基于聚焦型探頭脈沖渦流檢測的保溫層下腐蝕仿真研究

曹愛松* 張 燁 張蒲根 付躍文

（1.上海市特種設備監督檢驗技術研究院 2.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室）

0 引言

保溫層下腐蝕是工業壓力管道不可忽視的安全隱患[1]。隨著化工工藝不斷改進以及管理制度不斷完善，由于物料沖刷、微生物等因素造成的壓力管道內壁腐蝕缺陷是比較容易控制的[2]。而保溫層下腐蝕具有普遍性和隱蔽性等特征，更容易對保溫層下管道造成危害,對裝置運行安全產生威脅并可能造成經濟損失。目前針對保溫層下腐蝕的無損檢測常用方法大多存在一定的局限性，近年來，脈沖渦流檢測技術（PECT）越來越多應用于帶包覆層的壓力管道在線檢驗。該檢測技術可以在壓力管道不停輸的情況下，透過金屬保護層及非金屬包覆層直接對管道內壁及外壁的腐蝕缺陷進行檢測[3-4]。

在保溫層下腐蝕脈沖渦流檢測研究方面，RTD公司及殼牌公司較早在儀器研究及應用方面取得了成功，推出了相應的商用設備。加拿大Eddify 公司研發的Lyft 脈沖渦流檢測系統近年來得到了廣泛應用，該系統能夠對最大厚壁為63 mm，最大包覆層厚度為203 mm 的鐵磁性管道表面腐蝕情況進行動態掃查，檢測靈敏度可達被檢工件損失壁厚的15%。在國內，中國特種設備檢測研究院與華中科技大學合作開發出了相應的檢測儀器[5]，并在實際檢測中取得了良好的效果；南昌航空大學無損檢測實驗室近年來一直致力于研究保溫層下腐蝕脈沖渦流檢測，在理論研究及實際應用中均取得了較大突破。

NB/T 47013.13—2015《承壓設備無損檢測 第13部分：脈沖渦流檢測》標準規定，根據激發方式不同可將探頭分為聚焦型和非聚焦型。檢測小面積型腐蝕缺陷時，聚焦型探頭的檢測靈敏度稍高于非聚焦型探頭。因此，本文應用有限元仿真方法對管道保溫層下腐蝕聚焦型探頭檢測進行了基礎研究。通過分析不同聚焦角度、探頭參數、缺陷尺寸等情況下被檢管道的磁場分布、渦流分布、檢測線圈感應電壓等參數，確定評判聚焦型探頭性能優劣的準則，可為聚焦型探頭的制作提供理論支撐。

1 聚焦型探頭檢測基本原理

脈沖渦流檢測技術采用寬頻激勵，一般為一定占空比的方波。由于頻譜寬、滲透范圍大，因而脈沖能透過一定厚度的金屬保護層及非金屬保溫層后檢測管道保溫層下的腐蝕情況[6]。圖1 是傳統的圓臺型脈沖渦流檢測探頭示意圖。激勵傳感器與接收傳感器同軸放置，一般情況下激勵線圈放置在外層，檢測線圈放置在內層。這類圓臺型探頭傳感器是脈沖渦流檢測中的典型類型，其產生的空間電磁場分布可用麥克斯韋方程組推導出解析公式來表達，其在管道上的有效檢測范圍可近似表達為：

式中：L——探頭距管道表面的距離，即保溫層厚度與金屬保護層厚度的和；

FP0——L＝0 時探頭固有的覆蓋范圍，一般認為FP0為1.2～1.5 倍探頭直徑面積大小[7]。

圖1 圓臺型脈沖渦流檢測探頭

若要保證圓臺型探頭輻射到管道上的磁場強度滿足檢測需求，探頭的直徑D就不能太小，檢測探頭在管道上的覆蓋范圍FP0就比較大[8]。由于脈沖渦流檢測技術是對檢測有效范圍內金屬的損失率進行評估，因此對于尺寸較大的圓臺型探頭來說，管壁上的點蝕及溝狀腐蝕等缺陷較難檢出。同時，探頭尺寸較大會增加探頭的封裝及現場操作的難度。

為了解決典型圓臺型探頭的諸多不足，根據NB/T 47013.13—2015 標準要求，設計制作了雙激勵雙接收式聚焦型探頭，如圖2 所示。2 個激勵線圈呈一定角度相對放置，對2 個線圈施加方向相反的電流，使空間內產生一個環形的閉合磁場回路；2 個接收線圈放置于激勵線圈下靠近管道側，其連接形式為反接串聯。由于2 個激勵線圈呈一定角度聚焦型放置，因此相同激勵參數下的空間磁場分布更集中，在管壁上行成的磁場更聚集，對小面積型缺陷檢測更靈敏。

圖2 雙激勵雙接收式聚焦型探頭

2 聚焦型探頭脈沖渦流檢測仿真試驗及結果分析

2.1 聚焦型探頭檢測模型構建及網格劃分

應用ANSYS 有限元軟件進行仿真計算[9-10]，圖3為聚焦型探頭脈沖渦流檢測仿真模型示意圖。為了得到具有一定長度的均勻磁場，單個激勵線圈采用扁平形設計，線圈內寬為10 mm，長為50 mm，軸向長度為60 mm，線圈采用1.0 mm 銅質導線繞制，繞制10 層，共500 匝，檢測線圈為圓環形線圈，采用0.2 mm 銅質導線繞制，線圈長度為20 mm,骨架內徑為12 mm，線圈厚度為10 mm，共1 000 匝。管道外金屬保護層采用鋁合金材質，厚度為0.5 mm。保溫層為巖棉等非金屬材質，在仿真模擬時其性質相當于空氣，其厚度為50 mm。管道采用工業管道中常用的DN100 mm的20#鋼管，管道壁厚為10 mm。通過查閱資料可知，管道的相對磁導率選取其初始磁導率為200 H/m，電阻率為1.69×10-7Ω·m。接收線圈正下方管道設置腐蝕區域，腐蝕缺陷尺寸為60 mm×40 mm，缺陷深度為5 mm。通過設置缺陷位置的屬性來區分完好和缺陷2 種情況。

圖3 聚焦型探頭脈沖渦流檢測仿真模型

在缺陷的正下方設置管道外表面腐蝕缺陷，在仿真時通過設置缺陷體的屬性來區分。由于磁場在該處分布較為密集，并且在缺陷處會產生相應的變化，因此缺陷處的網格劃分較為密集。激勵線圈和接收線圈是整個檢測系統電磁信號的集中區域，為了保證仿真結果的精度，該處的網格也要進行密集劃分。圖4為模型網格劃分示意圖。

2.2 激勵加載及邊界條件設置

本次仿真模擬為了獲得單極性脈沖方波激勵信號，采用ANSYS 軟件中的CIRCU124 單元，通過設置獨立電壓源與有限元仿真模型進行場路耦合的方式對激勵線圈模型進行信號加載。脈沖方波加載參數如表1 所示。

圖4 模型網格劃分

表1 脈沖方波加載參考

為了讓仿真模型最外層空氣場區域滿足封閉區域條件，對模型空氣區域的外邊界加載平行邊界條件，定義AZ＝0。為了減少仿真的計算量，本文構建的是半管模型（即1/2 模型），因此模型中的管道2 個下端面需加載模擬短路條件[11]。

2.3 仿真模擬結果分析

分別對有缺陷模型和無缺陷模型進行仿真分析，并得到仿真結果。同時，為了體現聚焦式探頭對保溫層下腐蝕缺陷檢測的優越性，也對經典圓臺型探頭進行了仿真。為了保證激勵裝置產生的電磁場基本相同，仿真時確保2 種模型的激勵線圈總匝數相同。

提取激勵線圈產生的電磁場在管道上的磁場分布、渦流場分布進行初步分析。

（1）渦流場分布及分析

圖5 a）所示為聚焦型探頭檢測有損管道在關斷時間30 μs 后t=129 ms 時的渦流場分布圖。由圖5 a）可知，管道上的渦流場與線圈中的電流方向是一致的，渦流場在探頭中心正下方的管道處最密集，強度也最大。當管道存在外表面局部腐蝕時，渦流場會在缺陷處產生畸變，渦流會繞過缺陷從側面和底部向前傳遞，這就導致了二次磁場。通過接收線圈測量由畸變渦流場產生的二次磁場，可以得到包含有缺陷信息的感應電壓信號。

圖5 b）所示為圓臺型探頭檢測管道在關斷時間 30 μs 后t=130 ms 時的渦流場分布圖。由圖5 b）可知，渦流場在管道上大致呈圓形分布，當腐蝕缺陷面積較小或激勵線圈尺寸較大時，管道表面的腐蝕坑對渦流場產生的擾動比較小，因而接收線圈測量到的感應電壓變化也比較小。

圖5 檢測時管道渦流分布圖

（1）磁場分布及分析

圖6 a）和圖6 b）分別是聚焦型探頭和圓臺型探頭檢測有損管道在關斷時間30 μs 后t＝130 ms 的磁場分布圖。對比2 圖可發現與渦流場分布的相似處，即腐蝕缺陷對聚焦型探頭產生的磁場擾動更為明顯。

圖6 檢測時管道磁感應強度分布圖

在仿真軟件中提取能直接對檢測線圈產生響應的管道磁感應強度BY分量標量圖，可以更直觀地觀察管道缺陷部分引起的磁感應強度的變化情況，圖7 a）和圖7 b）分別為聚焦型探頭檢測模型和圓臺型探頭檢測模型管道外表面磁感應強度BY標量圖。從圖7 中可以看出，聚焦型探頭檢測時，磁感應強度BY在缺陷處聚集且位于檢測線圈的正下方，有利于檢測線圈接收缺陷信號；圓臺型探頭檢測模型中的BY分布并沒有隨著缺陷的存在而發生明顯變化，并且在激勵源磁場相同的情況下，管道上的BY值遠小于聚焦型探頭模型，這樣接收探頭就無法區分因缺陷而造成的感應電壓變化。

圖7 檢測模型BY分量圖

仿真模型中管道采用的是具有鐵磁性屬性的#20鋼。鐵磁性材料的相對磁導率μ是表示相對于磁場強度H非線性變化的函數。采用ANSYS 仿真時，可以通過設置材料B－H屬性定義材料的相對磁導率，使仿真得到的結果更接近實際。由于三維仿真在計算時需要巨大的運行資源，因此本論文也建立了聚焦型探頭和圓臺型探頭的二維檢測模型。通過對檢測模型磁場等值線分布情況及接收線圈感應電壓值進行分析，探究了聚焦型探頭的檢測性能。

圖8 a）和圖8 b）分別為聚焦型探頭和圓臺型探頭磁場等值線分布圖。對比聚焦型探頭和圓臺型探頭檢測缺陷管道得到的磁場等值線分布圖可知，由于聚焦型探頭的磁場能量更多聚集于探頭正下方的管道區域，當管道存在缺陷時，磁場在缺陷部位的畸變聚集現象較圓臺型探頭更明顯。仔細觀察缺陷周圍的管道區域，采用聚焦型探頭檢測時磁場更為聚集，在垂直于管道方向的變化幅度更大，這與由管道磁感應強度BY分量分析得到的結果是吻合的。

（3）接收探頭感應電壓分析

通過讀取接收探頭上的感應電壓值，可以直觀地通過仿真實驗方法檢測管道保溫層下腐蝕情況。圖9 a）為聚焦型檢測模型接收感應電壓雙對數坐標曲線，圖9 b）為圓臺型檢測模型接收感應電壓曲線。

從圖9 a）可以看出，采用聚焦型探頭檢測時，完好管道與缺陷管道的接收探頭感應電壓在信號的中后段具有明顯的區別，完好管道的信號大于缺陷管道信號，顯示接收探頭感應電壓值隨著管道金屬缺失而減??；采用圓臺型探頭檢測時，完好管道與缺陷管道的接收探頭感應電壓信號幾乎重疊，無法區分，同時感應信號數量級遠小于聚焦型探頭檢測到的感應電壓。由此可知，聚焦型探頭的檢測效果優于常規的圓臺型探頭。

圖8 磁場等值線分布圖

圖9 接收感應電壓曲線

3 結論

通過對仿真結果進行分析可以得出，聚焦型探頭應用脈沖渦流技術檢測管道保溫層下腐蝕缺陷時，在管道上感生出的渦流場能有效地作用于管道外表面腐蝕缺陷部位，管道表面的磁感應強度BY分量在缺陷邊緣的管道處發生聚集畸變，通過接受探頭能檢測出缺陷對感應電壓產生的顯著影響；而圓臺型探頭對于尺寸小于探頭直徑的腐蝕缺陷檢測能力遠小于聚焦型探頭。結果表明，聚焦型探頭能夠顯著提高脈沖渦流檢測技術對管道保溫層下腐蝕缺陷的檢測能力。該研究可為脈沖渦流檢測探頭的設計與制作，以及應用脈沖渦流技術檢測管道保溫層下腐蝕缺陷提供參考。今后將進一步對聚焦型探頭進行設計研究，已達到對保溫層下微小腐蝕缺陷進行精確定量檢測的目的。