，因此第3個波包為缺陷波包。提取不同深度裂紋的缺陷波包的幅值如圖12所示。

隨著裂紋徑向深度增加，回波幅值也隨之增加，如圖12中紅線所示。隨著裂紋徑向深度增加，裂紋反射面增加，相同激勵頻率下，回波幅值逐漸增加，但由于斜入射SH 波到達缺陷上下端面會存在時間差，所以當(dāng)裂紋長度達到某一值時，裂紋上下端面反射回波相位相消，因此回波幅值出現(xiàn)曲折型上升，與仿真模型中曲線變化一致，驗證了斜入射SH 波檢測厚壁管道內(nèi)壁微裂紋方法的可行性。

圖10 斜入射SH 波檢測實驗Fig.10 Inclined beams of SH waves detection experiment

圖11 實驗回波信號Fig.11 Experimental waves

圖12 不同深度裂紋的缺陷波包的幅值Fig.12 Amplitude of wave with different depth of crack

4 結(jié)論

本文以厚壁管道為研究對象，建立了斜入射SH波檢測有限元模型，在管道中激勵出斜入射SH 波，并對管道內(nèi)壁不同徑向深度的軸向裂紋進行檢測，并通過實驗驗證了仿真結(jié)果的正確性，得到主要結(jié)論如下：

(1) 通過掃頻實驗對斜入射SH 波的激勵頻率進行了頻率優(yōu)選，當(dāng)入射頻率為1 MHz 時，此時激勵信號束向性最好，旁瓣寬度和旁瓣能量也符合要求，適宜檢測微裂紋。

(2) 用斜入射SH 波分別對厚壁管道不同深度的軸向裂紋進行檢測，研究發(fā)現(xiàn)，由于裂紋尖端衍射波和裂紋反射回波相位不同，相互疊加導(dǎo)致超聲波幅值出現(xiàn)“多峰”現(xiàn)象，當(dāng)裂紋徑向深度增加時，斜入射SH波回波幅值呈現(xiàn)曲折型增加。

(3) 本文根據(jù)SH 波檢測原理，設(shè)計并搭建斜入射SH 波和表面SH 波實驗檢測環(huán)境，開展了厚壁管道內(nèi)壁軸向裂紋檢測實驗研究。實驗結(jié)果表明，斜入射SH 波的檢測方法可以用于厚壁管道內(nèi)壁軸向裂紋，并且最小可檢測出8 mm×1 mm×1 mm的軸向裂紋，實驗結(jié)論與仿真結(jié)論一致，驗證了斜入射SH 波檢測厚壁管道內(nèi)壁微裂紋方法的可行性與科學(xué)性。