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        不銹鋼管道均勻電磁場內(nèi)檢測探頭設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究

        2020-01-10 08:49:30趙建明葛玖浩袁新安殷曉康陳國明
        關(guān)鍵詞:波谷波峰畸變

        李 偉, 趙建明, 葛玖浩, 袁新安, 劉 健, 殷曉康, 陳國明

        (1.中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心,山東青島 266580;2.南京航空航天大學(xué)高速載運(yùn)設(shè)施的無損檢測監(jiān)控技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210016)

        在石油石化中,不銹鋼管道廣泛應(yīng)用于管道輸送系統(tǒng),但由于管道中的腐蝕介質(zhì)和交替的冷卻和加熱環(huán)境,在管道的內(nèi)壁很容易產(chǎn)生疲勞裂紋[1-3]。通常疲勞裂紋在縱向上聚集和生長[4],最終導(dǎo)致管道的泄露和失效,所以需要定期對管道進(jìn)行檢測。目前,常規(guī)的檢測技術(shù)主要包括磁粉、滲透、超聲、漏磁和渦流等檢測技術(shù)[5]。磁粉和滲透檢測技術(shù)是目前最可靠的無損檢測技術(shù),但磁粉和滲透檢測需要和被測材料直接接觸,對表面要求比較高,并且只能實(shí)現(xiàn)裂紋的檢出,不能對裂紋量化,對管道內(nèi)檢測難以實(shí)現(xiàn)[6];超聲檢測技術(shù)需要在檢測工具和被測管道之間添加耦合劑[7],如果沒有徹底清潔,很難在管道的內(nèi)壁涂抹耦合劑;漏磁檢測技術(shù)只能檢測鐵磁性材料[8];渦流檢測檢測技術(shù)容易受提離和抖動(dòng)的影響。均勻場擾動(dòng)無損檢測方法,比如交流電磁場檢測技術(shù)、交流電位降檢測技術(shù)和周向電流場檢測,對檢測和評估導(dǎo)電材料具有良好的前景[9-11]。目前針對均勻電磁場檢測探頭形式開展了一系列研究,李偉[12]建立U型探頭仿真模型并搭建了試驗(yàn)系統(tǒng);袁新安等[13]使用雙U型探頭對任意走向的裂紋進(jìn)行檢測;葛玖浩等[14-15]使用外穿式探頭實(shí)現(xiàn)了管道外壁裂紋的檢測。然而U型探頭不適用于管道曲面檢測,外穿式探頭由于集膚效應(yīng)的存在,很難實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)壁的檢測,為了實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)壁的檢測,還需要內(nèi)檢測探頭,但目前對于均勻電磁場管道內(nèi)檢測探頭的研究還處于空白。筆者提出一種赫姆霍茲線圈式不銹鋼管道內(nèi)檢測探頭并搭建試驗(yàn)系統(tǒng)。通過有限元軟件COMSOL建立不銹鋼管道內(nèi)檢測仿真模型,分析不銹鋼管道內(nèi)電磁場的分布和變化規(guī)律,提取特征信號,分析裂紋的尺寸對特征信號的影響,設(shè)計(jì)不銹鋼管道內(nèi)檢測探頭,搭建管道內(nèi)檢測試驗(yàn)系統(tǒng),對管道內(nèi)壁裂紋進(jìn)行檢測。

        1 有限元仿真

        均勻電磁場管道內(nèi)檢測探頭采用赫姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)。赫姆霍茲線圈是一對平行共軸的相同載流線圈,當(dāng)對線圈通以相同方向的電流,且兩個(gè)線圈間距等于線圈半徑時(shí),線圈的總磁場在軸的中心附近,會呈均勻分布的狀態(tài)[15]。

        1.1 管道內(nèi)電場分布規(guī)律

        根據(jù)赫姆霍茲線圈結(jié)構(gòu),利用有限元軟件COMSOL,建立的管道內(nèi)檢測仿真模型如圖1所示,其中管道的材料為不銹鋼,相對磁導(dǎo)率為1,導(dǎo)電率為3.7×107S/m,赫姆霍茲線圈采用直徑為0.8 mm的漆包線,匝數(shù)為200,激勵(lì)信號采用電流為0.5 A,頻率為2 000 Hz的正弦交流信號。具體的模型尺寸參數(shù)如表1所示。

        圖1 仿真模型Fig.1 Simulation model

        表1 模型尺寸參數(shù)

        提取管道內(nèi)表面電流密度如圖2所示。由圖2可知,感應(yīng)電流的最大值在激勵(lì)線圈附近,而在兩個(gè)線圈中間位置會感應(yīng)出均勻的電場,符合均勻電磁場檢測要求。

        圖2 表面電流密度Fig.2 Surface current density

        1.2 裂紋擾動(dòng)規(guī)律

        為了探究裂紋的擾動(dòng)機(jī)制,仿真管道內(nèi)表面存在裂紋時(shí)鋁合金管道內(nèi)電磁場的分布規(guī)律。設(shè)置管道內(nèi)壁軸向裂紋的長度為20 mm,寬度為1 mm,深度為5 mm。

        提取管道內(nèi)壁軸向裂紋附近的電流密度如圖3所示。由圖3可知,均勻的電流場經(jīng)過裂紋時(shí),表面的電流會從裂紋的尖端繞過(圖3(a)),內(nèi)部的電流會從裂紋的上方繞過(圖3(b)),符合均勻電磁場檢測的原理。

        采用參數(shù)化掃描方式模擬真實(shí)的探頭檢測,線圈的原點(diǎn)從Z坐標(biāo)的-60 mm掃描到60 mm,步長為1 mm,考慮探頭結(jié)構(gòu)和傳感器的尺寸,提取裂紋正上方提離為7 mm處的軸向磁場信號Bz和徑向磁場信號Br見圖4。從圖4中可以看出,無裂紋時(shí)Bz信號為固定的值,Br信號為0;當(dāng)經(jīng)過缺陷時(shí),Bz信號出現(xiàn)兩個(gè)較小的波谷和一個(gè)較大的波峰,Br信號出現(xiàn)波峰波谷。因此把軸向磁場信號Bz和徑向磁場信號Br作為裂紋檢測的特征信號。

        圖3 電流密度Fig.3 Current density

        圖4 軸向裂紋上方軸向磁場信號Bz和徑向磁場信號BrFig.4 Axial direction signal Bz and radial direction signal Br above crack

        1.3 裂紋尺寸對特征信號影響

        為探究提取的特征信號與裂紋尺寸關(guān)系,分別對不同深度和不同長度的裂紋進(jìn)行有限元仿真分析。首先保持裂紋的長度(30 mm)、寬度(0.8 mm)不變,對不同深度的裂紋進(jìn)行仿真分析,提取裂紋上方7 mm提離處的軸向磁場信號Bz,仿真的結(jié)果如圖5(a)所示。可以看出,相比較傳統(tǒng)的均勻電磁場檢測技術(shù),裂紋越深,特征信號波谷越深不同,所提出的內(nèi)穿式赫姆霍茲線圈所感應(yīng)的電流從裂紋的的上方繞過,特征信號Bz波峰的高度隨著裂紋深度增加而增加。因此定義ΔBz/Bz0為裂紋引起軸向磁場信號Bz的畸變量,其中Bz0為Bz的背景值,ΔBz為Bz波峰的最大值與背景值Bz0的差值,得到的裂紋深度和Bz畸變量的關(guān)系見圖5(b)。可以看出,在裂紋深度一定范圍內(nèi),Bz磁場的畸變量和深度保持比較好的線性關(guān)系,說明Bz特征信號包含裂紋的深度信息。

        圖5 裂紋深度和Bz關(guān)系Fig.5 Relationship between Bzand crack depth

        保持裂紋的深度(4 mm)、寬度(0.8 mm)不變,對不同長度的裂紋進(jìn)行仿真分析,提取裂紋上方7 mm提離處的徑向磁場信號Br,仿真結(jié)果如圖6所示。在裂紋長度較小時(shí),裂紋長度對Br信號的波峰波谷間距和幅值均會產(chǎn)生影響,裂紋越長,波峰波谷間距和畸變幅值越大;當(dāng)裂紋較長時(shí),裂紋長度幾乎不對畸變的幅值產(chǎn)生影響,而波峰波谷的間距會隨著裂紋長度的增加而增加,所以特征信號Br包含裂紋的長度信息。

        圖6 裂紋長度和Br關(guān)系Fig.6 Relationship between Brand crack length

        2 檢測探頭設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析

        2.1 檢測探頭設(shè)計(jì)

        檢測探頭結(jié)構(gòu)如圖7所示,主要包括激勵(lì)線圈、非磁性骨架、線纜保護(hù)裝置、連接裝置和檢測傳感器。用直徑0.8 mm的漆包線在非磁性骨架的兩側(cè)各纏繞200匝組成赫姆霍茲激勵(lì)線圈,用于產(chǎn)生激勵(lì)的磁場;線纜保護(hù)裝置用來通過和保護(hù)激勵(lì)線圈和檢測傳感器的輸入和輸出;連接裝置與管道內(nèi)的驅(qū)動(dòng)裝置連接在一起,可以完成管道的自動(dòng)掃查。

        在激勵(lì)線圈中間位置的周向均布10個(gè)檢測傳感器,可以一次性實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)壁裂紋的全面檢測。所安裝的電路板如圖8所示。選擇的傳感器為體積小、線性范圍大、靈敏度高的TMR傳感器,傳感器安裝在電路板中央靠近邊緣的地方,檢測軸向特征信號Bz的TMR在電路板的A面,如圖8(a)所示;檢測徑向特性信號Br的TMR在電路板的B面,如圖8(b)所示。電路板上安裝用于放大信號的AD620,對Bz和Br信號各放大100倍,借助共地電容,達(dá)到濾波、降噪和抗干擾的能力[16-17]。

        圖7 探頭結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of testing probe

        圖8 傳感器電路板Fig.8 TMR PCB

        2.2 檢測系統(tǒng)

        整個(gè)檢測系統(tǒng)如圖9、 10所示,包括臺架、待測管道、檢測探頭、硬件集成機(jī)箱、PC機(jī)。硬件集成機(jī)箱中的信號發(fā)生器產(chǎn)生2 000 Hz的正弦交流信號,經(jīng)過功率放大器,加載在檢測探頭的激勵(lì)線圈上,激勵(lì)線圈在管道內(nèi)感應(yīng)出均勻的電場和磁場,臺架驅(qū)動(dòng)檢測探頭在管道中以10 mm/s的速度勻速運(yùn)行。當(dāng)管道中存在缺陷時(shí),會引起管道內(nèi)電場和磁場的畸變,檢測探頭中間位置的周向均布10個(gè)檢測傳感器拾取磁場信號,通過硬件集成機(jī)箱中的采集卡采集到PC機(jī)中,PC機(jī)上基于MATLAB和LABVIEW共同開發(fā)的軟件識別程序?qū)π盘栠M(jìn)行處理,最終識別出缺陷。

        圖9 試驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.9 Test system

        圖10 試驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.10 Experiment system structure

        2.3 檢測結(jié)果

        對管道內(nèi)壁不同深度、相同長度的裂紋進(jìn)行檢測,管道尺寸如圖11所示。得到減去背景場以后的Bz和Br信號如圖12所示。由圖12可知,當(dāng)存在裂紋時(shí),特征信號Br會出現(xiàn)波峰,特征信號Bz會出現(xiàn)波峰和波谷。對于相同長度、不同深度的裂紋,裂紋越深,Bz信號的畸變量越大。觀察每一路特征信號,3號傳感器的畸變量最大,可以初步判定缺陷存在于3號傳感器附近。提取3號傳感器的Bz信號,得到仿真和試驗(yàn)的Bz信號畸變量和裂紋深度的關(guān)系如圖13所示。由圖13可知,裂紋深度和Bz信號的畸變量具有良好的線性關(guān)系,和仿真結(jié)果一致,仿真結(jié)果相對于試驗(yàn)結(jié)果的最大相對誤差為9.83%。對裂紋的深度和Bz信號的畸變量進(jìn)行線性擬合,得到裂紋深度測量結(jié)果如表2所示。由表2可知,深度測量最大誤差為3.83%,具有較高的裂紋深度測量精度。

        圖11 不同深度裂紋管道Fig.11 Pipes with different depth cracks

        圖12 不同深度裂紋檢測結(jié)果Fig.12 Crack detection results at different depths

        圖13 不同深度裂紋Bz畸變量Fig.13 Bzamplitude distortion of cracks with different depths

        表2 裂紋深度測量結(jié)果

        對于管道內(nèi)壁不同長度、相同深度的裂紋進(jìn)行檢測,管道的尺寸如圖14所示。得到Bz和Br信號如圖15所示,對于不同長度、相同深度的裂紋,裂紋越長,Br信號的波峰波谷間距越大。觀察每一路信號,3號傳感器的畸變量最大,可以初步斷定,裂紋存在于3號傳感器附近。提取3號傳感器的Br信號,得到仿真和試驗(yàn)的Br信號的波峰波谷間距和裂紋長度的關(guān)系如圖16所示。由圖16可知,裂紋長度和Br信號波峰波谷的間距具有良好的線性關(guān)系,和仿真結(jié)果一致,仿真結(jié)果相對于試驗(yàn)結(jié)果的最大相對誤差為12.0%。對裂紋的長度和Br信號波峰波谷的間距進(jìn)行線性擬合,得到裂紋長度測量結(jié)果如表3所示。由表3可知,長度測量最大誤差為8.70%,具有較高的裂紋長度測量精度。

        圖14 不同長度裂紋管道Fig.14 Pipes of different length cracks

        圖15 不同長度裂紋檢測結(jié)果Fig.15 Crack detection results at different lengths

        圖16 不同長度裂紋Br波峰波谷間距Fig.16 Brpeak-to-valley spacing of cracks of different lengths

        表3 裂紋長度測量

        3 結(jié) 論

        (1)赫姆霍茲線圈式不銹鋼管道內(nèi)檢測探頭可實(shí)現(xiàn)不銹鋼管道中軸向裂紋的全周向檢測;當(dāng)存在裂紋時(shí)軸向磁場信號Bz出現(xiàn)波峰,徑向磁場信號Br出現(xiàn)波峰和波谷。

        (2)Bz信號的畸變量包含裂紋的深度信息,Br信號的波峰波谷間距包含裂紋的長度信息。裂紋長度較小時(shí),裂紋的長度對Br信號的幅值和波峰波谷均會產(chǎn)生影響;裂紋長度較大時(shí),裂紋長度對Br信號的幅值影響減小,主要影響B(tài)r信號波峰波谷的間距。

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