葉至靈,韓贊東
(清華大學機械工程系,北京 100086)
無損檢測廣泛應用于結構健康監測。對于埋地金屬管道的監測,剩余壁厚是重要的管道可靠性指標[1]。
傳統的壓電超聲檢測方法需要耦合劑,不適合用來做埋地管道內檢測[2]。在“管道豬”上常用的漏磁檢測方法,攜帶設備龐大、所需驅動力強,受到檢測速度[3]、磁化狀態等多種因素影響,信號定量分析困難[4],在燃氣管道中難以應用。電磁超聲因為其無需耦合、能夠產生多種聲波的特性,適合作為管道內檢測手段[5]。其中,橫波電磁超聲換能器能夠精確測量金屬材料的厚度[6]。
但是在實際測量任務中,由于燃氣管道的腐蝕多為外表面腐蝕,且腐蝕深度不均勻,不能簡單視作平板的測厚。在掃查的過程中,希望能夠得到探頭在各個位置時中心位置對應的剩余厚度,但腐蝕形成的斜面會對測量結果造成影響。為此,本文通過理論分析、模擬仿真和實驗測試的方式,研究了電磁超聲換能器在腐蝕斜面產生和傳播橫波的過程,更好地理解和處理接收的回波信號,從而減小測量的誤差。
電磁超聲傳感器一般由永磁體和線圈組成。永磁體提供偏置磁場,線圈中通高頻電流從而在試件表面激發高頻渦流。通過不同方向的偏置磁場和不同形狀的線圈組合,能夠產生體波、表面波、導波等不同類型的聲波[7]。
圖1 橫波電磁超聲傳感器結構示意圖
一般用橫波電磁超聲傳感器來檢測厚度,典型橫波電磁超聲傳感器如圖1所示。橫波電磁超聲換能器由永磁體和螺旋線圈組成。永磁體產生的偏置磁場方向和試件表面垂直,通入環形線圈的高頻信號在試件表面感應出渦流,在垂直于試件表面的偏置磁場作用下產生洛倫茲力,使得試件表面振動而發出超聲波。對于鐵磁性材料、偏置磁場垂直偏置情況下的橫波電磁超聲,主要是洛倫茲力發聲機制的結果,磁致伸縮效應可以忽略不計[8]。
平行和垂直于試件表面的洛倫茲力大小可以簡化為[5]:
(1)
當線圈尺寸小于永磁體,渦流產生區域B0x較小,所以此類傳感器產生的縱波能量不到橫波的1/10,在檢測中可以忽略縱波的影響。
超聲波在試件中傳播,在底面反射,回波引起的應變在金屬試件中產生動態電場,從而被EMAT線圈接收到。橫波電磁超聲通過測量始波和回波的時差確定被測件的厚度。聲波傳播的距離是平板厚度的2倍。因此,平板金屬試件的厚度d可以表示為
d=v·Δt/2
(2)
式中:v為材料中聲速;Δt為測量時差。
在進行斜面檢測時,由于檢測面和底面不平行以及線圈尺寸大小的影響,導致聲波實際傳播的距離不能簡單確定為探頭中心對應厚度的2倍。
斜面檢測時橫波的傳播路徑如圖2所示。探頭的直徑為D,斜面的傾角θ,以探頭中心對應表面位置為原點O建立坐標軸,探頭中心位置對應的斜面厚度為h,稱為中心厚度。
圖2 斜面檢測聲波信號傳播示意圖
探頭產生的橫波向下傳播到達斜面后發生反射,部分聲波回到線圈。由于反射縱波的能量較小且反射角更大,因此只分析反射橫波??紤]兩個特殊位置的入射波:入射點為A1的回波位置在線圈左邊緣A2,入射點在右邊緣B1的回波位置在B2。對于x位置入射的橫波來說,回波的位置為x-(h-x·tanθ)·tan2θ,要求能檢測到回波,則需要滿足B2點在線圈范圍內,即:
(3)
同時可以解出A1的位置為
(4)
假設表面聲源均勻分布,可以得到一個平均聲波傳播距離l的估計公式:
(5)
hc=(1-tanθ2)htest
(6)
考慮到連續測量過程中,tanθ≈ Δhtest/Δx,則
(7)
可以從式(7)得知,在所給的小傾角的條件下,測量的厚度偏大。
針對電磁超聲換能的仿真,近年來主要使用有限元方法[8-13]。本文主要通過基于COMSOL多物理場實現的二維參數化模型,進行快速的仿真分析。
圖3 斜面電磁超聲測厚COMSOL模型示意圖
通過COMSOL對橫波電磁超聲換能過程進行仿真。模型結構示意如圖3所示。模型由帶斜面缺陷的試件、螺旋線圈、永磁體和空氣域組成。探頭直徑D=20 mm,與缺陷同寬,線圈匝數為5,導線間距為1 mm,提離距離為1 mm,試件厚度H=8 mm。線圈激勵函數為頻率4 MHz的經過漢寧調制的正弦脈沖信號。在二維平面內,線圈左右兩側所通過的電流時刻相反。
模型通過COMSOL的磁場無電流模塊計算靜磁場分布,通過磁場模塊計算渦流電場分布,通過固體力學模塊得到聲場分布。
通過對缺陷深度hd進行參數化掃描,分析線圈中的回波的情況。
以缺陷深度hd=2 mm為例,如圖4所示,EMAT主要產生的橫波在斜面反射之后沿著與豎直方程成一定角度回傳。
圖4 t=3.000 μs時儲能密度云圖
在各個缺陷深度下,線圈所接收的回波可以用兩側線圈的平均感應電流密度表示,如圖5所示。
仿真中發現:
(1)當缺陷深度較淺時(hd=0.5 mm),所得回波和平板回波區別不大;隨著缺陷深度增大,線圈右側部分的回波被左側線圈接收,而兩部分產生聲波相位相反,造成回波形態發生變化,如圖5(a)所示。
(2)當缺陷深度繼續加深時,缺陷回波減弱,峰值前移,對應著所測的厚度變小。
當檢測到回波時,取回波的最大值的時間作為回波到時,計算和始波發送時間的時差。并且依據式(6)進行修正。計算結果如表1所示。其中當缺陷深度hd=3 mm時,回波已經難以分辨,不計入結果中。
如表1所示,仿真結果計算的厚度(hd>0.5 mm)
(a)hd=0.5、1.5 mm
(b)hd=2.0、2.5、3.0 mm圖5 不同缺陷深度下線圈接收回波
表1 仿真得到厚度關系 mm
要大于中心厚度;通過修正能夠一定程度上提高精度,缺陷深度越大,即斜面越陡,誤差越大,修正效果越好。
為了驗證腐蝕斜面仿真的結果,設計了如圖6所示的腐蝕斜面檢測實驗。兩個斜面的傾角的正切值tanθ1=0.06,tanθ2=0.075。使用ETG-100測厚儀進行實驗,基本只能檢測到一次回波。2個斜面的測量結果如圖7所示。
圖6 腐蝕斜面實驗示意圖
(a)傾角為θ1的斜面
(b)傾角為θ2的斜面圖7 腐蝕斜面厚度測量結果
實驗可以觀察到:
(1)測量值比實際值略大,與仿真所預期一致;
(2)斜面傾角越大,誤差越大,經過式(7)修正,略接近實際值。傾角小時,測量準確,如圖7(a)所示,不需要進行修正。傾角大時,修正效果更明顯。
對于腐蝕斜面的橫波電磁超聲厚度檢測問題,提出了一個分析模型,發現按照時差法測得的厚度比探頭中心位置對應的斜面厚度要大,并給出了修正的公式。通過COMSOL仿真驗證了分析模型的對于誤差計算的趨勢:隨著斜面傾角增大,測量的誤差增大,并能過通過修正公式提高精度。最后在鋼板的腐蝕斜面缺陷上驗證了仿真的結論:在傾角小的斜面上測量的中心厚度基本準確,傾角大的斜面上測量厚度偏大,可以進行修正。
同時,發現提出的分析模型由于理想化的假設存在一定的局限性,修正的效果不明顯。另外,實際腐蝕情況比較復雜,仍待后續的研究確定對于橫波電磁超聲測厚的影響。