雙層異質(zhì)金屬套管缺陷的脈沖渦流檢測(cè)研究*

張 超, 李 勇, 閆 貝, 劉正帥, 陳振茂

(西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省無(wú)損檢測(cè)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710049)

0 引 言

雙層異質(zhì)金屬套管作為石油化工等工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的一種管道結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其進(jìn)行有效的無(wú)損檢測(cè)非常重要[1]。常規(guī)的金屬管件無(wú)損檢測(cè)方法主要包括超聲檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)和渦流檢測(cè)等[2]，但對(duì)于雙層異質(zhì)金屬套管，由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)中的內(nèi)、外管材質(zhì)相異，導(dǎo)致這些常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法難以實(shí)施，且易出現(xiàn)缺陷漏檢等情況[3]。國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，采用脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)，可對(duì)金屬板件厚度[4]、帶包覆層的金屬管件損傷[5～7]以及多層同質(zhì)金屬套管腐蝕缺陷[8]等實(shí)施精準(zhǔn)的損傷分類識(shí)別及定量評(píng)估，但是涉及雙層異質(zhì)金屬套管的研究較少。

本文圍繞脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)典型的雙層異質(zhì)金屬套管結(jié)構(gòu)(內(nèi)管為不銹鋼管、外管為碳鋼管)，集中探究其壁厚減薄缺陷的分類識(shí)別與定量評(píng)估。通過(guò)建立檢測(cè)有限元仿真模型，開展仿真分析，探究雙層異質(zhì)金屬套管脈沖渦流檢測(cè)典型信號(hào)及其特征與壁厚減薄量間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，提出壁厚減薄缺陷分類識(shí)別及定量評(píng)估方法，同時(shí)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證所提缺陷分類識(shí)別及定量評(píng)估方法的可行性。

1 雙層異質(zhì)金屬套管脈沖渦流檢測(cè)的數(shù)值模擬

1.1 金屬管件脈沖渦流檢測(cè)原理

金屬管件脈沖渦流檢測(cè)原理圖如圖1所示。檢測(cè)探頭中的激勵(lì)線圈在通入諸如方波的暫態(tài)激勵(lì)電流后產(chǎn)生一級(jí)磁場(chǎng)(線圈磁場(chǎng))，該磁場(chǎng)在被測(cè)金屬管件內(nèi)部感應(yīng)出渦流，渦流繼而產(chǎn)生二級(jí)磁場(chǎng)(渦流激發(fā)磁場(chǎng))，其方向與一級(jí)磁場(chǎng)相反，且抑制一級(jí)磁場(chǎng)的改變。探頭中的磁場(chǎng)傳感器所拾取的檢測(cè)信號(hào)為一級(jí)磁場(chǎng)與二級(jí)磁場(chǎng)疊加所得總磁場(chǎng)的信號(hào)。由于金屬管件內(nèi)部缺陷將導(dǎo)致渦流及二級(jí)磁場(chǎng)的變化,進(jìn)而改變總磁場(chǎng)的強(qiáng)度，因此,檢測(cè)信號(hào)將包含缺陷信息，通過(guò)分析可得缺陷的位置、尺寸等參數(shù)。

圖1 金屬管件脈沖渦流檢測(cè)原理示意

雙層異質(zhì)金屬套管的脈沖渦流檢測(cè)依然符合上述檢測(cè)原理，磁場(chǎng)傳感器拾取的檢測(cè)信號(hào)將富含內(nèi)、外管壁厚信息，通過(guò)信號(hào)處理及分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)套管壁厚減薄缺陷的檢測(cè)、分類識(shí)別及定量評(píng)估。

1.2 仿真模型的建立

考慮到檢測(cè)對(duì)象為典型雙層異質(zhì)金屬套管，其內(nèi)、外管分別為不銹鋼管(電導(dǎo)率為1.1 MS/m、相對(duì)磁導(dǎo)率為1)和碳鋼管(電導(dǎo)率為6 MS/m、相對(duì)磁導(dǎo)率為150)，結(jié)合上述金屬管件脈沖渦流檢測(cè)原理，本文采用課題組已建立的快速有限元方法進(jìn)行相關(guān)數(shù)值仿真[9]，仿真模型示意圖如圖2(a)所示。檢測(cè)探頭由激勵(lì)線圈、鐵芯(電導(dǎo)率為0 MS/m、相對(duì)磁導(dǎo)率為1 800)和磁場(chǎng)傳感器組成。由于模型中的被測(cè)體和檢測(cè)探頭在結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱性，將模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，可在不降低計(jì)算精度的條件下減少計(jì)算量，縮短仿真時(shí)間。

圖2 仿真模型示意與激勵(lì)信號(hào)

仿真采用的激勵(lì)電流信號(hào)如圖2(b)所示，其頻率為33 Hz、占空比為33 %、最大電流強(qiáng)度為1 A，用于驅(qū)動(dòng)探頭中的激勵(lì)線圈(匝數(shù)為1 350)，激發(fā)一級(jí)磁場(chǎng)。仿真模型參數(shù)：r1,r2,r3,r4,r5,r6,r7分別為8.9,14.0,13.5,15.0,19.0,20.0,24.0 mm;z1,z2,z3,z4分別為9.0,12.5,15.0,500 mm。拾取檢測(cè)信號(hào)(磁通密度z分量)的磁場(chǎng)傳感器坐標(biāo)為z=15 mm，r=13.5 mm。針對(duì)被測(cè)管件，在仿真中設(shè)置2組外壁缺陷，其中第一組為外管壁厚(outer tube thickness，OTT)減薄缺陷，深度為0～2 mm，對(duì)應(yīng)管壁減薄量為0 %～50 %，此情況下內(nèi)管壁厚不發(fā)生減薄；第二組為內(nèi)管壁厚(inner tube thickness，ITT)減薄缺陷，其深度為0～2 mm，即管壁減薄量為0 %～50 %，外管壁厚減薄量為0 %。

1.3 仿真結(jié)果與分析

1.3.1 檢測(cè)信號(hào)的處理與特征提取

仿真可得不同內(nèi)/外管壁厚情況下磁場(chǎng)傳感器拾取的檢測(cè)信號(hào)，以內(nèi)、外管壁厚減薄量均為0 %時(shí)所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)為參考信號(hào)(reference signal,REF)。由于檢測(cè)信號(hào)同時(shí)與內(nèi)、外管的相對(duì)磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率相關(guān)，造成信號(hào)特征提取存在一定難度，為抑制管材相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，對(duì)拾取到的檢測(cè)信號(hào)首先進(jìn)行歸一化處理[10,11]，隨后將歸一化后的檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)做差，得到歸一化差分信號(hào)。檢測(cè)信號(hào)的處理結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可見，在激勵(lì)電流關(guān)斷后，內(nèi)、外管壁厚減薄對(duì)應(yīng)的差分信號(hào)幅值(絕對(duì)值)隨減薄量增大而增大。因此，提取歸一化差分信號(hào)的負(fù)峰值的絕對(duì)值(negative peak value，NPV)以及負(fù)峰值時(shí)間(negative peak value time，NPVT)作為信號(hào)特征用于進(jìn)一步的缺陷分類識(shí)別及定量評(píng)估。圖3(b)所示為負(fù)峰值NPV和其對(duì)應(yīng)時(shí)間NPVT與內(nèi)、外管壁厚減薄量之間的映射關(guān)系。由圖3(b)可知，負(fù)峰值NPV隨壁厚減薄量的增加而增加，其成因在于：所得歸一化差分信號(hào)僅與二級(jí)磁場(chǎng)改變量相關(guān)，由壁厚減薄所造成的視在電導(dǎo)率及二級(jí)磁場(chǎng)改變量越大，信號(hào)幅值增強(qiáng)，進(jìn)而表現(xiàn)為負(fù)峰值NPV與壁厚減薄量正相關(guān)。

圖3 檢測(cè)信號(hào)的處理結(jié)果

1.3.2 缺陷的分類識(shí)別與量化評(píng)估方法

針對(duì)內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷，以歸一化差分信號(hào)的負(fù)峰值NPV作為橫軸、負(fù)峰值時(shí)間NPVT作為縱軸，構(gòu)建二維缺陷分類識(shí)別空間，用于對(duì)所檢出的兩類缺陷(內(nèi)管壁厚減薄、外管壁厚減薄)進(jìn)行分類識(shí)別。仿真所涉及全部壁厚減薄缺陷在所建立的缺陷分類識(shí)別空間中的具體分布如圖4(a)所示。由圖4(a)可見，在分類識(shí)別空間中，不同類型缺陷所對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)分布于特定區(qū)域內(nèi)，且各區(qū)域存在明顯邊界，表明所建立的缺陷分類空間可有效針對(duì)雙層異質(zhì)金屬套管壁厚減薄缺陷實(shí)施可靠識(shí)別。如圖4(b)所示，為經(jīng)擬合處理后的內(nèi)、外管壁厚減薄量與歸一化差分信號(hào)負(fù)峰值NPV的標(biāo)定曲線。在具體檢測(cè)中，利用圖4(a)所示缺陷分類識(shí)別空間對(duì)所檢出缺陷的類型完成識(shí)別后，采用圖4(b)所示內(nèi)/外管壁厚減薄缺陷所對(duì)應(yīng)的標(biāo)定曲線，結(jié)合單調(diào)函數(shù)逆運(yùn)算，可預(yù)測(cè)具體壁厚減薄量。

圖4 缺陷的分類識(shí)別及量化評(píng)估

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 脈沖渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

如圖5(a)所示，所搭建的脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、信號(hào)放大器、濾波器、PC端、檢測(cè)探頭和被測(cè)套管組成。圖5(b)所示為檢測(cè)系統(tǒng)及探頭。檢測(cè)探頭由激勵(lì)線圈、鐵芯和TMR2104線性磁場(chǎng)傳感器構(gòu)成，磁場(chǎng)傳感器放置于r=14 mm，z=14 mm處。被測(cè)套管由不同內(nèi)外徑的不銹鋼內(nèi)管和碳鋼外管組成。被測(cè)管件的外壁缺陷設(shè)置方法與仿真相似，第一組為外管壁厚減薄缺陷，缺陷深度為0～2.5 mm，對(duì)應(yīng)外管壁厚減薄量為0 %～50 %，該組實(shí)驗(yàn)中保持內(nèi)管壁厚不變(外徑38 mm不銹鋼內(nèi)管)；第二組為內(nèi)管壁厚減薄缺陷，缺陷深度為0～1.5 mm，相應(yīng)減薄量為0～37.5 %，實(shí)驗(yàn)中，外管壁厚不變(外徑50 mm碳鋼外管)。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)框圖與實(shí)物

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

以無(wú)壁厚減薄缺陷的雙層異質(zhì)金屬套管(外徑50 mm、內(nèi)徑40 mm的碳鋼外管；外徑38 mm、內(nèi)徑30 mm不銹鋼內(nèi)管)所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)為參考信號(hào)(REF)，采取與仿真相同的信號(hào)處理方法，識(shí)別結(jié)果如圖6(a)所示。由圖6(a)可見，兩類缺陷對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)分布區(qū)域間存在明顯邊界，同時(shí)，各類缺陷對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)隨減薄量改變呈規(guī)律性分布，說(shuō)明所提缺陷分類識(shí)別空間可對(duì)雙層異質(zhì)金屬套管內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷實(shí)施有效分類和識(shí)別。基于缺陷分類識(shí)別結(jié)果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的負(fù)峰值NPV與缺陷減薄量的標(biāo)定曲線(如圖6(b)所示)可對(duì)內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷的減薄量進(jìn)行量化。由圖6(b)可見，負(fù)峰值NPV與減薄量呈單調(diào)遞減規(guī)律，與仿真分析結(jié)果一致，同時(shí)表明了采用歸一化差分信號(hào)負(fù)峰值NPV這一特征可有效評(píng)估內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷的減薄量。

圖6 缺陷識(shí)別與標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

本文集中探究基于脈沖渦流檢測(cè)的雙層異質(zhì)金屬套管壁厚減薄缺陷檢測(cè)、分類識(shí)別及定量評(píng)估手段。通過(guò)有限元仿真研究，在分析檢測(cè)信號(hào)特性及相關(guān)信號(hào)處理的基礎(chǔ)上，提出了歸一化差分信號(hào)負(fù)峰值NPV和負(fù)峰值時(shí)間NPVT兩種信號(hào)特征，以此特征構(gòu)建缺陷分類識(shí)別空間和減薄量標(biāo)定曲線，用于內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷的分類識(shí)別和定量評(píng)估。同時(shí)，搭建了金屬管件脈沖渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證：1)仿真研究所得結(jié)論的正確性；2)所提缺陷分類識(shí)別空間和定量評(píng)估方法對(duì)內(nèi)、外管壁厚減薄缺陷識(shí)別和量化的可行性。