基于超聲導波檢測的角鋼型材缺陷特性分析

鄭維剛，唐 紅，朱義東，趙振威，全順權，張留杰

(1. 國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧沈陽110006；2. 寧波永耀惠程電力科技有限公司，浙江寧波315000)

0 引 言

輸電線路鐵塔作為常見的高壓輸電線路支撐結構，具有施工快速、外形美觀等優點[1-2]。角鋼型材作為組裝建造輸電線路鐵塔的基材，在電力系統內應用廣泛，由于長時間工作在露天環境下，空氣中的H2O、NaCl等成分會逐漸侵蝕角鋼型材而產生腐化效應，導致角鋼型材不同位置出現壁厚減小的情況，嚴重時甚至會造成鐵塔發生傾斜或是斷裂倒塌[3-5]。因此，在長期運行后對輸電線路鐵塔進行監測，探究角鋼型材的銹蝕情況十分重要。

近年來，國內外學者對板材缺陷識別展開了大量研究工作。文獻[6]設計了一套符合輸電線路特色的輸電桿塔基礎塌方在線監測裝置，對輸電線路桿塔基礎塌方情況進行監測記錄。文獻[7]采取了現場檢測的方案，通過選取一定數量有代表性的鋼管桿塔，利用高精度的超聲波測厚儀在研究區內現場收集各桿塔探測到的相關信息，進行相關試驗，再對試驗結果作出定性分析，探究鋼管桿內壁的腐蝕程度。文獻[8-9]提出了對鋁板表面進行狀態檢測的蘭姆波檢測法，分析了鋁和鋯的頻散曲線的基本特性，證明蘭姆波檢測法可以用于無損檢測。文獻[10]對彈性波在各方向性質均相同的自由鋁板中的傳播特性進行研究，分析了蘭姆波在板中傳播的頻散特性，并給出蘭姆波在板中的頻率方程。文獻[11-12]分析了超聲蘭姆波在板中的傳播機理，介紹并研究了板中蘭姆波的激勵方法、缺陷檢測、多模態特性以及群速度和相速度的傳遞特性。文獻[13]采用脈沖反射回波法激發產生蘭姆波對輸電鐵塔角鋼型材中的缺陷進行檢測，研究了蘭姆波檢測角鋼型材邊緣和連接處腐蝕缺陷的可行性，實驗表明蘭姆波可以很好地兼顧長距離檢測和精度的要求。文獻[14]對蘭姆波的檢測開展相關研究，主要應用超聲導波針對管道中的缺陷進行檢測，并探究了激勵信號、缺陷程度以及缺陷類型等方面對檢測結果的影響。

上述研究工作，為應用超聲蘭姆波對輸電鋼管塔角鋼型材進行缺陷檢測奠定了理論基礎。為此，本文對超聲蘭姆波的傳播機理進行分析，探究超聲蘭姆波在角鋼型材中的傳播特性，基于有限元理論通過數值模擬的方法對角鋼型材在不同激勵信號頻率下的回波效果以及超聲蘭姆波在不同缺陷狀態的角鋼型材中的傳播特性進行分析，以對超聲蘭姆波檢測角鋼型材缺陷的有效性進行檢驗。

1 超聲蘭姆波的基本特性

1.1 基本概念

當板狀結構體中存在缺陷、裂紋或邊界時，蘭姆波作為常見的超聲導波，在傳播過程中會出現散射、反射以及透射等特征。因此，基于蘭姆波的傳遞特性，對反射回波的特征量進行分析，能夠判斷板狀結構體內部的健康狀態。蘭姆波的兩種振動狀態特性示意圖如圖1所示，其中在對稱模態下，超聲蘭姆波在傳遞過程中，質點振動矢量在板中關于x軸對稱，將各對稱模態分別記做而在反對稱模態下，超聲蘭姆波在傳遞過程中，質點振動矢量在板中關于原點對稱，將各反對稱模態分別記做[15]。

圖1 蘭姆波在板狀結構中傳播的振動狀態特性Fig.1 Vibration state characteristics of Lamb wave propagation in a plate structure

1.2 蘭姆波的頻散特性

頻散是超聲導波的重要特性，對其特征進行分析能為應用導波進行缺陷檢測提供強有力的理論依據。已知電力鐵塔角鋼鋼板厚度為 8 mm，鋼板中縱波傳播速度為 5 920 m·s-1，橫波的傳播速度為3 230 m·s-1，通過求解瑞利-蘭姆波(Rayleigh-Lamb)方程[16-17]，可得到不同頻率下的相速度cp的頻散特性曲線，結果如圖2所示。

圖2 不同頻率下的蘭姆波相速度頻散特性曲線Fig.2 Phase velocity dispersion curves of Lamb wave at different frequencies

式(1)為群速度cg和相速度cp的特性關系函數式[18]。式中：f為頻率；d為板材的厚度?；谑?1)求解得到群速度頻散特性如圖3所示。

圖3 不同頻率下的蘭姆波群速度頻散特性曲線Fig.3 Group velocity dispersion curves of Lamb wave at different frequencies

由圖2和圖3可知，雖然超聲導波在鋼板中的傳播具有多個對稱模態和多個反對稱模態，但在低頻狀態下只存在S0和A0兩種模態，如圖中的框線部分所示。通常，板內缺陷選擇以面內位移較大的S模態作為檢測模態，而對于板表面缺陷則選擇離面位移較大的A模態作為檢測模態，且在檢測過程中應盡量采用單一模式，以免相互干擾。因此，在對角鋼型材進行數值模擬和實驗檢測的過程中，選擇A0模態作為檢測信號的最優模態，通過設定探頭的激發角度，從而激勵出單一模式的A0模態導波，使得回波檢測效果更加明顯。

2 角鋼型材的數值建模分析

有限元作為一種高效的數值模擬法，廣泛應用于處理彈性波動力學中的各類復雜邊界問題中[19]。因此，本文使用有限元數值仿真軟件 ABAQUS進行角鋼型材超聲蘭姆波導波傳播的三維數值模擬，對蘭姆波在鋼板平面以及鋼板連接處的傳遞特性進行分析。以電力鐵塔角鋼型材的實際參數為基準，設定角鋼型材模型的長度為4 000 mm，寬度為40 mm，厚度為8 mm，連接處的夾角為90°，楊氏模量E為 210 GPa，泊松比ν為 0.32，密度ρ為7 850 kg·m-3，對導波在角鋼型材中的頻散特性、衰減特性以及傳遞特性展開研究。

2.1 導波在角鋼型材中的頻散特性

電力鐵塔角鋼型材是由兩塊角鋼鋼板組合連接而成的，其橫截面是一個夾角為90°的L型，導波在角鋼型材中的傳播特性與單一的角鋼鋼板有所差別。因此，不能簡單將角鋼的頻散特性與鋼板的頻散特性相等同，而需要對角鋼型材的頻散曲線進行研究。

如前所述，在同一頻率下，導波的傳播散射模態各不相同，不同模態導波具有不同的群速度和相速度，其與缺陷的相互作用特性也各不相同[20]。同樣，在不同的脈沖激發周期數下的導波回波信號特征各不相同。一般來說，信號所激發的能量大小會隨著周期數的增大而增大，但如果正弦信號波形的寬度太大，則不利于識別相鄰缺陷，并且頻率太高還可能會造成大量模態的出現[21]。因此，在數值模擬中通常設定激發脈沖的周期數為10，在角鋼鋼板的一端分別設置不同中心頻率的A0模態導波，對角鋼型材的檢測效果進行仿真，加載的信號函數表達式為

式中：τ為信號的脈沖時間，τ=c/f，c為激勵脈沖周期數；A為幅值取1，取10個周期數的正弦信號?；谌鐖D4所示的無缺陷角鋼有限元模型進行導波傳播模擬，利用漢寧(hanning)窗調制10個周期數的正弦信號，并設定這些信號的中心頻率分別為50、80、120、160 kHz，激勵信號的激發和接收位置選擇在窄鋼板的同一邊緣處，即采用信號自發自收方式。

圖4為通過仿真模擬中心頻率分別為50、80、120、160 kHz的激勵信號接收到的角鋼型材端面回波特性曲線。

圖4 不同頻率下角鋼型材端面回波的波形特性Fig.4 Echo waveform characteristics at the end of angle steel section for different frequencies

由于角鋼型材并非單一板材，導波在角鋼的兩個窄鋼板上傳播以及導波在窄鋼板組成的角鋼的端角線上傳播均可能導致各種形式的干擾回波，這對檢測回波的影響很大。從圖4的接收端波形圖來看，激發頻率為50 kHz的回波波形不佳，其回波的寬度較大，幅值較高；而對于激發頻率為 80、120 kHz和160 kHz的回波波形，由于角鋼端角區域的影響，端面回波會受到其他干擾信號的影響，在端面回波前存在反射回波，容易誤判為角鋼型材缺陷，從仿真結果來看，80 kHz和160 kHz激發頻率的波形信噪比要比120 kHz激發頻率的波形信噪比低，容易誤判為角鋼中存在缺陷導致在端面回波前有反射回波。因此，本文選擇120 kHz作為激發頻率進行研究。

已知群速度cg的計算公式為

式中，L為導波傳播距離；Δt為接收到始波的時間差，不同頻率下接收到始波的時間差各不相同。將接收點設立在距離角鋼鋼板激發面 1 000 mm位置處，即L=1 000 mm，通過數值模擬可得到各個頻率下導波始波到達的時間差Δt，進一步求解出A0模態導波在角鋼中傳播的群速度。將其與單一鋼板中的A0模式蘭姆波群速度頻散曲線進行對比，結果如圖5所示。

圖5 蘭姆波在角鋼型材與單一鋼板中傳播的群速度頻散特性對比Fig.5 Comparison between the group velocity dispersion characteristics of Lamb wave propagation in the angle steel section and in the steel plate

由圖5可以看出，當頻率小于100 kHz時，A0模態導波在角鋼中的群速度與在同等厚度的單一鋼板中的群速度基本相同；而當頻率大于 100 kHz時，導波在角鋼中的群速度有所下降，但仍與單一鋼板中的群速度較為接近。這是因為超聲蘭姆導波在較高頻率下進行遠距離傳輸時，在角鋼端角區域與角鋼連接處產生干擾疊加而導致的。

2.2 導波在角鋼型材中的衰減特性

導波在角鋼型材的傳遞過程中，會受到溫度、應力、距離等因素的影響，對導波傳遞造成衰減。假設鋼型材所處的溫度環境以及鋼材各處的應力基本相同，探究距離對導波傳遞衰減特性的影響。同樣，在角鋼一端激發中心頻率為120 kHz的A0模態導波，分別在距離角鋼鋼板激發面 1 000、2 000、3 000 mm的同一角鋼鋼板處設置接收點，得到不同距離下的回波波形仿真結果如圖6所示。

圖6 不同距離接收的A0模態導波的回波波形Fig.6 Simulated echo waveforms of A0 mode guided wave received at different distances

基于圖6和圖7進行分析可知，對于中心頻率為120 kHz的A0模態導波，由于不是理想信號源，隨著距離增大，波面擴大，幅度減小。在傳播距離較短時，隨著傳播距離的增大，檢測到的回波信號幅值大幅下降；當傳播距離較長時，隨著傳播距離的增大，檢測到的回波信號幅值緩慢下降，并趨于穩定?；诰€性衰減系數計算公式，求解得到A0模態導波的衰減系數為0.001 8 dB·mm-1，證明了使用超聲導波對角鋼型材進行長距離檢測是可行的。

圖7 導波的衰減特性曲線Fig.7 Attenuation characteristic curve of guided wave

2.3 角鋼型材缺陷下的導波傳遞特性

分別建立角鋼鋼板邊緣腐蝕缺陷模型和角鋼鋼板連接處腐蝕缺陷模型，如圖8(a)和8(b)所示。在距離導波激發端1 500 mm處設定長為20 mm，寬為10 mm，缺陷深度分別為2、4、6 mm的凹槽缺陷，在角鋼鋼板同一位置對導波進行激發和接收，分別得到角鋼鋼板邊緣腐蝕缺陷和連接處腐蝕缺陷模型在不同深度缺陷下的回波波形，仿真結果如圖9所示。

圖8 角鋼鋼板腐蝕缺陷模型Fig.8 Corrosion defect model of angle steel section

從圖9的仿真結果來看，無論是角鋼鋼板邊緣缺陷還是連接處缺陷，缺陷回波的反射現象均會隨著缺陷深度的增加而變大，即缺陷反射回波幅值隨著缺陷深度的增大而增大。此外，對于角鋼連接處的缺陷，由于導波在兩個角鋼鋼板之間存疊加效應造成導波能量的損失，因而角鋼端角連接處缺陷的回波幅值要略小于角鋼邊緣處缺陷的回波幅值。

圖9 在角鋼鋼板不同位置的缺陷回波幅度隨缺陷深度的變化關系Fig.9 Variations of echo amplitude of the defect at different positions of angle steel plate with defect depth

3 角鋼型材缺陷實驗

為了驗證 ABAQUS軟件對角鋼型材進行缺陷導波檢測仿真的可行性和正確性，本節進行角鋼型材缺陷狀態下導波傳遞特性的實驗研究。實驗操作裝置如圖10所示，超聲信號發生接收器5077PR用于激發探頭產生導波，并接收缺陷反射的導波；數字示波器 TPS2024用于對導波信號進行顯示并存儲。實驗采用角束斜探頭激發頻率為 120 kHz的A0模態蘭姆波，基于式(3)和式(1)求解得到群速度cg為 3 135 m·s-1，相速度cp為 2 353 m·s-1，將探頭放置在角鋼一側進行信號激勵，產生A0模式的導波，對角鋼中的各類缺陷進行檢測。

圖10 角鋼型材缺陷檢測實驗布設Fig.10 Experimental layout for defect detection of angle steel section

首先得到無缺陷狀態下的角鋼型材實驗檢測波形如圖 11(b)所示，將其與數值仿真模擬結果11(a)進行對比，可以看出兩者的波達時間與群速度基本相符。

圖11 無缺陷狀態下仿真和實測的回波波形比較Fig.11 Comparison of the simulated and measured echo waveforms in defect-free condition

分別在距角鋼導波激發端 1 500 mm處的角鋼鋼板邊緣和連接處人為地加工缺陷，缺陷均長為20 mm，寬10 mm，深度為4 mm，與2.3小節有限元仿真參數保持一致。檢測得到角鋼型材邊緣缺陷和端角缺陷下的回波波形，將其與數值模擬結果進行對比，結果如圖12和圖13所示。

由圖12和圖13可知，無論是角鋼鋼板邊緣缺陷還是角鋼鋼板連接處的缺陷均能夠通過超聲導波的方法檢測出。此外，從邊緣缺陷和連接處缺陷的實驗檢測和數值模擬的對比分析結果來看，二者的缺陷回波和端面回波的時刻基本相符，在信號反射方面均能較好地吻合。已知缺陷回波的群速度，根據檢測到的反射時間計算得到的缺點位置與故障設置位置基本一致，證明了基于有限元理論的數值模擬方法能夠較好地對角鋼型材缺陷進行檢驗。

圖12 角鋼型材缺陷在邊緣的仿真和實測的回波波形比較Fig.12 Comparison of the simulated and measured echo waveforms for the angle steel section with a defect at edge

圖13 角鋼型材缺陷在連接處的仿真和實測的回波波形比較Fig.13 Comparison of the simulated and measured echo waveforms for the angle steel section with a defect at joint

4 結 語

超聲導波技術由于具有快速準確、檢測距離較長等優勢，可應用于材料的缺陷檢測。為此，本文對超聲蘭姆波的傳播機理進行分析，探究超聲蘭姆波在角鋼型材中的傳播特性；應用 ABAQUS有限元軟件對角鋼型材缺陷的超聲導波檢測進行了數值仿真，對其頻散特性、衰減特性以及缺陷狀態下的導波傳遞特性均進行了分析。結果表明缺陷反射回波幅值會隨著缺陷深度的增大而增大，且角鋼端角連接處缺陷的回波幅值要略小于角鋼邊緣處缺陷的回波幅值。最后，通過對比角鋼型材缺陷的實驗檢測結果與數值模擬結果，發現兩者具有較好的一致性，證明了基于ABAQUS仿真分析軟件對角鋼型材缺陷進行導波檢測研究的可行性和正確性。