李 驥，陽 雷，周鈺明，陳衛(wèi)林，張 旻

(中國核動力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213)

渦流檢測是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的一種非接觸式無損檢測方法，具有操作簡單、檢測速度快、安全等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用在航空航天、船舶、核電、機(jī)械、建筑、冶金等領(lǐng)域[1-2]的各種金屬制件(如管、棒、板、坯材及各種機(jī)械零件)和少數(shù)非金屬導(dǎo)電材料(如石墨、碳纖維復(fù)合材料)的檢測中。傳統(tǒng)的渦流檢測主要用于檢測導(dǎo)電材料表面或近表面的傷痕，還可以用來對金屬材料種類、合金成分、材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、熱處理狀態(tài)、硬度以及機(jī)械性能等進(jìn)行鑒別[3]。例如，陳昌華[4]采用渦流系統(tǒng)對12種不同牌號的鋼進(jìn)行了分選，解決了馬鋼高線廠線材混號的問題。邊美華等[5]采用渦流技術(shù)對在役電力變壓器導(dǎo)線材料進(jìn)行原位無損鑒別，實(shí)現(xiàn)了對在役變壓器內(nèi)部導(dǎo)體(銅、鋁)的快速識別。潘春嶺等[3]設(shè)計(jì)了雙通道渦流傳感器，并對7種不同材料的金屬進(jìn)行快速識別。劉藝柱等[6]設(shè)計(jì)了適用于自動售貨機(jī)、無人公交車的硬幣渦流識別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對第5套硬幣的有效識別。上述研究采用的都是常規(guī)渦流檢測，即以單一頻率的正弦波作為激勵(lì)信號，通過對目標(biāo)檢測區(qū)域內(nèi)的感應(yīng)電壓幅值或相位進(jìn)行采集和分析，在近表面實(shí)現(xiàn)對金屬材料的鑒別，在單層金屬的識別中實(shí)現(xiàn)了較好的應(yīng)用。

目前，石油工業(yè)的原油傳輸管道常采用雙層復(fù)合金屬管，在管道出廠及工程安裝現(xiàn)場的管理中需要對管道的材料進(jìn)行鑒別。常規(guī)渦流檢測在單層金屬的檢測中適應(yīng)性較好，但是由于其檢測深度淺、頻譜范圍有限，且對干擾信號敏感[1]，在石油雙層復(fù)合金屬管的應(yīng)用中存在一定的局限性。相比于常規(guī)單頻渦流，脈沖渦流具有頻譜范圍廣[7-8]、感應(yīng)信號豐富、檢測深度深[9]、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，只要對感應(yīng)電壓信號進(jìn)行時(shí)域瞬態(tài)分析就可實(shí)現(xiàn)檢測和評估。該技術(shù)在大壁厚結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷檢測中應(yīng)用廣泛，例如，徐平[2]采用脈沖渦流穿透包覆金屬層實(shí)現(xiàn)了對被包覆金屬層腐蝕缺陷的定量檢測。鑒于脈沖渦流具有可穿透大壁厚金屬層的優(yōu)勢，筆者提出采用脈沖渦流技術(shù)對石油雙層復(fù)合金屬管進(jìn)行材料鑒別，針對不銹鋼包覆銅、鐵、鋁模擬復(fù)合金屬層的試樣開展脈沖渦流檢測試驗(yàn)，對信號特征進(jìn)行了分析，為雙層復(fù)合金屬管的材料鑒別提供了有效手段。

1 脈沖渦流檢測原理

脈沖渦流檢測系統(tǒng)如圖1所示，檢測系統(tǒng)由檢測探頭、信號發(fā)生模塊、信號接收模塊、采集模塊和上位機(jī)監(jiān)控軟件等組成。

圖1 脈沖渦流檢測系統(tǒng)示意

如圖1所示，脈沖渦流系統(tǒng)對復(fù)合金屬層進(jìn)行檢測識別的原理如下：采用具有一定占空比的寬帶方波脈沖作為激勵(lì)信號，經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動檢測探頭激勵(lì)線圈；受激勵(lì)線圈磁場B0的作用，包覆金屬層A和待檢測被包覆金屬層B中均會產(chǎn)生感應(yīng)渦流，而渦流的分布、密度、流動形式受到激磁條件(如激勵(lì)線圈的形狀、尺寸、交流電流的頻率等)、金屬層A和B自身的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀與尺寸等多種因素的影響；感應(yīng)產(chǎn)生的渦流會分別形成與原磁場方向B0相反的磁場B1和B2，使通過檢測線圈的磁通發(fā)生變化，則脈沖渦流響應(yīng)磁場B是三部分磁場的疊加，即

B=B0+B1+B2

(1)

B0只取決于檢測環(huán)境以及激磁條件，B1和B2受金屬層A和B的材料及其幾何尺寸的影響。實(shí)際檢測中，疊加磁場B在檢測線圈中引起電參數(shù)的變化即為脈沖渦流響應(yīng)信號。該信號由檢測探頭的接收線圈檢測到，經(jīng)放大后被采集。信號中包含了金屬層A和待檢測金屬層B的相關(guān)信息，對信號進(jìn)行分析并提取相關(guān)特征可以用于金屬層B的材料區(qū)分。

2 脈沖渦流檢測試驗(yàn)

復(fù)合金屬層試樣結(jié)構(gòu)如圖2所示，尺寸(長×寬)為200 mm×200 mm，金屬層A的厚度為1.5 mm，材料為304不銹鋼，其電導(dǎo)率為1.39×106S·m-1，磁導(dǎo)率為4π×10-7H·m-1(試驗(yàn)中采用的304不銹鋼板帶有微弱磁性，因此相對磁導(dǎo)率會略大于1)。待測金屬層B的厚度為5 mm，材料分別為銅、鐵、鋁，其中：銅的電導(dǎo)率為5.7×107S·m-1，磁導(dǎo)率為4π×10-7H·m-1；鐵的電導(dǎo)率為9.9×106S·m-1，磁導(dǎo)率為2.4×10-4H·m-1；鋁的電導(dǎo)率為3.5×107S·m-1，磁導(dǎo)率為4π×10-7H·m-1。試驗(yàn)采用的脈沖渦流檢測探頭為一發(fā)一收式探頭，即該探頭由獨(dú)立的激勵(lì)線圈(180匝)和檢測線圈(2 300匝)構(gòu)成，探頭中心間距為20 mm。

圖2 復(fù)合金屬層試樣結(jié)構(gòu)示意

脈沖渦流的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度是檢測中極為重要的參數(shù)之一，其直接關(guān)系到渦流能否有效穿透包覆金屬層A并抵達(dá)待測金屬層B，從而實(shí)現(xiàn)有效檢出。脈沖渦流激勵(lì)信號(方波)是基波和許多諧波的組合[10-11]，利用傅里葉展開可表示為

(2)

式中：A0為信號直流分量；φn為相位,n=1,2,…；基頻ω1=2πf1；An為振幅譜。

當(dāng)n=1，占空比為50%時(shí)，An在基頻上取最大值，保證了脈沖信號的信噪比，此時(shí)可以得到脈沖渦流的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度δPW[1]為

(3)

式中：Δ為脈沖寬度;σ為電導(dǎo)率;μ為磁導(dǎo)率。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，將激勵(lì)信號的脈沖寬度設(shè)置為5 ms，頻率設(shè)置為100 Hz，由式(3)計(jì)算得其標(biāo)準(zhǔn)滲透深度為42.7 mm。結(jié)果表明，脈沖渦流對試驗(yàn)中采用的304不銹鋼板的有效檢測深度不超過15 mm，遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值42.7 mm，原因可能有，在脈沖渦流實(shí)際檢測過程中，不銹鋼加工工藝的差異影響了不銹鋼的性能，線圈形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)影響了不銹鋼板中的渦流分布狀態(tài)[12]，最終導(dǎo)致渦流滲透深度發(fā)生變化。304不銹鋼在生產(chǎn)及加工過程中，受偏析、熱處理不當(dāng)、冷軋、冷作硬化等因素的影響，在母材內(nèi)會產(chǎn)生一定量的鐵素體及形變誘發(fā)馬氏體，造成304不銹鋼試板具有一定鐵磁性[13]；試驗(yàn)選用的304不銹鋼為冷軋鋼板，在軋制及平底孔加工過程中，晶體點(diǎn)陣易發(fā)生畸變，同時(shí)引起材料應(yīng)力狀態(tài)的改變，導(dǎo)致材料電導(dǎo)率發(fā)生變化[14]。

采用脈沖渦流探頭在試樣304不銹鋼包覆層上進(jìn)行隨機(jī)掃描試驗(yàn)，得到的典型脈沖渦流響應(yīng)信號及特征如圖3所示。目前,在利用脈沖渦流對多層金屬結(jié)構(gòu)的裂紋進(jìn)行檢測[2]時(shí)，主要采用主峰幅值、主峰面積、過零時(shí)間及衰減時(shí)間對裂紋的深度和尺寸進(jìn)行表征。因此，選取這4種典型的脈沖渦流信號特征量，分析304不銹鋼包覆層下銅、鐵、鋁3種金屬的信號特征差異，尋找出區(qū)分3種金屬材料的特征參量。

圖3 典型脈沖渦流響應(yīng)信號及其特征

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為試驗(yàn)采集的3種試樣的脈沖渦流時(shí)域響應(yīng)信號。由于鐵的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于銅和鋁的，所以其脈沖渦流響應(yīng)信號強(qiáng)烈，鐵試樣的主峰幅值明顯高于銅和鋁試樣的，主峰幅值可作為區(qū)分鐵磁性材料和非鐵磁性材料的直接特征。對每種試樣分別隨機(jī)采集50次響應(yīng)信號，提取信號的峰值幅值、主峰面積、過零時(shí)間和衰減時(shí)間等4個(gè)特征，分布規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，隨機(jī)采集數(shù)據(jù)的各個(gè)特征值波動較小，數(shù)據(jù)重復(fù)性較好。

圖4 脈沖渦流響應(yīng)信號及其特征

圖5 3種試樣的脈沖渦流信號特征分布

4 結(jié)語

當(dāng)304不銹鋼板下方放置不同材料的試樣時(shí)，脈沖渦流信號特征存在差異，主峰幅值、主峰面積、過零時(shí)間和衰減時(shí)間可作為區(qū)分鐵磁性材料和非鐵磁性材料的依據(jù)，僅有過零時(shí)間可進(jìn)行非鐵磁性材料的區(qū)分。