劉書宏* 朱旭晨 丁 菊

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 前言

在管道檢驗(yàn)過(guò)程中，彎管作為整體管道的不連續(xù)部位，是檢驗(yàn)過(guò)程中的重點(diǎn)部位。壓力管道內(nèi)部介質(zhì)復(fù)雜，外部環(huán)境惡劣，常規(guī)檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)需要先進(jìn)行開挖、拆除隔離保溫層、登高等作業(yè)環(huán)節(jié)，檢測(cè)難度較大[1]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者通過(guò)研究超聲導(dǎo)播技術(shù)，降低了檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高了檢測(cè)效率[2-3]。目前，美國(guó)西南研究院研制的MsS 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管長(zhǎng)距離直管段的快速檢測(cè)[4]，但在檢測(cè)過(guò)程中仍受到管道幾何形狀的限制，因此超聲導(dǎo)波彎管的檢測(cè)技術(shù)研究具有極高的應(yīng)用價(jià)值和科研意義[5-6]。

1 激勵(lì)信號(hào)

本次模擬選用DN50 mm，曲率半徑為1.5D 的彎管。激勵(lì)信號(hào)為正弦信號(hào)，位于管端并經(jīng)過(guò)5 周期漢寧窗調(diào)制。

激勵(lì)信號(hào)的公式表達(dá)形式如式（1）所示：

式中：t——激勵(lì)時(shí)間；

fc——激勵(lì)頻率用；

n——信號(hào)周期。

2 縱向模態(tài)導(dǎo)波的激勵(lì)磁場(chǎng)布置

縱向磁場(chǎng)的分布對(duì)縱向?qū)Рǖ募?lì)至關(guān)重要，不同的磁場(chǎng)布置將直接影響導(dǎo)波檢測(cè)效果。本次實(shí)驗(yàn)不僅通過(guò)缺陷信號(hào)和端面回波信號(hào)來(lái)表征激勵(lì)的縱向?qū)Р◤?qiáng)度，同時(shí)得出了不同磁場(chǎng)布置下發(fā)現(xiàn)缺陷的能力，從而得到最優(yōu)的磁場(chǎng)布置形式。試驗(yàn)樣管材料為20#鋼，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)采用N35 釹鐵硼磁鐵，磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.17～1.20 T，規(guī)格尺寸為40 mm×20 mm×10 mm。磁場(chǎng)布置如圖2 所示。

圖1 試驗(yàn)樣管（單位：mm）

圖2 磁場(chǎng)布置示意圖

2.1 磁場(chǎng)均勻程度的影響

在激勵(lì)磁場(chǎng)布置時(shí)，磁軛數(shù)量越多，縱向磁場(chǎng)分布越均勻，磁場(chǎng)強(qiáng)度也越大。但其數(shù)量并非越多越好，磁軛數(shù)量越多成本越高，布置難度也越大。兩磁軛間的夾角分別為60°～180°，每間隔30°采集1 次數(shù)據(jù)。通過(guò)測(cè)量缺陷一次回波和二次回波的幅值變化趨勢(shì)可知，當(dāng)2 個(gè)磁軛間距為90°時(shí)，檢測(cè)能力大幅提升，當(dāng)2 個(gè)磁軛間距為180°時(shí)效果最佳，如圖3 所示。磁場(chǎng)應(yīng)沿周向均勻布置，在磁場(chǎng)布置中，理論上磁軛數(shù)量越多，磁場(chǎng)越均勻。為了驗(yàn)證這一理論，布置1～5 個(gè)磁軛分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)磁軛數(shù)量為4 個(gè)時(shí)，磁場(chǎng)已經(jīng)均勻布置，缺陷回波能量最高，激勵(lì)的縱向?qū)Р芰孔顝?qiáng)。當(dāng)再增加1 個(gè)磁軛時(shí)，檢測(cè)能力反而小幅下降，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。因此為了便于現(xiàn)場(chǎng)布置，磁軛數(shù)量盡可能為偶數(shù)，縱向磁軛數(shù)量應(yīng)不小于4 個(gè)。

圖3 兩磁軛間的夾角與缺陷回波的關(guān)系

圖4 磁軛數(shù)量與缺陷回波幅值的關(guān)系

2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響

磁致伸縮效應(yīng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度變大，磁致伸縮效應(yīng)強(qiáng)度也變大，因此缺陷回波幅值升高。根據(jù)之前實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論，磁軛均勻布置時(shí)激勵(lì)的縱向模態(tài)導(dǎo)波檢測(cè)效果最佳。20#鋼達(dá)到磁飽和需要約1.5 T 磁場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)磁軛中采用3 組磁鐵時(shí)，缺陷回波最高，此時(shí)鋼管達(dá)到磁場(chǎng)飽和。隨后缺陷回波幅值不再增加，且在一定程度上有所降低，其變化趨勢(shì)如圖5 所示。

圖5 磁鐵數(shù)量與缺陷幅值相關(guān)曲線

1 個(gè)磁軛中磁鐵間的間距也會(huì)影響激勵(lì)線圈區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度，間距越小時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，因此在激勵(lì)縱向模態(tài)導(dǎo)波時(shí)，磁軛兩腳應(yīng)盡量貼近線圈，但是為了保障磁軛放置時(shí)不壓傷線圈，通常距離為60 mm較適宜。間距與缺陷回波幅值關(guān)系如圖6 所示。

圖6 磁軛兩腳間距與缺陷幅值的關(guān)系

在激勵(lì)縱向模態(tài)導(dǎo)波時(shí)，當(dāng)被檢測(cè)材料達(dá)到磁飽和時(shí)，磁致伸縮效應(yīng)和逆磁致伸縮效應(yīng)最強(qiáng)。因此在激勵(lì)縱向模態(tài)導(dǎo)波的磁場(chǎng)布置中，磁鐵應(yīng)盡量靠近激勵(lì)線圈，單個(gè)磁軛的磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)超過(guò)被檢測(cè)材料達(dá)到磁飽和所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。同時(shí)為了獲得均勻的磁場(chǎng)，磁軛應(yīng)沿著管道等間距分布，每間隔約50 mm 放置1個(gè)磁軛，且至少布置4 個(gè)磁軛。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，得到不同磁場(chǎng)均勻程度和磁場(chǎng)強(qiáng)度下激勵(lì)縱向?qū)Рǖ臋z測(cè)能力，從而得出以下結(jié)論：

（1）磁場(chǎng)應(yīng)沿周向均勻布置，因此為了方便現(xiàn)場(chǎng)布置，磁軛數(shù)量盡可能為偶數(shù)；

（2）磁軛數(shù)量應(yīng)不小于4 個(gè)縱向磁軛；

（3）為了保障檢測(cè)效果，磁場(chǎng)強(qiáng)度不應(yīng)過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱，推薦磁場(chǎng)為1.5 T，釹硼磁鐵為3 個(gè)；

（4）磁軛兩腳間距盡可能靠近線圈，但是為了保障磁軛放置時(shí)不壓傷線圈，通常距離為60 mm。

綜上，管道中的最優(yōu)磁場(chǎng)布置應(yīng)為每間隔約50 mm 放置1 個(gè)磁軛，且至少布置4 個(gè)磁軛。