Page 36 - 无损检测2022年第十期

李孟奇,等:
金属小径管外壁裂纹的内检式电磁超声导波检测

因此对于金属管道结构来说, 超声导波技术是一种 模态( L 模态) 的超声导波。导波在被检测管件内沿
简洁、 高效且易于操作的无损检测技术 [ 1-5 ] , 是金属 轴向传播, 当遇到诸如外壁裂纹形成的材料不连续
小径管损伤, 特别是外壁裂纹的有力定量检测方法 时, 在界面处会发生反射, 当反射的超声导波再次传
之一。 播回到换能器位置时, 振动的管件质点在永磁铁对
超声导波模态转换、 缺陷反射等方面的探究是 产生的静态磁场作用下会激发出动生涡流, 同时在
超声导波检测的热门研究方向之一, 国内外学者基 薄壁线圈组两端产生感应电动势; 提取该电动势信

于不同模态超声导波进行了大量的研究。 DEMMA 号作为缺陷回波信号, 通过对其变化特性进行研究,
等 [ 6-7 ] 通过分析有缺陷的管道中导波模态的传播特 可实现管件外壁裂纹的检出, 完成管件的电磁超声
性, 发现纵向模态 L ( 0 , 2 ) 遇到管中的周向切槽时会 导波定量检测 [ 11 ] 。
发生模态转换现象。 HAYASHI 等 [ 8 ] 分 析 了 模 态
反射强度系数与模态频率的关系。武静等 [ 9 ] 针对管
道缺陷的检测, 应用时间窗函数截取接收信号并计
算其 L y a p unov 指数曲线, 根据曲线的突变识别缺
陷的回波信号。王伟等 [ 10 ] 通过有限元仿真的方式
研究了 T ( 0 , 1 ) 扭转模态对管道纵向裂纹的检测及
定位情况。然而, 国内外针对金属小径管中的外壁
切槽、 裂纹等典型局部缺陷结构参数对超声导波回
波幅值量化影响的研究尚存不足。
鉴于此, 文章围绕金属小径管外壁裂纹的无损
定量检测, 提出了一种内检式电磁超声导波检测换
能器。通过建立有限元仿真模型开展系列仿真, 探
图 1 内检式电磁超声导波换能器构型及检测原理示意
究管件外壁裂纹参数与检测信号的映射关系; 同时,
1.2 三维有限元仿真模型的建立
搭建金属小径管内检式电磁超声导波检测 试验平
为分析内检式电磁超声导波检测方法在金属小
台, 探究管件外壁裂纹的电磁超声导波检测及量化
径管外壁裂纹定量检测中的可行性, 基于笔者所在
评估手段, 验证所提内检式电磁超声导波检测换能
课题组自主开发的超声导波检测有限元仿真源代码,
器在金属小径管外壁裂纹定量检测中的有效性。
建立金属管件的内检式电磁超声导波检测有限元模
1 管件内检式电磁超声导波检测的有限元 型( 见图2 )。在该模型中, 管材料为 2205 不锈钢, 其
仿真分析 管外径为19mm , 壁厚为 2mm , 管长为 500mm , 弹

·
性模量为190GPa , 密度为7980k g m -3 , 泊松比为
1.1 换能器构型及检测原理
内检式电磁超声导波换能器构型及检测原理如
图1 所示。换能器结构主要由两部分组成: ① 一对

N 极相对放置的永磁铁; ② 放置于永磁铁对轴向空

气间隙中的由多个涡流线圈组成的薄壁线圈组( 相
邻两个涡流线圈的间距为超声导波的半波长)。实
施检测时, 电磁超声导波换能器同轴置入被检管道
内部, 永磁铁对产生沿管道径向方向的静态偏置磁
场, 同时通入高频交流电驱动的涡流线圈组在管件
内感应出动态电磁场( 包括感应涡流和动态磁场)。
在涡流与磁场( 包括静态偏置磁场和动态磁场) 的共
同作用下, 在被测管道内感应涡流分布域中的质点
将受到主方向为轴向的洛伦兹力, 在该洛伦兹力作
用下, 被测管道质点产生轴向振动从而激发出纵向 图 2 金属管件的内检式电磁超声导波检测有限元模型

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2022 年 第 44 卷 第 10 期
无损检测