基于圓臺(tái)型傳感器的帶包覆層鐵磁性管道脈沖渦流檢測(cè)研究

蔚道祥 楊宇清 司 俊 付躍文

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 2.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）

基于圓臺(tái)型傳感器的帶包覆層鐵磁性管道脈沖渦流檢測(cè)研究

蔚道祥*1楊宇清1司 俊1付躍文2

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 2.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）

針對(duì)帶包覆層鐵磁性管道腐蝕的檢測(cè)，提出了一種新型圓臺(tái)型傳感器。采用圓臺(tái)型探頭對(duì)帶包覆層的鐵磁性管道人工試樣進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)大面積腐蝕以及局部腐蝕的檢測(cè)效果明顯。

脈沖渦流 傳感器 包覆層 管道 無(wú)損檢測(cè) 腐蝕

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵磁性管道的使用越來(lái)越廣泛，特別是在石化等行業(yè)使用率極高。管道通常用以輸送高壓、高濕和腐蝕性氣液介質(zhì)，而雨水、潮濕空氣等會(huì)引起管道外壁腐蝕。為了防止管道內(nèi)的介質(zhì)能量損失和管外壁腐蝕，通常在管道外部包裹一層厚度為幾十毫米至上百毫米的包覆層，在包覆層外通常還會(huì)再加一層一定厚度的金屬保護(hù)層，這樣可以大大提高包覆層的使用壽命，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶包覆層鐵磁性管道結(jié)構(gòu)

管道外有了包覆層后，對(duì)管道進(jìn)行腐蝕檢測(cè)難度就比較大了。脈沖渦流檢測(cè)是一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，最早應(yīng)用在非鐵磁性材料的檢測(cè)上，取得了一定的成效。相對(duì)于其他檢測(cè)技術(shù)，脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)不需要設(shè)備停止運(yùn)行， 也不需要去掉管外的保護(hù)層和保溫層，在線即可實(shí)現(xiàn)管道檢測(cè)。這不僅降低了檢測(cè)成本， 而且提高了工作效率， 因此對(duì)帶包覆層管道腐蝕檢測(cè)的研究具有很重要的實(shí)際價(jià)值[1]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)帶包覆層鐵磁性管道的檢測(cè)都在做相關(guān)的研究。美國(guó)RCO公司的Pedro F.Lara等在Brian R.Spies專(zhuān)利的基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理方法和管道腐蝕情況的判斷方法都作了較大改進(jìn)，并申請(qǐng)了專(zhuān)利[2]。英國(guó)RDT公司對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了傳感器及信號(hào)處理等方面的持續(xù)改進(jìn)，提高了靈敏度[3]。在國(guó)內(nèi)，廈門(mén)愛(ài)德森電子有限公司[4]、華中科技大學(xué)[5]、南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也積極開(kāi)展了這方面的研究[6]。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究側(cè)重于大面積型腐蝕，而局部腐蝕也是管道中常見(jiàn)的缺陷，且危害性較大，故對(duì)局部腐蝕進(jìn)行研究也是非常必要的。本文應(yīng)用脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)厚度為110 mm包覆層管道腐蝕進(jìn)行檢測(cè)，并利用圓臺(tái)型傳感器對(duì)人工試件進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)效果良好。

1 脈沖渦流檢測(cè)原理

帶包覆層鐵磁性管道腐蝕的脈沖渦流檢測(cè)如圖2所示。傳感器線圈一般置于包覆層管道的外層，傳感器線圈是由激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈兩部分構(gòu)成。圖2所示為激勵(lì)波形，檢測(cè)激勵(lì)線圈采用雙極性脈沖方波電流進(jìn)行激勵(lì)。當(dāng)瞬間關(guān)斷激勵(lì)線圈中的電流時(shí)，激勵(lì)線圈中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)快速衰減的脈沖磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過(guò)包覆層管道的外層和保溫層到達(dá)管壁中，然后變化的脈沖磁場(chǎng)又在鐵磁性管道材料中感應(yīng)出瞬時(shí)渦流，瞬時(shí)渦流又感應(yīng)出二次磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)被檢測(cè)線圈接收，并感應(yīng)出瞬態(tài)感應(yīng)電壓。

圖2 脈沖渦流檢測(cè)基本機(jī)理

2 傳感器檢測(cè)

2.1 檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

檢測(cè)探頭由發(fā)射線圈和檢測(cè)線圈組成。在實(shí)際檢測(cè)中，發(fā)射線圈的匝數(shù)、個(gè)數(shù)都會(huì)對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生很大的影響。為了達(dá)到較好的檢測(cè)效果，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，得出了檢測(cè)效果較好的探頭參數(shù)。探頭采用圓臺(tái)骨架做為激勵(lì)線圈的纏繞骨架，其上底直徑為3.5 mm，下底直徑為7.5 mm，高為7.0 mm，選用的漆包線直徑為1.0 mm，共繞制500匝；檢測(cè)線圈由圓形骨架繞制而成，其內(nèi)徑為1.6 mm，外徑為3.2 mm，高為2.1 mm，選用的漆包線直徑為0.41 mm，共繞制900匝。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，上底在下檢測(cè)效果較上底在上要好，故本文采用上底在下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用的傳感器如圖3所示。

圖3 圓臺(tái)型傳感器

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

檢測(cè)實(shí)驗(yàn)所用儀器為瞬變電磁儀，由激勵(lì)和接收兩部分組成，通過(guò)傳感器與主機(jī)（包括接收部分和發(fā)射機(jī)部分）的連接實(shí)現(xiàn)激勵(lì)的發(fā)射與信號(hào)的接收。采集信號(hào)為16位A/D，最高采樣頻率為1MHz，前放增益最高為32倍，主放增益最高為128倍。利用信號(hào)周期的不同，采用多周期疊加的方法降低噪聲。本實(shí)驗(yàn)選擇的激勵(lì)電流為3 A，頻率為4 Hz，實(shí)驗(yàn)中周期信號(hào)的疊加次數(shù)為10次。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.3 檢測(cè)試件設(shè)計(jì)

圖5 組合型缺陷管道腐蝕樣圖

實(shí)驗(yàn)選用的缺陷試件為J55材質(zhì)的鐵磁性鋼管，規(guī)格為?141.5 mm×7.7 mm，如圖5所示。圖5中A是一個(gè)倒圓錐臺(tái)形通孔，通孔的上部直徑為25 mm，底部直徑為10 mm；B是一個(gè)周向長(zhǎng)度為150 mm的窄凹槽，槽寬為5 mm，槽深為2 mm；C是一個(gè)軸向長(zhǎng)度為200 mm的窄凹槽，槽寬為10 mm，槽深為2 mm；D、E、F都是周向面積腐蝕缺陷，其周向腐蝕幅度為90°～180°，腐蝕深度均為1 mm，其中D的軸向長(zhǎng)度為170 mm，E的軸向長(zhǎng)度為110 mm，F(xiàn)的軸向長(zhǎng)度為210 mm。管道外有一層模擬包覆層，用鋁皮包裹海綿和塑料管制作而成。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)選取包覆層厚度為110 mm的管道進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)間距為100 mm，選取了圓臺(tái)型探頭和常用的圓形探頭以做對(duì)比。

圖6 圓臺(tái)型探頭檢測(cè)剖面

由于端口效應(yīng)的影響，缺陷A和缺陷F因距離端口較近無(wú)法測(cè)出，而對(duì)于周向缺陷B、軸向缺陷C、周向腐蝕缺陷E和周向缺陷F的檢測(cè)效果相對(duì)較好。圖6為圓臺(tái)型探頭的檢測(cè)剖面圖，從圖中可看出該探頭檢測(cè)效果較明顯。圖7為圓形探頭的檢測(cè)剖面圖，從圖中可看出圓形探頭也有一定的檢測(cè)效果。為了進(jìn)一步比較圓臺(tái)型探頭和圓形探頭的檢測(cè)效果，作出了檢測(cè)靈敏度圖。圖8和圖9分別為這兩種探頭在缺陷D和缺陷E處的檢測(cè)靈敏度對(duì)比圖，通過(guò)對(duì)比可知，圓臺(tái)型探頭的檢測(cè)靈敏度要高于常規(guī)的圓形探頭。

圖7 圓形探頭檢測(cè)剖面

圖8 D處腐蝕檢測(cè)靈敏度

圖9 E處腐蝕檢測(cè)靈敏度

3 結(jié)論

使用圓臺(tái)型探頭對(duì)110 mm厚包覆層管道的局部腐蝕進(jìn)行檢測(cè)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知檢測(cè)效果明顯，可達(dá)到檢出缺陷的目的，具有一定的研究意義。本文為帶包覆層鐵磁性管道局部腐蝕的脈沖渦流檢測(cè)的探頭設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

[1]付躍文，康小偉，喻星星．帶包覆層鐵磁性金屬管道局部腐蝕的脈沖渦流檢測(cè)[J]．應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2013， 21（4）： 786-795.

[2]SPIES B R.Transient Electromagnetic Method for Detecting Corrosion on Conductive Containers：4843320[P].1989-06-27.

[3]BRETT C R，RAAD J A.Validation of a pulsed eddy current system for measuring wall thinning through insulation[J].Proceedings of the SPIE， 1996（2947）： 211-222.

[4]趙亮.非接觸距離厚度的脈沖渦流檢測(cè)方法研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2006.

[5]黃琛.鐵磁性構(gòu)件脈沖渦流測(cè)厚理論與儀器 [D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[6]康小偉，付躍文．帶包覆層鐵磁性管道腐蝕脈沖渦流檢測(cè)技術(shù) [J]．無(wú)損檢測(cè)， 2011， 33（9）： 40-42.

Pulsed Eddy Current Test of Ferromagnetic Pipe with Insulation Based on Truncated-Cone-Type Sensor

Wei Daoxiang Yang Yuqing Si Jun Fu Yuewen

A new type of truncated-cone-type sensor was proposed to detect the corrosion of ferromagnetic pipe with insulation.The artificial specimen of ferromagnetic pipe with insulation was detected by a truncated-cone-type probe,and its effect on large area corrosion and local corrosion was obvious.

Pulsed eddy current;Sensor;Insulation;Pipe;Nondestructive testing;Corrosion

TM 937

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.004

*蔚道祥，男，1988年生，碩士，助理工程師。上海市，200062。

2017-02-15）