基于超声导波技术对弯管中缺陷检测的实验研究

　　0　引言

　　近几年,长距离管道超声导波无损检测技术取得了很大的进展[1~3]。沿管壁传播的超声导波常用于检测直管中的腐蚀坑、裂纹等缺陷。该方法能够实现快速检测,并且能够用于难以接近的管道系统的检测。实际上,管道系统主要由直管和弯管组成。超声导波在直管中的传播特性研究相对较多,然而在工程应用中,常需要检测带有弯头的管道系统。管道的弯曲部分由于结构的变化,在一定程度上影响导波在管道中的传播,进而影响到对缺陷的检测。人们利用有限元的分析方法对超声导波在弯管中的传播进行了初步研究,认为当L(0,2)模态在经过管道的弯曲部分时会产生模态转换现象,并且该模态穿过弯曲部分的透射系数与激励频率、弯头曲率半径和弯头长度有关。但利用管道超声导波技术对弯管中不同部位缺陷检测的文献则相对较少。本文主要通过实验方法,利用超声导波技术检测弯管中不同部位不同类型的缺陷,并对多缺陷的检测进行了初步研究,从而为利用超声导波对工程实际中弯管的缺陷检测进行一定的探索研究。

　　1　实验装置

　　整套实验装置(图1)由薄壁弯管、任意波形发生器(HP33120A)、功率放大器(Ultra2020)、数字示波器(TDS3032B)、计算机和压电陶瓷片组成。由任意波形发生器产生的单音频信号,经功率放大器进行功率放大后,通过转换开关激励压电陶瓷片,从而在管道中产生特定频率的超声导波;信号在管道传播返回后,经过转换开关,被同时作为接收探头的压电陶瓷片所接收,在数字示波器上显示,并通过数据线输入到计算机进行处理。

　　该实验所选用的压电陶瓷片和文献[4]中所用的压电陶瓷片由同一单位提供,并均为长度伸缩型。唯一的差别是尺寸不同,现使用的压电陶瓷片长为20mm,宽为4mm,厚为0·5mm。每弯管一端周向均布8片,由502胶直接粘贴在管道上。利用周向均布的压电陶瓷片可以在管道中激励轴对称纵向模态L(0,2)。

　　本实验中,由任意波形发生器产生的正弦信号,经Hanning窗调制,振荡周期为10个周期,峰峰值为300mV。该信号经功率放大器放大后,作为激励信号激励压电陶瓷片。

　　2　管道试件与人工缺陷

　　实验中所用弯管均是通过往直管中注沙后直接热弯加工而成的,并按照设定的不同曲率半径加工成不同的弯管。加工后,弯头在管道的中间。弯管材质为不锈钢。每根弯管加工前的直管均长为2m,外直径25mm,壁厚1·2mm,弯曲角度θ为90°。在本实验中共对两根弯管进行了实验。弯头中心线曲率半径R(图1)分别为4·5D和6D,其中,管道的平均直径D=23·8mm。