鐵磁性小徑管道的脈沖雙遠場渦流檢測

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(西安工程大學 電子信息學院，西安 710048)

脈沖遠場渦流檢測系統由管道內布置的間隔2～3倍管徑距離的檢測線圈與激勵線圈組成[1]，脈沖信號作為激勵線圈的激勵源，檢測線圈接收到的是激勵線圈發出的穿過管壁的渦流信號，所以渦流檢測對管道內外壁缺陷均有相同的檢測靈敏度[2-3]。由于其檢測成本低于其他無損檢測方法，且有操作簡單方便、檢測速度快、效率高、易于實現自動化等特點，在石油管道以及工業管道檢測方面得到了廣泛的應用[4-5]。

脈沖遠場渦流檢測技術的判斷標準是檢測線圈感應電壓的峰值和過零時間，但在低頻激勵情況下，由于小徑管缺陷檢測時檢測線圈的感應電壓峰值和過零時間點太接近，會降低檢測分辨率。所以，在原有的脈沖遠場渦流檢測技術的基礎上，提出了一種改進的脈沖雙遠場技術，可以增加檢測的精確性。文中的脈沖雙遠場是將兩個激勵線圈分別施加不同頻率的低頻脈沖信號，檢測線圈上會得到兩個脈沖信號的疊加信號。當兩個脈沖信號的感應電壓峰值發生在同一時刻時，會形成疊加的峰值信號，取其為檢測極高峰值。在不同缺陷的情況下，極高峰值的數值不同，并結合不同時刻的峰值，通過數據比對可以對缺陷進行初步的檢測。

1 脈沖雙遠場渦流檢測的理論分析

1.1 脈沖雙遠場渦流檢測的原理

脈沖雙遠場渦流檢測模型如圖1所示，脈沖雙遠場渦流檢測的探頭由3個相距一定距離的差動式探頭組成，其中兩端的線圈為激勵線圈，中間的線圈為檢測線圈，用導軌將3個線圈連接，使線圈可以移動，從而改變線圈間的距離[6]。在激勵線圈上分別施加頻率不同的脈沖激勵電流，由麥克斯韋電磁感應原理可知，在線圈周圍的空間會產生一個瞬時變化的磁場，瞬變磁場又會在鐵磁性管道管壁上產生一個瞬變的渦流磁場。檢測線圈接收到的渦流磁場會感應出隨時間變化的電壓，當管道管壁上有缺陷時，會對渦流的分布產生影響，最終檢測線圈接收的電壓會隨之改變[7]。利用這一原理，可以通過采集到的檢測線圈上的感應電壓波形來判斷鐵磁性管道的缺陷信息。

圖1 脈沖雙遠場渦流檢測模型

脈沖遠場渦流檢測線圈接收到的感應電壓分為直接耦合能量和間接耦合能量，遠場區的感應電壓主要來自于間接耦合能量，改變激勵線圈與檢測線圈的距離會影響直接耦合能量與間接耦合能量的比例[8]。劉春艷等[9-10]研究發現檢測線圈與激勵線圈間隔2～3倍管徑時檢測靈敏度最佳。在檢測線圈上增加磁屏蔽罩可以阻止直接耦合分量抵達檢測線圈，進一步抑制磁場[11]。利用ANSYS Maxwell電磁有限元分析軟件的靈活建模能力進行模型搭建[12-13]，在電磁瞬態場進行仿真分析以及數據處理，說明了脈沖雙遠場渦流檢測技術的可行性及其效果。

1.2 脈沖雙遠場渦流檢測的理論分析

由于脈沖雙遠場渦流檢測線圈感應到的電壓是由兩端激勵線圈發出信號的疊加，故對于單個檢測線圈的感應電壓為

式中：A為矢量磁勢；B1，B2分別為兩端線圈的磁感應強度；S為檢測線圈的橫截面積；l為有限元單位長度；t為積分時間。

則檢測線圈上單匝線圈的整體瞬態感應電壓Vf就可表示為

(2)

式中：r為檢測線圈半徑；z為檢測線圈高度。

對式(1)，(2)進行有限元方法離散化數值計算，得到

?

(3)

式中：r0為有限元單元檢測線圈半徑；h0為有限元單元檢測線圈提離高度，由于脈沖遠場渦流檢測幾乎不受提離效應的影響，故h0可以忽略；Af1為線圈1的離散化后的矢量磁勢；Af2為線圈2的離散化后的矢量磁勢。

將式(3)代入式(2)，可以得到N匝檢測線圈上整體瞬態感應電壓的離散化，即

(4)

式中：Δi為第i個有限元的單元面積；rci為第i個有限元的單元中心距離；Aci為第i個有限元的單元中心磁矢位；N為線圈匝數。

因此，脈沖雙遠場渦流檢測線圈的感應電壓來自于兩端激勵線圈穿過管壁的渦流信號。

2 遠場渦流檢測存在的問題

利用ANSYS Maxwell軟件搭建的脈沖遠場渦流檢測模型，進行脈沖遠場渦流檢測模型的仿真，得出在低頻小管徑中進行遠場渦流檢測存在困難。

2.1 模型搭建

由于模型軸對稱，可以對一半模型進行搭建分析。全部采用低頻脈沖激勵信號，模型搭建的具體參數如表1所示。

激勵線圈與檢測線圈之間差3個管內徑距離(30 mm)，激勵線圈上加載頻率為8 Hz，高電平為15 V，低電平為0 V，占空比為50%的脈沖信號，使激勵線圈上的電流幅值為1 A，外部設置兩層空氣，內層為直徑40 mm，高240 mm的圓柱體空氣層，外部為直徑100 mm，高240 mm的圓柱體空氣層，并且外部空氣設置磁力線平衡條件，采用軟件自動劃分網格。

表1 模型搭建的具體參數

2.2 脈沖遠場渦流缺陷仿真

脈沖遠場渦流無缺陷時與斷裂時的感應電壓曲線如圖2所示，可以看出由于斷裂時漏磁通較大，斷裂時的感應電壓峰值高于無缺陷時的感應電壓峰值，但是在低頻小管徑情況下,兩者的過零時間點幾乎是重合的，因此過零時間很難作為一個判斷標準。

圖2 脈沖遠場渦流無缺陷時與斷裂時的感應電壓曲線

圖3 徑向缺陷相同軸向缺陷不同時的感應電壓波形

接下來模擬徑向缺陷相同而軸向缺陷不同的情況，徑向缺陷相同軸向缺陷不同時的感應電壓波形如圖3所示，從圖3可以看出，兩者感應電壓波形曲線在低頻小管徑情況下幾乎重合，很難在此基礎上進行缺陷類別的判斷。

3 脈沖雙遠場仿真模型的建立與分析

3.1 脈沖雙遠場模型的搭建

由于脈沖遠場渦流無法在低頻情況下進行小徑管的缺陷檢測，因此提出脈沖雙遠場模型。根據脈沖雙遠場模型，在脈沖遠場渦流模型的基礎上利用ANSYS Maxwell軟件搭建脈沖雙遠場2D模型，設置求解器為Transient。其中,多出的激勵線圈與原激勵線圈參數相同，被放置在檢測線圈的另一側，與原激勵線圈相對應。其余參數與脈沖遠場渦流模型參數一致。

脈沖渦流法采用的是階躍型脈沖電流激勵，激勵電路采用ANSYS Maxwell軟件中的circuit editor外電路單元進行搭建。

激勵線圈電路示意如圖4所示，其中，繞組1的脈沖周期為1 s，高電平為12 V，低電平為0 V，占空比為50%，串聯24 Ω電阻，可以提供0.5 A激勵電流，線圈1外徑為8 mm，內徑為4 mm，長度為20 mm，匝數為2 000；繞組3的脈沖周期為0.125 s，高電平為15 V，低電平為0 V，占空比為50%，串聯15 Ω電阻，提供1 A激勵電流，線圈3與線圈1參數相同。

圖4 激勵線圈電路示意

3.2 仿真結果分析

3.2.1 管壁無缺陷與管壁斷裂時的情況

圖5 管壁無缺陷與斷裂時的檢測線圈感應電壓波形比較

在管道模型中仿真出無缺陷與管壁斷裂時的檢測線圈感應電壓波形(見圖5)，由圖中波形可以看出，管壁斷裂時檢測線圈得到的感應電壓極高峰值大于無缺陷時檢測線圈得到的感應電壓極高峰值，這是由于管壁缺陷使得漏磁通變大，感應到的電壓也增大，從而管壁斷裂時的感應電壓極高峰值(時間為0.26 s時)遠遠高于管道無缺陷時的感應電壓極高峰值。

將破損區域分為兩種情況來討論，第一種是破損區域的大小，第二種是破損區域的位置。第一種情況主要是指破損區域用管道的軸向長度和徑向長度來表示；第二種破損是指管道破損位置為管道內壁或管道外壁。

3.2.2 軸向長度相同而徑向長度不同的情況

當管道破損區域的軸向長度相同徑向長度不同時，設置軸向均為4 mm，徑向分別為2，4 mm的缺陷，檢測線圈得到的波形如圖6所示。由圖6可知，兩者波形十分相似，因此需要詳細的數據進一步研究。

圖6 管壁缺陷徑向2 mm和4 mm時的感應電壓波形

接下來需要兩種缺陷的感應電壓(見表2)，可以得出步長為0.26 s時，當缺陷軸向長度相同時，徑向長度越長感應電壓極高峰值越大。

表2 管壁缺陷徑向2 mm和4 mm時的

3.2.3 徑向長度相同而軸向長度不同的情況

為了討論破損區域是徑向長度相同而軸向長度不同的情況，在脈沖雙遠場模型中設置破損區域參數(徑向均為4 mm，軸向分別為5 mm和10 mm的缺陷)。管壁缺陷為軸向5 mm和10 mm時的感應電壓波形如圖7所示，感應電壓如表3所示，選取其極高峰值進行對比分析可知，當徑向長度相同軸向長度不同時，徑向長度越長,感應電壓極高峰值越大，也就是缺陷越寬得到的感應電壓峰值越高。因此，通過這一結論可以判斷出缺陷的大小。

圖7 管壁缺陷為軸向5 mm和10 mm時的感應電壓波形表3 管壁缺陷為軸向5 mm與10 mm時的 感應電壓

時間/s5 mm缺陷時的感應電壓/mV10 mm缺陷時的感應電壓/mV0.22-2.300 5-2.426 20.24-1.096 2-1.157 20.2612.134 513.476 60.286.833 87.640 80.303.769 74.231 5

圖8 管道內外壁軸向10 mm、徑向2 mm缺陷時的感應電壓波形

3.2.4 內外壁缺陷識別

在管道內、外壁上分別設置相同大小的缺陷，比較缺陷在內壁與外壁時對結果的影響。脈沖渦流遠場不受渦流集膚效應的限制，能夠以同樣靈敏度檢測管道內表面和外表面的缺陷。設置管道內外壁軸向10 mm、徑向2 mm缺陷進行內外壁相同缺陷的對比(見圖8和表4)，由0.26 s時的極高峰值可以看出，相同缺陷情況下，內壁缺陷感應電壓極高峰值高于外壁缺陷感應電壓極高峰值，結果表明，利用此方法可以判斷管道內外壁缺陷，并且對內外壁缺陷檢測具有相同的靈敏度。

表4 管道內外壁軸向10 mm、徑向2 mm缺陷時的感應電壓

3.3 仿真數據分析

對雙遠場渦流檢測模型進行缺陷定量分析，在模型極高峰值(即仿真時間為0.26 s)時可得到極高峰值電壓，首先排除管道在無缺損與管壁斷裂時的數據，推導出缺陷公式為

V=0.231 3x+0.268 4y+9.951 3

(5)

式中：V為極高峰時的電壓；x為徑向缺陷深度；y為軸向缺陷深度。

將缺陷數據代入式(5)，可以推算出徑向與軸向缺陷深度，同時也可以辨別出缺陷在內壁還是外壁。

4 結論

通過對脈沖遠場與脈沖雙遠場模型的仿真分析可知，脈沖遠場渦流很難進行低頻小徑管破損缺陷的檢測；而脈沖雙遠場渦流利用極高峰值可以較為清楚地進行缺陷檢測。由此可以認為，使用脈沖雙遠場渦流檢測技術對低頻小徑管的檢測效果要優于脈沖遠場渦流檢測技術的檢測效果。

在脈沖雙遠場模型的仿真下，分析了5種不同缺陷與其對應的波形極高峰值的關系，根據波形極高峰值和數據可以反映出不同缺陷的形狀及其程度，通過分析缺陷與其對應波形極高峰值間的關系，給出了相應的計算公式，可以對管道缺陷的評估提供參考。