斜入射SH波厚壁管道内壁裂纹检测方法∗

赵 亮 张 金 董子华 王 鑫 王学彬

(陆军炮兵防空兵学院 合肥 230031)

0 引言

厚壁管道指管道外径和壁厚之比小于20 的管道，常被用于武器装备、化工液体运输和高压气体输送等，在加工和服役的过程中，受各种复杂的交变应力、循环应力的影响，内表面会不可避免地产生各种裂纹。如果不能及时有效地对裂纹进行检测，裂纹会逐渐扩展加深、增长形成网状裂纹，进而影响整个武器装备或化工流程的稳定性和安全性，甚至可能导致灾难性的突发后果，造成巨大的经济损失[1−2]。

SH 波是超声波剪切波的一种形式，质点振动方向与试样表层平行，并与传播方向垂直，因此SH波不易转换成SV 波或纵向模态导波[3]，在遇到界面不连续或边界处损失能量较少，信号分析较为容易，更适合用于缺陷检测。SH 波难以用传统的压电超声方式进行激励，目前主要是通过周期性永磁体阵列(Permanent periodic magnet,PPM)的电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer EMAT)进行激励[4]。通过改变EMAT 探头激励频率可将SH 导波变为具有一定方向性的斜入射SH波[5−7]。相比SV 波和纵向模态导波，斜入射SH 波具有较强的穿透性，常被用于焊缝检测[8−9]、管道检测[4−5]、缺陷板检测[10−11]、试样测厚[12]等。

由于斜入射SH 波的检测效果与激励方式密切相关，因此近些年大部分学者主要对斜入射SH 波的激励方式进行了深入研究。2016年，Isla等[13−14]改进了斜入射SH 波电磁超声探头的激励编码算法，使其在低功率下也有较好的损伤分辨率。2017年，Isla 等[15]采用编码激励斜入射SH 波8 端电磁超声相控阵探头，并减少了不同跑道线圈之间的涡流干扰，对铝板底部的预制裂纹进行了有效检测。

然而，大部分学者利用斜入射SH 波检测管道或板的缺陷往往是焊缝或较大尺寸的裂纹，对管道内壁较小尺寸的裂纹检测及裂纹径向深度与回波信号的作用规律并没有相关研究。本文在分析斜入射SH 波激励原理的基础上，在COMSOL Multiphysics仿真软件中对厚壁管道进行参数化建模，探究斜入射SH 波与裂纹径向深度的作用规律，并通过实验验证斜入射SH 波厚壁管道内壁裂纹检测方法的可行性和科学性。

1 EMAT探头换能机理

EMAT 换能器由提供偏置磁场的永磁铁和跑道线圈组成，其中永磁铁的极性呈周期性交替排列。在跑道线圈中通入高频电流，将会在被测试样表面感生出频率相同、方向相反的电感应涡流，在偏置磁场的作用下会在试样表面产生洛伦兹力，试样产生周期性的振动，这种振动在试样内以波的形式传播，便实现了EMAT 斜入射SH 波的激励过程，如图1所示。

图1 洛伦兹力斜入射SH 波工作机理Fig.1 Lorentz force inclined beams of SH waves working mechanism

在试样表面，感应电涡流Jx在永磁场Bz作用下所引起的洛伦兹力为

当两个相同极性产生的声波互相干涉且满足一定条件时会形成斜入射SH波，波长等于2 倍相邻永磁体中心间距d，且激励形成的斜入射SH波会沿着某一方向传播，入射角度与法线夹角θ与相邻永磁体中心间距d和激励频率f有关，满足[13]

式(2)中，v为超声波在试样中传播波速。如果相邻永磁体中心间距d固定，则入射角只与激励频率f有关。

2 斜入射SH波检测厚壁管道内壁裂纹

2.1 斜入射SH波激励频率优选

斜入射SH波的检测效果与激励频率密切相关，因此需要对斜入射SH 波的声场特性进行分析，选择合适的激励频率。在COMSOL Multiphysics 软件中建立半径100 mm、高10 mm 的半圆柱体固体力学频域模型，为了模拟斜入射SH 波在厚壁管道中的传播，在其圆心建立长40 mm 的弧面区域，曲率与外径205 mm 厚壁管道相同，在弧面上与永磁体尺寸相同区域交替加载大小相同、方向相反的载荷，一方面可以模拟EMAT 探头在激励斜入射SH波时产生的交替作用的洛伦兹力，另一方面可以降低仿真模型的运算量。永磁体宽度为3 mm，长度为8 mm，相邻永磁体中心间距d取3.2 mm，仿真模型力学参数如表1所示，仿真模型如图2所示。

表1 模型相关参数Table 1 Model related parameters

图2 仿真模型Fig.2 Simulation model

在斜入射SH 波激励有限元模型中，试样中形成的斜入射SH 波幅值受计算时间步长和网格尺寸的影响，当计算时间步长不大于1/(100×f)、最大网格大小不大于λ/10 时，有限元结果收敛，仿真结果准确可靠[16]。因此计算时间步长取0.1 µs，最大网格取0.6 mm，得到声压分布如图3所示。

对较大半圆弧面进行积分得到径向位移极值如图4 所示。由图4 可知，随着激励频率增加，斜入射SH 波主瓣束向性变好，径向位移极值增加，并在频率为1 MHz 时达到极值。但随着频率继续增加，主瓣径向位移逐渐减小，旁瓣能量随之增加，对主瓣能量进行干扰，影响检测效果。因此，斜入射SH波的检测频率取1 MHz 较为合适，此时主瓣能量最高，束向性较好，旁瓣能量适中，适宜对厚壁管道进行检测。

图3 激励频率为1 MHz 时声压分布Fig.3 Sound pressure distribution at excitation frequency of 1 MHz

图4 不同频率径向位移极值Fig.4 In-plane displacement extremes at different frequencies

2.2 斜入射SH波检测厚壁管道内壁裂纹

在COMSOL Multiphysics 软件中建立内径155 mm、外径205 mm 的厚壁管道固体力学时域模型，管道力学参数与表1 相同，在管道内壁预制长8 mm、周向宽1 mm 的轴向裂纹，径向深度由0.01 mm增加到3 mm，网格划分和计算时间步长与声场模型相同，如图5所示，声场快照如图6所示。

图5 厚壁管道建模Fig.5 Thick-walled pipe modeling

图6 裂纹径向深度为3 mm 时声场快照Fig.6 Sound field snapshot when the radial depth of the crack is 3 mm

在管道内壁预制10 组轴向长度为8 mm、周向宽度为0.01 mm 的轴向裂纹，径向深度由0.01 mm增加到3 mm。在EMAT激励端提取径向位移得到裂纹径向深度与径向位移的变化规律如图7 所示。从图7 中可以看出，随着裂纹径向深度增加，径向位移呈现曲折型上升。

图7 裂纹径向深度最大回波幅值Fig.7 Crack radial depth maximum amplitude

一般情况下认为随着裂纹径向深度增加，反射面积增加，缺陷回波幅值应增加。然而，由于裂纹尖端衍射波与缺陷反射回波相互叠加导致超声波幅值出现“多峰”现象。当裂纹径向深度为1 mm、2 mm、3 mm，分别取到达裂纹径向顶端和裂纹径向底端的超声波幅值进行对比，仿真云图如图8 所示，在裂纹上下端面提取回波信号如图9所示。

由图9可知，随着裂纹径向长度增加，裂纹底端反射波幅值增加，相位不变，而裂纹顶端衍射波幅值先增加后降低，且相位发生变化，裂纹上下端面的波峰时间差逐渐增加。这是由于斜入射SH 波在检测裂纹时，首先遇到裂纹顶端，产生裂纹顶端衍射波后，再遇到裂纹底端，产生裂纹底端反射波，而激励端接收到的裂纹回波信号是由裂纹顶端衍射波和裂纹底端反射波叠加形成的，因此当裂纹径向深度增加时，裂纹底端反射波由于反射面增大，回波信号增强，传播距离和相位不变；裂纹顶端衍射波由于传播距离减小且入射到裂纹顶端的能量逐渐减小，顶端衍射波能量与相位不停改变，使回波幅值随着径向深度增加而起伏变化。

图8 裂纹回波仿真云图Fig.8 Crack simulation cloud chart

图9 裂纹不同位置回波信号Fig.9 Waves of different crack positions

3 实验验证

3.1 实验方案

实验采用相同EMAT 探头激励/接收斜入射SH 波，在缺陷一侧放置激励端探头，在同一侧放置接收端探头，探头沿圆弧外表面中心间距为83 mm，EMAT 采用12 对双排周期性永磁体，尺寸为20 mm×3 mm×2 mm，相邻永磁体中心间距为3.2 mm，跑道线圈有效换能区域为40 mm×40 mm，探头内部结构如图10(a)所示。被测试样为内径155 mm、外径205 mm、长1 m 的45#钢厚壁钢管，在管道内壁预制3 组长方形刻槽轴向裂纹，尺寸分别为8 mm×1 mm×1 mm、8 mm×1 mm×2 mm、8 mm×1 mm×4 mm。

实验采用Agilent 33220A 信号发生器产生激励1.0 MHz 的正弦脉冲串，经功率放大器放大，通过阻抗匹配将激励电压加载到EMAT探头上，再由接收端EMAT探头接收到感生电压，经过滤波处理后，由数据采集卡完成模数转换后将数据送入数据采集显示处理终端，从而完成数据采集、波形显示和数据存储，实验装置如图10(b)所示，实验原理如图10(c)所示。

3.2 实验结果分析

实验得到回波信号如图11 所示，缺陷波经过3次反射被接收端探头接收到，通过几何关系计算得到缺陷波包理论出现时间为58.84 µs 处，因此第3个波包为缺陷波包。提取不同深度裂纹的缺陷波包的幅值如图12所示。

随着裂纹径向深度增加，回波幅值也随之增加，如图12中红线所示。随着裂纹径向深度增加，裂纹反射面增加，相同激励频率下，回波幅值逐渐增加，但由于斜入射SH 波到达缺陷上下端面会存在时间差，所以当裂纹长度达到某一值时，裂纹上下端面反射回波相位相消，因此回波幅值出现曲折型上升，与仿真模型中曲线变化一致，验证了斜入射SH 波检测厚壁管道内壁微裂纹方法的可行性。

图10 斜入射SH 波检测实验Fig.10 Inclined beams of SH waves detection experiment

图11 实验回波信号Fig.11 Experimental waves

图12 不同深度裂纹的缺陷波包的幅值Fig.12 Amplitude of wave with different depth of crack

4 结论

本文以厚壁管道为研究对象，建立了斜入射SH波检测有限元模型，在管道中激励出斜入射SH 波，并对管道内壁不同径向深度的轴向裂纹进行检测，并通过实验验证了仿真结果的正确性，得到主要结论如下：

(1) 通过扫频实验对斜入射SH 波的激励频率进行了频率优选，当入射频率为1 MHz 时，此时激励信号束向性最好，旁瓣宽度和旁瓣能量也符合要求，适宜检测微裂纹。

(2) 用斜入射SH 波分别对厚壁管道不同深度的轴向裂纹进行检测，研究发现，由于裂纹尖端衍射波和裂纹反射回波相位不同，相互叠加导致超声波幅值出现“多峰”现象，当裂纹径向深度增加时，斜入射SH波回波幅值呈现曲折型增加。

(3) 本文根据SH 波检测原理，设计并搭建斜入射SH 波和表面SH 波实验检测环境，开展了厚壁管道内壁轴向裂纹检测实验研究。实验结果表明，斜入射SH 波的检测方法可以用于厚壁管道内壁轴向裂纹，并且最小可检测出8 mm×1 mm×1 mm的轴向裂纹，实验结论与仿真结论一致，验证了斜入射SH 波检测厚壁管道内壁微裂纹方法的可行性与科学性。