直缝焊管焊缝质量电磁超声检测方法研究_程偲.pdf

应用与开发第46卷 第1期2023年1月Vol.46 No.1Jan.2023HAN GUAN 焊管WELDED PIPE AND TUBE直缝焊管焊缝质量电磁超声检测方法研究*程偲1，姜春1，宋旖旎2，康宜华1，2，马宏宝1（1.华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074；2.华工制造装备数字化国家工程中心有限公司，武汉 430074）摘 要：为实现直缝焊管焊缝内缺陷检测，采用周向电磁超声SH0导波检测技术，研究了基于磁致伸缩效应激励周向 SH0模态导波，确定了周向 SH0导波激励频率，设计了一款一发双收差分接收的直缝焊管焊缝缺陷检测探头。结果表明：该系统能够激发单一模态周向SH0导波，实际波速与模型分析结果吻合；针对直径116 mm、壁厚3.5 mm的激光直缝焊管焊缝的0.6 mm盲孔和 1.0 mm 通孔，通过差分探头的信号处理，能够实现焊缝处 1.0 mm 通孔和 0.6 mm 盲孔缺陷的检测。关键词：电磁超声；磁致伸缩；焊缝；周向；SH0导波中图分类号：TG441.7 文献标识码：A DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.01.004Electromagnetic Acoustic Transducer Method of Welding Seam Quality of Longitudinal Welded PipeCHENG Si1,JIANG Chun1,SONG Yini2,KANG Yihua1,2,MA Hongbao1(1.School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.Huagong Manufacturing Equipment Digitization National Engineering Center Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China)Abstract:In order to detect the defects in the weld of longitudinal welded pipe,circumferential electromagnetic ultrasonic SH0 guided wave detection technology is adopted.The circumferential SH0 guided wave excited by magnetostriction effect is studied,the excitation frequency of circumferential SH0 guided wave is determined,and a probe for detecting weld defects of longitudinal welded pipe with one transmitter and two receivers is designed.The experimental results show that the system can excite a singlemode circumferential SH0 guided wave,and the actual wave speed is in good agreement with the model analysis results.The experimental study of 0.6 mm blind hole and 1.0 mm through hole is carried out at the weld seam of laser straight seam welding with a diameter of 116 mm and a wall thickness of 3.5 mm.Through the signal processing of differential probe,the defects of 1.0 mm through hole and 0.6 mm blind hole at the weld seam can be detected.Key words:electromagnetic ultrasonic;magnetostriction;welding seam;circumferential direction;SH0 guided wave0前 言连续油管广泛应用于油气田修井、钻井、完井、测井等作业中，在油气田勘探与开发中发挥着越来越重要的作用1。目前针对连续油管焊缝质量检测主要采用的方法有超声检测2-4、漏磁检测5-8和涡流检测9-11。其中漏磁检测极易受到焊缝余高、工件表面金属毛刺等影响，带来提离值变化，进而产生误检；涡流检测技术受趋肤深度的影响，仅对于近表层缺陷的灵敏度较高，而很难实现对焊缝内部埋深较大处缺陷的检测。针对连续油管的焊缝缺陷检测，超声检测技术的可靠性更强，其中电磁超声检测技术凭借无需耦合剂、检测效率高、不受表面涂层影响等优点更适*基金项目：国家自然科学基金面上项目“磁导率扰动无损检测新方法及机理研究”（项目编号51875226）。192023年 第 46 卷焊 管合于这类表面工况复杂的连续油管焊缝检测12。电磁超声周向导波是在圆管中沿着周向传播的导波，分为周向水平剪切波（SH波）和周向兰姆波，可用于管道内检测和生产过程中的质量控制。其中周向兰姆波具有频散特性，经过缺陷反射后将发生模态转换使得后续信号处理难度较大。而周向SH波具有卓越的模式分离能力，经过缺陷反射后无模态转变，并且能够用电磁超声换能器激励出单一的周向SH波模式，由此更适用于连续油管的周向缺陷检测13。Hirao和Ogi14提出了一种周向SH波电磁声传感器技术用于检测钢管外表面的腐蚀缺陷，田勐等15利用电磁超声SH导波实现了对不锈钢车体激光叠焊焊缝检测，Shivaraj等16将周向SH导波技术用于厚壁管道中的径向腐蚀缺陷检测。综合已有研究，针对连续油管的焊缝缺陷检测，采用周向SH波检测具备检测效率高、可检测类型多、检测灵敏度高等优点17，其中周向SH0模态、无频散现象，且群速度在SH0模态下几乎不随着激励频率变化而变化。因此本研究主要进行了周向SH0导波模态激励、电磁超声探头设计，通过试验平台搭建验证周向 SH0导波检测连续油管焊缝缺陷的可行性，并搭建连续油管焊缝缺陷检测系统，弥补了目前工业领域在该方面的应用空白。1检测原理1.1周向SH0导波激励频率由于焊缝处显微组织的不均匀性，SH波所遭受的声束扭曲和衰减是较小的，电磁声换能器（EMAT）可以很容易地激励和接收SH波，为了设计本系统的SH0激励模态所对应的激励频率，首先需要对本系统的连续油管周向SH波频散曲线进行分析计算。根据 Vikyorov 的研究，周向SH波的特征方程为 Jp-1(ksr1)-Jp+1(ksr1)Yp-1(ksr1)-Yp+1(ksr1)Jp-1(ksr2)-Jp+1(ksr2)Yp-1(ksr2)-Yp+1(ksr2)=0（1）式中：p角波数；ks环向波数；r1、r2焊管的内、外半径；Jp第一类贝塞尔函数；Yp第二类贝塞尔函数。公式（1）的本征值即可组成频率-波数（w-p）频散曲线。分别利用公式（2）和公式（3）即可求出周向 SH波的相速度和群速度频散曲线cp(R)=pR=pR（2）cg(R)=gR=pR（3）以直径 116 mm、壁厚 3.5 mm 的连续油管为例，将相关参数代入公式（1）、（2）、（3）中，通过数值计算的方法求解，得出在此条件下该连续油管周向 SH 波频散曲线，如图 1所示。通过图 1 可知，该油管周向 SH1 模态波的截止频率约为 0.5 MHz，当激励频率低于0.5 MHz 时，在管内仅存在 SH0 模态，因此为激励单一模态周向 SH0 导波，激励频率应小于 0.5 MHz，以实现本系统所需的连续油管焊缝检测。1.2换能器原理为了激发出周向SH导波，需要对其产生机理进行研究。电磁超声的导波激励可分为基于洛伦兹力和基于磁致伸缩效应，其中在铁磁性材料图1116 mm连续油管周向SH波频散曲线 20第1期程偲等：直缝焊管焊缝质量电磁超声检测方法研究HAN GUAN 的检测中磁致伸缩效应一般起主导作用，且在电磁超声导波检测中也日益被关注，因此本研究采用磁致伸缩效应激励产生周向 SH波。其激励原理如图 2 所示，当回折型线圈中通以高频电流 I 时，将在被测试件中产生同频的感生交变磁场 BD，而回折型线圈相邻导线之间的电流方向相反，因此相邻导线的感生交变磁场 BD的方向也相反，这一交替变化的交变磁场 BD与外加的静态偏置磁场 BS共同作用于被测油管，使得被测油管构件由于磁致伸缩效应产生水平剪切应力 I，形成周向 SH导波。其中，周向 SH 波的传播方向沿管的周向方向，质点的振动沿管的轴线方向，因此针对油管的轴向缺陷和周向缺陷都将影响周向 SH0导波的周向传播，进而产生缺陷回波信号，以实现全方向缺陷检测。1.3检测探头设计为了实现对激励模态的控制，需要对检测线圈进行设计。因为SH0模态的相速度与群速度几乎不受激励频率影响，与缺陷作用时不会发生模态转变，因此选用SH0模态进行油管焊缝缺陷检测。由于回折线圈的折间距d与激发导波的波长满足公式（4）的关系，因此在相速度频散曲线中，通过绘制一条斜率为的斜线，即可直观的看出可行的EMAT工作点，再根据激励模态的需求确定所需的激励频率f和回折线圈的折间距d，即d=/2=cp/2f（4）如图3所示，当导波波长分别为9 mm和4 mm时，其绘制的斜线与相速度频散曲线均存在一定的相交点，对应了欲激励出该导波波长可能的激励频率与激励模态。以=9 mm 为例，其与 SH0 和 SH1 模态均有交点，但在 SH1 模态对应的激励频率下也可能激发出 SH0 模态的导波，导致激发的导波模态不唯一，后续模态分离与处理也会更加困难，而在 SH0模态交点对应的激励频率下仅存在 SH0单一模态，因此本系统设计的激励频率应当在相速度曲线中仅对应唯一的周向 SH0模态。为了增强周向 SH0导波的缺陷检测灵敏度，需要尽可能增加激励频率以降低导波波长，而频率越高导波在传播过程中的衰减也会越快，因此综合考虑检测灵敏度与导波在传播过程中的衰减之间的矛盾，采用的激励频率为 0.4 MHz，在此频率下 SH0 导波相速度cp3 252.5 m/s，群速度cg3 252.5 m/s，波长=cp/f8 mm，为此，检测探头中回折线圈的折间距d=4 mm。2试验验证2.1试验平台为验证上述激励频率和探头设计能否实现油管焊缝缺陷检测，搭建如图4所示的试验平台，利用 U型磁轭式磁化器沿油管轴线方向施加磁化，电磁超声瓦探头放置于磁轭中部位置，在静态偏置磁场作用下紧贴油管表面，焊缝位于检测探头9点钟方向。利用导波测量系统向EMAT探头施加 500 V、0.4 MHz、3 个脉冲串的激励信号，通过改变电磁超声检测探头的检测工位，观察不同工位上SH波的回波特征。其中1号检测工位位于油管左部，SH波在传播过程中经过的焊缝处有 1.0 mm 通孔缺陷；2 号检测工位位于油管中部偏左，SH波在传播过程中经过的焊缝无缺陷；3号检测工位位于油管中部偏右，SH波在传播过程中经过的焊缝无缺陷；4号检测工位位于油管右部，SH波在传播过程中经过的焊缝处有0.6 mm盲孔缺陷。图2基于磁致伸缩效应激励的EMAT产生周向SH波原理图3周向SH波模态控制原理 212023年 第 46 卷焊 管2.2试验结果图5所示为2号检测工位接收信号示意图，对其进行滤波和包络处理后能够明显看到焊缝反射回波信号及焊缝透射油管全周接收信号。因为焊缝位于探头布置位置9点钟方向，焊缝反射回波与焊缝透射全周回波之间相差半个圆管周期飞行时间，提取焊缝反射回波和透射回波飞行时间，绘制实际油管周向SH波速曲线如图6所示。由图6可以看出，实际油管中周向SH0导波的传播速度为3 277 m/s，与理论计算得到的3 252.5 m/s相近。且从图6可知，周向SH0导波在传播过程中无频散现象，波速随传播时间未发生变化。为验证不同检测工位焊缝反射回波和透射回波的差异，4 组检测工位接收信号包络对比如图 7所示。从图7中红色虚线所对应的焊缝透射回波信号可知，在工位1和工位4焊缝处透射信号幅值明显小于检测工位2、3处的焊缝透射信号。根据声波透射原理，周向SH0波在经过焊缝时会由于焊缝处晶格组织不均匀而发生反射，其余声波能量则能够透过焊缝继续传播。而周向SH0波因为焊缝组织不均匀受到的声衰减是较小的，若此时在焊缝中存在缺陷，则会增加焊缝处SH波能量衰减，使得焊缝透射信号幅值能量进一步减低。由于检测工位1焊缝处存在1.0 mm通孔缺陷、检测工位4焊缝处存在0.6 mm盲孔缺陷，因此这两个部位检测到的焊缝回波信号幅值能量明显小于焊缝无缺陷情况下检测工位2、3处的接收信号。因此，若检测探头采用一发双收，接收线圈沿连续油管轴向布置且差动连接，则通过分析相邻两通道焊缝透射信号的差值可实现焊缝缺陷检测。图8为工位1、工位2的差动信号对比、工位3、工位4差动信号对比和工位2、工位3差动信号对比图。从图8中可以看出，工位1、工位2处接收信号和工位3、工位4处接收信号经过差动处理后能够明显增强焊缝透射回波信号，而工位2、工位3处接收信号差动处理后焊缝透射回波图6实际油管周向SH波速曲线图5工位2检测信号图4焊缝缺陷检测试验平台及检测工位图7四个工位检测信号对比 22第1期程偲等：直缝焊管焊缝质量电磁超声检测方法研究HAN GUAN 信号明显减弱。由此说明通过接收线圈之间的差动连接能够实现焊缝缺陷检测，在本次试验中能够实现焊缝处1.0 mm通孔和0.6 mm盲孔缺陷的检测。3结 论（1）通过SH频散曲线数值计算得出的SH0群速度与试验实际测得的油管中SH0模态波速相符，并且SH0波在传播过程中模式干净、无频散现象。（2）通过试验分析研究，当焊缝中存在不同缺陷时，将会引起SH0波在焊缝处回波信号产生不同程度衰减，采用一发双收和差动接收的探头结构，能够实现对焊缝缺陷进行检测，在本次研究中实现了对焊缝处0.6 mm盲孔和1.0 mm通孔的缺陷检测。参考文献：1 王立敏，宋志龙，常家玉.连续油管电磁无损检测试验分析及应用 J.石油矿场机械，2015，44（7）：60-63.2 徐惠妍.不锈钢薄板搭接激光焊接头超声相控阵检测研究D.长春：长春工业大学，2018.3 冯镇江.焊接检验中超声检测技术的实际应用 J.科技经济导刊，2017（23）：125-130.4 PASSINI A，OLIVEIRA A，RIVA R，et al.Ultrasonic inspection of AA6013 laser welded joints J.Materials Research，2011，14（3）：417-422.5 陈晓晨，陈九根，郑军.漏磁检测技术在油罐缺陷检测中的应用 J.石化技术，2021，28（8）：112-114.6 YANG L，ZHANG S，GAO S.ANSYS simulation technology of pipeline magnetic flux leakage inspection J .Advanced Materials Research，2013（5）：992-997.7 戴光，吴忠义，朱祥军，等.管道内外壁缺陷的漏磁检测 J.无损检测，2018，40（3）：19-23，28.8 崔巍，戴光，龙飞飞，等.钢板对接焊缝漏磁检测可视化方法J.无损检测，2013，35（5）：8-11.9 朱胜君，丁小九，李国忠，等.基于涡流检测方法的焊缝疲劳监 测 系 统 的 设 计 研 究J.中 国 设 备 工 程，2021（20）：162-163.10 马冰洋，黄桂林，杨泽榕.不锈钢焊缝的涡流正交探头检测试验 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