王安泉,陳健飛,楊 勇,韓 慶,宮 昊,閆泰松

(1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術檢測中心, 東營 257000；2.勝利油田檢測評價研究有限公司, 東營 257000)

承壓設備在使用過程中會因沖刷和腐蝕作用出現(xiàn)壁厚減薄的情況，當壁厚減薄到一定程度時會突然發(fā)生爆裂，進而對人員和外部環(huán)境造成嚴重傷害，因此為了保障承壓設備的安全運行，減少爆裂情況的發(fā)生，需定期對其剩余壁厚進行檢測[1-2]。脈沖渦流檢測具有傳統(tǒng)渦流檢測的非接觸、成本低、對人身和環(huán)境無危害等特點，并且脈沖信號具有寬頻譜的特性，又使得脈沖渦流檢測具有穿透能力強、檢測速度快、漏檢率低等特點，因此其被廣泛應用于金屬的缺陷和厚度的檢測中[3-4]。脈沖渦流檢測中一個至關重要的工作是提取檢測信號中剩余壁厚的特征量，而脈沖渦流檢測信號中包含著眾多的頻譜信息，特征量提取時存在一定困難。陳興樂等[5]以有限厚導體與無限大導體之間的感應電壓差峰值時間作為特征量，實現(xiàn)了鋁板厚度測量；王志春等[6]分別從時域和頻域提取特征值，針對不同電導率層，給出了相對較適合的特征值；劉麗冰等[7]以時域信號峰值、過零時間及上升時間為特征量實現(xiàn)了缺陷的分類識別；GIGURE等[8]指出提離交叉點不受傳感器提離高度的影響，可以用于缺陷定量、裂紋檢測；柯海等[9]的研究表明峰值、峰值時間、過零點、提離交叉點等特征量難以適用于鐵磁性試件的測厚，并提出了基于信號斜率的測厚方法。由于鐵磁性材料磁導率的不均一性和非線性，故特征量的提取更加困難且研究較少，因此文章開展了提取鐵磁性材料測厚特征量的研究，仿真試驗結果表明，可以使用差分電壓信號峰值、差分電壓信號峰值時間及單對數(shù)坐標系下晚期信號斜率為特征量來測量鐵磁性材料的壁厚。

1 脈沖渦流測厚的基本原理

將激勵線圈放置在被測試件上方，在其兩端加載一定幅值、頻率和占空比的脈沖信號，由法拉第電磁感應定律可知，當脈沖信號發(fā)生跳變時會在激勵線圈周圍感生出快速衰減的磁場B1，變化的磁場B1又會在被測試件中感應出變化的渦流(脈沖渦流)，在脈沖渦流向著被測試件內部進行擴散衰減時會在其周圍產生另一個變化的磁場B2，通過檢測線圈檢測磁場B2的變化并轉換為隨時間變化的電壓信號，當試件厚度發(fā)生變化或者存在缺陷時，對應的檢測信號也不相同，因此通過對檢測信號進行分析和特征量提取，找到特征量與被測試件厚度的關系，就能實現(xiàn)壁厚的測量[10]，脈沖渦流的測厚原理如圖1所示。

圖1 脈沖渦流測厚原理示意

2 有限元建模與仿真

2.1 有限元仿真模型的建立

根據(jù)脈沖渦流檢測原理并結合實際情況，使用COMSOL Multiphysics軟件建立了脈沖渦流測厚的仿真模型，整個模型包括激勵線圈、檢測線圈、被測試件(Q235鋼板)及空氣域，激勵線圈和檢測線圈均為空心圓柱形結構，兩個線圈同軸放置，激勵線圈在內，檢測線圈在外。為簡化模型，以厚度均勻的鋼板替代管道作為被測試件，由于模型具有對稱性，同時為了減小計算量，故將三維的仿真模型轉化為二維的仿真模型，脈沖渦流測厚的二維仿真模型如圖2所示。

圖2 脈沖渦流測厚的二維仿真模型

2.2 仿真參數(shù)的選取

測厚模型中的激勵線圈和檢測線圈與被測試件之間無提離，激勵線圈、檢測線圈及脈沖激勵的參數(shù)如表1所示，被測試件及線圈導線的參數(shù)如表2所示。

表1 仿真試驗參數(shù)

表2 被測試件及線圈導線參數(shù)

模型區(qū)域采用自由網(wǎng)格進行劃分，計算求解時選用瞬態(tài)求解器，求解步長為0.01 ms，求解終止時間為500 ms。11 mm厚試件的仿真檢測信號如圖3所示，只需要找到檢測信號中特征量與被測試件厚度的關系，即可實現(xiàn)對被測試件厚度的測量。

圖3 11 mm厚試件的仿真檢測信號

3 數(shù)據(jù)處理與特征量提取

3.1 差分電壓信號

通過仿真試驗得到了420 mm厚試件的檢測信號，將厚度為11，20 mm的檢測信號繪制在同一直角坐標系下(見圖4)，由圖4可以看出厚度越大信號衰減得越慢。

圖4 11,20 mm厚度試件的仿真檢測信號

以厚度20 mm處的檢測信號為參考信號，用參考信號減去檢測信號得到的就是差分電壓信號[11]，不同厚度所對應的差分電壓信號如圖5所示，從圖5中可以看出，差分電壓信號曲線有兩個重要的特征，分別差分電壓信號峰值和差分電壓信號峰值時間。

圖5 不同厚度試件對應的差分電壓信號

3.2 基于差分電壓信號峰值的壁厚測量

從圖5中可以看出，厚度越小則差分電壓信號峰值越大，不同厚度對應的差分電壓信號峰值如表3所示，將表中數(shù)據(jù)繪制在直角坐標系中得到差分電壓信號峰值-厚度曲線(見圖6)，使用MATLAB軟件對差分電壓信號峰值和厚度進行擬合，發(fā)現(xiàn)在417 mm厚度內差分電壓信號峰值與厚度呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關系，二者的關系式如式(1)所示(式中x1,y1分別為差分信號峰值與試件厚度)，因此可以得出結論，以差分電壓信號峰值為特征量能夠測量的厚度范圍為417 mm，但差分信號峰值均為毫伏級，在實際應用中檢測易受噪聲干擾，使得檢測準確度降低，所以該技術不適用于工程應用。

表3 不同試件厚度對應的差分電壓信號峰值

圖6 差分電壓信號峰值-厚度曲線

(1)

3.3 基于差分電壓信號峰值時間的壁厚測量

從圖5中可以看出，試件厚度越大則差分電壓信號的峰值時間越大，不同厚度對應的差分電壓信號峰值時間如表4所示，將表中數(shù)據(jù)繪制在直角坐標系中得到差分電壓信號峰值時間-厚度曲線(見圖7)，使用MATLAB軟件對差分電壓信號峰值時間和厚度進行擬合，發(fā)現(xiàn)在417 mm厚度內差分電壓信號峰值時間與厚度呈現(xiàn)較好的線性關系，二者的關系式如式(2)所示(式中x2,y2分別為差分電壓信號的峰值時間與試件厚度)。

y2=0.071 32x2+2.737

(2)

表4 不同試件厚度對應的差分電壓信號峰值時間

圖7 差分電壓信號峰值時間-厚度曲線

因此可以得出結論,以差分電壓信號峰值時間為特征量能夠測量的厚度范圍為417 mm，但在實際檢測過程中,該特征量存在提取困難的弊端，亦不適用于工程應用。

3.4 基于單對數(shù)坐標系下晚期信號斜率的壁厚測量

通過仿真試驗得到了1.545 mm厚試件的檢測電壓信號，觀察可以發(fā)現(xiàn)峰值之后的晚期電壓信號時域變化規(guī)律不同，使用峰值后的信號，將不同厚度的檢測電壓信號繪制在單對數(shù)坐標系中(見圖8)，從圖8中可以看出不同厚度所對應的晚期信號斜率不同，不同厚度所對應晚期信號斜率如表5所示，結果顯示，424 mm內的厚度與晚期信號斜率呈現(xiàn)冪函數(shù)關系，晚期信號斜率-厚度曲線如圖9所示，使用MATLAB軟件對晚期信號斜率(x3)和厚度(y3)進行擬合，得到二者的關系如式(3)所示。

圖8 單對數(shù)坐標系下的檢測電壓信號

圖9 晚期信號斜率-厚度曲線

表5 不同試件厚度對應的晚期信號斜率

y3=71.71(-x3)-0.53

(3)

因此可以得出結論，以晚期信號斜率為特征量能夠測量的厚度范圍為424 mm，而噪聲導致的局部畸變信號可以通過信號處理的方式來剔除，對斜率特征影響較小，因此晚期信號斜率這一特征量對于脈沖渦流測厚技術具有較大的工程應用價值。

4 結語

使用有限元法建立了鐵磁性材料的脈沖渦流測厚的仿真模型，獲得了不同厚度鐵磁性材料所對應的檢測電壓信號，對信號進行分析和特征量提取后得知，以差分電壓信號峰值、差分電壓信號峰值時間和晚期信號斜率為特征量能測量壁厚，以差分電壓信號峰值為特征量能夠測量的厚度范圍為417 mm，以差分電壓信號峰值時間為特征量能夠測量的厚度范圍為417 mm，以晚期信號斜率為特征量能夠測量的厚度范圍為424 mm，但由于差分電壓信號峰值為毫伏量級，差分電壓信號峰值和峰值時間的提取較為困難，故在實際檢測過程中，多以晚期信號斜率為特征量來反演壁厚。