基于CIVA仿真与试验的磁致伸缩导波和压电导波检测比对分析

张子健* 傅书畅 赵大禹 吴家喜 常 腾 李武俊 张小龙 薛秉康

（1. 宁波市劳动安全技术服务公司 2. 中国石油天然气股份有限公司东北销售宁波分公司3. 宁波市特种设备检验研究院）

0 前言

目前国内压力管道超声导波检测的标准主要是GB/T 28704—2012《无损检测 磁致伸缩超声导波检测方法》及GB/T 31211—2014《无损检测 超声导波检测 总则》，这两个标准中均提出了对比试样和灵敏度校准要求，即应采用与被检测构件材料性能及几何形状相同或相近的材料制作，并采用对比试验在实验室实测绘制距离-幅度曲线[1-3]。但在实际检测过程中，现场管道规格和形式复杂多变，标准要求的对比试样和灵敏度校准条件在实际操作时较难达到。针对以上问题，本文采用CIVA 仿真和对比试管验证方法，分析了两种超声导波在检测过程中存在的差异，为超声导波的应用提供相关数据支持。

1 原理简介

1.1 磁致伸缩导波

磁致伸缩导波检测系统通常由主机、计算机、铁钴带、耦合剂、线圈卡具及线圈探头带组成。将探头线圈放置在磁致伸缩带材上，当有交流电通过线圈时，在魏德曼效应的作用下，磁致伸缩带材中的交流磁场就会产生剪切位移，剪切位移通过耦合胶的耦合层机械地传递到管道中，然后以扭转波形式沿着管道轴向传播[4]。

1.2 压电导波

压电导波检测系统由主机、气泵、工具导线、气管、计算机、卡具及压电探头组成。传感器采用一种压电陶瓷材料制造，该材料具有正压电效应和逆压电效应，可以实现机械能向电能转换。压电导波技术可同时激发纵向、扭转和弯曲波，三种波形同时检测则可以极大地降低缺陷漏检率。因为某些缺陷容易被纵波检测到，同时扭转波可以应用于管道带料检测中，其介质衰减较小[5]。

2 CIVA仿真计算

2.1 频散曲线计算

超声导波在管道中的传播过程存在一个显著的特点——频散现象。频散现象是指超声导波的相速度和群速度随着频率变化而变化，发生频散现象后，导波的能量衰减非常迅速，这对于管道长距离检测是极为不利的。因此需要研究针对某一规格管道，何种模态导波在何种频率范围内不会发生频散现象。导波的频散曲线就是描述导波的群速度、相速度和频率对应关系的一种曲线。本文通过CIVA 软件GWT 模块计算规格为DN 80 mm×6 mm，材质为Q345R 的压力管道中的频散曲线，计算的频率范围为0～150 kHz，频率数为150 个，计算方式为3D，包含所有模态（T，L，F），结果如图1～图4 所示。

图1 DN 80 mm×6 mm管道群速度频散曲线

图2 DN 80 mm×6 mm管道相速度频散曲线

图3 DN 80 mm×6 mm管道频率-波长曲线

图4 DN 80 mm×6 mm管道频率-波数曲线

由图1 ～图4 中的频散曲线可知，在导波常用频率范围（20～100 kHz）内，T（0，1）模态导波是非频散的，群速度为3 230 m/s，相速度为3 230 m/s，波长为51.75 mm；L（0，2）模态在50～100 kHz 频率范围内基本是非频散的，具有最大群速度为5 347 m/s，相速度为5 419 m/s，波长为69.9 mm，其作为激发波形可以有效地与其他模态波形进行区分，有利于识别缺陷，抗干扰性强；L（0，1）模态具有严重的频散现象；弯曲模态除了F（1，3）在70～100 kHz 频率范围内是基本是非频散的以外，其余模态均存在较强频散现象。

2.2 声场计算

不同模态和频率的导波沿管道壁厚方向的位移分布情况不同，通过对轴向、径向、周向位移分量进行计算，可以得到当前检测工况下的导波模态和频率的适合值。

2.2.1 CIVA建模与设置

综合考虑后续模拟试管检测和仿真计算时间，本次选择的管道直径为80 mm，壁厚为6 mm，长度为800 mm，材质为Q345R。采用外壁弧形探头，矩形单晶片，阵列数为1，宽度为5mm。信号分别为汉宁窗调制的频率为30，60，90，120，150，180 kHz，带宽为30%超声导波信号，仅计算常用轴对称导波模态，计算区域为距离探头500 mm 处的横截面，对该横截面处质点的轴向、径向、周向位移分量进行计算，CIVA 模型可见图5。

图5 导波检测CIVA模型

2.2.2 位移分量计算与讨论

分别对频率为30，60，90，120，150，180 kHz的超声导波进行计算，导波模态包含L（0，1），L（0，2）和T（0，1），对轴向、径向、周向位移分量进行比较。

随着超声导波激发频率增大，轴向位移分量也不断增大，且在管道内壁轴向位移分量相对较大，因此随着频率增大，导波检测内、外表面周向缺陷的灵敏度增大，有利于发现缺陷。轴向位移的大小决定了其检测周向缺陷的灵敏度强弱。随着超声导波激发频率增大，径向位移分量不断增大，导波传播过程中的能量衰减与内、外表面上的径向位移分布有关，内、外表面上的径向位移分量越小，传播过程中能量泄漏相对较少，传播距离就越大，因此激发频率越大，径向位移分量越大，传播距离就越小。随着超声导波激发频率增大，周向位移分量不断减小，整体处于极低水平，轴向缺陷检测灵敏度低。

3 对比试管检测

目前超声导波检测的灵敏度主要依靠对比试管来标定，但行业标准中对比试管的试样要求没有明确规定，不像常规A 超具有标准对比试块，且已经应用得很成熟，导波对比试块可以按照合同自行约定。除此之外，超声导波检测的距离-幅度（DAC）曲线应用还存在一定困难，现场管道规格、式样众多，标准中要求根据被检工件的材料和规格在实验室绘制DAC 曲线，这在无形中增加了成本，因此目前超声导波的主要应用范围为缺陷定位，同时采用其他检测方法来验证这一思路。本文分别采用压电导波和磁致伸缩导波进行对比试管检测，验证检测灵敏度，并分析二者在应用过程中的差异。

3.1 检测设备

压电导波采用的是英国PI 公司的Teletest Foucs+设备，该设备的激发频率范围是20～300 kHz，根据检测工况需要，设备可选用多模式模块、扭转波模块或迷你模块。其中多模式模块可以同时执行纵波和扭转波模式，迷你模块适用于DN 50～100 mm 管道，是一个3 环扭转波系统，间距为30 mm。针对于本次检测管道的尺寸，选取DN 75 mm 卡具，模块数量为12，传感器数量为36，无需进行表面预处理，干耦合压力为275.8 MPa，检测频率为系统根据检测工况智能推荐，通常范围为20～100 kHz。

磁致伸缩导波采用的是UG30 超声导波检测仪，检测过程主要是基于磁致伸缩效应和磁致伸缩逆效应，波形仅为扭转波，目前支持中心频率为16，32，64，128，180 kHz，检测时需选取相应频率线圈进行扫频，管道表面需进行打磨处理，通过耦合胶粘贴磁致伸缩带。

3.2 对比试管

比对试管规格为DN 80 mm×6 mm，材质为Q345R，长度为7 m，其中包含2 个90°弯头，包含3 类典型管道缺陷，A 组（A1，A2，A3，A4，A5，A6）为不同尺寸方向的刻槽缺陷，B 组（B1，B2，B3，B4，B5，B6）为不同尺寸规格的平底孔缺陷，C 组（C1，C2，C3，C4，C5）为不同尺寸规格的通孔缺陷，对比试管尺寸可见图6，对比缺陷情况可见表1。

图6 对比试管尺寸图（单位：mm）

表1 对比试管缺陷统计表

3.3 检测与结果分析

分别采用Teletest Foucs+压电导波和UG30 磁致伸缩导波对DN 80 mm×6 mm 对比试管进行检测，检测结果如图7 和图8 所示，统计情况可见表2。

图7 超声导波现场检测图

图8 导波检测结果

根据图8 和表2 可知：（1）压电导波盲区较大，盲区范围为卡具安装处前后各0.5 m，A6 缺陷在盲区范围内，所以并未检出，磁致伸缩导波盲区较小，仅为0.1 m，因此没有缺陷漏检；（2）压电导波检测范围较大，可从安装点A 端检测出经过两个弯头后的C组缺陷；磁致伸缩导波传播经过一个弯头后，能量衰减较大，对于C 组缺陷的分辨力较低，无法有效区分；（3）两种激发方式的导波在经过弯头传播后，缺陷的定位均会出现偏差，导波波形的复杂程度增大，对于缺陷的识别难度上升，这对于现场检测是不利的，因此应尽量选取直管段进行检测；（4）在近距离检测中，磁致伸缩导波具有一定的优势，如灵敏度高、分辨力高等；（5）在长距离管线检测中，压电导波具有一定的优势，如激发能量高、传播距离远、导波模态多；（6）在缺陷比较密集或结构比较复杂的情况下，两种导波回波信号幅值与横截面积损失率未呈现出明显的对应关系，因此GB/T 28704—2012和GB/T 31211—2014标准中提及的DAC曲线制作要求在现场检测时无法达到，所以目前导波检测主要用于定位缺陷，同时采用有效的检测手段来验证这一思路并开展工作。

表2 压电导波和磁致伸缩导波检测结果统计表

4 结论

针对压电和磁致伸缩超声导波在实际检测中存在灵敏度校准的难题，首先采用了CIVA 软件进行仿真，分析了不同频率下超声导波的传播特点与应用要点，其次对DN 80 mm×6 mm 对比试管进行了检测验证，最后对两种导波的检测结果进行了总结分析。结果表明：导波的激发频率会影响检测灵敏度和传播距离；压电导波在长距离管线检测中具有一定优势，磁致伸缩导波在短距离管线检测中具有一定优势；目前导波应用主要是结合缺陷定位与其他检测手段来验证这一思路并开展工作。