張曦郁， 李 勇， 敬好青， 閆 貝

(1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室 核能結(jié)構(gòu)安全檢測與完整性評價研究中心，陜西 西安 710049； 2.西安軍代局，陜西 西安 710043)

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研究與探討

鐵磁性套管脈沖遠場渦流檢測激勵參數(shù)優(yōu)化*

張曦郁1,2， 李 勇1， 敬好青1， 閆 貝1

(1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室 核能結(jié)構(gòu)安全檢測與完整性評價研究中心，陜西 西安 710049； 2.西安軍代局，陜西 西安 710043)

利用脈沖遠場渦流檢測對于鐵磁性雙層套管腐蝕缺陷的檢測優(yōu)勢，針對雙層套管內(nèi)管外壁、外管內(nèi)壁和外管外壁三處腐蝕缺陷，就激勵參數(shù)變化對于系統(tǒng)靈敏度影響程度進行了研究，通過仿真和實驗手段選擇最佳激勵參數(shù)，實現(xiàn)了脈沖遠場渦流檢測系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，并彌補了前期缺少相關(guān)研究的不足。

脈沖遠場渦流； 鐵磁性雙層套管； 亞表面腐蝕缺陷； 解析模型； 靈敏度分析

0 引 言

鐵磁性雙層套管作為很多大型機械的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域。由于長期服役于高濕、高壓等惡劣環(huán)境,套管管壁極易產(chǎn)生腐蝕性缺陷,管道結(jié)構(gòu)遭到破壞,在影響使用的同時存在極大的安全隱患[1,2]。為了規(guī)避風(fēng)險,對服役管道定期進行在線無損檢測和安全評估就顯得尤為重要。目前,常用的無損檢測方法主要有：超聲檢測、射線檢測、漏磁檢測、渦流檢測等。每種檢測方法在不同情況下都有其優(yōu)勢,但對服役管道在線檢測時均存在一定弊端。如，超聲檢測需要耦合劑,試件表面需一定的光潔度,這在管道實際的工業(yè)檢測中較難實現(xiàn)[3]；射線檢測存在放射源,對工作人員及環(huán)境均會造成一定的不良影響,因而不適用于外場檢測[4,5]；常規(guī)渦流檢測受到集膚效應(yīng)的影響,對鐵磁性管道檢測能力有限[6,7]。脈沖遠場渦流(pulsed remote field eddy current,PRFEC)檢測是一種新興的電磁無損檢測技術(shù),檢測探頭由間隔一定距離的激勵線圈與檢測機構(gòu)組成,激勵線圈施加脈沖信號,檢測機構(gòu)接收二次穿過管壁的渦流信號,對管壁缺陷進行判定,由于進行了2次穿過管壁,該方法對于管道腐蝕缺陷的檢測具有明顯的優(yōu)勢[8～10]。

隨著無損檢測的發(fā)展,PRFEC檢測技術(shù)越來越受到重視,Sun Y等人將遠場渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用擴展到飛機多層結(jié)構(gòu)的檢測之中,通過對傳感器的改進設(shè)計,實現(xiàn)了對多層結(jié)構(gòu)中深層缺陷的檢測[11]。吳德會等人借助有限元方法分析了檢測信號相位與缺陷幾何參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系[12]。王亞午等人研究了探頭運行速度對遠場渦流檢測缺陷響應(yīng)信號的影響[13]。

本文檢測對象為鐵磁性雙層套管,缺陷類型為管壁全周腐蝕缺陷,缺陷位置分別設(shè)置在內(nèi)管外壁(CEI)、外管內(nèi)壁(CIO)和外管外壁(CEO)處。通過改變?nèi)毕萆疃?分析系統(tǒng)檢測靈敏度,選擇使系統(tǒng)靈敏度最高時的激勵周期和占空比,實現(xiàn)激勵參數(shù)的優(yōu)化。文中所述腐蝕缺陷檢測均針對亞表面腐蝕(subsurface corrosion,SSC)缺陷。

1 鐵磁性雙層套管PRFEC檢測解析模型

圖1為鐵磁性多層套管PRFEC二維軸對稱模型,其中,檢測探頭包括與被測套管同軸放置的激勵線圈(內(nèi)半徑為r1,外半徑為r2,高度為H,匝數(shù)為N)和貼近套管內(nèi)壁且與激勵線圈相距一定距離放置的磁場傳感器組成。鑒于本文著重研究的缺陷為全周大面積腐蝕缺陷(其長度遠大于檢測探頭高度)且激勵線圈磁場具有對稱性,所建立模型為偶對稱模型(z=0處磁場r分量為0),模型中僅涉及原探頭的1/2(zc=H/2,匝數(shù)為N/2)。基于截斷區(qū)特征函數(shù)展開法(extended truncated region eigenfunction expansion,ETREE)[14～16],磁場傳感器輸出信號的解析表達式為

(1)

圖1 套管脈沖遠場渦流檢測二維軸對稱模型

(2)

(3)

式中 A,T,υ和τ分別為激勵電流信號的最大幅值、周期、占空比和上升/下降時常數(shù)。an和bn寫為

(4)

(5)

對于鐵磁性雙層套管PRFEC檢測,可將圖1所示區(qū)域l(l=2,4,5,6,…,L)的材料電氣參數(shù)設(shè)置為導(dǎo)電率σl=0,相對磁導(dǎo)率μl=1,結(jié)合式(1)和式(3),即可對在不同激勵參數(shù)條件下的磁場傳感器(軸向位置zs≥4d4)輸出信號進行快速計算。

2 仿真與討論

為了研究激勵占空比υ和周期T對系統(tǒng)檢測靈敏度的影響,建立仿真模型,分析檢測信號的變化情況。具體仿真模型參數(shù)如表1所示,選取檢測信號峰值PV為特征量,檢測傳感器放置于rs=15.0mm,zs=92mm,內(nèi)層、外層套管壁厚均為3mm,缺陷位置分別設(shè)置CEI,CIO和CEO共3處,缺陷深度D在0～2mm范圍內(nèi)變化。

表1 管道和激勵線圈參數(shù)

2.1 激勵周期優(yōu)化

首先尋找最佳激勵周期T。設(shè)定激勵占空比為20 %[7],使激勵周期T在10～50 ms范圍內(nèi)變化,在不同參數(shù)激勵下,檢測存在缺陷的套管,分別提取檢測信號峰值PV,將PV與對應(yīng)D擬合得到關(guān)聯(lián)曲線,如圖2。從圖中可以看出:無論缺陷所處何位置,峰值PV均隨著缺陷深度D的增大而增大,而周期T增大時,峰值PV同樣隨之增大,這是由于激勵周期越大,系統(tǒng)所能提供的能量也就會越大。

圖2 不同激勵周期下檢測信號峰值PV與缺陷深度D關(guān)聯(lián)曲線

為了直觀地顯示周期T對系統(tǒng)檢測的影響,將圖2中各關(guān)聯(lián)曲線分別線性化處理,并提取斜率K,K值大小一定程度上能夠反映系統(tǒng)檢測靈敏度。將周期T與其相對應(yīng)的斜率K逐一擬合得到關(guān)聯(lián)曲線,如圖3所示,3條曲線分別代表缺陷所處管壁不同位置的3種情況。觀察可知：檢測CEI,CIO,CEO缺陷,激勵周期T分別在31,28,29 ms時,各關(guān)聯(lián)曲線分別取得峰值Kmax,即系統(tǒng)靈敏度達到最高。由此可見,激勵周期T的改變確實可以影響系統(tǒng)的檢測靈敏度,而該仿真模型系統(tǒng)在T∈(28，31) ms時，系統(tǒng)靈敏度相對較高。選定T=28.5 ms,即激勵頻率f=1/T=35 Hz用于后續(xù)選取最佳激勵占空比。

圖3 激勵周期T對PRFEC檢測SSC靈敏度的影響

2.2 激勵信號占空比優(yōu)化

選擇最佳占空比的思路和仿真數(shù)據(jù)處理方法與上述相同。設(shè)定激勵周期T=28.5 ms,使激勵占空比υ在0.1～0.5范圍內(nèi)變化,在不同占空比υ激勵下獲得峰值PV與缺陷深度D的關(guān)聯(lián)曲線,如圖4所示。

圖4 不同激勵信號占空比下檢測信號峰值PV與缺陷深度D關(guān)聯(lián)曲線

觀察圖4可知,檢測信號峰值PV隨著缺陷深度D的增大而增大,同樣當(dāng)占空比逐漸變大時,峰值PV也會逐漸增大,這與改變激勵周期情況的原理相同,占空比越大,系統(tǒng)激勵所提供的能量也就相對更大,峰值相應(yīng)也會增大。將圖4中各關(guān)聯(lián)曲線線性化,分別提取斜率K,將K與其對應(yīng)占空比υ擬合,得到關(guān)聯(lián)曲線如圖5所示。

圖5 占空比υ對PRFEC檢測SSC靈敏度的影響

由圖5可以看出:檢測CEI,CIO,CEO缺陷,占空比分別在0.34,0.29,0.30時,各關(guān)聯(lián)曲線分別取得峰值Kmax,即系統(tǒng)對于SSC的檢測靈敏度達到最佳。綜上,選擇υ=0.30作為PRFEC系統(tǒng)的最佳占空比參數(shù)。

3 實驗驗證

為了進一步驗證仿真結(jié)果,根據(jù)上述模型參數(shù),搭建實驗系統(tǒng),如圖6。

圖6 PRFEC實驗系統(tǒng)

實驗選用試件為鐵磁性無縫鋼管,探頭由激勵線圈和隧道磁電阻(TMR)傳感器組成,激勵線圈和管道尺寸與仿真參數(shù)相同,管道長度為500 mm。激勵線圈中添加鐵芯,用來增強磁場強度,鐵芯內(nèi)外徑分別為6,12 mm,高度為15 mm。實驗時,激勵方波信號經(jīng)過功率放大器后施加于激勵線圈,TMR傳感器位置rs=15.0 mm,zs=90 mm,拾取到的遠場檢測信號經(jīng)過差分放大和低通濾波后,由數(shù)據(jù)采集卡實時采集。

缺陷位置選擇最容易被腐蝕的CEO,在管壁加工整管全周缺陷,深度D為0～2 mm。將檢測探頭放置于管道中央位置,提取檢測信號峰值,實驗數(shù)據(jù)處理與仿真相同。針對不同的T和v,提取K并擬合,系統(tǒng)靈敏度變化如圖7所示。

圖7 激勵周期和占空比對檢測系統(tǒng)靈敏度的影響

可以看出：1)當(dāng)T=30 ms時,系統(tǒng)靈敏度達到最大；2)當(dāng)υ=0.33時,系統(tǒng)靈敏度達到最大。實驗結(jié)果在仿真結(jié)果范圍內(nèi),但是具體針對外管外壁缺陷,兩個結(jié)果之間仍存在差異,這是由于實驗中采用無縫鋼管的電導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率與仿真參數(shù)不同,同時探頭結(jié)構(gòu)存在一定差異,實驗探頭中包含磁芯,導(dǎo)致遠場區(qū)域的距離發(fā)生變化。

4 結(jié) 論

通過仿真研究和實驗驗證,針對鐵磁性雙層套管管壁腐蝕缺陷,對PRFEC系統(tǒng)中激勵周期和占空比兩個參數(shù)進行優(yōu)化研究。在ETREE解析法的基礎(chǔ)上,開發(fā)了針對鐵磁性雙層套管腐蝕缺陷的PRFEC解析模型,對不同周期T和占空比υ激勵下系統(tǒng)靈敏度變化進行仿真,并通過實驗進一步驗證仿真結(jié)果。通過仿真與實驗研究,實現(xiàn)了對PRFEC系統(tǒng)激勵參數(shù)的優(yōu)化,為下一步實現(xiàn)缺陷識別和分類打下基礎(chǔ)。

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Optimization of excitation parameters for PRFEC inspection on FDP*

ZHANG Xi-yu1,2, LI Yong1, JING Hao-qing1, YAN Bei1

(1.Research Centre for Inspection and Evaluation of Nuclear Structural Integrity,State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures,School of Aerospace,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China；2.Xi’an Military Representative Bureau,Xi’an 710043,China)

Take advantage of pulsed remote field eddy current (PRFEC) test on corrosion defects of ferromagnetic double-casing pipe(FDP), aiming at defects of three subsurface corrosion(SSC) of external surface of inner casing pipe , internal surface of outer casing pipe, and external surface of outer casing pipe of FDP, study on effect of excitation parameters change on system sensitivity. The optimal excitation parameters are selected by simulation and experiment. Realize optimization of parameters of PRFEC test system, and make up for deficiency of related research.

pulsed remote field eddy current (PRFEC); ferromagnetic double-casing pipe (FDP); subsurface corrosion(SSC) defects; analytical modelling; sensitivity analysis

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0007—04

2017—06—01

國家自然科學(xué)基金資助項目(51477127/E070104)

TG 115.28

A

1000—9787(2017)08—0007—04

張曦郁(1989-),男,碩士研究生,研究方向為電磁無損檢測理論和試驗研究。

李 勇(1978-),男,通訊作者,博士,副教授,從事結(jié)構(gòu)完整性和裝備安全理論與技術(shù)研究工作,E-mail:yong.li@mail.xjtu.edu.cn。