管道中激励和接收扭转模态导波专用探头的研制与应用

　　由于管道在石化等行业得到广泛应用,管道的长距离超声导波快速检测研究近年来受到国内外无损检测学者的极大关注^[1,2]。超声导波检测技术具有节省检测时间和能全面检测整个管壁的优点。国外对超声导波检测技术研究得比较深入,且已开发出石油化工管道检测专用探头及仪器^[3~5]。国内目前仅有余海群等人研制了利用L(0,2)模态导波检测管道的探头^[6],而未见有利用扭转模态导波检测管道的探头研制报道。为此,作者研制了一种管道检测专用探头,采用干耦合方式用专用夹具将探头固定在管道外表面,激励和接收扭转模态导波。

　　1　管道中的超声导波

　　超声导波在管道中纵向传播时,按传播形式有三种模态,即纵向模态L(0,m)、扭转模态T(0,m)和弯曲模态F(n,m),其中,n表示周向振动谐波数,m是模数变量。当n=0时对应轴对称模态,即纵向和扭转模态。n=1,2,3,…时对应弯曲模态。

　　图1是直径为60 mm、壁厚为3.5 mm的40钢钢管各模态导波相速度与群速度频散曲线。从图中可以看出,各模态导波相速度或群速度均随着频率不同而发生不同程度的变化,因此包含一定频段的 导波波形在传播过程中会随之发生变化,这就是导波的频散现象。但T(0,1)模态是一种比较特殊的扭转模态导波,其在钢管中传播时相速度及群速度均恒等于 钢管横波波速3.26 m/ms,是非频散导波,且不存在截止频率。

　　2　探头的研制

　　在一个检测系统中,探头的激励与接收性能是至关重要的。作为探头,要求能够有效地激励和接收信号,具有一定的灵敏度和分辨率;由于管道需要进行 多点检测,因此探头必须容易安装和拆卸;此外,探头将周向均匀分布在管道外表面,为能在管道表面放置更多的探头,要求探头体积小,结构上利于装卸。为此探 头的研制将从以下几方面着手。

　　2.1　敏感元件的选取

　　从图1可以看出,在0~480 kHz除T(0,1)外,不存在其它扭转模态,故假如将激励信号的频率限制在这一频率段,则可激励出单一的T(0,1)模态导波。因此,探头的响应频段也 将限制在此范围内。压电陶瓷发射和接收信号的灵敏度高,可用频率范围较宽,并且具有适应性好、稳定性高、价廉等优点,因此选择压电陶瓷作为探头的敏感元 件。

　　根据扭转模态导波的运动特点,确定采用的压电陶瓷为厚度剪切型。利用压电陶瓷在管道表面施加的剪切力激励扭转模态如图2所示。由于PZT25压 电陶瓷的机电耦合系数和压电常数均较高,且损耗小、稳定性高,因此为探头所选用,其性能参数为,密度ρ= 7 700 kg/m³,压电应变常数d_³¹=-195×10^-12C/N,机电耦合系数k_¹⁵=0.73,损耗因子tgδ=0.015。压电陶瓷上下表面镀以银电极,为接线方便,将下表面的电极延伸到压电陶瓷侧面。压电片尺寸为12 mm×8 mm×4 mm。