張 超, 李 勇, 閆 貝, 劉正帥, 陳振茂

(西安交通大學(xué) 機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室 陜西省無損檢測與結(jié)構(gòu)完整性評價工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710049)

0 引 言

雙層異質(zhì)金屬套管作為石油化工等工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的一種管道結(jié)構(gòu)形式，對其進行有效的無損檢測非常重要[1]。常規(guī)的金屬管件無損檢測方法主要包括超聲檢測、漏磁檢測、滲透檢測、射線檢測和渦流檢測等[2]，但對于雙層異質(zhì)金屬套管，由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)中的內(nèi)、外管材質(zhì)相異，導(dǎo)致這些常規(guī)無損檢測方法難以實施，且易出現(xiàn)缺陷漏檢等情況[3]。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，采用脈沖渦流檢測技術(shù)，可對金屬板件厚度[4]、帶包覆層的金屬管件損傷[5～7]以及多層同質(zhì)金屬套管腐蝕缺陷[8]等實施精準(zhǔn)的損傷分類識別及定量評估，但是涉及雙層異質(zhì)金屬套管的研究較少。

本文圍繞脈沖渦流檢測技術(shù)，針對典型的雙層異質(zhì)金屬套管結(jié)構(gòu)(內(nèi)管為不銹鋼管、外管為碳鋼管)，集中探究其壁厚減薄缺陷的分類識別與定量評估。通過建立檢測有限元仿真模型，開展仿真分析，探究雙層異質(zhì)金屬套管脈沖渦流檢測典型信號及其特征與壁厚減薄量間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，提出壁厚減薄缺陷分類識別及定量評估方法，同時，搭建實驗平臺，結(jié)合實驗研究，驗證所提缺陷分類識別及定量評估方法的可行性。

1 雙層異質(zhì)金屬套管脈沖渦流檢測的數(shù)值模擬

1.1 金屬管件脈沖渦流檢測原理

金屬管件脈沖渦流檢測原理圖如圖1所示。檢測探頭中的激勵線圈在通入諸如方波的暫態(tài)激勵電流后產(chǎn)生一級磁場(線圈磁場)，該磁場在被測金屬管件內(nèi)部感應(yīng)出渦流，渦流繼而產(chǎn)生二級磁場(渦流激發(fā)磁場)，其方向與一級磁場相反，且抑制一級磁場的改變。探頭中的磁場傳感器所拾取的檢測信號為一級磁場與二級磁場疊加所得總磁場的信號。由于金屬管件內(nèi)部缺陷將導(dǎo)致渦流及二級磁場的變化,進而改變總磁場的強度，因此,檢測信號將包含缺陷信息，通過分析可得缺陷的位置、尺寸等參數(shù)。

圖1 金屬管件脈沖渦流檢測原理示意

雙層異質(zhì)金屬套管的脈沖渦流檢測依然符合上述檢測原理，磁場傳感器拾取的檢測信號將富含內(nèi)、外管壁厚信息，通過信號處理及分析，可實現(xiàn)對套管壁厚減薄缺陷的檢測、分類識別及定量評估。

1.2 仿真模型的建立

考慮到檢測對象為典型雙層異質(zhì)金屬套管，其內(nèi)、外管分別為不銹鋼管(電導(dǎo)率為1.1 MS/m、相對磁導(dǎo)率為1)和碳鋼管(電導(dǎo)率為6 MS/m、相對磁導(dǎo)率為150)，結(jié)合上述金屬管件脈沖渦流檢測原理，本文采用課題組已建立的快速有限元方法進行相關(guān)數(shù)值仿真[9]，仿真模型示意圖如圖2(a)所示。檢測探頭由激勵線圈、鐵芯(電導(dǎo)率為0 MS/m、相對磁導(dǎo)率為1 800)和磁場傳感器組成。由于模型中的被測體和檢測探頭在結(jié)構(gòu)上具有對稱性，將模型進一步簡化為二維軸對稱模型，可在不降低計算精度的條件下減少計算量，縮短仿真時間。

圖2 仿真模型示意與激勵信號

仿真采用的激勵電流信號如圖2(b)所示，其頻率為33 Hz、占空比為33 %、最大電流強度為1 A，用于驅(qū)動探頭中的激勵線圈(匝數(shù)為1 350)，激發(fā)一級磁場。仿真模型參數(shù)：r1,r2,r3,r4,r5,r6,r7分別為8.9,14.0,13.5,15.0,19.0,20.0,24.0 mm;z1,z2,z3,z4分別為9.0,12.5,15.0,500 mm。拾取檢測信號(磁通密度z分量)的磁場傳感器坐標(biāo)為z=15 mm，r=13.5 mm。針對被測管件，在仿真中設(shè)置2組外壁缺陷，其中第一組為外管壁厚(outer tube thickness，OTT)減薄缺陷，深度為0～2 mm，對應(yīng)管壁減薄量為0 %～50 %，此情況下內(nèi)管壁厚不發(fā)生減?。坏诙M為內(nèi)管壁厚(inner tube thickness，ITT)減薄缺陷，其深度為0～2 mm，即管壁減薄量為0 %～50 %，外管壁厚減薄量為0 %。

1.3 仿真結(jié)果與分析

1.3.1 檢測信號的處理與特征提取

仿真可得不同內(nèi)/外管壁厚情況下磁場傳感器拾取的檢測信號，以內(nèi)、外管壁厚減薄量均為0 %時所對應(yīng)的檢測信號為參考信號(reference signal,REF)。由于檢測信號同時與內(nèi)、外管的相對磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率相關(guān)，造成信號特征提取存在一定難度，為抑制管材相對磁導(dǎo)率對檢測信號的影響，對拾取到的檢測信號首先進行歸一化處理[10,11]，隨后將歸一化后的檢測信號與參考信號做差，得到歸一化差分信號。檢測信號的處理結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可見，在激勵電流關(guān)斷后，內(nèi)、外管壁厚減薄對應(yīng)的差分信號幅值(絕對值)隨減薄量增大而增大。因此，提取歸一化差分信號的負峰值的絕對值(negative peak value，NPV)以及負峰值時間(negative peak value time，NPVT)作為信號特征用于進一步的缺陷分類識別及定量評估。圖3(b)所示為負峰值NPV和其對應(yīng)時間NPVT與內(nèi)、外管壁厚減薄量之間的映射關(guān)系。由圖3(b)可知，負峰值NPV隨壁厚減薄量的增加而增加，其成因在于：所得歸一化差分信號僅與二級磁場改變量相關(guān)，由壁厚減薄所造成的視在電導(dǎo)率及二級磁場改變量越大，信號幅值增強，進而表現(xiàn)為負峰值NPV與壁厚減薄量正相關(guān)。

圖3 檢測信號的處理結(jié)果

1.3.2 缺陷的分類識別與量化評估方法

針對內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷，以歸一化差分信號的負峰值NPV作為橫軸、負峰值時間NPVT作為縱軸，構(gòu)建二維缺陷分類識別空間，用于對所檢出的兩類缺陷(內(nèi)管壁厚減薄、外管壁厚減薄)進行分類識別。仿真所涉及全部壁厚減薄缺陷在所建立的缺陷分類識別空間中的具體分布如圖4(a)所示。由圖4(a)可見，在分類識別空間中，不同類型缺陷所對應(yīng)的特征點分布于特定區(qū)域內(nèi)，且各區(qū)域存在明顯邊界，表明所建立的缺陷分類空間可有效針對雙層異質(zhì)金屬套管壁厚減薄缺陷實施可靠識別。如圖4(b)所示，為經(jīng)擬合處理后的內(nèi)、外管壁厚減薄量與歸一化差分信號負峰值NPV的標(biāo)定曲線。在具體檢測中，利用圖4(a)所示缺陷分類識別空間對所檢出缺陷的類型完成識別后，采用圖4(b)所示內(nèi)/外管壁厚減薄缺陷所對應(yīng)的標(biāo)定曲線，結(jié)合單調(diào)函數(shù)逆運算，可預(yù)測具體壁厚減薄量。

圖4 缺陷的分類識別及量化評估

2 實驗研究

2.1 脈沖渦流檢測實驗平臺

如圖5(a)所示，所搭建的脈沖渦流檢測系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、功率放大器、信號放大器、濾波器、PC端、檢測探頭和被測套管組成。圖5(b)所示為檢測系統(tǒng)及探頭。檢測探頭由激勵線圈、鐵芯和TMR2104線性磁場傳感器構(gòu)成，磁場傳感器放置于r=14 mm，z=14 mm處。被測套管由不同內(nèi)外徑的不銹鋼內(nèi)管和碳鋼外管組成。被測管件的外壁缺陷設(shè)置方法與仿真相似，第一組為外管壁厚減薄缺陷，缺陷深度為0～2.5 mm，對應(yīng)外管壁厚減薄量為0 %～50 %，該組實驗中保持內(nèi)管壁厚不變(外徑38 mm不銹鋼內(nèi)管)；第二組為內(nèi)管壁厚減薄缺陷，缺陷深度為0～1.5 mm，相應(yīng)減薄量為0～37.5 %，實驗中，外管壁厚不變(外徑50 mm碳鋼外管)。

圖5 檢測系統(tǒng)框圖與實物

2.2 實驗結(jié)果及討論

以無壁厚減薄缺陷的雙層異質(zhì)金屬套管(外徑50 mm、內(nèi)徑40 mm的碳鋼外管；外徑38 mm、內(nèi)徑30 mm不銹鋼內(nèi)管)所對應(yīng)的檢測信號為參考信號(REF)，采取與仿真相同的信號處理方法，識別結(jié)果如圖6(a)所示。由圖6(a)可見，兩類缺陷對應(yīng)的特征點分布區(qū)域間存在明顯邊界，同時，各類缺陷對應(yīng)的特征點隨減薄量改變呈規(guī)律性分布，說明所提缺陷分類識別空間可對雙層異質(zhì)金屬套管內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷實施有效分類和識別。基于缺陷分類識別結(jié)果，根據(jù)實驗構(gòu)建的負峰值NPV與缺陷減薄量的標(biāo)定曲線(如圖6(b)所示)可對內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷的減薄量進行量化。由圖6(b)可見，負峰值NPV與減薄量呈單調(diào)遞減規(guī)律，與仿真分析結(jié)果一致，同時表明了采用歸一化差分信號負峰值NPV這一特征可有效評估內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷的減薄量。

圖6 缺陷識別與標(biāo)定的實驗結(jié)果

3 結(jié) 論

本文集中探究基于脈沖渦流檢測的雙層異質(zhì)金屬套管壁厚減薄缺陷檢測、分類識別及定量評估手段。通過有限元仿真研究，在分析檢測信號特性及相關(guān)信號處理的基礎(chǔ)上，提出了歸一化差分信號負峰值NPV和負峰值時間NPVT兩種信號特征，以此特征構(gòu)建缺陷分類識別空間和減薄量標(biāo)定曲線，用于內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷的分類識別和定量評估。同時，搭建了金屬管件脈沖渦流檢測實驗平臺，通過實驗研究，驗證：1)仿真研究所得結(jié)論的正確性；2)所提缺陷分類識別空間和定量評估方法對內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷識別和量化的可行性。