，，

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測系統(tǒng)由管道內(nèi)布置的間隔2～3倍管徑距離的檢測線圈與激勵(lì)線圈組成[1]，脈沖信號(hào)作為激勵(lì)線圈的激勵(lì)源，檢測線圈接收到的是激勵(lì)線圈發(fā)出的穿過管壁的渦流信號(hào)，所以渦流檢測對管道內(nèi)外壁缺陷均有相同的檢測靈敏度[2-3]。由于其檢測成本低于其他無損檢測方法，且有操作簡單方便、檢測速度快、效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，在石油管道以及工業(yè)管道檢測方面得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。

脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)是檢測線圈感應(yīng)電壓的峰值和過零時(shí)間，但在低頻激勵(lì)情況下，由于小徑管缺陷檢測時(shí)檢測線圈的感應(yīng)電壓峰值和過零時(shí)間點(diǎn)太接近，會(huì)降低檢測分辨率。所以，在原有的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的脈沖雙遠(yuǎn)場技術(shù)，可以增加檢測的精確性。文中的脈沖雙遠(yuǎn)場是將兩個(gè)激勵(lì)線圈分別施加不同頻率的低頻脈沖信號(hào)，檢測線圈上會(huì)得到兩個(gè)脈沖信號(hào)的疊加信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)脈沖信號(hào)的感應(yīng)電壓峰值發(fā)生在同一時(shí)刻時(shí)，會(huì)形成疊加的峰值信號(hào)，取其為檢測極高峰值。在不同缺陷的情況下，極高峰值的數(shù)值不同，并結(jié)合不同時(shí)刻的峰值，通過數(shù)據(jù)比對可以對缺陷進(jìn)行初步的檢測。

1 脈沖雙遠(yuǎn)場渦流檢測的理論分析

1.1 脈沖雙遠(yuǎn)場渦流檢測的原理

脈沖雙遠(yuǎn)場渦流檢測模型如圖1所示，脈沖雙遠(yuǎn)場渦流檢測的探頭由3個(gè)相距一定距離的差動(dòng)式探頭組成，其中兩端的線圈為激勵(lì)線圈，中間的線圈為檢測線圈，用導(dǎo)軌將3個(gè)線圈連接，使線圈可以移動(dòng)，從而改變線圈間的距離[6]。在激勵(lì)線圈上分別施加頻率不同的脈沖激勵(lì)電流，由麥克斯韋電磁感應(yīng)原理可知，在線圈周圍的空間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)變化的磁場，瞬變磁場又會(huì)在鐵磁性管道管壁上產(chǎn)生一個(gè)瞬變的渦流磁場。檢測線圈接收到的渦流磁場會(huì)感應(yīng)出隨時(shí)間變化的電壓，當(dāng)管道管壁上有缺陷時(shí)，會(huì)對渦流的分布產(chǎn)生影響，最終檢測線圈接收的電壓會(huì)隨之改變[7]。利用這一原理，可以通過采集到的檢測線圈上的感應(yīng)電壓波形來判斷鐵磁性管道的缺陷信息。

圖1 脈沖雙遠(yuǎn)場渦流檢測模型

脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測線圈接收到的感應(yīng)電壓分為直接耦合能量和間接耦合能量，遠(yuǎn)場區(qū)的感應(yīng)電壓主要來自于間接耦合能量，改變激勵(lì)線圈與檢測線圈的距離會(huì)影響直接耦合能量與間接耦合能量的比例[8]。劉春艷等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)檢測線圈與激勵(lì)線圈間隔2～3倍管徑時(shí)檢測靈敏度最佳。在檢測線圈上增加磁屏蔽罩可以阻止直接耦合分量抵達(dá)檢測線圈，進(jìn)一步抑制磁場[11]。利用ANSYS Maxwell電磁有限元分析軟件的靈活建模能力進(jìn)行模型搭建[12-13]，在電磁瞬態(tài)場進(jìn)行仿真分析以及數(shù)據(jù)處理，說明了脈沖雙遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)的可行性及其效果。

1.2 脈沖雙遠(yuǎn)場渦流檢測的理論分析

由于脈沖雙遠(yuǎn)場渦流檢測線圈感應(yīng)到的電壓是由兩端激勵(lì)線圈發(fā)出信號(hào)的疊加，故對于單個(gè)檢測線圈的感應(yīng)電壓為

式中：A為矢量磁勢；B1，B2分別為兩端線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為檢測線圈的橫截面積；l為有限元單位長度；t為積分時(shí)間。

則檢測線圈上單匝線圈的整體瞬態(tài)感應(yīng)電壓Vf就可表示為

(2)

式中：r為檢測線圈半徑；z為檢測線圈高度。

對式(1)，(2)進(jìn)行有限元方法離散化數(shù)值計(jì)算，得到

?

(3)

式中：r0為有限元單元檢測線圈半徑；h0為有限元單元檢測線圈提離高度，由于脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測幾乎不受提離效應(yīng)的影響，故h0可以忽略；Af1為線圈1的離散化后的矢量磁勢；Af2為線圈2的離散化后的矢量磁勢。

將式(3)代入式(2)，可以得到N匝檢測線圈上整體瞬態(tài)感應(yīng)電壓的離散化，即

(4)

式中：Δi為第i個(gè)有限元的單元面積；rci為第i個(gè)有限元的單元中心距離；Aci為第i個(gè)有限元的單元中心磁矢位；N為線圈匝數(shù)。

因此，脈沖雙遠(yuǎn)場渦流檢測線圈的感應(yīng)電壓來自于兩端激勵(lì)線圈穿過管壁的渦流信號(hào)。

2 遠(yuǎn)場渦流檢測存在的問題

利用ANSYS Maxwell軟件搭建的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測模型，進(jìn)行脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測模型的仿真，得出在低頻小管徑中進(jìn)行遠(yuǎn)場渦流檢測存在困難。

2.1 模型搭建

由于模型軸對稱，可以對一半模型進(jìn)行搭建分析。全部采用低頻脈沖激勵(lì)信號(hào)，模型搭建的具體參數(shù)如表1所示。

激勵(lì)線圈與檢測線圈之間差3個(gè)管內(nèi)徑距離(30 mm)，激勵(lì)線圈上加載頻率為8 Hz，高電平為15 V，低電平為0 V，占空比為50%的脈沖信號(hào)，使激勵(lì)線圈上的電流幅值為1 A，外部設(shè)置兩層空氣，內(nèi)層為直徑40 mm，高240 mm的圓柱體空氣層，外部為直徑100 mm，高240 mm的圓柱體空氣層，并且外部空氣設(shè)置磁力線平衡條件，采用軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格。

表1 模型搭建的具體參數(shù)

2.2 脈沖遠(yuǎn)場渦流缺陷仿真

脈沖遠(yuǎn)場渦流無缺陷時(shí)與斷裂時(shí)的感應(yīng)電壓曲線如圖2所示，可以看出由于斷裂時(shí)漏磁通較大，斷裂時(shí)的感應(yīng)電壓峰值高于無缺陷時(shí)的感應(yīng)電壓峰值，但是在低頻小管徑情況下,兩者的過零時(shí)間點(diǎn)幾乎是重合的，因此過零時(shí)間很難作為一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 脈沖遠(yuǎn)場渦流無缺陷時(shí)與斷裂時(shí)的感應(yīng)電壓曲線

圖3 徑向缺陷相同軸向缺陷不同時(shí)的感應(yīng)電壓波形

接下來模擬徑向缺陷相同而軸向缺陷不同的情況，徑向缺陷相同軸向缺陷不同時(shí)的感應(yīng)電壓波形如圖3所示，從圖3可以看出，兩者感應(yīng)電壓波形曲線在低頻小管徑情況下幾乎重合，很難在此基礎(chǔ)上進(jìn)行缺陷類別的判斷。

3 脈沖雙遠(yuǎn)場仿真模型的建立與分析

3.1 脈沖雙遠(yuǎn)場模型的搭建

由于脈沖遠(yuǎn)場渦流無法在低頻情況下進(jìn)行小徑管的缺陷檢測，因此提出脈沖雙遠(yuǎn)場模型。根據(jù)脈沖雙遠(yuǎn)場模型，在脈沖遠(yuǎn)場渦流模型的基礎(chǔ)上利用ANSYS Maxwell軟件搭建脈沖雙遠(yuǎn)場2D模型，設(shè)置求解器為Transient。其中,多出的激勵(lì)線圈與原激勵(lì)線圈參數(shù)相同，被放置在檢測線圈的另一側(cè)，與原激勵(lì)線圈相對應(yīng)。其余參數(shù)與脈沖遠(yuǎn)場渦流模型參數(shù)一致。

脈沖渦流法采用的是階躍型脈沖電流激勵(lì)，激勵(lì)電路采用ANSYS Maxwell軟件中的circuit editor外電路單元進(jìn)行搭建。

激勵(lì)線圈電路示意如圖4所示，其中，繞組1的脈沖周期為1 s，高電平為12 V，低電平為0 V，占空比為50%，串聯(lián)24 Ω電阻，可以提供0.5 A激勵(lì)電流，線圈1外徑為8 mm，內(nèi)徑為4 mm，長度為20 mm，匝數(shù)為2 000；繞組3的脈沖周期為0.125 s，高電平為15 V，低電平為0 V，占空比為50%，串聯(lián)15 Ω電阻，提供1 A激勵(lì)電流，線圈3與線圈1參數(shù)相同。

圖4 激勵(lì)線圈電路示意

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 管壁無缺陷與管壁斷裂時(shí)的情況

圖5 管壁無缺陷與斷裂時(shí)的檢測線圈感應(yīng)電壓波形比較

在管道模型中仿真出無缺陷與管壁斷裂時(shí)的檢測線圈感應(yīng)電壓波形(見圖5)，由圖中波形可以看出，管壁斷裂時(shí)檢測線圈得到的感應(yīng)電壓極高峰值大于無缺陷時(shí)檢測線圈得到的感應(yīng)電壓極高峰值，這是由于管壁缺陷使得漏磁通變大，感應(yīng)到的電壓也增大，從而管壁斷裂時(shí)的感應(yīng)電壓極高峰值(時(shí)間為0.26 s時(shí))遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于管道無缺陷時(shí)的感應(yīng)電壓極高峰值。

將破損區(qū)域分為兩種情況來討論，第一種是破損區(qū)域的大小，第二種是破損區(qū)域的位置。第一種情況主要是指破損區(qū)域用管道的軸向長度和徑向長度來表示；第二種破損是指管道破損位置為管道內(nèi)壁或管道外壁。

3.2.2 軸向長度相同而徑向長度不同的情況

當(dāng)管道破損區(qū)域的軸向長度相同徑向長度不同時(shí)，設(shè)置軸向均為4 mm，徑向分別為2，4 mm的缺陷，檢測線圈得到的波形如圖6所示。由圖6可知，兩者波形十分相似，因此需要詳細(xì)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究。

圖6 管壁缺陷徑向2 mm和4 mm時(shí)的感應(yīng)電壓波形

接下來需要兩種缺陷的感應(yīng)電壓(見表2)，可以得出步長為0.26 s時(shí)，當(dāng)缺陷軸向長度相同時(shí)，徑向長度越長感應(yīng)電壓極高峰值越大。

表2 管壁缺陷徑向2 mm和4 mm時(shí)的

3.2.3 徑向長度相同而軸向長度不同的情況

為了討論破損區(qū)域是徑向長度相同而軸向長度不同的情況，在脈沖雙遠(yuǎn)場模型中設(shè)置破損區(qū)域參數(shù)(徑向均為4 mm，軸向分別為5 mm和10 mm的缺陷)。管壁缺陷為軸向5 mm和10 mm時(shí)的感應(yīng)電壓波形如圖7所示，感應(yīng)電壓如表3所示，選取其極高峰值進(jìn)行對比分析可知，當(dāng)徑向長度相同軸向長度不同時(shí)，徑向長度越長,感應(yīng)電壓極高峰值越大，也就是缺陷越寬得到的感應(yīng)電壓峰值越高。因此，通過這一結(jié)論可以判斷出缺陷的大小。

圖7 管壁缺陷為軸向5 mm和10 mm時(shí)的感應(yīng)電壓波形表3 管壁缺陷為軸向5 mm與10 mm時(shí)的 感應(yīng)電壓

時(shí)間/s5 mm缺陷時(shí)的感應(yīng)電壓/mV10 mm缺陷時(shí)的感應(yīng)電壓/mV0.22-2.300 5-2.426 20.24-1.096 2-1.157 20.2612.134 513.476 60.286.833 87.640 80.303.769 74.231 5

圖8 管道內(nèi)外壁軸向10 mm、徑向2 mm缺陷時(shí)的感應(yīng)電壓波形

3.2.4 內(nèi)外壁缺陷識(shí)別

在管道內(nèi)、外壁上分別設(shè)置相同大小的缺陷，比較缺陷在內(nèi)壁與外壁時(shí)對結(jié)果的影響。脈沖渦流遠(yuǎn)場不受渦流集膚效應(yīng)的限制，能夠以同樣靈敏度檢測管道內(nèi)表面和外表面的缺陷。設(shè)置管道內(nèi)外壁軸向10 mm、徑向2 mm缺陷進(jìn)行內(nèi)外壁相同缺陷的對比(見圖8和表4)，由0.26 s時(shí)的極高峰值可以看出，相同缺陷情況下，內(nèi)壁缺陷感應(yīng)電壓極高峰值高于外壁缺陷感應(yīng)電壓極高峰值，結(jié)果表明，利用此方法可以判斷管道內(nèi)外壁缺陷，并且對內(nèi)外壁缺陷檢測具有相同的靈敏度。

表4 管道內(nèi)外壁軸向10 mm、徑向2 mm缺陷時(shí)的感應(yīng)電壓

3.3 仿真數(shù)據(jù)分析

對雙遠(yuǎn)場渦流檢測模型進(jìn)行缺陷定量分析，在模型極高峰值(即仿真時(shí)間為0.26 s)時(shí)可得到極高峰值電壓，首先排除管道在無缺損與管壁斷裂時(shí)的數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出缺陷公式為

V=0.231 3x+0.268 4y+9.951 3

(5)

式中：V為極高峰時(shí)的電壓；x為徑向缺陷深度；y為軸向缺陷深度。

將缺陷數(shù)據(jù)代入式(5)，可以推算出徑向與軸向缺陷深度，同時(shí)也可以辨別出缺陷在內(nèi)壁還是外壁。

4 結(jié)論

通過對脈沖遠(yuǎn)場與脈沖雙遠(yuǎn)場模型的仿真分析可知，脈沖遠(yuǎn)場渦流很難進(jìn)行低頻小徑管破損缺陷的檢測；而脈沖雙遠(yuǎn)場渦流利用極高峰值可以較為清楚地進(jìn)行缺陷檢測。由此可以認(rèn)為，使用脈沖雙遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)對低頻小徑管的檢測效果要優(yōu)于脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)的檢測效果。

在脈沖雙遠(yuǎn)場模型的仿真下，分析了5種不同缺陷與其對應(yīng)的波形極高峰值的關(guān)系，根據(jù)波形極高峰值和數(shù)據(jù)可以反映出不同缺陷的形狀及其程度，通過分析缺陷與其對應(yīng)波形極高峰值間的關(guān)系，給出了相應(yīng)的計(jì)算公式，可以對管道缺陷的評估提供參考。