管道缺陷位置對瞬變電磁檢測信號的影響

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，西安 710300)

瞬變電磁法又稱時域電磁法，其在管道缺陷檢測時，主要運用電磁感應原理，通過給激勵線圈施加階躍電流信號，待激勵線圈周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場后瞬間關斷電流信號，在管道上表面產(chǎn)生渦流效應。由于管體和周圍介質的電阻消耗，渦流逐漸衰減至零，在衰減的整個過程中又會產(chǎn)生二次磁場來阻礙一次磁場的消失；接收線圈接收二次磁場信息并以電壓的形式顯示出來，電壓的變化包含了金屬管道本體的特征信息，且與缺陷的位置、傳感器提離高度及激發(fā)功率有著密切關系[1]。

目前，李永年和李曉松推導出了接收信號的計算公式，通過接收信號和壁厚之間的數(shù)學模型確定了管道的剩余壁厚；南昌航空大學于潤橋教授采用施加磁芯的方式提高了激發(fā)功率。但是對于瞬變電磁檢測對象影響因素的分析卻很少，筆者試驗的目的主要是了解缺陷的不同位置對瞬變電磁檢測信號的影響規(guī)律[2]。

1 鋼管缺陷的瞬變電磁檢測模型

瞬變電磁法檢測系統(tǒng)主要由3部分組成：瞬變電磁儀、傳感器和控制單元。瞬變電磁儀主要用來發(fā)射階躍型脈沖信號；傳感器分為激勵線圈和接收線圈，激勵線圈通過被施加的階躍型信號產(chǎn)生一次磁場，接收線圈采集二次磁場的變化信息，把電磁信號轉變?yōu)殡妷盒盘枺豢刂茊卧饕乔懊鎯烧叩倪B接件，用于數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)出指令。由于缺陷在管道橫截面的分布位置不同，檢測信號的幅值也不一樣，根據(jù)幅值的差異關系分析缺陷的具體位置。圖1為管道瞬變電磁檢測模型示意[3-4]。

圖1 管道瞬變電磁檢測模型示意

2 瞬變電磁法檢測管道缺陷的理論分析

根據(jù)電磁感應原理，瞬間關斷的階躍型信號使得管道表面產(chǎn)生渦流效應，階躍信號滿足的條件是

(1)

當t<0時，激勵線圈與周圍介質產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場；當t≥0時，階躍信號瞬間關斷，管道上表面產(chǎn)生渦流。由于周圍介質的歐姆消耗，隨時間變化的渦流在空間形成二次磁場并被接收線圈接收。瞬變電磁法檢測原理示意如圖2所示。

圖2 瞬變電磁法檢測原理示意

假設接收線圈的磁通量為φ，接收線圈的有效面積和匝數(shù)分別為S，N。根據(jù)法拉第電磁感應原理可知，接收線圈與管道上渦流效應產(chǎn)生的磁場如式(2)所示[5]。

(2)

由式(2)可以看出，影響接收信號變化的只是磁感應強度，缺陷的位置不同導致磁感應強度有所差異。因此，通過在管道上進行不同缺陷位置的試驗分析，可以為后續(xù)通過信號判斷缺陷的精準位置提供指導。

3 試驗過程

3.1 試驗裝置

試驗裝置主要由激勵信號發(fā)生部分、探頭檢測部分、管道試件和數(shù)據(jù)采集及處理等4個部分組成，瞬變電磁檢測裝置結構框圖如圖3所示，瞬變電磁檢測試驗現(xiàn)場如圖4所示。

圖3 管道瞬變電磁檢測裝置結構框圖

圖4 管道瞬變電磁檢測試驗現(xiàn)場

3.2 激勵信號發(fā)生器

瞬變電磁儀的函數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生頻率范圍為1/16～32 Hz的方波信號，頻率和信號占空比可根據(jù)實際檢測情況調(diào)節(jié)，信號輸出的有效幅值可達±20 V。

3.3 探頭及試件部分

探頭為圓形線圈，激勵線圈有效直徑為200 mm，由線徑為1 mm的漆包線纏繞而成，匝數(shù)為130匝。接收線圈直徑為100 mm，線徑為0.25 mm，匝數(shù)為400匝。管道試件尺寸(外徑×壁厚)為φ108 mm×6 mm，在中間位置制作人工缺陷，缺陷尺寸(長×寬×深)為120 mm×120 mm×2 mm。

3.4 試驗結果分析

首次檢測時將人工缺陷置于傳感器的正下方，然后將管道分別旋轉90°，180°，270°進行檢測，在每個方向上至少檢測3次，3次檢測數(shù)據(jù)之間的差值不大于5%，則檢測數(shù)據(jù)有效。采集設置激發(fā)頻率為1 Hz，采樣頻率為32 Hz，共31個時窗。

通過笛卡爾坐標系無法分辨出檢測信號之間的差異，經(jīng)過坐標變換為雙對數(shù)坐標系后(周向檢測信號幅值曲線如圖5所示)，可以清楚地看到前期數(shù)據(jù)基本重合，在t>5 ms時出現(xiàn)了明顯的幅值差異。可以看出，缺陷在0°位置信號幅值最小且衰減速率最快；缺陷在90°和270°位置信號幅值和衰減速率相同；缺陷在180°位置信號幅值最大且衰減速率最小。周向檢測數(shù)據(jù)和無缺陷處信號對比如圖6所示，可見前期信號幅值一致，中期無缺陷處的信號幅值和有缺陷處的信號幅值出現(xiàn)明顯差異。

圖5 管道缺陷周向檢測信號幅值曲線

圖6 管道缺陷周向檢測數(shù)據(jù)和無缺陷處信號對比

通過在每個方向上左移50 mm，右移20 mm進行重復檢測(軸向檢測)，結果表明在每個方向上信號幅值基本不變，軸向檢測信號幅值曲線如圖7所示。

在圖5中選擇合適的時窗值(t=12 ms)進行一次線性函數(shù)擬合，確定了角度與信號幅值之間的數(shù)學關系，擬合度均為0.992 82，說明擬合程度高。當?shù)玫綑z測數(shù)據(jù)后，代入擬合公式(3)可以確定出兩個角度，再通過其他方法進一步確定缺陷的準確位置。

圖7 管道軸向檢測信號幅值曲線

(3)

4 結論

(1) 檢測信號在線性坐標系中無法分辨出信號幅值差異，經(jīng)過坐標變換后,在對數(shù)-對數(shù)坐標系中檢測信號在前期一致，后期出現(xiàn)了明顯的分叉。

(2) 缺陷在管道橫截面的不同位置處，信號幅值會不同，當缺陷處于傳感器正下方時信號幅值最小，當缺陷背離傳感器時信號幅值最大，但是不會超過無缺陷處的信號幅值，也就是說，只要存在缺陷，就可檢測出來。

(3) 在傳感器覆蓋范圍內(nèi)，缺陷在周向上對檢測信號幅值影響較大，在軸向上對檢測信號幅值基本上無影響。

(4) 通過擬合方法確定了檢測信號幅值與管道橫截面角度之間的數(shù)學關系，對以后更精確地定位缺陷位置提供了參考。