楊 帆余兆虎付躍文*黃文豐夏志風(fēng)段建剛

(1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063；2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

在高溫、高壓及運(yùn)輸腐蝕性液氣介質(zhì)條件下承壓設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)部分易產(chǎn)生腐蝕，且以局部腐蝕為主。 為了保溫和防止外部腐蝕，常使用數(shù)十到幾百毫米厚的包覆層進(jìn)行保護(hù)。 在不拆除包覆層的情況下檢測(cè)管道、容器及其他金屬結(jié)構(gòu)件局部腐蝕是一項(xiàng)檢測(cè)難題[1-2]。 脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸式檢測(cè)手段，可不拆卸包覆層對(duì)管道等構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)。 該技術(shù)具有入射電磁場(chǎng)滲透深度大、對(duì)深處缺陷檢測(cè)能力強(qiáng)、檢測(cè)信息豐富等特點(diǎn)[3-4]。 因此，脈沖渦流在檢測(cè)帶包覆層金屬結(jié)構(gòu)件的減薄及局部缺陷等方面受到廣泛關(guān)注[5-7]。

脈沖渦流探頭一般由圓柱形激勵(lì)和接收單元組成，最通常的結(jié)構(gòu)是將激勵(lì)與接收線圈同軸放置，這種圓柱形探頭被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)試件缺陷及壁厚減薄[8-9]。 高斌等分析了檢測(cè)線圈在空氣和試件中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，并且提出了一種檢測(cè)線圈同軸放置于激勵(lì)線圈上方的圓柱形探頭。 該探頭的檢測(cè)靈敏度取決于檢測(cè)線圈的換能效率[10]。 Rao 等應(yīng)用放置于環(huán)形激勵(lì)線圈底部中央的GMR 磁傳感器接收試件的感應(yīng)磁場(chǎng)變化，可檢測(cè)不銹鋼板底部厚度變化25%的埋深缺陷[11]。

上述圓柱形探頭的換能效率以及磁場(chǎng)接收能力受提離影響顯著，因而在提離時(shí)探頭檢測(cè)能力明顯下降。 為了解決這些問(wèn)題，研究人員通過(guò)增強(qiáng)激勵(lì)磁場(chǎng)或通過(guò)設(shè)計(jì)差共模結(jié)構(gòu)放大感應(yīng)磁場(chǎng)的變化量以提高探頭的信噪比[12-13]。

Park 等研制的探頭由兩個(gè)串聯(lián)連接的鐵氧體圓柱形激勵(lì)線圈和兩個(gè)差分連接的Hall 磁傳感器組成，該探頭能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的激勵(lì)磁場(chǎng)并且可以通過(guò)差分式結(jié)構(gòu)抑制干擾。 通過(guò)提高探頭的信噪比，從而檢測(cè)25 毫米提離下的不銹鋼板20%厚度變化[14]。 武新軍等基于圓柱形同軸線圈解析模型，推導(dǎo)得到感應(yīng)電壓變化量與試件厚度的關(guān)系，使用電壓峰值時(shí)間特征對(duì)厚度進(jìn)行定量。 該探頭可用于檢測(cè)包覆層下管道平均壁厚[15]。

但是除了平均壁厚損失之外，面積小而較深的局部缺陷由于更易導(dǎo)致穿透性缺陷因而對(duì)管道容器等設(shè)備的安全威脅有時(shí)會(huì)更大。 為了更好地檢測(cè)工件上的局部缺陷，陣列接收以及施加屏蔽以抑制激勵(lì)磁場(chǎng)擴(kuò)散等方法被認(rèn)為是能夠有效改進(jìn)探頭檢測(cè)能力的方法[16-17]。 由于缺陷信號(hào)特征從根本上來(lái)說(shuō)由缺陷對(duì)于渦流場(chǎng)的擾動(dòng)產(chǎn)生，因此探頭對(duì)局部缺陷的檢測(cè)靈敏度取決于局部缺陷對(duì)渦流場(chǎng)的擾動(dòng)大小。 如果探頭產(chǎn)生的渦流場(chǎng)能夠有較好的聚焦特性，則聚焦區(qū)域掃過(guò)局部缺陷時(shí)，渦流場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)將較大。 同時(shí)接收線圈也需要置于適當(dāng)區(qū)域才能達(dá)到較高的檢測(cè)靈敏度。對(duì)于圓柱形探頭來(lái)說(shuō)，已有研究表明在試件上感應(yīng)的渦流場(chǎng)存在盲區(qū)，需要將接收線圈放置于渦流場(chǎng)聚集區(qū)域才能獲得更高的檢測(cè)靈敏度[18]。 因此，渦流分布的聚焦性能是影響探頭檢測(cè)靈敏度的關(guān)鍵因素。 一些研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變探頭激勵(lì)結(jié)構(gòu)來(lái)改善激勵(lì)磁場(chǎng)，使得渦流聚集分布，從而提高探頭檢測(cè)靈敏度。 其中，探頭結(jié)構(gòu)包括矩形、漏斗形、雙圓柱形等結(jié)構(gòu)[19-21]。 付躍文等對(duì)圓柱形激勵(lì)線圈的三種擺放(徑向、橫向和縱向)位置下的渦流空間分布規(guī)律展開(kāi)了研究，分析了渦流場(chǎng)盲區(qū)(該區(qū)域內(nèi)渦流趨近于零)對(duì)探頭檢測(cè)能力的影響。 同時(shí)明確了縱向擺放的圓柱形探頭在檢測(cè)管道壁厚時(shí)具備更高檢測(cè)靈敏度，為在檢測(cè)帶包覆層管道壁厚時(shí)探頭的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了幫助[22]。

上述探頭在檢測(cè)試件表面及近表面缺陷或提離下的厚度變化時(shí)取得了良好的檢測(cè)效果，但是目前尚缺乏探頭提離時(shí)在試件上產(chǎn)生的渦流分布對(duì)局部腐蝕缺陷檢測(cè)影響的研究。 由于磁導(dǎo)體回路可有效引導(dǎo)磁場(chǎng)分布，使得探頭在試件上產(chǎn)生的渦流分布發(fā)生改變。 因此本文通過(guò)設(shè)計(jì)U 形磁導(dǎo)體脈沖渦流探頭在提離下對(duì)304L 不銹鋼板局部腐蝕以及厚度進(jìn)行檢測(cè)。

研究從仿真和試驗(yàn)兩方面進(jìn)行。 在仿真方面，使用有限元仿真軟件得到磁導(dǎo)體引導(dǎo)的磁場(chǎng)分布以及對(duì)不同提離下試件上的渦流分布進(jìn)行研究，通過(guò)引入渦流有效聚集區(qū)域面積變化描述缺陷引起的渦流擾動(dòng)大小，從而得到磁導(dǎo)體聚焦探頭的檢測(cè)范圍以及相對(duì)缺陷的檢測(cè)偏移量，為設(shè)計(jì)具有高靈敏度的局部缺陷檢測(cè)探頭提供參考。

1 檢測(cè)原理

如圖1(a)所示，脈沖渦流檢測(cè)探頭由一對(duì)激勵(lì)線圈和接收線圈組成，在激勵(lì)線圈中施加脈沖激勵(lì)電流，線圈周圍空間產(chǎn)生瞬變磁場(chǎng)，即一次磁場(chǎng)。 激勵(lì)電流從方波直流段快速關(guān)斷時(shí)，周圍磁場(chǎng)快速衰減，由于電磁感應(yīng)，被檢對(duì)象上會(huì)感應(yīng)出脈沖渦流。脈沖渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)為二次磁場(chǎng)。 激勵(lì)電流關(guān)斷時(shí)，一次磁場(chǎng)為零，此時(shí)檢測(cè)線圈測(cè)量二次磁場(chǎng)的變化，這種變化通過(guò)檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓反映，如圖1(b)所示。 檢測(cè)電壓的大小反映了金屬試件的壁厚/缺陷等信息，以此判斷被檢對(duì)象的金屬損失程度。

圖1 脈沖渦流檢測(cè)原理

2 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

2.1 PEC 檢測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)平臺(tái)由激勵(lì)設(shè)備、計(jì)算機(jī)、不銹鋼板試件、U 形磁導(dǎo)體聚焦探頭構(gòu)成，如圖2 所示。 激勵(lì)設(shè)備可發(fā)射頻率為1/16 Hz～32 Hz 的等寬雙極性方波脈沖激勵(lì)，最大電流為10 A。 設(shè)備的采集和處理單元能夠接收大動(dòng)態(tài)范圍感應(yīng)電壓信號(hào)，可以測(cè)量微弱電磁信號(hào)。 采集為16 位A/D，最高采樣頻率為1 MHz。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 試件

被檢試件共有九塊304L 不銹鋼板，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.003，電導(dǎo)率為1.38 MS/m。 不銹鋼板尺寸分別為四塊500 mm×500 mm×2 mm(長(zhǎng)×寬×厚)、兩塊500 mm×500 mm×1 mm 和三塊500 mm×500 mm×5 mm 的304L 不銹鋼板。 其中三塊500 mm×500 mm×5 mm 的試件中心各刻有尺寸分別為30 mm×30 mm×1.5 mm、30 mm×30 mm×1.0 mm 和30 mm×30 mm×0.5 mm(長(zhǎng)×寬×深)的方槽，如圖3(a)所示，用于模擬鋼板局部腐蝕缺陷。 圖3(b)將不同數(shù)量的鋼板疊加在一起用于模擬鋼板的壁厚變化。

圖3 不銹鋼試件

2.3 探頭設(shè)計(jì)

U 形磁導(dǎo)體聚焦探頭的激勵(lì)部分使用U 形鐵氧體磁芯，在其一磁腳上繞制激勵(lì)線圈。 鐵氧體磁芯材料電導(dǎo)率為240 S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為5 628。 激勵(lì)線圈線徑0.57 mm，匝數(shù)為238，電感為3.44 mH，電阻為0.995 Ω。 檢測(cè)線圈有兩個(gè)以差分形式連接，線徑為0.1 mm，單個(gè)檢測(cè)線圈3 400 匝，電阻為184.39 Ω，電感為32 mH。 探頭的結(jié)構(gòu)及檢測(cè)線圈擺放位置如圖4(a)所示，具體尺寸參數(shù)如圖4(b)所示。

圖4 磁導(dǎo)體聚焦探頭結(jié)構(gòu)及尺寸圖

2.4 數(shù)據(jù)處理方法

在檢測(cè)過(guò)程中，探頭從距離不銹鋼板左端135 mm 處開(kāi)始檢測(cè)，以固定間隔選擇檢測(cè)點(diǎn)。 圖5所示為一定提離下探頭檢測(cè)有無(wú)缺陷試件的歸一化感應(yīng)電壓(感應(yīng)電壓除以激勵(lì)電流)的對(duì)數(shù)衰減曲線(圖5 左)以及相應(yīng)的時(shí)間剖面曲線(圖5 右)。 在電壓衰減曲線的前期，探頭中的接收線圈接收到的信號(hào)主要受激勵(lì)線圈的磁場(chǎng)信號(hào)的影響，后期信號(hào)中，激勵(lì)電流為零，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)趨近于零，接收線圈的信號(hào)主要受渦流場(chǎng)的信號(hào)影響，因此接收線圈的電壓曲線的衰減速度與試件的金屬損失相關(guān)，這時(shí)電壓衰減曲線的衰減速度可用于檢測(cè)壁厚損失或局部缺陷。 時(shí)間剖面曲線是將不同點(diǎn)處的下降曲線匯總后，對(duì)不同點(diǎn)的曲線取同一時(shí)刻點(diǎn)(例如時(shí)刻點(diǎn)t1，t2，t3)形成的系列曲線，能夠直觀地顯示缺陷的信號(hào)特征，如圖5 右可以看出b 位置處存在缺陷。

圖5 歸一化感應(yīng)電壓及時(shí)間剖面曲線生成示意圖

接收線圈產(chǎn)生的電壓信號(hào)按對(duì)數(shù)衰減，電壓動(dòng)態(tài)范圍較大，因此將檢測(cè)信號(hào)按照對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)劃分為若干時(shí)窗[23-24]。 設(shè)第i 個(gè)測(cè)點(diǎn)處得到的電壓矢量如下:

式中:N是每個(gè)脈沖周期的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)的采樣時(shí)間的時(shí)窗總數(shù)，本文N為28。

假設(shè)總共測(cè)量M個(gè)點(diǎn)，則M個(gè)采樣點(diǎn)的電壓矢量可以合成為矩陣W:

式中矩陣M第i行代表第i個(gè)測(cè)點(diǎn)。

可以從矩陣M中得到第j個(gè)時(shí)窗的切片矢量Sj:

式中:矢量Sj代表電壓衰減曲線在某一時(shí)刻下不同測(cè)點(diǎn)的電壓矢量，若不存在缺陷，理想情況下切片矢量Sj中的每個(gè)電壓值都相等。 考慮噪聲干擾后，發(fā)現(xiàn)Sj中某一電壓值低于其他電壓值，則認(rèn)為該電壓值所對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)存在缺陷。

所設(shè)計(jì)的探頭檢測(cè)信號(hào)生成過(guò)程如圖6 所示。探頭依次經(jīng)過(guò)位置a、b、c、d、e，產(chǎn)生一個(gè)不對(duì)稱V形信號(hào)。 測(cè)點(diǎn)a 和e 為無(wú)缺陷處，在測(cè)點(diǎn)c 時(shí)達(dá)到電壓極值，此時(shí)探頭未到缺陷中心位置。 信號(hào)的不對(duì)稱性來(lái)自于渦流聚集區(qū)域的不規(guī)則，檢測(cè)定位產(chǎn)生偏移因?yàn)闇u流聚集區(qū)域不在探頭正下方。

圖6 U 形磁導(dǎo)體聚焦探頭檢測(cè)缺陷信號(hào)及其特征

3 U 形磁導(dǎo)體聚焦探頭的數(shù)值仿真

3.1 仿真模型的建立

使用有限元仿真軟件建立U 形磁導(dǎo)體聚焦探頭的脈沖渦流檢測(cè)模型，分析探頭的磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)圓柱形線圈產(chǎn)生的激勵(lì)磁場(chǎng)的影響。 同時(shí)分析探頭在不同提離下渦流分布及聚集情況，據(jù)此計(jì)算探頭提離下聚焦探頭的有效檢測(cè)范圍，以及根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的極值位置確定缺陷位置，從而為探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際檢測(cè)中缺陷定位提供幫助。

圖7 為磁導(dǎo)體探頭提離時(shí)的仿真模型，探頭的激勵(lì)線圈放置于試件中心正上方，仿真模型網(wǎng)格由正四面體和自由六面體網(wǎng)格單元組成。 使用對(duì)稱邊界條件將檢測(cè)模型簡(jiǎn)化為二分之一模型。 仿真中不銹鋼板的材料屬性及尺寸與2.2 節(jié)中實(shí)際試驗(yàn)中所使用的試件一致。 探頭激勵(lì)線圈的結(jié)構(gòu)尺寸及電磁參數(shù)見(jiàn)表1，與實(shí)際試驗(yàn)中所用的參數(shù)一致。 探頭的激勵(lì)信號(hào)采用單極性方波脈沖激勵(lì)，頻率為16 Hz，與實(shí)際試驗(yàn)中所用8 Hz 雙極性脈沖方波脈寬對(duì)應(yīng)。 方波電流大小為2.34 A，與實(shí)際試驗(yàn)中一致。 計(jì)算時(shí)采用指數(shù)增加的時(shí)間步長(zhǎng)，初始時(shí)間步長(zhǎng)為10-6s，直到總時(shí)間0.062 5 s。

表1 探頭激勵(lì)單元的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

圖7 U 形磁導(dǎo)體聚焦探頭的仿真模型

3.2 磁場(chǎng)與渦流分布仿真結(jié)果分析

圖8(a)和圖8(b)分別為在提離40 mm 下普通圓柱體探頭和磁導(dǎo)體探頭在激勵(lì)信號(hào)關(guān)斷時(shí)223.8 μs 時(shí)刻周圍空氣域中的磁通密度在XOZ平面分布圖。 圖8(b)顯示探頭的鐵氧體磁芯能夠有效引導(dǎo)磁場(chǎng)，通過(guò)磁回路改變了圓柱形線圈原本產(chǎn)生的蝶形激勵(lì)磁場(chǎng)，在探頭下部的鋼板區(qū)域形成了一個(gè)更為集中的磁場(chǎng)，這使得探頭產(chǎn)生的渦流也更集中于該區(qū)域，有利于探頭對(duì)局部缺陷的檢測(cè)。 同時(shí)注意到磁場(chǎng)分布關(guān)于探頭中軸線是兩邊不對(duì)稱的。

圖8 不同探頭提離40 mm 下XOZ 平面磁通密度分布

圖9 和圖10 分別為普通圓柱體探頭和磁導(dǎo)體探頭在關(guān)斷時(shí)223.8 μs 時(shí)刻40 mm 和110 mm 提離下的渦流分布圖。 厚度方向的渦流分布圖中給出了全局渦流分布，并對(duì)畫(huà)框部分給出了放大圖。

圖9 223.8 μs 時(shí)刻下圓柱形探頭不同提離下渦流密度分布

圖10 223.8 μs 時(shí)刻下聚焦探頭不同提離下渦流密度分布

圖10 與圖9 相比，表明與圓柱形線圈相比，磁導(dǎo)體探頭在不銹鋼板上產(chǎn)生的渦流分布并非為均勻圓環(huán)形分布。 渦流聚焦區(qū)域位于未繞制線圈的磁腳右下方，通過(guò)磁引導(dǎo)避免了圓柱形激勵(lì)線圈中心下方存在的渦流檢測(cè)盲區(qū)。 同時(shí)表明隨著探頭提離距離的增大，渦流密度衰減的同時(shí)，渦流聚焦區(qū)域擴(kuò)大。 同時(shí)渦流聚焦區(qū)域的中心不在探頭的中軸線上，而是有一定偏移量。

3.3 仿真結(jié)果的定量計(jì)算分析

探頭在檢測(cè)缺陷時(shí)，渦流的有效聚集區(qū)域面積大小反映了檢測(cè)局部缺陷的能力。 如果在極小區(qū)域內(nèi)聚集了大量的渦流能量，那么渦流檢測(cè)極小缺陷的能力必然較高。

本文在比較聚焦區(qū)域大小時(shí)選取聚焦區(qū)域的方法是:當(dāng)渦流耗散功率P 下降為渦流區(qū)域最大值的一半時(shí)，認(rèn)為渦流到達(dá)了有效區(qū)域的邊界。 當(dāng)材料電導(dǎo)率一定時(shí)，功率下降為原來(lái)一半，渦流密度的最大值相應(yīng)地降為原來(lái)大小的0.707 倍。 因此使用最大渦流密度的0.707 倍處來(lái)劃定渦流有效聚集區(qū)域邊界。

當(dāng)該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)缺陷時(shí)，由于工件厚度等的變化，渦流分布會(huì)發(fā)生變化，渦流有效區(qū)域的大小也會(huì)發(fā)生變化，反映了缺陷對(duì)于渦流的擾動(dòng)。

圖11 為探頭在提離40 mm 下渦流聚集區(qū)域放大圖。 由仿真結(jié)果可計(jì)算出圖11(a)探頭在無(wú)缺陷試件上渦流有效聚集區(qū)面積S1＝1 402 mm2，該區(qū)域中心處存在渦流密度最大值Max ＝2 841.43 A/m2，渦流聚集區(qū)邊界渦流密度為2 008.89 A/m2。 圖11(b)所示為探頭在缺陷試件上的渦流有效聚集區(qū)面積S2＝684 mm2，最大渦流密度大小為3 276.32 A/m2，渦流聚集區(qū)邊界的渦流密度為2 316.36 A/m2。 結(jié)果表明:與無(wú)缺陷試件的有效聚集區(qū)相比，缺陷擾動(dòng)導(dǎo)致有缺陷區(qū)域的渦流有效聚集區(qū)面積變小。

圖11 探頭提離40 mm 時(shí)有無(wú)缺陷不銹鋼板上渦流聚集區(qū)

同時(shí)分別計(jì)算提離70 mm 和110 mm 時(shí)的渦流有效聚集區(qū)面積S3和S4，其中S3＝3 087 mm2，S4＝5 220 mm2，渦流最大值(圖中Max 點(diǎn))分別偏移探頭中軸線15 mm 和25 mm。 從圖12 可以看出，隨著提離距離的增加，渦流聚焦面積增加，聚焦程度下降，導(dǎo)致對(duì)于局部缺陷的檢測(cè)靈敏度降低。

圖12 探頭不同提離下渦流有效聚集區(qū)

隨著探頭提離高度增加，感應(yīng)渦流最大值Max點(diǎn)位置相對(duì)探頭中軸線位置偏移量增加，如圖13 所示。 這表明探頭在實(shí)際檢測(cè)中對(duì)缺陷的檢測(cè)定位存在偏移，且偏移量隨探頭提離高度增加而增加。

圖13 感應(yīng)渦流最大值相對(duì)探頭中軸線偏移量與探頭提離高度關(guān)系曲線

圖14 所示為探頭40 mm 提離下將探頭(以探頭中心計(jì)算)從距離不銹鋼板左端140 mm 處開(kāi)始往右移動(dòng)至360 mm 處(移動(dòng)步進(jìn)為10 mm)，得到探頭有效檢測(cè)區(qū)面積與探頭位置曲線。 同一提離下，探頭在無(wú)缺陷區(qū)域檢測(cè)時(shí)，渦流有效聚集區(qū)域面積基本保持不變。 當(dāng)渦流有效聚集區(qū)域開(kāi)始進(jìn)入缺陷區(qū)域(缺陷位于235 mm～265 mm 位置處，缺陷中心位置s0在250 mm 處)時(shí)，由于渦流有效聚集區(qū)受缺陷擾動(dòng)影響，有效聚集區(qū)域面積相應(yīng)減小。 探頭中軸線在位置190～290 mm 范圍內(nèi)渦流有效聚集區(qū)面積減小，并在240 mm 處達(dá)到了最小值。 可計(jì)算出渦流擾動(dòng)最大處對(duì)應(yīng)的探頭中軸線位置與缺陷中心存在s＝10 mm 偏移。

圖14 提離40 mm 下探頭的有效檢測(cè)區(qū)面積與缺陷位置關(guān)系

4 試驗(yàn)結(jié)果

使用圖2 所示試驗(yàn)平臺(tái)及電流和頻率參數(shù)、圖3所示不銹鋼試件以及圖4 所示的探頭以及2.4節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)。

圖15 是磁導(dǎo)體探頭在提離40 mm 和50 mm 下檢測(cè)圖3(a)不銹鋼試件30 mm×30 mm×1.5 mm 局部缺陷的感應(yīng)電壓時(shí)間剖面曲線。 利用V 形波形信號(hào)特征識(shí)別缺陷，選擇6～8 號(hào)時(shí)窗內(nèi)的剖面曲線識(shí)別缺陷。 通過(guò)缺陷信號(hào)特征以及每個(gè)時(shí)窗內(nèi)信號(hào)變化的一致性可以清楚地判別局部缺陷。 檢測(cè)信號(hào)電壓從探頭距離試件左端215 mm ～270 mm 內(nèi)(缺陷中心在250 mm 處)低于周圍值，6 號(hào)時(shí)窗電壓在245 mm 處達(dá)到最小值(21 540 μV/A)，相對(duì)局部缺陷中心(250 mm 處)偏移s1＝5 mm。 在提離50 mm下，U 形探頭能夠檢測(cè)局部缺陷，但此時(shí)檢測(cè)信號(hào)電壓變化相比提離40 mm 時(shí)弱，探頭對(duì)局部缺陷的檢測(cè)能力降低。 探頭相對(duì)局部缺陷偏移s2＝5 mm。

圖15 U 形磁導(dǎo)體探頭不同提離下對(duì)30 mm×30 mm×1.5 mm 局部腐蝕缺陷檢測(cè)結(jié)果

圓柱形探頭在提離40 mm 和50 mm 下均檢測(cè)不到該局部缺陷。

圖16 和圖17 分別為磁導(dǎo)體探頭對(duì)30 mm×30 mm×1.0 mm、30 mm×30 mm×0.5 mm 局部腐蝕缺陷在極限提離下的感應(yīng)電壓時(shí)間剖面曲線。 試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的U 形磁導(dǎo)體探頭針對(duì)大小為30 mm×30 mm×1.0 mm 的局部腐蝕缺陷極限提離高度為30 mm；針對(duì)大小為30 mm×30 mm×0.5 mm 的局部腐蝕缺陷極限提離高度為10 mm。

圖16 U 形磁導(dǎo)體探頭提離30 mm 下對(duì)30 mm×30 mm×1.0 mm 局部腐蝕缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖17 U 形磁導(dǎo)體探頭提離10 mm 下對(duì)30 mm×30 mm×0.5 mm 局部腐蝕缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖16 和圖17 的結(jié)果表明，隨著缺陷深度變小，能夠分辨某個(gè)面積的局部缺陷的最大提離高度也變小。

圖18 為磁導(dǎo)體探頭在提離110 mm 下對(duì)圖3(b)中2 mm～10 mm 厚度變化不銹鋼試件的歸一化感應(yīng)電壓衰減曲線。 圖19 為圓柱形探頭在提離100 mm下不銹鋼板2～10mm 厚度檢測(cè)結(jié)果。 圓柱形探頭能夠檢測(cè)缺陷的最大提離高度比U 形探頭小10 mm，但二者接近，這一結(jié)果說(shuō)明U 形探頭對(duì)于圓柱形探頭的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在局部腐蝕方面，對(duì)于大面積腐蝕則優(yōu)勢(shì)不明顯。 從仿真結(jié)果中的渦流分布結(jié)果來(lái)看，當(dāng)腐蝕區(qū)域擴(kuò)大到很大時(shí)，由于腐蝕區(qū)很大，對(duì)于圓柱形探頭來(lái)說(shuō)腐蝕區(qū)同時(shí)包含了中間的盲點(diǎn)和周圍的圓環(huán)狀聚焦區(qū)，所以聚焦特性中圓柱形探頭的盲點(diǎn)對(duì)于檢測(cè)的負(fù)面影響將降低，這是二者在檢測(cè)大面積腐蝕時(shí)靈敏度接近的物理背景。

圖18 U 形磁導(dǎo)體探頭提離110 mm 下不銹鋼板2 mm～10 mm 厚度檢測(cè)結(jié)果

圖19 圓柱形探頭提離100 mm 下不銹鋼板2 mm～10 mm 厚度檢測(cè)結(jié)果

圖18 中根據(jù)每條電壓衰減曲線的斜率變化(斜率越大厚度越小)可以清楚識(shí)別不銹鋼板的9個(gè)厚度，最小的厚度變化為10%。 這一對(duì)于大面積腐蝕的檢測(cè)分辨率和2020 年文獻(xiàn)[8]中的分辨率結(jié)果(120 mm 提離下分辨30 mm 和27 mm 厚不銹鋼板)相近，但遠(yuǎn)高于2010 年文獻(xiàn)[14]的結(jié)果(18mm 提離下分辨5 mm 和4 mm 厚不銹鋼板)。

對(duì)于提離狀態(tài)下的不銹鋼板的局部腐蝕，目前尚未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的可比較的其他文獻(xiàn)研究結(jié)果。

5 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了一種U 形磁導(dǎo)體聚焦探頭，在探頭提離情況下對(duì)不銹鋼板局部腐蝕缺陷進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)磁場(chǎng)及渦流分布以及檢測(cè)信號(hào)缺陷特征相對(duì)缺陷的位置偏移進(jìn)行了仿真研究。 隨后進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)。

①建立了探頭仿真模型，分析探頭提離下磁場(chǎng)分布與渦流密度分布以及對(duì)檢測(cè)局部缺陷的影響。仿真結(jié)果表明，通過(guò)磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)引導(dǎo)磁場(chǎng)后，在試件上產(chǎn)生的渦流聚集分布于探頭下方，使探頭不存在圓柱體探頭中的檢測(cè)盲區(qū)。 同時(shí)依據(jù)渦流耗散功率劃定渦流有效檢測(cè)區(qū)域邊界，可以比較探頭在不同提離下的檢測(cè)范圍，以及探頭得到缺陷信號(hào)極值時(shí)探頭中軸線相對(duì)缺陷中心的偏移量。 隨著提離距離的增加，渦流的聚集程度降低，探頭有效檢測(cè)區(qū)域擴(kuò)大，檢測(cè)局部缺陷的能力降低。 同時(shí)，渦流中心和探頭中軸線的偏移量也增大。

②試驗(yàn)結(jié)果表明探頭提離50 mm 下所設(shè)計(jì)的磁導(dǎo)體聚焦探頭可對(duì)不銹鋼板局部腐蝕缺陷(30 mm×30 mm×1.5mm)進(jìn)行檢測(cè)。 探頭中軸線相對(duì)缺陷中心位置存在5 mm 偏移。

③試驗(yàn)也表明檢測(cè)大面積腐蝕時(shí)圓柱形探頭和U 形探頭的差別縮小。

進(jìn)一步的工作將研究面積等的細(xì)致影響以及面積和深度的綜合影響。

研究成果可應(yīng)用于設(shè)計(jì)優(yōu)化聚焦型脈沖渦流探頭，用以提升探頭對(duì)包覆層金屬結(jié)構(gòu)局部腐蝕的檢測(cè)靈敏度，以及對(duì)缺陷進(jìn)行定位。