韓 寧，張志杰，尹武良

(1.中北大學，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學儀器與電子學院，山西太原 030051)

0 引言

在流程工業(yè)當中管道是一種必不可少的過程裝備，用于傳輸氣、液、固以及多相流體，所輸送的介質大多具有高溫、高壓、腐蝕性強等特點[1]。在內部流體化學腐蝕與應力沖蝕的綜合作用下，管道壁厚變薄、承壓性能下降、使用壽命減少，嚴重時造成泄漏乃至爆炸等事故。因而需要對在役管道的內壁腐蝕狀況進行定時檢測。

電渦流檢測(ECT)技術是一種基于電磁感應原理的無損檢測技術，具有非接觸、檢測速度快、可靠性高、對所有導電材料都適用等優(yōu)勢[2]?；趥鞲衅餍酒碾姕u流探頭通常在激勵線圈的基礎上再加上一個用于直接測量磁場大小的傳感器芯片，克服了線圈式探頭靈敏度受激勵頻率影響的缺點，從而可以適應不同深度缺陷的檢測要求。GMR芯片具有尺寸小，靈敏度高，溫度穩(wěn)定性好，且成本和功耗低等優(yōu)勢[3]，得到了廣泛的應用。

在此基礎上，針對管道內壁隨機取向微缺陷的在役檢測，提出了一種新型的基于GMR芯片的陣列式電渦流探頭設計方法，并通過一系列的數(shù)值仿真驗證了設計的可行性，分析了影響傳感器探頭檢測結果的因素，最終確定了最優(yōu)的三相電流激勵頻率和傳感器提離值，結果表明所設計的傳感器探頭能夠準確地識別并定位隨機取向的管道內壁缺陷。

1 電渦流檢測技術

當激勵線圈中通以一定頻率的正弦交變電流I1時，會在空間激發(fā)具有一定波長的周期性交變磁場B1[4]，在這一磁場的作用下被測金屬材料中感應出渦流I2，渦流場繼而產生二次磁場B2，如圖1所示。利用GMR傳感器探測管道內部缺陷信號的理論依據(jù)在于：裂紋不同的金屬管道在電磁場中產生的渦流大小形狀不同，管道上與該電流方向垂直的裂紋對試件中感應電流的影響可以通過傳感器的輸出量變化反映出來。

圖1 渦流檢測原理圖

空間交變磁場激發(fā)的渦流場在管道表面分布密集，而沿縱向深度迅速衰減的現(xiàn)象稱為趨膚效應[5]。渦流的趨膚效應是管道內壁缺陷檢測必須考慮的重要因素，趨膚深度(渦流密度衰減為表面的37%，又稱為標準透入深度)直接決定能夠探測的缺陷深度。其計算公式為

(1)

式中：δ為趨膚深度，m；f為探頭激勵頻率，Hz；μ為材料的磁導率，H/m；σ為材料的電導率，S/m。

工程中通常以標準透入深度的2.6倍作為檢測范圍。當管道材質確定時，渦流能夠達到的深度，即能夠探測到的缺陷的深度，僅取決于外部勵磁線圈的激勵頻率。以工程中常用的外徑60 mm，壁厚4 mm管道為模型，模擬分析探頭激勵頻率對渦流趨膚深度的影響，結果如圖2所示，激勵頻率越高趨膚效應越明顯。當激勵頻率在3 kHz及以上時，渦流密度在管道深度方向上呈指數(shù)衰減。

考慮探測管道內壁缺陷，設計的探頭激勵頻率確定為1 kHz，使其產生的渦流能夠達到有效的深度[6]。

2 旋轉磁場的激勵原理及探頭設計

2.1 旋轉磁場的激勵原理

為檢測隨機取向的管道缺陷，相對于缺陷產生橫向的渦流是有效的[7]。因此，將旋轉磁源作為激勵，以提高探頭對各種缺陷的靈敏度。

在三相異步電動機中，定子繞組通以三相電流后，將在內部產生一個旋轉磁場。與三相異步電機的定子勵磁原理類似，在3組線圈上通以相位差為120°的AC電源，如圖3所示。

圖3 旋轉磁場激勵線圈

通過a，b，c 3個繞組的電流表示為[5]

(2)

(3)

(4)

式中：I為激勵電流；ω為激勵電流角頻率。

3個繞組上產生的磁動勢可以通過以下公式計算：

(5)

式中：F為激勵磁場中總的磁動勢；θ為磁動勢F的方向和繞組的夾角。

(6)

(7)

(8)

這些磁動勢矢量求和后具有恒定的幅度f，如式(8)。該矢量以由激勵源決定的速率沿管道周向旋轉，從而在管道中激發(fā)起周向旋轉的渦流，使得探頭對所有方向的裂紋都敏感。

2.2 陣列式探頭

GMR傳感器的一個優(yōu)點是在從DC到MHz的廣泛頻率范圍內具有較高的靈敏度。在金屬管道的探傷中，檢測探頭采用陣列式結構以適應圓柱狀的管道，不同數(shù)量的GMR傳感器在管道周向上構成檢測陣列，提高了檢測效率和傳感器的空間分辨率[8-9]，并且能夠對缺陷進行精確的定位，如圖4所示。

圖4 陣列式探頭的三維視圖

3組激勵線圈相隔60°，厚度為10 mm，極弧與極距之比為0.5，繞置在外徑150 mm、內徑80 mm、長度80 mm的尼龍骨架上，其下端面距離管道10 mm，繞組仿真參數(shù)設置如表1所示。GMR傳感器貼裝在激勵線圈的中心位置處，敏感軸垂直于激勵線圈產生的一次磁場，使其敏感于受缺陷擾動的渦流場產生的二次磁場[10]。必要的情況下，可以在GMR傳感器附近附加一塊永磁體來給傳感器提供一個偏置場，以使傳感器工作在線性區(qū)。

表1 繞組仿真參數(shù)設置

所設計的探頭用于檢測公稱直徑為60 mm，厚度為4 mm的小口徑薄壁管道，采用3組繞組對管道勵磁避免了冗余繞組檢測范圍的重疊，同時降低了成本，減輕了后期數(shù)據(jù)處理的工作量。

3 管道缺陷信號的仿真分析

3.1 靜態(tài)分析

對管道施加激勵后，旋轉磁場的磁通密度將會均勻分布在管道外側，并在管道壁厚上迅速衰減，管道內部磁通密度幾乎為0，如圖5所示，雙豎線代表4 mm厚的管壁。

圖5 沿管道徑向磁場強度的衰減

由法拉第電磁感應原理，空間中均勻分布的旋轉磁場將在管道上感生電渦流。如果管道內存在一定的缺陷，則管道上渦流的分布將受到影響，如圖6所示。不同形狀大小的缺陷，對渦流分布的影響不同，渦流產生的二次磁場對傳感器的影響也將不同。通過分析對比標準管道和缺陷管道的傳感器輸出信號，可以得出缺陷的相關信息。

(a)無缺陷

(b)有缺陷

管道周向距離原點30π mm距離處設置深度為3 mm的缺陷，長度為20 mm，分布在軸向上。缺陷管道與標準管道的仿真結果作差，結果如圖7所示。在缺陷的干擾下，渦流感生的磁場減弱，對激勵磁場的抵消作用也減弱，同一位置處的磁場信號增強。由圖7可知，探頭能夠準確地將軸向缺陷定位在30π mm處，該處的特征信號可由其上方的GMR傳感器提取得到。結果證明了所設計方法的可行性。零線附近的噪聲是由于仿真模型網(wǎng)格密度有限或軟件算法誤差引起的。

圖7 30π mm處缺陷特征信號

在45π mm處增設長度為20 mm，深度為3 mm的周向缺陷。仿真結果做同樣的處理，結果如圖8所示。

圖8 45π mm處缺陷特征信號

由于靜態(tài)分析中信號提取路徑上不同取向的缺陷分布不同，對渦流分布的影響也不同，從而產生了不同形狀的磁場特征信號。圖中2個負峰之間的距離可以用來表征管道缺陷的長度，能夠判斷其長度在20 mm左右。

3.2 瞬態(tài)分析

Maxwell 3D是業(yè)界高性能的電磁分析平臺，提供了精準的三維瞬態(tài)求解器，激勵源可以是正弦電壓(電流)、電流密度等，也可以與外電路進行耦合。

在Maxwell Circuit Editor中給3組繞組施加激勵電流如圖9所示，其幅值為200 mA，相位分別相差120° ，頻率為1 kHz，用于產生旋轉磁場。仿真的步長設置為0.05 ms，讀取5個周期的數(shù)據(jù)(5 ms)，檢測范圍內管道表面某一點處的磁場變化如圖10所示，呈現(xiàn)正弦的規(guī)律，其頻率與激勵電流的頻率相近，幅值與激勵電流大小、線圈匝數(shù)、檢測試件的磁導率密切相關。

圖9 三相激勵電流

圖10 管道表面某一點處磁場變化

由此可知，仿真結果準確地驗證了旋轉磁場的產生機理，圖11為仿真管道表面周向提取的數(shù)據(jù)，可以看到各個距離處的磁感應強度均以正弦的規(guī)律變化，其峰值以一定的頻率出現(xiàn)在周向的不同位置處。

圖11 旋轉磁場的仿真實現(xiàn)

在管道不同位置處設置2條不同取向的缺陷(同靜態(tài)分析)，解算結果如圖12所示，缺陷處的磁場受到了明顯干擾，提取到的磁場信號增強。旋轉磁場能夠識別并準確定位不同取向的缺陷。

(a)無缺陷

(b)有缺陷

從提取數(shù)據(jù)的等高線圖上可以清晰地看到缺陷對管道表面疊加磁場的擾動，如圖13和圖14所示。

(a)無缺陷

(b)有缺陷圖13 周向缺陷的等高線圖

圖14 200 mA、提離值為2 mm時不同匝數(shù)線圈激勵下的缺陷信號

4 缺陷特征信號強弱的影響因素分析

在一般的基于GMR的渦流缺陷檢測中，影響檢測信號強弱的因素主要有激勵電流幅值、線圈匝數(shù)、線圈半徑以及傳感器芯片的提離高度[11-12]。對于本文所設計的傳感器探頭，通過瞬態(tài)仿真分析了三相激勵線圈匝數(shù)、提離高度、激勵電流幅值對缺陷信號的影響，并研究了磁感應強度在管道徑向的分量受管道不同尺寸缺陷的影響。

4.1 繞組線圈匝數(shù)、提離高度、激勵電流幅值對檢測效果的影響

給三相激勵線圈施加200 mA的正弦電流，相位相差120°，分別提取距離管道表面2 mm一周的解算數(shù)據(jù)，將缺陷與無缺陷的2組數(shù)據(jù)作差得到如圖14所示的結果。對比3組曲線，可知隨著激勵繞組上線圈匝數(shù)的增加，缺陷信號增強，1 500匝時的磁場強度是500匝時的3倍。

繞組線圈匝數(shù)為1 000匝時，施加200 mA激勵電流，提取缺陷上方不同距離處的磁感應強度，結果如圖15所示?？芍獋鞲衅餍酒奶犭x值大于2 mm時，缺陷信號明顯減弱，小于0.5 mT。

圖15 200 mA、1 000匝時不同提離值下管道周向缺陷信號

繞組線圈匝數(shù)為1 000匝時，施加不同幅值的激勵電流，管道模型表面的的缺陷信號如圖16所示，其值隨激勵電流的增大而成比例增大。400 mA電流激勵時的缺陷信號幅值約為4 mT，這給GMR傳感器的選用提供了參考。

圖16 1 000匝線圈、不同激勵電流下的管道表面缺陷信號

4.2 缺陷尺寸的定量分析

管道存在缺陷時，會干擾管道內旋轉渦流場的分布，從而對其表面的疊加磁場信號產生擾動作用，如圖17所示。

圖17 管道缺陷對其表面磁場信號的擾動

在實際工程應用中，不僅要求傳感器能夠探測到一定大小的微損傷，還需要根據(jù)實測信號判斷微損傷的尺寸來分析管道的失效狀況和使用壽命。由此，設置1組缺陷長度均為20 mm，寬度分別為0.1、0.5、1.0、2.0 mm的管道模型，位置在表面下2 mm處，分析所產生的缺陷信號如圖18所示。

隨著缺陷寬度的增大，缺陷信號強度增加，用高斯函數(shù)擬合的方程如式(9)。模型中設置最小缺陷寬度為0.1mm時，仍然能夠提取到可識別的磁場信號。

(9)

式中x為缺陷寬度。

圖18 缺陷寬度對缺陷信號的影響

5 結論

本文基于旋轉磁場的產生機理提出了一種用于在役檢測小口徑薄壁管道內壁缺陷的磁渦流傳感器探頭設計方法，并在有限元模型中仿真實現(xiàn)了旋轉磁場。結果表明，新型傳感器探頭能夠用于檢測和定位管道結構內部不同取向的微損傷，且缺陷信號與三相繞組匝數(shù)、激勵電流幅值成正比。GMR芯片的提離值取1～2 mm，信號可測。通過分析缺陷尺寸與磁場提取信號的量化關系，同時保證一定的趨膚深度，能夠確保管道缺陷檢測的可靠性。