薛盛龍，付躍文，顧增濤

(南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063)

?

周邊管道對(duì)帶包覆層管道脈沖渦流檢測(cè)的影響

薛盛龍，付躍文，顧增濤

(南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063)

在對(duì)帶包覆層管道進(jìn)行脈沖渦流檢測(cè)時(shí)，帶包覆層管道周圍經(jīng)常存在其他管道，這些管道會(huì)對(duì)脈沖渦流管道檢測(cè)造成干擾。針對(duì)這種情況，建立了周邊管道在被檢測(cè)管道的兩側(cè)且與檢測(cè)管道平行的仿真模型，比較周邊管道與被檢測(cè)管道不同距離情況下的干擾影響。進(jìn)行了周邊管道在不同位置的多組試驗(yàn)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，周邊管道在被檢測(cè)管道兩側(cè)0.6 m處時(shí)開始影響檢測(cè)結(jié)果。

脈沖渦流檢測(cè); 周邊管道;干擾;仿真

帶包覆層鐵磁性管道在石油、化工等領(lǐng)域被普遍應(yīng)用，并且已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的部分。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，管網(wǎng)數(shù)量和里程都快速增長(zhǎng)。這些鐵磁性管道在有傳輸介質(zhì)時(shí)，為了防止介質(zhì)的能量通過管道表面造成過大損失，往往會(huì)在管道的外層加上一層厚厚的保溫層；同時(shí)又為了避免保溫層遭受外部壞境的破壞，在保溫層外面又會(huì)加上一層一定厚度的金屬保護(hù)層[1]。最外層的金屬保護(hù)層材料一般為鋁皮、白鐵皮等，厚度一般在1～2 mm范圍內(nèi),即常用包覆層管道[2]。包覆層鐵磁性管道大多為普通碳素鋼管和低合金鋼管等鐵磁性管道,這些管道會(huì)發(fā)生外壁腐蝕和內(nèi)壁腐蝕。包覆層管道中的保溫層材料多含有礦物鹽成分，其結(jié)構(gòu)疏松多孔且極易吸水，當(dāng)包覆層管道的外層金屬保護(hù)層發(fā)生破裂時(shí)，雨水等自然介質(zhì)就進(jìn)入保溫層材料中并與金屬管壁發(fā)生氧化作用和電化學(xué)反應(yīng)，時(shí)間一長(zhǎng)就造成了包覆層下的管道壁厚外壁腐蝕(Corrosion-under-insulation ,CUI)[2]。管輸介質(zhì)內(nèi)含有的腐蝕性雜質(zhì)的成分和含量復(fù)雜，又經(jīng)常運(yùn)行在高溫高壓環(huán)境下，因此管道很容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕[3]。常規(guī)的無損檢測(cè)技術(shù)都需要先去除管道外的包覆層再進(jìn)行檢測(cè)，而且都需要進(jìn)行停機(jī)檢測(cè)[4-6]，而脈沖渦流檢測(cè)就不用去除包覆層,所以需要研究帶包覆層管道的脈沖渦流檢測(cè)。但是在實(shí)際檢測(cè)中，很少對(duì)單根管道進(jìn)行檢測(cè)，通常周圍都有其他管道，這些管道對(duì)被檢測(cè)管道上的磁場(chǎng)是有影響的。因此研究這些管道在不同位置對(duì)檢測(cè)的影響是有必要的。

1　帶包覆層管道的脈沖渦流檢測(cè)基本原理

脈沖渦流檢測(cè)(PEC, Pulsed Eddy Current)技術(shù)采用的是具有一定占空比的脈沖方波信號(hào)作為激勵(lì)，由工件上脈沖渦流信號(hào)引起檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓變化作為檢測(cè)分析結(jié)果[7-8]，該檢測(cè)技術(shù)能穿透包覆層管道一定厚度的金屬保護(hù)層和保溫層，并檢測(cè)到不同深度的缺陷[9-10]。將方波信號(hào)加載在激勵(lì)線圈兩端，當(dāng)瞬間關(guān)斷激勵(lì)線圈兩端的方波激勵(lì)信號(hào)時(shí)，激勵(lì)線圈就會(huì)感應(yīng)生成一個(gè)快速衰減的脈沖磁場(chǎng)，快速衰減的脈沖磁場(chǎng)在導(dǎo)體試件中就會(huì)感應(yīng)出脈沖渦流；最后脈沖渦流又會(huì)感應(yīng)出一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)，脈沖渦流感應(yīng)的二次磁場(chǎng)在檢測(cè)線圈上又會(huì)感應(yīng)出瞬態(tài)的感應(yīng)電壓。如果試件上有缺陷，就會(huì)對(duì)試件上的脈沖渦流分布產(chǎn)生影響，渦流的變化又會(huì)影響感應(yīng)磁場(chǎng)的變化，磁場(chǎng)的變化最終會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓發(fā)生變化，所以通過分析檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓，就可以得到試件上的缺陷信息[11-13]。

在帶包覆層鐵磁性管道腐蝕的脈沖渦流檢測(cè)時(shí)，傳感器線圈置于包覆層管道的外層，傳感器線圈由激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈兩部分構(gòu)成。檢測(cè)激勵(lì)線圈采用雙極性脈沖方波電流作為激勵(lì)，當(dāng)瞬間關(guān)斷激勵(lì)線圈中的電流時(shí)，在激勵(lì)電流的作用下，激勵(lì)線圈中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)快速衰減的脈沖磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過包覆層管道的外層和保溫層到達(dá)管壁中;然后變化的脈沖磁場(chǎng)又在鐵磁性管道材料中感應(yīng)出瞬時(shí)渦流，瞬時(shí)渦流又會(huì)感應(yīng)出二次磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)被檢測(cè)線圈接收，并感應(yīng)出瞬態(tài)感應(yīng)電壓。圖1所示為有腐蝕缺陷和無腐蝕缺陷時(shí)的感應(yīng)電壓衰減曲線，從圖中可以明顯看出有腐蝕區(qū)域的感應(yīng)電壓曲線衰減要快于無腐蝕區(qū)域的感應(yīng)電壓曲線衰減。

圖1　有無缺陷條件下的感應(yīng)電壓衰減曲線

2　仿真與試驗(yàn)

2.1仿真過程與結(jié)果

利用ANSYS軟件對(duì)管道進(jìn)行仿真，分別建立探頭在包覆層的水平兩側(cè)的模型并進(jìn)行計(jì)算。圖2所示為激勵(lì)線圈在包覆層一側(cè)的三維模型。之后對(duì)模型進(jìn)行屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、加載計(jì)算和后處理。

圖2　建立的仿真模型

提取出接收線圈的感應(yīng)電壓值，繪制出感應(yīng)電壓的衰減曲線。圖3(a)所示是在干擾管(周邊管道)距被檢測(cè)管0.5 m時(shí)的左右兩側(cè)的感應(yīng)電壓衰減曲線，此時(shí)曲線已經(jīng)失去了對(duì)稱性。圖3(b)所示的是右側(cè)(稱靠近干擾管的一側(cè)為右側(cè)，另一側(cè)為左側(cè))在無干擾管和干擾管距檢測(cè)管右側(cè)0.5 m情況下的感應(yīng)電壓衰減曲線，可見,干擾管已經(jīng)對(duì)感應(yīng)電壓的衰減有了影響。

圖3　接收線圈的仿真感應(yīng)電壓衰減曲線

2.2試驗(yàn)系統(tǒng)

采用的檢測(cè)系統(tǒng)含發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、專用阻尼線、自制檢測(cè)探頭、供電電源等，圖4為試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。探頭由一個(gè)發(fā)射線圈和一個(gè)接收線圈組成，發(fā)射機(jī)主要對(duì)激勵(lì)線圈進(jìn)行供電，接收機(jī)對(duì)檢測(cè)線圈信號(hào)進(jìn)行接收。

圖4　試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)

2.3試驗(yàn)方法及步驟

為了研究干擾管在不同位置對(duì)檢測(cè)的影響，在包覆層的水平兩側(cè)分別采集數(shù)據(jù)，由于管道的對(duì)稱性，在沒有干擾管時(shí)，左右兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)是一樣的。但是在有干擾管的影響下，會(huì)使左右兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)失去對(duì)稱性。同時(shí)還可以研究干擾管對(duì)單點(diǎn)檢測(cè)的影響。 試驗(yàn)步驟為：① 探頭分別放置在包覆層的水平兩側(cè)，在無干擾管的情況下進(jìn)行多組試驗(yàn)，完成單管的數(shù)據(jù)采集。② 干擾管分別放置在距檢測(cè)管2，1.8，1.6，1.4，1.2， 1， 0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4 m處，進(jìn)行多組試驗(yàn)，完成雙管的數(shù)據(jù)采集。③ 對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。④ 利用畫圖軟件畫圖，使得試驗(yàn)結(jié)果更明顯。

2.4試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5(a)為在無干擾管的情況下，包覆層左右水平兩側(cè)感應(yīng)電壓的衰減曲線。由于管道的對(duì)稱性，左右兩側(cè)采集的信號(hào)數(shù)據(jù)是一樣的，所以感應(yīng)電壓衰減曲線也是一樣的。圖5(b)是在有干擾管的情況下，因?yàn)榫嚯x較遠(yuǎn)，干擾管對(duì)檢測(cè)的影響較小，所以左右的感應(yīng)電壓衰減曲線還是一樣的。圖5(c)是將干擾管移至距離檢測(cè)管0.6 m時(shí)，感應(yīng)電壓衰減曲線開始發(fā)生了變化。圖5(d)是干擾管移至距檢測(cè)管0.4 m時(shí)，感應(yīng)電壓衰減曲線變化更加明顯，失去了對(duì)稱性。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行分析，由于右側(cè)距離干擾管更近，所以干擾管會(huì)先對(duì)右測(cè)有影響，導(dǎo)致了左右的數(shù)據(jù)不一致，失去對(duì)稱性。取有無干擾管時(shí)，右側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在距離為0.7～2 m范圍時(shí)，干擾管的影響較小，感應(yīng)電壓的衰減曲線一致。圖5(e)為干擾管移動(dòng)到距檢測(cè)管右側(cè)0.6 m時(shí)，感應(yīng)電壓衰減曲線變化。圖5(f)為干擾管移到距檢測(cè)管右側(cè)0.4 m時(shí)，感應(yīng)電壓衰減曲線變化更加明顯。

圖5　包覆層左右兩側(cè)感應(yīng)電壓衰減曲線

3　結(jié)語

對(duì)帶包覆層管道腐蝕進(jìn)行脈沖渦流檢測(cè)時(shí)，當(dāng)干擾管距檢測(cè)管水平兩側(cè)小于0.6 m，干擾管會(huì)影響磁場(chǎng)在檢測(cè)管中的傳播，導(dǎo)致感應(yīng)電壓的衰減曲線發(fā)生變化，使得管道兩側(cè)的磁場(chǎng)對(duì)稱性消失。干擾管會(huì)影響試驗(yàn)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，探頭在靠近干擾管的一側(cè)檢測(cè)時(shí)，干擾管也會(huì)影響接收線圈采集的感應(yīng)電壓的衰減曲線，使得電壓衰減緩慢。

[1]WINNIK S.Corrosion under insulation (CUI) guidelines[M]. UK: Woodhead Publishing Ltd, 2008.[2]黃琛.鐵磁性構(gòu)件脈沖渦流測(cè)厚理論與儀器[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011:2-3.

[3]于培林,姚安林,劉曉艷,等.油氣管道外檢測(cè)技術(shù)的綜合應(yīng)用[J].全面腐蝕控制,2008,22(2):5-9.

[4]辛偉.工業(yè)管道腐蝕脈沖渦流檢測(cè)傳感器仿真研究[D].太原：中北大學(xué),2009:1-2.

[5]鄭中興，韓志剛.穿透保溫層和防腐層的脈沖渦流檢測(cè)壁厚檢測(cè)[J].無損探傷，2008,32(1)：1-4.

[6]段成功.基于脈沖渦流的管道檢測(cè)方法研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2013:1-3.

[7]周德強(qiáng)，張斌強(qiáng)，天貴云，等.脈沖渦流檢測(cè)中裂紋的深度定量及分類識(shí)別[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009,30(6)：1190-1194.

[8]張維思，王曉鋒，楊賓峰，等.基于新特征量的脈沖渦流裂紋缺陷定量檢測(cè)仿真分析與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010,46(12): 25-30.

[9]康小偉，付躍文.帶包覆層鐵磁性管道腐蝕脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)[J].無損檢測(cè)，2011,33(9)：40-42.

[10]武新軍，黃琛，丁旭，等.鋼腐蝕脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].無損檢測(cè)，2010,32(2):127-130.

[11]張斌強(qiáng).脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009:8-9.

[12]何赟澤.脈沖渦流無損檢測(cè)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008:9-10.

[13]DAVID S.Crack detection in magnetic material with a flexible coil using partial saturation pulsed eddy current technique[D]. Canada: College Militaire Royal, 2005.

Influence of Surrounding Pipes Pulsed Eddy Current Testing of Pipeline with Insulation

XUE Sheng-long, FU Yue-wen, GU Zeng-tao

(Key Laboratory of Nondestructive Testing (Ministry of Education), Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063, China)

When conducting a pulsed eddy current testing of corrosive pipeline with cladding layer,other channels are often surrounded by other popes in the vicinity, causing interference detection.For this case,the simulation model of interference tube,which is on the both sides of the test pipe and parallel to the direction of the detection,has been formed,comparing the impact of interferences in case of different distances.Meanwhile,several experiments of interference tube at different positions have also been conducted in order to make a comparison with the simulation.The simulation and experimental results show that test results will be affected when the interference detection pipe is 0.6m apart from the detection tube on both sides.

Pulsed eddy current testing; Surrounding pipe; Interference; Simulation

2015-05-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51565043);國(guó)家重大儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013YQ140505)

薛盛龍(1990-)，男，碩士，研究方向?yàn)殡姶艧o損檢測(cè)。

10.11973/wsjc201603001

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0001-03