原 鵬，魏治杰，王恪典，2，李 鵬

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049；3.新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830047）

1 引言

包覆層的金屬壓力管道在化工、石油、燃?xì)獾刃袠I(yè)用于傳輸原油、水、蒸汽、化工、液汽態(tài)產(chǎn)品等，其內(nèi)部通常是高溫、高壓、腐蝕的工作環(huán)境［1］，易造成管道內(nèi)外表面易出現(xiàn)腐蝕、裂紋、應(yīng)力腐蝕開裂、穿孔等缺陷，威脅工業(yè)的生產(chǎn)安全，因此包覆層管道內(nèi)外缺陷檢測對產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展至關(guān)重要，目前包覆層下管道缺陷檢測通常是停機(jī)人工拆除包覆層后進(jìn)行，檢測代價很高［2］。

近年來，無損檢測方法在帶包覆層壓力管道檢測中廣泛運用。其中，常規(guī)渦流檢測方式如漏磁檢測、單頻遠(yuǎn)場渦流檢測等，均頻譜單一、攜帶頻域信息少，而脈沖渦流（Pulsed Eddy Current，PEC）作為新興的無損檢測技術(shù)，采用一定占空比的方波激勵通入激勵線圈，因為方波中含有豐富的頻率成分［3］，檢出信號中包含更多關(guān)于試件缺陷信息，其檢測穿透力強(qiáng)、范圍廣、能力強(qiáng)、速度快。文獻(xiàn)［1］設(shè)計脈沖渦流雙線圈激勵聚焦型探頭系統(tǒng)，對帶包覆層管道彎頭內(nèi)壁局部減薄缺陷進(jìn)行有效檢測。文獻(xiàn)［4］優(yōu)化脈沖渦流探頭，可檢出8mm厚316不銹鋼板中距表面4mm以上的亞表面缺陷。文獻(xiàn)［5］采用主成分分析法對脈沖渦流信號特征參數(shù)進(jìn)行降維處理，實現(xiàn)了對鋼結(jié)構(gòu)減薄缺陷的準(zhǔn)確識別，提高缺陷識別效率。文獻(xiàn)［6］研究表明帶鋁屏蔽的脈沖渦流探頭可以增強(qiáng)表面和亞表面缺陷檢測的靈敏度。文獻(xiàn)［7］設(shè)計U型傳感器對外部保護(hù)鋼管有著較強(qiáng)的抗干擾的能力，檢測內(nèi)管腐蝕缺陷有較高的靈敏度，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場要求。文獻(xiàn)［8］設(shè)計了一套渦流檢測系統(tǒng)，該脈沖渦流檢測系統(tǒng)能準(zhǔn)確區(qū)分出金屬管道的內(nèi)、外壁缺陷。文獻(xiàn)［9］提取新特征量（稱為偏度）能夠同時評估缺陷裂紋深度和傾斜角度，和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度和角度預(yù)測進(jìn)行比較，結(jié)果表明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以同時預(yù)測裂紋深度和傾斜角度且具有更好的可靠性。文獻(xiàn)［10］提出了基于頻域傅立葉變換法的板狀試件平面缺陷脈沖渦流信號的數(shù)值模擬方法。其后文獻(xiàn)［11］開發(fā)了基于時域積分法的脈沖渦流信號數(shù)值模擬方法，并對傅立葉變換法和時域積分法進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)傅立葉變換法有更高計算精度。隨后，文獻(xiàn)［12］也開發(fā)了基于時域積分有限元法的模擬方法，用于大電流母線系統(tǒng)檢測的數(shù)值模擬。綜上所述，脈沖渦流在缺陷檢測研究現(xiàn)狀來看，對于管道檢測方面大多集中在表面缺陷檢測、線圈設(shè)計、檢出信號分析等方面，而對于管道內(nèi)壁缺陷檢測研究較少。采用脈沖渦流技術(shù)，研究包覆層下管道內(nèi)外壁缺陷，通過檢出電壓差分信號和不同提離下管道缺陷之間關(guān)系。

2 脈沖渦流檢測原理

PECT工作原理，如圖1所示。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和電渦流效應(yīng)等理論。激勵線圈通入一定占空比激勵方波信號，激勵線圈周圍產(chǎn)生初生磁場，初生磁場接近試件，試件表面產(chǎn)生沿縱向方向呈指數(shù)型衰減的感應(yīng)電流（渦流），變化的感應(yīng)渦流又會產(chǎn)生與初生磁場成反向作用的次生磁場。當(dāng)被測試件的性質(zhì)發(fā)生變化，比如缺陷、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等，會導(dǎo)致被測試件中感應(yīng)渦流密度發(fā)生變化。檢出線圈拾取渦流變化轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓信號，進(jìn)而利用感應(yīng)電壓信號表征試件缺陷信息。

圖1 脈沖渦流工作原理示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Pulse Eddy Current Working Principle

3 脈沖渦流數(shù)值模擬

3.1 建立仿真物理模型

利用Comsol仿真軟件建立二維缺陷模型，該模型主要用于分析不同深度變化對檢出電壓峰值信號影響，如圖2 所示。其中，激勵采用方波激勵，電壓2V、頻率2Hz、占空比50%。激勵線圈線徑1mm，匝數(shù)185匝，檢出線圈線徑0.3mm，匝數(shù)1000匝。試件材料為碳鋼，壁厚7.1mm，深度分別為1.5mm，3.5mm，4.5mm，5.5mm，不銹鋼保護(hù)層厚0.1mm。

圖2 帶包覆層試件仿真模型Fig.2 Simulation Model of the Specimen with Coating

3.2 仿真結(jié)果分析

Comsol 有限元仿真軟件中選擇物理場為磁場，網(wǎng)格劃分采用自由三角形和自由四邊形組合劃分方式，選擇瞬態(tài)求解器直接求解方式進(jìn)行模型求解計算。提取深度分別為1.5mm，3.5mm，4.5mm 和5.5mm 檢出電壓信號的峰值，峰值隨著提離增加而減小，如圖3所示。提取寬度分別為4mm，6mm，8mm和10mm的檢出電壓信號的峰值，隨著寬度增加，差分電壓峰值增加，差分電壓峰值隨提離增加減小，如圖4 所示。提取內(nèi)壁缺陷深度分別為1mm，2mm，3mm和4mm的檢出差分電壓，隨著內(nèi)壁深度增加，差分電壓減小，如圖5所示。

圖3 外壁不同深度缺陷Fig.3 Defects of Different Depths on the Outer Wall

圖4 外壁不同寬度缺陷Fig.4 Defects of Different Widths on the Outer Wall

圖5 內(nèi)壁不同深度缺陷Fig.5 Defects of Different Depths on the Inner Wall

4 脈沖渦流實驗驗證

4.1 實驗相關(guān)參數(shù)

激勵方波信號的電壓2V、頻率20Hz、占空比50%、上升沿時間500μs、下降沿時間500μs，保護(hù)層0.1mm不銹鋼。

激勵線圈內(nèi)半徑20mm，外半徑28mm，高度30mm，匝數(shù)為185，線徑1mm，電阻1.4Ω；檢出線圈內(nèi)半徑12mm，外半徑20mm，高度30mm，匝數(shù)為1000，線徑0.3mm，電阻14.2Ω。

實驗缺陷試件，如圖6所示。材質(zhì)20#鋼，管直徑168mm，壁厚7mm。圖6（a）管道外壁缺陷，缺陷長均為10mm，寬度4mm，深d分別為1.5/3.5/4.5/5.5mm，缺陷之間距離100mm。圖6（b）管道外壁缺陷，缺陷長度20mm，深均為5mm，寬度w分別為4/6/8/10mm，缺陷之間距離100mm。圖6（c）管道內(nèi)壁缺陷，缺陷直徑20mm，深度D分別距離管道表面為4/3/2/1mm，缺陷之間距離100mm。

圖6 缺陷試件Fig.6 Defect Specimens

4.2 脈沖渦流實驗平臺

建立脈沖渦流實驗系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 脈沖渦流實驗平臺Fig.7 Pulse Eddy Current Experiment Platform

組成包括：信號發(fā)生器WF1945（NF）、功率放大器BP4610、激勵探頭、檢出探頭、信號放大器、示波器。信號發(fā)生器激發(fā)一定占空比方波信號，信號經(jīng)過功率放大器通入激勵線圈，激勵線圈產(chǎn)生初生磁場，初生磁場接近試件又產(chǎn)生次生磁場，檢出線圈拾取次生磁場渦流變化轉(zhuǎn)化成感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓經(jīng)過信號放大器傳到PC機(jī)，提取檢出信號特征量達(dá)以分析試件缺陷信息。

4.3 外表面脈沖渦流差分信號

實驗驗證是首先獲得無缺陷區(qū)域信號作為參考信號，然后，分別獲得不同缺陷深度和寬度的檢測信號。最后，用有缺陷信號減去無缺陷信號，以此得到差分信號，通過分析差分信號特征，實現(xiàn)不同缺陷的類型識別。

4.3.1 不同深度

在提離一定條件下，外壁缺陷越深，檢出電壓信號越小，如圖8所示。不同提離下差分電壓峰值隨缺陷深度變化趨勢，提離越小，差分電壓峰值越大，反之亦然，如圖9 所示。在同提離條件下，差分電壓峰值隨著缺陷深度增加而增加，反之亦然。由于脈沖渦流檢測中，提離越小，激勵線圈電感越大，導(dǎo)致線圈激發(fā)的初生磁場增強(qiáng)，次生磁場對初生磁場的削弱作用相對于這一次初生磁場增強(qiáng)可以忽略，所以在提離小時感應(yīng)電壓越大，反之亦然。

圖8 在20mm提離下檢出電壓信號Fig.8 Voltage Signal Detected Under 20mm Lift-Off

圖9 不同提離下差分電壓峰值Fig.9 Differential Voltage Peak Value Under Different Lift-Off

4.3.2 不同寬度

不同提離下差分電壓信號隨著缺陷寬度變化的變化趨勢，由圖可知檢出電壓信號隨著缺陷寬度的增大而減小，如圖10所示。不同提離下差分電壓信號，如圖11所示。在相同提離條件下，差分電壓峰值隨著缺陷寬度增加而增加。在相同缺陷寬度條件下，差分電壓峰值隨著提離增加而減小。根據(jù)脈沖渦流檢測理論上分析，激勵線圈產(chǎn)生感應(yīng)渦流并在試件中傳播。當(dāng)被測試件中存在缺陷時，會影響渦流的傳播并產(chǎn)生截斷作用，從而削弱了試件中渦流產(chǎn)生的次生磁場。缺陷深度越大，截斷作用表現(xiàn)得越明顯，試件中形成二次場強(qiáng)度越弱。因此，外壁缺陷越深，檢出電壓信號峰值越小，反應(yīng)在差分電壓峰值越大。

圖10 在20mm提離下檢出電壓信號Fig.10 Voltage Signal Detected Under 20mm Lift-Off

圖11 不同提離下差分電壓峰值Fig.11 Differential Voltage Peak Under Different Lift-Off

4.4 內(nèi)部缺陷脈沖渦流差分信號

隨著內(nèi)部缺陷深度增加，檢出電壓信號逐漸減小，如圖12所示。根據(jù)電磁波傳輸原理，次生磁場主要受高頻分量的影響，初生磁場主要受低頻分量的影響。由于次生磁場與初生磁場的相互作用，檢出電壓信號的峰值隨深度的增加而減小。因此，檢出電壓信號的峰值隨缺陷深度的增加而減小。在相同提離條件下，隨著缺陷深度增加，差分電壓峰值減小，如圖13所示。在相同缺陷深度條件下，隨著提離增加，差分電壓峰值減小。由于脈沖渦流檢測中，提離越小，激勵線圈電感越大，導(dǎo)致線圈激發(fā)的初生磁場增強(qiáng)，次生磁場對初生磁場的削弱作用相對于這一次初生磁場增強(qiáng)可以忽略，所以在提離小時感應(yīng)電壓越大，差分電壓峰值越大，反之亦然。

圖12 在0mm提離下檢出電壓信號圖Fig.12 Voltage Signal Diagram Detected Under 0mm Lift-Off

圖13 不同提離下差分電壓峰值Fig.13 Differential Voltage Peak Value Under Different Lift-Off

5 結(jié)論

通過實驗研究20#碳鋼管道的內(nèi)外壁缺陷和脈沖渦流差分信號之間變化。研究結(jié)果表明：當(dāng)外壁缺陷長度20mm、寬度4mm時，差分電壓峰值隨著外壁缺陷深度增加而增加；當(dāng)外壁缺陷長度20mm、深度5mm時，差分電壓峰值隨著外壁缺陷寬度增加而增加。管道內(nèi)壁缺陷直徑20mm時，差分電壓峰值隨著內(nèi)壁缺陷深度增加而減小。所以利用差分電壓峰值評估鐵磁性材料缺陷，該特征量能有效地用于鐵磁性材料的缺陷檢測檢測，對解決包覆層下管道缺陷評估具有廣泛的工程應(yīng)用價值。