工業管道腐蝕沖渦流檢測傳感器仿真分析

楊國 敖春芳

摘 要：針對管道缺陷檢測的現狀，研制了一種適用于輸油、輸氣管道的渦流無損檢測傳感器，該傳感器由磁敏器件、勵磁模塊 、導輪等部分組成，具有靈敏度高、可用性強的特點， 能滿足不同管徑和工況的管道缺陷檢測， 內容涉及渦流檢測、磁敏器件的選擇、永磁體的優化以及導輪的設計等。

關鍵詞：工業管道;腐蝕沖渦流檢測;傳感器;仿真

引言

輸油 、輸氣管道在長期使用中 ，由于表層地基不穩定、介質腐蝕、意外事故等原因 ，管道易發生位貌變化 ，并產生腐蝕與裂紋等缺陷和損傷 ，發生油氣泄漏現象，將對環境造成極大的污染和危害，并帶來經濟和人身安全上的巨大損失， 所以必須對工業管道進行定期無損檢測。

一、渦流檢測原理

在大直徑鐵磁性管道的在線渦流檢測中， 為達到較好的渦流效果 ，常使用沿周向陣列磁鐵的方法來獲得所需的勵磁源 .然而換熱器管空間過于狹小 ， 無法容納足夠體積的永磁鐵來達到理想的渦流效果，無法應用周向陣列磁鐵的方法 .為了改善渦流傳感器的渦流能力 ，傳感器部分主體由永磁體 、銜鐵 、磁敏元件等組成， 2 塊磁極相對且方向與管道軸線相同的圓柱形永磁鐵通過中間銜鐵相連， 銜鐵的中間部分比兩端要窄， 用來提供磁敏元件和信號電路安裝的空間.端部銜鐵將軸向的磁場轉化為較均勻的周向磁場導入管壁中， 使管道得到渦流從而構成整個渦流回路 .為使渦流器對整個管壁具有均勻的渦流能力以及避免傳感器震動產生噪聲干擾， 檢測過程中保證傳感器與管道的同軸是必要的。

（一）渦流方式選擇

可選用的渦流方式有線圈渦流、永磁體渦流等. 線圈渦流為常用的渦流方式之一， 其優點在于渦流強度可調，渦流能力較強， 不足之處在于發熱較大， 而且在這里受換熱器管內部空間狹小的限制 ，渦流效果不夠理想.永磁渦流用永磁鐵作為激勵源， 稀土永磁磁鐵， 特別是銣鐵硼磁鐵具有磁能積高 ， 體積小 ，無需電源 ，使用方便的優點， 在磁性檢測中得到 廣泛的應用 .雖然永磁渦流的渦流強度不能調節 ，但通過適當的磁路設計也可以達到較理想的渦流效果 .因此， 對小管徑鐵磁性換熱器管進行的渦流檢測是在管壁磁 化欠飽和的情況下進行的， 這大大影響了檢測的靈敏度實際上，這也是小管徑鐵磁性換熱器管渦流檢測主要的困難之一.

（二）磁敏傳感器選擇

霍爾元件可測量絕對磁場大小 ，并與速度無關 . 但為保證換熱管的整個周向無漏檢 ，需要布置一整 圈霍爾元件，然而在如此狹小的空間內霍爾元件的布置比較困難， 電路處理復雜 .霍爾元件的另一個缺 點是線性范圍有限 ，當磁感應強度較大時容易飽和 而喪失其靈敏度 . 感應線圈通過切割磁力線產生感應電壓， 感應電壓的大小和線圈的匝數以及穿過線圈的磁通量變 化率相關 ，因此線圈存在速度效應 ，所得檢測信號的大小和傳感器移動的速度相關 ， 傳感器移動速度的 變化也將產生干擾信號.在檢測中 ，保持傳感器移動速度的均勻性是非常重要的.感應線圈測量的是磁場的相對變化量 ，并在空間域上對高頻率磁場信號 更敏感.根據測量目的不同，感應線圈可以做成多種 形式 ，絕對式線圈可用來測量壁厚的損失，差分線圈 可以降低噪聲同時增加靈敏度 ， 陣列貼片線圈對管道相對應的局部區域腐蝕敏感且具有空間分辨率 .

（三）線圈方式設計

渦流檢測磁敏元件采用差分線圈和陣列貼片線 圈兩種形式，線圈均布置于中間銜鐵的直徑較小部 分并處于銜鐵的中心或者與銜鐵中心對稱分布 .由 于管道內部的輕微腐蝕和傳感器運動的不平穩性 ， 加上傳感器吸附管道內的鐵屑在運動過程中造成的 干擾 ，絕對式線圈在檢測過程中噪聲非常大， 缺陷信 號很容易被淹沒 ，而差分線圈可以有效減少這些噪 聲的影響 .下面對差分線圈和陣列貼片線圈在渦流 檢測中的不同特點進行研究.采用兩個特性一致的 線圈反向連接的差分方式， 兩個線圈都為 60 匝 ， 采 用 0 .1 mm 漆包銅線繞制 ，中間相隔 2 mm ， 單個線圈寬約 2 mm . 1 脈沖渦流檢測實驗系統的建立 基于脈沖交流渦流的脈沖渦流檢測試驗驗系統主要包括 4 個部分：脈沖激勵信號發生電路、 脈沖渦流傳感器、 被測試件 和信號處理部分。

二、工業管道腐蝕沖渦流檢測傳感器仿真運用

電力管道的渦流檢測方法和應用 電力行業中常用的無損檢測方法包括： 射線探傷、 超聲波探傷和磁粉探傷。與其他無損檢測法相比，渦 流法因其獨特的優勢而更多地應用于管道檢測中。通 常，火電廠的主設備大多由換熱管構成，包括凝汽器、 鍋爐受熱面和高、低壓加熱器等。這些設備在安裝前 或使用中都必須進行無損檢測。然而，根據高、低壓加 熱器的鐵磁特性，其磁導率比非鐵磁性材料高很多，很 難通過常規渦流法進行檢測。因此，考慮采用遠場渦流法和磁飽和法。核電站設備中的焊縫應力腐蝕裂紋很危險，已經 成為威脅核電站安全生產的關鍵問題之一。國外已有研究表明，渦流法對于壓水核反應堆管道焊縫裂紋的 檢測具有獨特優勢。一般而言，焊縫中的裂紋位于 近表面處，而焊縫內部材質的不均勻和各向異性等特 點，使其在超聲波檢測時具有很差的信噪比，這給實際 應用帶來局限性; 而渦流檢測的優勢正好得以體現。 現階段管壁減薄檢測常用的方法是射線檢測法和 超聲檢測法，但國外已有學者研究將渦流檢測法用于 發電廠設備的管壁減薄檢測中。因管壁減薄不同于結 構裂紋，檢測管道減薄主要可以使用脈沖渦流測厚法和遠場渦流法。脈沖渦流測厚的基本原理是： 隨著基 底材料厚度的變化，探頭的過零時間、峰值時間以及峰 值等特征參數會以一定規律變化，通過觀察探頭信號 的時域曲線，就能得到材料的厚度分布情況。脈沖測 厚用于管道減薄需要借助脈沖探頭移動得到線圈響應 信號，根據信號分析管道周向及長度方向的壁厚分布 情況，確定局部減薄的位置。遠場渦流最早用于小口 徑管道缺陷內檢測，其典型裝置由激勵和檢測兩個線 圈組成，低頻激勵線圈和同軸檢測線圈之間的間距為 待檢測管件直徑的 2 ～ 3 倍。遠場渦流是鐵磁性管道 材料中特有的現象，與管道同軸的低頻激勵線圈產生 磁場能量，穿過管壁向外擴散，并沿管道傳播，在遠場區域穿越管壁到達檢測線圈。此時，檢測信號包含了 被檢管道整個管壁結構的信息。

結語

本文論述了鐵磁性換熱器管無損檢測裝置開發的必要性 ，重點研究了換熱器管渦流內檢測傳感器 的設計.對渦流檢測傳感器進行了現場初步試驗.試驗結果表明， 磁性檢測傳感器能夠檢出 1 .6 通孔 和 20 %壁厚深度圓錐盲孔 ， 達到了設計指標 ， 能夠滿足現場使用的要求 。

參考文獻：

[1]李健，郝星，廣芮妤.無損檢測技術在天然氣管道的運用發展現狀和作用[J].中國石油和化工標準與質量，2020，40（01）：62-63+66.

[2]韓寧，張志杰，尹武良.旋轉磁場陣列式傳感器設計及管道缺陷的仿真研究[J].儀表技術與傳感器，2019（12）：17-22.