張 堯，楊 鋒，羅寧昭，隋 波

(1. 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2. 海軍駐大連地區(qū)第三軍事代表室，遼寧 大連 116021)

0 前 言

船舶海水管路[1]主要由海底門、過(guò)濾器、海水泵、冷卻器、氣水分離箱、金屬管路、法蘭和閥件等設(shè)備和部件組成，擔(dān)負(fù)著冷卻主副機(jī)、洗消、壓載等任務(wù)，對(duì)于保障船舶航行具有重要作用。海水是一種天然電解質(zhì)，含有大量可溶性鹽，并且溶有大量空氣，海洋生物還會(huì)釋放CO2等氣體，使得海水酸化，腐蝕能力加劇[2]。此外，海水流速過(guò)快沖刷海水管壁也會(huì)造成管壁減薄。船舶海水管路腐蝕可能會(huì)導(dǎo)致管壁破損，造成設(shè)備損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至影響船舶的安全航行。因此，研究海水管路的腐蝕檢測(cè)技術(shù)以便采取相應(yīng)的應(yīng)急保護(hù)措施，對(duì)于船舶裝備的管理和使用具有重要意義。

1 海水管路無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分析

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是在不損傷被測(cè)對(duì)象使用性能的前提下，利用被測(cè)試件結(jié)構(gòu)異常而引起的對(duì)聲、光、電、磁等反應(yīng)的變化，探測(cè)試件內(nèi)部和表面缺陷，并對(duì)缺陷的類型、位置、尺寸等做出判斷和評(píng)價(jià)[3]。在金屬管道缺陷檢測(cè)中，目前比較成熟的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有：射線檢測(cè)[4]、超聲檢測(cè)[5]、渦流檢測(cè)[6]、漏磁檢測(cè)[7]、滲透檢測(cè)[8]等。

船舶海水管路管壁較薄，而超聲檢測(cè)適用于檢測(cè)厚度較大的試件，且操作較為復(fù)雜，需要高度熟練的操作人員對(duì)缺陷種類進(jìn)行判斷，故不適用于船舶海水管路腐蝕檢測(cè)。船舶海水管路多使用抗腐蝕性能較好的銅鎳合金材料，鐵磁性較弱，不易形成漏磁場(chǎng)，而且船舶海水管路口徑較小，布置緊密，走向復(fù)雜，故漏磁檢測(cè)也不適用。射線檢測(cè)對(duì)于面積型缺陷檢測(cè)率較低，且放射性物質(zhì)對(duì)人體有害，同樣不適用。部分船舶海水管路有包覆層，不方便使用滲透液作為檢測(cè)介質(zhì)，而且滲透檢測(cè)也無(wú)法檢測(cè)內(nèi)部缺陷，故滲透檢測(cè)也不適用。相比之下，渦流檢測(cè)無(wú)需添加介質(zhì)，無(wú)需放射源，可在試件表面有包覆層的情況下進(jìn)行檢測(cè)，而且對(duì)試件表面及近表面的缺陷有很高的靈敏度，適用于檢測(cè)船舶海水管路的腐蝕程度。

2 脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)分析

2.1 基本原理

渦流無(wú)損探傷原理如圖1所示。將交變電流通入線圈時(shí)，線圈會(huì)感生出一個(gè)交變磁場(chǎng)。當(dāng)線圈置于被測(cè)管壁表面時(shí)，其交變磁場(chǎng)會(huì)通過(guò)電磁耦合的方式，在管壁中激發(fā)渦流。所激發(fā)的渦流集中于管壁表面，并在管壁內(nèi)傳播。在渦流的傳播過(guò)程中，能量密度會(huì)逐漸發(fā)生衰減。衰減的電流密度會(huì)耦合出衰減的渦流磁場(chǎng)，阻礙原交變磁場(chǎng)的變化?？梢酝ㄟ^(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)分布的變化情況，反映被測(cè)試件的缺陷。

圖1 渦流無(wú)損探傷基本原理Fig. 1 Basic principle of eddy current non-destructive testing racture morphology

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)是渦流檢測(cè)的一個(gè)分支，基本原理與渦流檢測(cè)相同，不同之處在于脈沖渦流檢測(cè)采用脈沖方波作為激勵(lì)信號(hào)。由于集膚效應(yīng)的影響，與傳統(tǒng)單頻渦流檢測(cè)相比，脈沖渦流具有非常豐富的頻譜分量，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬試件不同深度位置缺陷的檢測(cè)，檢測(cè)速度和效果均優(yōu)于連續(xù)施加不同頻率正弦激勵(lì)的多頻渦流檢測(cè)。

2.2 激勵(lì)信號(hào)

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的激勵(lì)電流或者電壓通常是方波，文獻(xiàn)[9]分別研究了斜波、半正弦波和方波作為激勵(lì)信號(hào)的檢測(cè)分辨率，并指出方波是最優(yōu)選擇。文獻(xiàn)[10]研究了不同占空比的脈沖方波對(duì)渦流檢測(cè)的影響，即脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM），該技術(shù)可提供豐富的頻譜。激勵(lì)信號(hào)的頻率和占空比對(duì)缺陷檢測(cè)靈敏度的影響與被測(cè)試件的厚度有關(guān)，對(duì)于厚度較大的試件應(yīng)適當(dāng)降低激勵(lì)頻率并提高占空比[11]。吳鑫等仿真分析了脈沖渦流探頭參數(shù)對(duì)金屬測(cè)厚的影響，利用檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓作為輸出信號(hào)，研究表明激勵(lì)線圈的電流脈沖幅值對(duì)檢測(cè)線圈輸出信號(hào)幅值影響較大，增大脈沖電流有利于提高測(cè)厚的精度；滲透深度與激勵(lì)脈沖信號(hào)頻率的平方根成反比。在實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)選取小的激勵(lì)脈沖頻率，增大滲透深度，提高脈沖渦流測(cè)厚精度[12]。

2.3 探頭結(jié)構(gòu)

脈沖渦流檢測(cè)探頭一般由一個(gè)激勵(lì)線圈和一個(gè)或多個(gè)信號(hào)檢測(cè)裝置（感應(yīng)線圈或者磁場(chǎng)傳感器）組成。

激勵(lì)線圈可產(chǎn)生初級(jí)磁場(chǎng)，傳統(tǒng)圓柱形線圈由于激勵(lì)磁場(chǎng)直接穿過(guò)檢測(cè)線圈或者磁場(chǎng)傳感器，會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生很大干擾。若采用矩形激勵(lì)線圈，感應(yīng)電場(chǎng)的衰減程度會(huì)減弱，渦流滲透更深[13]。矩形線圈受提離影響較小，能夠有效消除邊緣效應(yīng)的影響，并且由于矩形線圈具有方向特性，能夠產(chǎn)生均勻的渦流分布[14-15]。周德強(qiáng)等[16]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)矩形探頭長(zhǎng)寬高尺寸在2∶1∶1.5的比例下靈敏度、線性度最好。

通過(guò)在探頭上增加鐵芯和磁屏蔽來(lái)聚集和放大信號(hào)，周德強(qiáng)等[17]對(duì)比研究了鐵屏蔽和鋁屏蔽，結(jié)果表明帶有鋁屏蔽的探頭可以增強(qiáng)脈沖渦流響應(yīng)的峰值，但靈敏度會(huì)降低；而鐵屏蔽能夠有效抑制背景噪聲，增強(qiáng)缺陷識(shí)別能力，提高檢測(cè)靈敏度。

2.4 脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)在金屬管壁測(cè)厚和腐蝕檢測(cè)的應(yīng)用

金屬管路的管壁厚度測(cè)量和腐蝕檢測(cè)一直是脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

近年來(lái)，脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)仍在快速發(fā)展。Majidnia等[18]提出了一種新型環(huán)繞式脈沖渦流探頭，利用環(huán)繞線圈以單脈沖掃描管道的整個(gè)圓周來(lái)增加掃描區(qū)域，利用巨磁阻（GMR）傳感器作為檢測(cè)器件，成功檢測(cè)了面積為4 000 mm，深度分別為7 mm，5.8 mm以及4.6 mm的缺陷。Lai等[19]加工了具有大面積減薄、局部樹(shù)脂狀腐蝕和凹坑狀腐蝕的模擬試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)管壁和絕緣層厚度分別為10 mm和110 mm時(shí)，能夠檢測(cè)到絕緣層下10%的管壁減薄以及300 mm2、深度2 mm的局部腐蝕。

Xu等[20]選取差分信號(hào)峰值時(shí)間作為特征量，研究表明峰值時(shí)間與絕緣厚度和探頭提離距離無(wú)關(guān)，當(dāng)管壁減薄厚度小于60%時(shí)，峰值時(shí)間與管壁減薄量呈線性相關(guān)。Park等[21-22]也同樣證實(shí)峰值時(shí)間隨著樣品厚度的增加而增加，而與絕緣體厚度無(wú)關(guān)。他們用霍爾傳感器作為檢測(cè)器件，在不除去試件絕緣層、6 mm提離距離下，測(cè)得核電廠不銹鋼管道的管壁厚度在1～5 mm之間的變化。

3 脈沖渦流信號(hào)檢測(cè)器件分析

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)通常使用感應(yīng)線圈或者磁場(chǎng)傳感器來(lái)檢測(cè)試件渦流場(chǎng)所產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)引起的線圈周圍磁場(chǎng)的變化。線圈和磁場(chǎng)傳感器的信號(hào)輸出表達(dá)式如下：

其中：N為線圈匝數(shù)；A為磁通量通過(guò)的面積；B為磁通密度；K為磁場(chǎng)傳感器的比例系數(shù)。

3.1 感應(yīng)線圈

線圈的輸出電動(dòng)勢(shì)與磁通密度的變化率成正比，而磁場(chǎng)傳感器的輸出電壓與磁通密度成正比。感應(yīng)線圈具有設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單、寬頻帶和大動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)，但僅對(duì)交變磁場(chǎng)敏感，對(duì)低頻磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度較低，而且需要增設(shè)積分電路將磁通密度的變化率轉(zhuǎn)化為磁通密度，不易于小型化[23]。

3.2 磁場(chǎng)傳感器

目前應(yīng)用較為廣泛的磁場(chǎng)傳感器有霍爾傳感器、磁電阻傳感器和超導(dǎo)量子干涉器件（superconducting quantum interference device，SQUID）傳感器?；魻杺鞲衅骶哂休^大的動(dòng)態(tài)范圍，大約1 ～1 000 Gs，但是噪聲大、分辨率和靈敏度較低。SQUID傳感器是目前檢測(cè)精度最高的磁場(chǎng)傳感器，高溫超導(dǎo)SQUID檢測(cè)精度可達(dá)10-14T，低溫超導(dǎo) SQUID可達(dá)10-15T，但由于設(shè)計(jì)制作和使用復(fù)雜、成本高，暫未大規(guī)模使用[24]。

磁電阻傳感器是基于磁電阻效應(yīng)設(shè)計(jì)制作的傳感器。磁電阻效應(yīng)（MR）是指元件電阻值會(huì)隨著外加磁場(chǎng)的改變而改變，是把磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)最有效的方法之一[25]。磁電阻效應(yīng)的發(fā)展已經(jīng)歷3代：各向異磁電阻（ARM）效應(yīng)、巨磁電阻（GMR）效應(yīng)和隧道磁電阻（TMR）效應(yīng)。這3種磁電阻效應(yīng)的性能參數(shù)如表1所示。

TMR器件相對(duì)于霍爾器件、AMR器件和GMR器件，溫度穩(wěn)定性好、線性度較好，信噪比、靈敏度和工作范圍均大幅度提高，無(wú)需外加set/reset線圈，無(wú)層間耦合效應(yīng)，且功耗極低，體積極小，易于集成化和陣列布置，提高傳感器探頭的分辨率，適用于脈沖渦流管路腐蝕程度檢測(cè)的陣列成像。

隧道磁電阻效應(yīng)產(chǎn)生的原理[26]是電子自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)，一般存在于磁隧道結(jié)（MTJ）中?；谒淼来烹娮栊?yīng)原理制成的TMR器件具有靈敏度高、功耗小、易于集成化等優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)磁頭和傳感器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Cardoso等[27]設(shè)計(jì)制造了2個(gè)分別由6個(gè)和10個(gè)磁隧道結(jié)串聯(lián)組成的TMR傳感器，并成功檢測(cè)了鋁制模型上寬度為0.1 mm，深度0.2～1 mm變化的缺陷，靈敏度可達(dá)到50.8 mV/mT和84.5 mV/mT，且后者信噪比可達(dá)50 dB。Jin等[28]將4，16，28，40，52個(gè)磁隧道結(jié)分別布置成1，4，7，10，13行以制成傳感器，成功檢測(cè)到鋁試件表面寬0.1 mm，深度0.1～1 mm變化的裂紋。當(dāng)將28個(gè)磁隧道結(jié)排布成7行，檢測(cè)0.1 mm深度缺陷時(shí)的信噪比高達(dá)115 dB，這表明合理布置磁隧道結(jié)可提高檢測(cè)精度。Jin等[29]又將以上磁隧道結(jié)陣列布置用于檢測(cè)銅試件中的凹坑，同樣得出以上結(jié)論。Ye等[29]用180個(gè)TMR元件組成傳感器陣列，每個(gè)元件相距0.5 mm，能夠在一次掃描中將寬度90 mm的矩形區(qū)域成像，實(shí)驗(yàn)成功將鋁試件上300×300×400 mm的表面缺陷成像。

表1 三種磁電阻效應(yīng)特性比較Tab. 1 Comparison of three magnetoresistance effects

4 基于TMR陣列的脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一種基于TMR陣列的脈沖渦流檢測(cè)方案，該方案將TMR傳感器布置于激勵(lì)線圈內(nèi)部，按照一定規(guī)則組成陣列（見(jiàn)圖2），以檢測(cè)渦流磁場(chǎng)的變化，反映管路損傷情況。由于TMR傳感器體積小，相同體積布置數(shù)量遠(yuǎn)大于其他傳感器，能有效提高后期成像的分辨率。

圖2 TMR陣列布置示意圖Fig. 2 TMR array arrangement racture morphology

檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成如圖3所示，主要包括脈沖信號(hào)發(fā)射電路、渦流信號(hào)檢測(cè)電路、顯示控制單元及數(shù)據(jù)采集處理電路。軟件部分主要有信號(hào)數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)，并開(kāi)發(fā)基于檢測(cè)結(jié)果的成像程序。

圖3 脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig. 3 Detection system structure racture morphology

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)比分析多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件，指出脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)較適用于船舶海水管路的腐蝕檢測(cè)。分析多種脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的信號(hào)檢測(cè)器件發(fā)現(xiàn)，由于TMR傳感器體積小、靈敏度高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，可布置成陣列實(shí)現(xiàn)腐蝕成像。最后，提出基于TMR陣列的脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)工作的展開(kāi)奠定基礎(chǔ)。