金屬管道內外壁缺陷的脈沖渦流檢測系統

趙 番，湯曉英，王繼鋒，浦 哲

(1.上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200062;2.上海壓力管道智能檢測工程技術研究中心，上海 200062)

金屬管道常見的缺陷按照類型可分為內壁缺陷和外壁缺陷。外壁缺陷有凹缺陷、凸缺陷、混合表面缺陷、區域缺陷以及外觀缺陷等。內壁缺陷是指不延伸到金屬管道表面的缺陷，一般包括孔隙、夾雜、縮孔、分層、折疊、冷隔等[1]。由于內、外壁缺陷的形態特征具有多樣性，管道漏磁內檢測器的磁敏元件在檢測信號的幅值上差別很大，使得檢測靈敏度存在很大的不確定性，易造成管道內、外壁缺陷的誤判，從而影響后續的開挖修復。因此，在漏磁內檢測中，準確地識別金屬管道缺陷的位置特征，對管道的安全運行具有重要的意義。

渦流檢測是一種非接觸測量的無損檢測方法，主要適用于金屬管道的內、外壁腐蝕缺陷檢測。傳統的渦流檢測技術以周期性的正弦波作為激勵信號，采用兩路同步且正交的相敏檢波信號，經過低通濾波后得到渦流檢測線圈的電阻分量和感抗分量，最后經過數字信號處理，計算出缺陷處信號的幅值信息和相位信息。幅值反映缺陷的長度和高度信息，相位的滯后和超前反映缺陷在管道中所處的位置。這種方法采用了數字信號處理器，存在電路結構復雜、功耗高、響應速度慢的問題，從而極大地影響了管道漏磁內檢測的檢測速度。

1 脈沖渦流檢測技術原理

脈沖渦流檢測技術是在傳統渦流檢測技術基礎上發展而來的一種新型檢測方法。該技術以法拉第電磁感應原理為基礎，當通有矩形波的檢測線圈逐漸靠近被測金屬試件時，試件中會感應產生渦流；而渦流產生的二次感應磁場又會反作用于檢測線圈，從而在檢測線圈上感應出電壓[2]。感應電壓的大小受缺陷的大小和形狀影響，通過測量感應電壓便可以推斷出管壁是否存在缺陷。脈沖渦流檢測技術具有頻譜豐富、響應速度快、深層缺陷檢測能力強的優點。

利用脈沖渦流技術對金屬管道進行內、外壁缺陷區分時，當缺陷位于管道外壁時，其溢出磁場可視為磁力線遇到磁導率不一致時外逸的部分；當缺陷位于管道內壁時，缺陷在檢測空間引發的漏磁場，其實質是材料中磁力線受到材料不連續處畸變磁場的擾動，從原本分布均勻的鐵磁性構件內被“擠壓”出材料表面，從而形成可檢測量[3]。

文章所設計的脈沖渦流檢測系統便是利用內、外壁信號的不同產生機理，形成不同的差分電導來進行檢測的。脈沖渦流檢測系統的設計原理如圖1所示。檢測時采用占空比為50%的方波作為渦流激勵信號[4]。所設計的脈沖渦流電橋包括測量橋臂和參考橋臂[5]，測量橋臂包括線圈MEA1和與之串聯的電阻R1,參考橋臂包括線圈REF1和與之串聯的電阻R2。渦流激勵信號加載到測量橋臂和參考橋臂后發射空間交變磁場，對管道進行電磁激勵。當管道中沒有缺陷時，渦流檢測電橋通過測量橋臂及參考橋臂上串聯的電阻R1、R2達到平衡。當渦流檢測電橋碰到有腐蝕、裂紋等內、外壁缺陷的管道時，由于測量線圈MEA1和參考線圈REF1進出(進入和離開)缺陷的時間不同，會在渦流檢測電橋的橋臂上引起電壓差。差分電壓采樣電路通過運算放大器采集測量線圈和參考線圈之間的差分電壓VDIFF1。同時，缺陷的存在會導致測量線圈和參考線圈中的電流不一致，形成差分電流。差分電流測量電路通過跨阻放大將測量線圈和參考線圈上的橋臂電流轉化成電壓VI1和VI2，中央處理器通過數學運算，將兩個電壓VI1和VI2轉化成測量橋臂和參考橋臂之間的差分電流IDIFF1。用差分電流除以差分電壓，便可得到渦流電橋的差分電導,如式(1)所示。

(1)

圖1 脈沖渦流檢測原理示意

當脈沖渦流檢測系統經過管道內壁缺陷時，渦流檢測單元的差分電導會有先正峰值后負峰值的波形產生；當渦流系統經過管道外壁缺陷時，差分電導只有正峰值的波形產生；當管道沒有缺陷時，差分電導沒有峰值波形產生。因此，根據差分電導的波形，可以判斷出缺陷是位于管道內壁還是外壁。

圖2 脈沖渦流檢測系統硬件框圖

2 脈沖渦流檢測系統總體結構設計

圖2為區分管道內外壁缺陷的脈沖渦流檢測系統的硬件框圖，系統由脈沖渦流激勵電路、測量線圈、參考線圈、高通濾波器、測量橋臂電流采樣電路、參考橋臂電流采樣電路、渦流電橋差分電壓采樣電路、模擬/數字轉換電路和中央處理器等組成。設置高通濾波器的目的是消除缺陷對激勵信號和測量電導的影響。

脈沖渦流檢測系統的兩組電橋布局如圖3所示。每組電橋都包含相同的測量線圈和參考線圈，可以有效地覆蓋缺陷尺寸，提高判別的準確性。測量線圈(MEA1,MEA2)及參考線圈(REF1,REF2)均為渦流線圈，采用50匝,內徑為6.2 mm、線徑為0.1 mm的漆包線繞制成圓柱形。線圈的周向中心距為21 mm，軸向中心距為23.5 mm。

圖3 脈沖渦流檢測系統的電橋布局

3 脈沖渦流檢測系統電路設計

脈沖渦流檢測系統利用產生的脈沖渦流激勵以檢測缺陷處的差分電流和差分電壓，進而求得差分電導，再利用電導的波形來判斷缺陷的性質。檢測系統電路包括以下4部分：脈沖渦流激勵電路、渦流橋臂電流采樣電路、差分電壓采樣電路和模擬/數字轉換電路等。

3.1 脈沖渦流激勵電路設計

脈沖渦流激勵電路采用CPLD控制正、負對稱的方波信號來驅動模擬開關[6]，模擬開關的輸出經過運放跟隨電路以增強渦流激勵信號(MOA)的輸出驅動能力。

方波信號頻率為33.3 kHz，這樣能保證將設計的脈沖渦流檢測系統安裝在管道內檢測器上，檢測器能夠以10 m·s-1的速度進行在線檢測。選用ADI公司的ADG839模擬開關，通過一系列串聯電阻用于確定方波信號的電平輸出范圍。運算放大器選用TI公司的軌對軌運放OPA320，其供電電壓為3.3 V，共模抑制比為114 dB。

渦流激勵信號為(1.65±1.5) V的電壓信號，當PWMA(模擬開關的驅動信號)為1時，其為(1.65+1.5) V；當PWMA為0時，其為(1.65-1.5) V。

3.2 渦流橋臂電流采樣電路

方波信號加在測量線圈和參考線圈上向外發射空間交變磁場，對管道進行電磁激勵。當管道中存在缺陷時，會在測量橋臂和參考橋臂上形成差分電流。差分電流不能被直接測量，但是可以通過測量橋臂和參考橋臂中的電流，間接計算出來。

渦流測量橋臂電流采樣電路中，渦流測量橋臂中流過的電流I1首先經過一個頻率為15.9 kHz的高通濾波器，目的是消除管道缺陷對激勵信號的影響，保證漏磁檢測器的設計精度。第一級為跨阻放大電路，放大倍數為G1，經過放大后變為電壓信號VI1t，以保證電壓輸出在一個有效線性范圍內。第二級為同相比例放大電路，放大倍數為G2。經過兩級放大便將電流I1轉化為電壓VI1。采用兩級放大的目的是保證系統能探測出非常狹窄的缺陷，以提高分辨率。運算放大器選用ADI公司的ADA4891-2，其為低成本的軌對軌雙運放。

渦流測量橋臂電流I1的計算如式(2)所示。

(2)

同理，渦流參考橋臂電流I2經過高通濾波和跨阻放大轉化成VI2。則差分電流IDIFF1=I1-I2。

3.3 差分電壓采樣電路

差分電壓采樣電路由兩個運算放大器組成。測量線圈電壓V1和參考線圈電壓V2首先經過高通濾波，以消除管道缺陷對激勵信號的影響。然后進入由ADA4891-2雙運放組成的差分運放，以放大差分電壓。V1送入運放U14A的同相輸入端，經過放大后變為VO1，VO1送至U14B的反相輸入端。V2送入U14B的同相輸入端。

3.4 模擬/數字轉換電路

考慮到信號的轉換速度，將差分電流和差分電壓信號，分別送入14位分辨率逐次逼近寄存器型(SAR)同步采樣模擬/數字轉換器(ADC) AD7387的輸入引腳。ADC的供電電壓為+3.3 V，基準設為+3.0 V，采用單端接法。

電路中，模擬量進入RC低通濾波器，再進入ADC的模擬量輸入通道。差分電壓被送入ADC的AINB0引腳，測量橋臂和參考橋臂電流轉換成的電壓VI1和VI2分別被送入AINA0和AINA1引腳，以得到相應的電流I1和I2。ADC經過SPI總線將轉化后的數字量送入中央處理器CPLD，CPLD進行減法運算I1-I2，計算結果即為差分電流IDIFF1。利用差分電流IDIFF1除以差分電壓VDIFF1，便可以計算出缺陷處的差分電導值C=IDIFF1/VDIFF1。

4 脈沖渦流信號采樣時序設計

圖4為設計的脈沖渦流信號采樣時序圖。在渦流線圈上施加一個頻率為33.3 kHz,周期為30 μs的方波信號對渦流電橋進行激勵，同時進行信號采樣。信號采樣分成以下三部分。

第一部分：測量周期。從正/負半周期的第5.0 μs開始，持續5.0 μs。ADC會依次讀取差分電壓VDIFF1、渦流測量橋臂電流I1對應的電壓VI1和渦流參考橋臂電流I2對應的電壓VI2。

第二部分：計算周期。從渦流激勵正/負半周期的第10.0 μs開始，持續5.0 μs。CPLD計算渦流橋臂的差分電流IDIFF1，并根據測量得到的差分電壓和差分電流計算缺陷處的電導值C。

第三部分：判斷周期。根據前述渦流系統經過管道內、外壁缺陷時，差分電導的波形不同，便可以判斷出缺陷的位置。

圖4 脈沖渦流系統信號采樣時序圖

5 試驗與分析

將設計的脈沖渦流檢測系統安裝于內檢測器動態測試機構上來評價其對管道內外壁缺陷的識別準確度[7]，試驗裝置實物如圖5所示。

圖5 試驗裝置實物

該測試機構利用伺服電機驅動滑臺在導軌上行走，滑臺下面固定內檢測器，內檢測器上安裝設計的脈沖渦流檢測系統，對直徑為508 mm，厚度為12.7 mm的半管進行檢測。檢測過程中內檢測器的鋼刷及脈沖渦流檢測系統必須與半管內壁完全接觸，以便對半管進行飽和磁化，此時內檢測器的中心線與半管的中心線重合。當動態測試機構行駛到終點時，重新返程至起點，完成一次檢測過程。

管道缺陷共有2組，其布局如圖6所示。其中，第一組的4個缺陷布置為矩形內壁缺陷，第二組的4個缺陷布置為圓形外壁缺陷。第一組缺陷的尺寸如表1所示，第二組缺陷的尺寸如表2所示。

圖6 管道內、外壁缺陷布局圖

表1 第一組缺陷尺寸mm

缺陷缺陷尺寸長度寬度深度缺陷136.06.04.8缺陷236.06.06.0缺陷336.06.03.0缺陷436.06.01.2

表2 第二組缺陷尺寸 mm

檢測過程中，將系統固定在半管內的6點鐘方向，以測試脈沖渦流系統對內外壁缺陷的檢測靈敏度，檢測結果如圖7所示。從圖7可以看出，對前4個內壁缺陷，脈沖渦流系統的信號具有陡峭的畸變特征，都有前正峰值后負峰值的波形產生。對于后4個外壁缺陷，脈沖渦流系統的信號峰值與內壁缺陷的不同，只有正峰值波形產生。驗證結果符合設計預期。

圖7 缺陷檢測波形

6 結論

設計了一套區分管道內、外壁缺陷的脈沖渦流檢測系統。利用內檢測器動態測試機構對脈沖渦流檢測系統的檢測能力進行了驗證，結果表明所設計的系統能準確區分管道內、外壁缺陷。