基于脈沖漏磁原理的涂覆層下腐蝕缺陷檢測*

左憲章，張 韜，田貴云，張 云，費駿骉

(

（1.軍械工程學院電氣工程系，石家莊 050003;2.紐卡斯爾大學電氣電子與計算機工程學院，英國)

腐蝕是指材料受環境介質的化學、電化學和物理作用引起的破壞現象。暴露在空氣中以及帶有涂覆層的鐵磁性板材、管道都會受到不同程度的腐蝕侵害。腐蝕缺陷具有面積大而且形狀復雜的特點，難于檢測，尤其是對帶有涂覆層的腐蝕缺陷更是增加了檢測的難度。

目前在電力、石油、化工和天然氣等行業中，對帶涂覆層的管道、鐵磁性板材的腐蝕狀況的檢測一直是困擾企業的一個難題。近幾年很多無損檢測技術被用于帶涂覆層的腐蝕缺陷檢測，但在應用上都存在一定的局限性，如超聲檢測需要良好的耦合劑才能達到檢測效果;而渦流檢測由于趨膚效應受提離的影響特別明顯;漏磁檢測技術雖然在提離效果上優于渦流檢測而且不需要對檢測對象的表面進行處理，但其檢測深度以及對帶有涂覆層的檢測對象的檢測能力都極為有限。因而上述方法都不能很好的實現對帶涂覆層的鐵磁性板材、管道的腐蝕缺陷檢測。

脈沖漏磁檢測技術(Pulsed Magnetic Flux Leakage，PMFL)是一種新型電磁無損檢測技術，其有效地集成了漏磁檢測［1－2］和脈沖渦流檢測［3－4］各自的優點，既實現了對鐵磁性材料的磁化，增強了激勵場對檢測試件的穿透效果;同時又利用了脈沖激勵頻率成分豐富的優點，激勵信號可到達不同的滲透深度，從而對表面及深層缺陷都有很好的檢測效果。因此該技術適用于帶涂覆層的板材及管道的腐蝕缺陷的檢測。

本文將脈沖漏磁檢測技術［5－8］用于帶涂覆層的鋼板的腐蝕檢測中。在仿真分析的基礎上，利用三種不同勵磁結構的脈沖漏磁傳感器模型［9－11］對鋼板上帶有不同涂覆層的腐蝕缺陷進行檢測，通過對比，以求得一個最佳的傳感器結構。

1 傳感器模型設計與仿真分析

常規的脈沖漏磁傳感器模型在設計時，勵磁方式大都采用對稱結構，如圖1中的模型一和二。這樣可以減少因激勵線圈的磁場泄漏而形成的激勵磁場的泄漏分量，從而使傳感器能采集到較純凈的缺陷漏磁信號。對稱型結構對于檢測突變性缺陷，如裂紋，是非常有效的，因為其能夠產生較大的漏磁信號，被傳感器件所采集。通過分析漏磁信號的特征量，可得出裂紋缺陷的尺寸、形狀等信息。但對于腐蝕缺陷，由于其面積較大、深度淺，形狀十分復雜，缺陷變化緩慢，會導致缺陷漏磁場十分微弱，從而傳感器的輸出信號也將十分微弱，這對采集傳感器的靈敏度提出了很高要求，并對缺陷信號特征量的提取以及進一步分析造成較大困難。為解決此問題，本文提出一種新的缺陷信息采集思路，即利用激勵源泄漏磁場分量和缺陷漏磁信號的疊加信號作為缺陷信息的特征量進行檢測。由于在檢測中，激勵線圈纏繞在磁軛上，U型磁軛和被測試件通過電磁耦合，形成閉合磁路。但同時，激勵線圈兩端也會產生泄漏磁場。研究發現，隨著腐蝕程度的不同，試件的導磁率發生變化，會影響磁軛和試件的磁耦合，同時也會影響到激勵線圈的泄漏分量，而這個分量會隨腐蝕程度呈規律性變化。這樣，微弱的腐蝕漏磁檢測信號和激勵線圈泄漏分量一起被敏感器件采集，通過分析采集到的信號變化規律，提取出反映缺陷的特征量，即可辨別不同程度的腐蝕缺陷。

圖1 三維傳感器模型

1.1 傳感器模型設計

經研究分析發現，漏磁場的法向分量包含的缺陷信息十分豐富，而且對于不同缺陷產生擾動的規律性較明顯，因此在傳感器設計中主要以采集漏磁場的法向分量為主。根據本文的設計思路需要在新型傳感器設計中使激勵線圈的泄漏分量主要集中在法向分量，因此需要設計一種激勵結構，能使該信號較強。仿真實驗比較了三種脈沖漏磁傳感器模型如圖1所示，模型一、二為常規的對稱勵磁結構傳感器檢測模型，即激勵線圈繞在橫梁以及激勵線圈繞在磁芯的兩個極靴。模型三在以往的研究中較為少用，為新型非對稱勵磁結構傳感器檢測模型，將激勵線圈繞在磁芯的單個極靴。在有限元仿真分析中，傳感器模型的磁芯均采用高磁導率的鐵磁材料，相對磁導率為4 000，被測試件的材質均選用常見的X52號鋼。

1.2 仿真結果分析

利用有限元分析軟件COMSOL 3.5 multi physics［12］對三種傳感器模型進行仿真分析［13－14］。并設置測試點A，其位于傳感器的檢測位置，距被測試件1 mm距離。三種傳感器模型xz切面的磁力線分布以及測試點A的相對位置如圖2所示。測試點A處激勵磁場泄漏分量的二維分量值如表1所示，其中Az為激勵磁場泄漏分量的法向分量，Ax為其水平分量。

圖2 仿真結果及測試點相對位置

表1 測試點磁場值

從不同傳感器模型的磁力線分布圖2及表1可以看出，模型一的泄漏磁場主要為水平分量。這是因為其激勵線圈繞于磁芯的橫梁，而激勵磁場的泄漏分量的形成主要由激勵線圈泄漏以及磁芯與試件間的耦合作用形成，但是仿真中沒有腐蝕缺陷，磁芯與試件間的耦合作用相同，激勵磁場的泄漏分量主要由激勵線圈的泄漏磁場產生，所以模型一的激勵磁場的泄漏分量磁場主要為水平方向。模型二采用雙線圈對稱性結構，雖然每個線圈都會產生較強的法向方向的漏磁場，但是由于加載于兩個線圈的激勵電流方向相反，故其產生的磁場在傳感器檢測位置的方向也相反，因此相互削減，所以該模型產生的激勵磁場的泄漏分量最小，尤其在法向方向更小。而依據本文設計思路，對腐蝕缺陷信號法向分量的采集需要將其加載在較強且有規律的法向激勵磁場的泄漏分量之中，因此需要有強度較大并且其激勵磁場的泄露分量主要為法向方向的傳感器模型才能滿足設計要求。通過上述分析可知上述兩種對稱結構的傳感器模型都不能滿足預想的設計要求。對于傳感器模型三，可以看到其激勵磁場的泄漏分量主要集中在法向方向，因此符合預想的設計要求。

2 實驗與結果分析

2.1 實驗平臺搭建

在前期仿真分析的基礎上，搭建脈沖漏磁檢測平臺，其檢測原理如圖3所示，脈沖方波由脈沖發生器產生，通過放大電路進行放大后加載到激勵線圈上進而激發出脈沖磁場。利用霍爾傳感器檢測到的脈沖漏磁信號經過調理電路的濾波整形后通過數據采集卡輸入計算機進行分析處理。

圖3 脈沖漏磁檢測系統原理框圖

實驗中，在氧化鐵材質的U型磁軛上纏繞漆包銅線，線徑0.35 mm。共三個模型，模型一僅在磁芯橫梁上纏繞400匝;模型二為在磁芯的左、右極靴分別纏繞200匝;模型三僅在磁芯的左極靴纏繞400匝，對此三種不同結構傳感器模型進行實驗對比。在激勵線圈上施加頻率為50 Hz、占空比為0.5、幅值為正負0.5 A的脈沖方波激勵電流。

實驗所用腐蝕試件共分為三組，第一組試件如圖4所示，為無涂覆層的四塊受不同程度腐蝕侵害的S275號鋼板，編號依次為Uc1至Uc4，其受腐蝕程度也依次加深。其中，Uc1號試件為表面沙狀腐蝕、Uc2號試件為表面金屬缺失類型腐蝕、Uc3號試件為光滑表面腐蝕、Uc4號試件為粗糙表面腐蝕，可以看到其表面有明顯的銹斑。其中Uc1、Uc2、Uc3的表面都經過光滑處理，Uc4未經過處理。每個試件的厚度依次為:4.077 mm、3.898 mm、4.142 mm、4.429 mm。

圖4 第一組試件

第二組腐蝕試件如圖5所示，為七塊表面帶紅色涂覆層(主要成分為防銹漆)的有不同程度腐蝕的鋼板試件，其材質和第一組相同。編號依次為C2－1至C2－7，其受腐蝕的程度也依次加深。可以看出由于使用了涂覆層，使得試件表面都比較光滑。每個試件的厚度依次為:4.291 mm、4.195 mm、3.998 mm、3.638 mm、4.279 mm、4.412 mm、4.072 mm。

圖5 第二組試件

圖6 第三組試件

第三組腐蝕試件如圖6所示，為七塊帶灰色涂覆層(主要成分為石灰漿)的有不同程度腐蝕的鋼板試件，其材質與腐蝕類型與第一組相同。編號依次為C3－1至C3－7，其受腐蝕的程度也依次增加。由于涂覆層材料的不同，雖表面也經過光滑處理，但該組試件表面比第二組試件表面稍粗糙一些。每個試件的厚度依次為:4.342 mm、4.305 mm、4.138 mm、4.042 mm、4.194 mm、3.932 mm、4.547 mm。

2.2 實驗結果分析

由于腐蝕缺陷的形狀復雜，為了保證實驗結果的可靠性，故檢測時不能選取特定位置進行測量，因此在實驗檢測中，采用在每個試件上隨機選取30個測試點，測試點的激勵信號以及瞬態檢測信號如圖7所示，取所有點的瞬態輸出信號峰值的平均值作為本試件的檢測信號特征量。進而對比不同試件的特征量來區分不同程度的腐蝕缺陷，同時也可以得出不同傳感器模型的檢測精度。

圖7 激勵信號以及瞬態輸出信號曲線

2.2.1 傳感器模型一與二無涂覆層檢測結果分析

對于第一組試件采用傳感器模型一與模型二，在零提離值的情況下進行檢測。其檢測結果曲線如圖8所示。

圖8 模型一、二檢測結果

通過之前的仿真分析可知，傳感器模型一與傳感器模型二中，法向方向激勵磁場的泄漏分量都比較微弱，而且對于腐蝕類缺陷，其引起的漏磁信號是非常微弱的。所以從圖8中可以看到，對于表面經過光滑處理的Uc1、Uc2、Uc3號試件，其缺陷形狀特征不明顯，所以泄漏出來的漏磁信號比較微弱;對于表面未經過光滑處理的Uc4號試件，由于表面相對粗糙一些，所以在有銹斑、凹坑的地方漏磁信號會相對增強，故Uc4號試件的檢測信號明顯大于Uc1、Uc2、Uc3號試件信號。另外，從圖中曲線的走勢可以看出，對于Uc1、Uc2、Uc3不同腐蝕程度的缺陷，輸出信號雖然有所不同，但沒有穩定的增長或下降的規律可循，主要原因是法向漏磁信號過小，受外界干擾較重，所以很難通過檢測信號分辨不同程度的腐蝕缺陷。所以說傳感器模型一與模型二對腐蝕缺陷的檢測沒有很好的檢測精度，不適合對腐蝕的檢測。

2.2.2 傳感器模型一與二帶涂覆層檢測結果分析

為了進一步對比分析傳感器模型一與模型二在腐蝕缺陷檢測方面的靈敏性，使用傳感器模型一與模型二對第二組以及第三組試件進行檢測，其檢測信號峰值曲線如圖9所示。

圖9 模型一、二對帶不同涂覆層試件檢測結果

從圖9中可以看出，由于帶有涂覆層的試件表面比較平滑，因此輸出信號也較微弱。隨著腐蝕程度的加深，檢測信號的峰值曲線沒有穩定的規律可循，無法分辨不同程度的腐蝕缺陷，進一步證明了傳感器模型一與模型二不適用腐蝕檢測。

2.2.3 傳感器模型三對無涂覆層檢測結果分析

為了驗證該新型傳感器模型設計的檢測效果，對不帶涂覆層的第一組試件進行檢測實驗，在不同提離值情況下，其峰值曲線如圖10所示。

圖10 模型三檢測結果

由于傳感器模型三采用非對稱型勵磁結構，因此纏繞在磁芯左極靴上的激勵線圈會產生法向的泄漏磁場，泄漏磁場的磁路由激勵線圈及左極靴向下，耦合被檢試件，然后通過空氣耦合，返回線圈的上部。因此試件是泄漏磁路的一部分，它的腐蝕程度會影響到其磁阻的變化，進而影響泄漏磁場強度的變化。通過霍爾器件采集不同腐蝕缺陷造成的泄漏磁場強度的變化值，經過分析即可識別出腐蝕的程度。

從圖10中可以看出，傳感器模型三的檢測輸出信號與模型一和模型二的輸出信號相比明顯增大，但是隨著腐蝕程度的增加而減小。這是因為U型磁芯與被測試件間的耦合程度隨著腐蝕程度的增加而減弱，導致磁阻增大，故激勵磁場的泄漏分量將隨著腐蝕程度的增加而減弱。同樣道理，由于提離的原因，傳感器與試件之間的耦合作用減小，也使輸出信號減小。可見其對腐蝕缺陷的檢測有較高的靈敏度，達到了預計的檢測要求，也為進一步缺陷特征量的提取與分析打下基礎。所以傳感器模型三適合腐蝕缺陷的檢測。

2.2.4 傳感器模型三對帶涂覆層檢測結果分析

為了進一步檢驗傳感器模型三對帶不同涂覆層腐蝕缺陷的檢測靈敏度，對帶不同材料涂覆層的第二組以及第三組試件使用傳感器模型三進行檢測。為了保證實驗結果的可靠性，采用重復實驗的辦法，將前后兩次實驗的結果進行對比，其檢測信號峰值曲線如圖11所示。

圖11 模型三對帶不同涂覆層試件檢測結果

從圖11中可以看到，隨著腐蝕程度的增加其峰值呈穩定遞減趨勢，并且兩次重復檢測的結果幾乎相同，證實了實驗結果的可靠性。從而進一步驗證了傳感器模型三適用于帶涂覆層的腐蝕檢測。

為了驗證在帶有涂覆層以及提離的情況下，傳感器模型三的檢測效果。對帶紅色涂覆層的試件在不同提離值下進行檢測，其結果如圖12所示。

圖12 模型三帶涂覆層不同提離值下檢測結果

從圖12中也同樣看到，隨著提離值的增大，磁芯和試件的耦合作用減小，同時激勵磁場的泄漏分量也減小，因此輸出信號也減小。但是輸出信號變化趨勢還是很明顯的。進一步證實了該傳感器模型具有較高的檢測靈敏度。

3 結論

本文針對帶涂覆層的鐵磁性板材、管道的腐蝕性缺陷檢測問題進行了研究。利用脈沖漏磁檢測技術很好的解決了常規無損檢測方法對帶涂覆層的腐蝕性缺陷難以檢測的問題。通過三維有限元仿真軟件對三種不同設計結構的傳感器檢測模型磁場分布進行了分析，研究了其激勵磁場和泄漏磁場的分布規律。通過實驗的方法，利用三種傳感器對帶有不同涂覆層以及無涂覆層的腐蝕缺陷試件進行了檢測，通過對比其檢測結果，得出典型的對稱勵磁結構型脈沖漏磁傳感器不能很好的對腐蝕缺陷進行識別，而新型非對稱勵磁結構型傳感器對無涂覆層以及帶涂覆層的腐蝕缺陷都有良好的檢測精度，達到了預期的檢測效果。今后的研究將分析和提取缺陷檢測信號的時域和頻域特征，為腐蝕缺陷量化研究打下基礎。

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