王 鑫，付躍文

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

0 引言

鐵磁性材料的用途巨大，在核力發(fā)電、油氣運(yùn)輸、機(jī)械制造以及交通運(yùn)輸?shù)确矫婢哂袕V泛應(yīng)用［1-2］。而鐵磁性平板構(gòu)件占據(jù)著其中相當(dāng)大一部分比重，鐵磁性平板在長(zhǎng)期使用過(guò)程中易產(chǎn)生疲勞裂紋和腐蝕缺陷，對(duì)人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的威脅。為了避免此類(lèi)故障的發(fā)生，需要對(duì)鐵磁性平板件進(jìn)行無(wú)損探傷。近年來(lái)脈沖渦流(Pulsed Eddy Current，PEC)技術(shù)發(fā)展迅速，相比于傳統(tǒng)渦流技術(shù)(Eddy Current)而言，PEC技術(shù)具有信號(hào)頻譜豐富、響應(yīng)速度快、可以承受較大的激勵(lì)能量、檢測(cè)信號(hào)信息含量高等優(yōu)點(diǎn)［3-4］，其豐富的頻譜特性使得它不僅可以檢測(cè)試件表面，也可以有效地檢出試件內(nèi)部缺陷。

Alicia Romero Ramirez等［5］使用漏磁檢測(cè)技術(shù)(Magnetic Flux Leakage，MFL)對(duì)區(qū)分儲(chǔ)罐底板頂部缺陷與底部缺陷進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)表明，MFL檢測(cè)技術(shù)對(duì)于儲(chǔ)罐底板的頂部缺陷以及底部缺陷都有著良好的識(shí)別能力。但由于MFL技術(shù)在檢測(cè)時(shí)需要磁化被測(cè)導(dǎo)體件，而增加了工作量。

Naoya Kasai 等［6］使 用 遠(yuǎn) 場(chǎng) 渦 流 (Remote Field Eddy Current，RFECT)進(jìn)行鐵磁性平板背部腐蝕缺陷的實(shí)驗(yàn)研究，將平板用屏蔽裝置覆蓋，組成類(lèi)似于管道的閉合導(dǎo)體試件，將平板看做管道，使用RFECT可以檢測(cè)出鐵磁性平板的背部缺陷，此種檢測(cè)方式需要加輔助裝置才可以實(shí)現(xiàn)。

本研究以鐵磁性平板腐蝕缺陷為研究對(duì)象?；诿}沖渦流檢測(cè)原理，在無(wú)需磁化被測(cè)導(dǎo)體件以及增加輔助裝置的前提下，設(shè)計(jì)一種圓柱形脈沖渦流傳感器用來(lái)檢測(cè)鐵磁性平板腐蝕缺陷，該傳感器可以有效地檢測(cè)平板構(gòu)件表面缺陷以及背部缺陷。

1 平板構(gòu)件的脈沖渦流檢測(cè)原理

脈沖渦流技術(shù)也被稱(chēng)為暫態(tài)渦流檢測(cè)技術(shù)［7］，是一種特殊的渦流檢測(cè)技術(shù)。脈沖渦流技術(shù)與傳統(tǒng)渦流技術(shù)最大不同之處在于激勵(lì)方式上的差異。常規(guī)渦流技術(shù)是以周期性的正弦波作為激勵(lì)，脈沖渦流技術(shù)則使用一定占空比的方波或階躍波作為激勵(lì)。脈沖渦流檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)包括激勵(lì)中包含了多種頻率成分，頻譜范圍廣，穿透深度深［8］。因此，利用脈沖渦流技術(shù)進(jìn)行缺陷檢測(cè)可以有效地獲得被測(cè)構(gòu)件完整的缺陷信息。

如圖1所示，利用脈沖渦流檢測(cè)的方法對(duì)鐵磁性平板構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先產(chǎn)生雙極性方波脈沖到激勵(lì)線圈上，當(dāng)激勵(lì)電流由高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，由法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象，激勵(lì)線圈會(huì)感生出一個(gè)快速衰減的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)會(huì)在平板構(gòu)件中產(chǎn)生逐漸衰減的電渦流，該渦流會(huì)再次產(chǎn)生一個(gè)衰減磁場(chǎng)，通常稱(chēng)之為二次磁場(chǎng)［9］。衰減的二次磁場(chǎng)信號(hào)會(huì)被接收元件所采集，并以瞬時(shí)電壓的形式呈現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)瞬時(shí)電壓值的大小和變化，來(lái)判斷平板構(gòu)件的腐蝕狀況。

2 試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)

2．1 脈沖渦流試驗(yàn)平臺(tái)

搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。以12 V的移動(dòng)電源向發(fā)射機(jī)供電，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生激勵(lì)電流并在激勵(lì)線圈中通以雙極性脈沖波，激勵(lì)線圈在電流的作用下產(chǎn)生磁場(chǎng)作用于被測(cè)試件上，最后用接收線圈采集衰減信號(hào)，采集的信號(hào)通過(guò)接收機(jī)傳輸?shù)秸粕想娔X。在數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，掌上電腦、發(fā)射機(jī)以及接收機(jī)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通訊技術(shù)連接，可以在10 m范圍內(nèi)無(wú)障礙進(jìn)行操控，并使用掌上電腦進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、控制檢測(cè)以及實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果等功能。

圖1 脈沖渦流原理圖Fig．1 Pulse eddy current schematic

經(jīng)過(guò)相關(guān)的前期試驗(yàn)后，進(jìn)行鐵磁性平板構(gòu)件的腐蝕缺陷檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，使用大小為1．5 A的電流作為激勵(lì)源，頻率設(shè)為16 Hz。由于在該頻率時(shí)采集的衰減電壓曲線可以采集25個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，本試驗(yàn)以第15～19的5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為參考點(diǎn)。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)流程圖Fig．2 Experimental platform flow chart

2．2 試塊的制作

試塊為不銹鋼平板構(gòu)件，規(guī)格為長(zhǎng)200 mm、寬50 mm，厚度分別為3、6、9 mm。每個(gè)試塊共有8個(gè)腐蝕缺陷，其中4個(gè)為頂部缺陷，4個(gè)為底部缺陷。缺陷的孔徑均為2 mm，深度分別為1、2、3 mm。缺陷分布及實(shí)物圖如圖3所示。

2．3 傳感器的設(shè)計(jì)

為提高檢測(cè)探頭的靈敏度和分辨率，使用體積較小的線圈作為接收元件，較大的線圈作為激勵(lì)線圈。由于矩形線圈僅用于非鐵磁性材料的檢測(cè)中，所以綜合考慮之后選擇了圓柱形線圈作為激勵(lì)線圈。而圓柱形線圈通過(guò)激勵(lì)線圈與接收線圈同軸放置來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)，可以在一定程度上提高探頭的分辨率［10-11］。徐志遠(yuǎn)、雷美玲、Fan M等［12－14］通過(guò)試驗(yàn)研究了各種線圈參數(shù)如線圈直徑、高度、匝數(shù)、形狀以及阻抗等對(duì)PEC信號(hào)的影響，發(fā)現(xiàn)針對(duì)小面積缺陷，通過(guò)縮小線圈直徑、增加線圈匝數(shù)、降低線圈高度以及加大激勵(lì)能量，能夠提高采集信號(hào)的靈敏度與分辨率。

圖3 試件尺寸及實(shí)物圖Fig．3 Experimental specimen

`針對(duì)鐵磁性平板腐蝕缺陷設(shè)計(jì)一種雙線圈圓柱形傳感器。該傳感器包含1個(gè)激勵(lì)線圈和1個(gè)接收線圈，2個(gè)線圈以中心耦合的方式組合。如圖4所示，以圓柱形尼龍材料作為骨架，使用線徑為0．3 mm的漆包銅線均勻繞制匝數(shù)為100的線圈作為激勵(lì)線圈而成。接收線圈以無(wú)磁性的鎳鋅鐵氧體磁棒作為磁芯，用線徑為0．1 mm的漆包線在鎳鋅鐵氧體磁棒上繞制150匝而成。

圖4 脈沖渦流傳感器Fig．4 Pulse eddy current sensor

3 試驗(yàn)研究

3．1 缺陷的信號(hào)處理及分析

在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，以無(wú)缺陷處的信號(hào)為起始點(diǎn)，沿平板軸線方向逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。采集M個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都會(huì)形成一條橫坐標(biāo)為時(shí)間T，縱坐標(biāo)為電壓幅值U的衰減曲線。將M個(gè)測(cè)試點(diǎn)的電壓幅值提取出來(lái)排列在一起，組成一個(gè)M行、N列的矩陣X，如式(1)所示。行向量XN表示電壓衰減曲線，列向量XM表示剖面電壓曲線。

衰減曲線是一個(gè)測(cè)點(diǎn)的所有時(shí)窗測(cè)試值的連線，取信號(hào)的全部時(shí)窗進(jìn)行觀察分析。圖5中的2條曲線均表示電壓衰減曲線，紅色代表缺陷曲線、黑色代表無(wú)缺陷曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在有缺陷時(shí)，導(dǎo)體試件的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率都會(huì)產(chǎn)生變化。在信號(hào)衰減后期階段，由于電壓衰減速度的不同，在相同時(shí)間點(diǎn)有缺陷處的電壓幅值會(huì)小于無(wú)缺陷處的電壓幅值。

圖5 感應(yīng)電壓的衰減曲線Fig．5 Attenuation curves of induced voltage

以厚度為6 mm的不銹鋼平板試件上直徑2 mm、深度2 mm的背部腐蝕缺陷作為研究對(duì)象。圖6是一條有11個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)線的剖面電壓圖，剖面是指一條測(cè)線中相同時(shí)窗點(diǎn)的連線集。由圖5的衰減曲線可知，在不同測(cè)試點(diǎn)的相同時(shí)窗點(diǎn)處，缺陷處的感應(yīng)電壓值小于無(wú)缺陷處的感應(yīng)電壓值。由圖6可知，3、4號(hào)測(cè)試點(diǎn)的電壓值明顯低于無(wú)缺陷處的電壓值，表示該測(cè)試點(diǎn)區(qū)域有缺陷;6、7、8號(hào)測(cè)試點(diǎn)的電壓值也低于無(wú)缺陷處的電壓值，表示3處測(cè)試點(diǎn)處也存在缺陷。實(shí)際試件相對(duì)應(yīng)的4號(hào)測(cè)試點(diǎn)為表面腐蝕缺陷，7號(hào)測(cè)試點(diǎn)為背部腐蝕缺陷。兩者的衰減電壓幅值差別不大，難以判斷表面缺陷和背部缺陷的區(qū)別。

圖6 鐵磁性平板腐蝕缺陷Fig．6 Ferromagnetic plate member corrosion defect diagram

3．2 傳感器檢測(cè)能力分析

分別對(duì)平板厚度為3、6、9 mm的鐵磁性平板構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)掃查，并對(duì)深度為1、2、3 mm的缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓剖面處理，圖7表示不同厚度的平板上缺陷深度分別為1、2、3 mm 時(shí)的缺陷檢測(cè)圖，圖中顯示 5、6、7 號(hào)點(diǎn)為缺陷所在區(qū)域，每幅圖均以平板厚度為變量，反映了在缺陷規(guī)格相同時(shí)，傳感器分別對(duì)3、6、9 mm厚度平板的檢測(cè)效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，在缺陷規(guī)格相同的情況下，傳感器的檢測(cè)靈敏度會(huì)隨著平板厚度的增加而逐漸降低。

將缺陷處與無(wú)缺陷處的電壓差值ΔV提取出來(lái)定義為傳感器的靈敏度。圖8表示傳感器在3種不同厚度的平板上，對(duì)不同深度腐蝕缺陷的檢測(cè)靈敏度。結(jié)果表明，平板厚度與缺陷電壓差ΔV呈線性關(guān)系，隨著檢測(cè)平板厚度變小，缺陷電壓差ΔV逐漸變大，傳感器檢測(cè)能力增強(qiáng)。

圖7 不同缺陷深度的鐵磁性平板構(gòu)件腐蝕缺陷圖Fig．7 Corrosion defect diagram of ferromagnetic flat plate members with different depth defects

圖8 傳感器的檢測(cè)靈敏度Fig．8 Sensor detection sensitivity

4 結(jié)論

1)脈沖渦流的檢測(cè)方式可以有效檢測(cè)出鐵磁性平板構(gòu)件的腐蝕缺陷，可以檢測(cè)平板厚度為9 mm的背部腐蝕缺陷，點(diǎn)腐蝕缺陷大小為孔徑2 mm、深度1 mm。

2)對(duì)3、6、9 mm厚度鐵磁性平板上的背部腐蝕缺陷有一定的檢測(cè)能力，在缺陷規(guī)格相同的情況下，平板厚度越小，傳感器檢測(cè)能力越強(qiáng)，檢測(cè)效果越明顯。