脈沖渦流檢測技術新進展

殷雪峰，劉紅軍，崔建杰

(1 中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東 青島 266000；2 北京安泰信科技有限公司，山東 淄博 255000；3 天津特米斯科技有限公司，天津 300131)

油氣管道、容器、塔等裝置在役(在線)工作時，承受著氣體或液體的高壓，經受著各種腐蝕的破壞，非常容易成為事故隱患，可能給企業和社會造成巨大的損失。長久以來，針對裝置內保溫層下的高溫(或超高溫)承壓管道、容器、塔壁等腐蝕情況的效、準確的檢測與評估，一直是采油、煉化和天然氣行業中的科研難題。

作為渦流檢測技術的分支，脈沖渦流檢測技術(Pulsed Eddy Current Testing，PECT)采用方波或階躍方式激勵，包含豐富的頻率成分，如可用于設備上表面缺陷檢測的高頻成分和用于設備下表面缺陷檢測的低頻成分，避免了傳統渦流只能檢測設備上表面缺陷的局限。此外，脈沖渦流的激勵能量更強，具有很好的穿透性，能穿透保護層和幾十甚至上百毫米的絕熱層，可真正實現在不拆除保護層的情況下對承壓構件進行不停機檢測，因此，脈沖渦流在管道和設備，尤其是帶包覆層的管道和設備的檢測中有良好的應用前景[1]。

近幾年，脈沖渦流檢測技術發展較快，在國內外獲得了大量應用，本文從脈沖渦流檢測技術的基本原理入手，介紹和比較了國外成型產品的技術原理，并對近期理論研究成果進行了分析。

1 鐵磁性材料脈沖渦流檢測技術的基本原理

脈沖渦流屬于渦流檢測(Eddy Current，簡稱ET)的一個分支，其基本原理是通過在探頭加載瞬間關斷電流，激勵出快速衰減的脈沖磁場，該磁場可以穿過一定厚度的保護層和保溫層而誘發被檢構件表面產生渦流，所誘發的渦流會從上表面向下表面擴散。同時，在渦流擴散過程中又會產生與激勵磁場方向相反的二次磁場，在探頭的接收傳感器中會輸出這個感應電壓。如果管道上有缺陷，則會影響加載管道上脈沖渦流狀況，繼而影響接收傳感器上的感應電壓。二次磁場感應的電壓包含了被測構件本身的一些特性，如：厚度、尺寸、電磁特性等綜合信息[2]。通過算法解析，可以掃查得到腐蝕缺陷的具體位置及嚴重程度。由于被測構件的材料多種多樣，且工況復雜，如保護層材料和傳感器提離多變，因此檢測信號復雜。如何從復雜檢測信號中提取合適的特征量來評估構件壁厚減薄成為關鍵。根據現有文獻的記載，脈沖渦流檢測中常用的特征值主要有：峰值[3-4]、峰值時間[5]、過零點時間[3]、提離交叉點[6]、拐點時間和拐點斜率等[7-9]。圖1為脈沖渦流檢測技術原理示意圖。

圖1 脈沖渦流檢測技術原理示意圖

1.1 鐵磁性材料脈沖渦流檢測技術的起源

脈沖渦流檢測技術應用在非鐵磁性材料上的歷史可以追溯到20世紀50年代，直到20世紀80年代，美國ARCO石油公司才將脈沖渦流檢測技術應用于鐵磁性材料的檢測中。1989年，ARCO公司的Spies和Lara等申請的美國專利“Transient Electromagnetic Method for Detecting Corrosion on Conductive Containers”獲得了授權，該專利將地質勘探行業的瞬變電磁儀(TEM)應用于帶包覆層的鐵磁性管道的腐蝕檢測中，詳細介紹了基于瞬變電磁用于檢測帶包覆層鐵磁管道腐蝕的基本原理，包括傳感器探頭的制作、激勵信號的發射、接收信號的采集和處理，并對腐蝕缺陷的判斷進行了說明。該專利采用的傳感器探頭由激勵線圈和接收線圈組成，接收信號為感應電壓，由于接收到的感應電壓值動態范圍很大(從幾千mV到幾十μV)，該專利將信號在雙對數坐標系中進行分析，通過比較未腐蝕區域和腐蝕區域的不同曲線特征，以獲得檢測壁厚值[10]。

1.2 RTD-INCOTEST脈沖渦流檢測系統的技術原理

1995年，荷蘭RTD公司獲得了ARCO公司脈沖渦流檢測技術(1989年專利)在全球的獨家許可，并投入大量的研究資源，對該系統進行了系統的研究，并從標定點、傳感器、算法軟件等方面進行了改進，最終成功開發出可用于包覆層管道腐蝕檢測的脈沖渦流檢測設備，RTD公司將其命名為INCOTEST(Insulated Component TEST)系統，這是首個真正用于鐵磁性材料脈沖渦流檢測的商業化設備。

從現有文獻分析，RTD-INCOTEST脈沖渦流檢測系統的主要原理為：脈沖渦流檢測過程分為兩個階段，在第一階段，施加到發射線圈上的電流在探頭周圍產生一次磁場，一次磁場不受非導電和非磁性材料的影響，可以不受干擾地穿透保溫層和涂層到達金屬表面，這也就意味著脈沖渦流檢測技術可以穿透包覆層而對鐵磁性材料的壁厚進行檢測；在第二階段，隨著發射線圈中的電流關斷，一次磁場迅速衰減，同時產生二次感應磁場，并在探頭的接收傳感器中會輸出感應電壓(脈沖渦流信號)；脈沖渦流信號從被測物的近表面逐步向遠表面傳遞，在傳遞到遠表面前，該信號的衰減速度較慢，其衰減律符合逆冪函數關系；而在到達遠表面后，該信號會迅速衰減，其衰減率符合指數關系；為了對信號進行分析，分別對檢測到的感應電壓和時間軸進行對數轉換，形成雙對數坐標。在雙對數坐標系中，前期脈沖渦流信號衰減段(符合逆冪函數關系)顯示為直線，后期信號衰減段(符合指數函數關系)顯示為曲線，脈沖渦流信號由慢到快的過渡點(在雙對數坐標系中即表現為直線段到曲線段的過渡點)稱為“拐點”，拐點出現得越早，壁厚越薄，且拐點時間與壁厚呈一定的函數關系，因此，拐點時間可以作為測量被測物體壁厚的特征值[11]。

RTD公司的INCOTEST脈沖渦流檢測系統即以拐點時間作為特征值，先通過脈沖渦流信號求得特征值，再利用特征值求得被測物體的壁厚值。除RTD公司的INCOTEST外，MAXWELL公司[12]、德國TüV(萊茵技術)公司[13]和新加坡INNOSPECTION[14]等公司推出的針對鐵磁性材料的脈沖渦流檢測設備與RTD-INCOTEST脈沖渦流檢測系統的原理基本相同。圖2為INNOSPECTION公司脈沖渦流檢測系統的原理示意圖[14]。

圖2 INNOSPECITON公司檢測系統的原理示意圖

1.3 EDDYFI-Lyft脈沖渦流檢測系統的技術原理

除RTD公司的INCOTEST外，加拿大EDDYFI公司的Lyft脈沖渦流檢測系統也比較知名。在2016年第19屆全球無損檢測會議中，EDDYFI公司對其Lyft脈沖渦流檢測系統的新進展進行了介紹[15]：他們改變了原有的在雙對數坐標系中(圖3左圖)進行脈沖渦流信號分析的方式，改為在單對數坐標系中進行分析，這是因為脈沖渦流晚期信號的衰減規律符合指數函數關系，而這一關系在單對數坐標系中表現為直線(圖3中圖)，且晚期信號直線段的斜率與壁厚值呈一定函數關系，可以作為測量壁厚值的特征量。同時，EDDYFI公司提出了利用晚期信號衰減率(或拐點斜率)作為特征值來計算壁厚值的優勢：(1)信號特征位置出現得更早，可以獲得更好的信噪比和更多的信號值；(2)晚期信號衰減率(拐點斜率)受提離高度或保溫層厚度的影響較小。

圖3 EDDYFI-Lyft系統的技術原理

2 鐵磁性材料脈沖渦流檢測技術的理論研究進展

以上提到商業化產品的技術原理由于商業保密等原因，只從應用角度提出了鐵磁性材料脈沖渦流檢測技術的原理，而近十年在理論研究上也獲得了很多進展。

2.1 脈沖渦流感應電壓近似式的提出

在RTD公司和EDDYFI公司的技術原理中均將脈沖渦流信號分為兩個階段，其前期信號的衰減規律符合逆冪函數關系，后期信號的衰減規律符合指數衰減規律。但對于兩段規律并沒有提供解析式或近似式。

文獻[16]通過數值模擬，研究了有限厚鐵磁性試件中渦流的擴散規律及二次磁場的瞬變規律，分析得出了有限厚鐵磁性試件脈沖渦流響應與試件電磁特性和時間的近似函數關系：

(1)

式中，t0為渦流到達試件下底面的時間；F(l,d)為與提離高度和試件厚度相關的參數；ρ為試件的電阻率；μ為試件的磁導率。

文獻[17]在已有平板導體脈沖渦流場感應電壓時域解析式的基礎上，利用鐵磁性材料相對磁導率遠大于1的條件，比較解析式中各變量的量級大小，結合鐵磁平板內脈沖渦流的擴散過程，也得到了脈沖渦流感應電壓在前、后期兩段的近似表達式。其表達式與文獻[16]的表達式基本相同，但對于后期的感應電壓表達式其簡化為：

Ve(t)≈Uee-t/τd

(2)

其中，τd為渦流擴散時間常量：

τd=μσd2/π2

(3)

這些近似關系式與RTD公司和EDDYFI公司的技術原理相同，且能為渦流檢測過程的理論建模和信號解釋提供參考，也為檢測信號反演提供了依據。

2.2 多渦流環等效模型

在常規的渦流檢測技術的等效電路模型中，通常將試件中的渦流等效一定尺寸的假想線圈中流過的電流；將激勵線圈和試件之間的耦合關系等效為其與等效線圈之間的耦合關系，從而將復雜的電磁場模型簡化為簡單的電路模型。但如果只將試件等效為一個線圈，建立的模型階數過低，對鐵磁性材料或壁厚較厚的非鐵磁性材料的脈沖渦流信號擬合效果不好。文獻[18]在單渦流環等效模型的基礎上，將階躍電流激勵下的每一種頻率的諧波感應出來的渦流都等效為一個渦流環，而諧波之間相互影響的過程也可以用渦流環間的相互耦合作用來等效，從而建立起多渦流環耦合等效模型，并計算出系統監測到脈沖渦流電壓信號的表達式：

(4)

(5)

其中Bk和Ck是大于零的常數，n為正整數。

根據前面的討論，脈沖渦流信號的晚期衰減規律符合指數函數關系，比較公式(1)和公式(5)，可以得到：

V(t)≈B1exp(-C1t)|t?0

(6)

比較公式(2)和公式(6)，可知公式(2)中的渦流擴散試件常量τd與公式(6)中的1/C1相等，即：

1/C1≈τd=μσd2/π2

(7)

為了便于分析，對公式(6)兩邊先求對數后求導數，可得到：

lnV(t)≈-C1t+lnB1

(8)

(9)

3 結 論

本文通過比較國外脈沖渦流檢測系統的技術原理，分析了脈沖渦流感應電壓近似式和多渦流環耦合模型下的簡化解。