脈沖渦流檢測激勵參數(shù)和激勵線圈參數(shù)的優(yōu)化設計

宮 昊,郝憲鋒,王安泉,孫偉峰,戴永壽

(1.中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 青島 266580；2.中國石化股份勝利油田分公司 技術檢測中心， 東營 257000)

腐蝕造成的壁厚減薄是承壓設備失效破壞的主要原因之一，為了保障承壓設備的運行安全，需定期對其剩余壁厚進行檢測[1-2]。脈沖渦流檢測具有穿透能力強、檢測信號包含更多缺陷信息的特點，被廣泛應用于承壓設備的缺陷檢測中[3]。檢測過程中，脈沖激勵參數(shù)和激勵線圈參數(shù)的不同會對檢測結果產生較大的影響。為了研究參數(shù)變化對檢測結果的影響，徐志遠等[3]研究了激勵參數(shù)和試件電磁參數(shù)對檢測信號的影響；張輝等[4]研究了矩形傳感器尺寸、激勵脈沖頻率及占空比對檢測結果的影響，得出需要根據(jù)被測試件的厚度來設計激勵頻率和占空比的結論；周德強等[5]對傳感器幾何參數(shù)和激勵頻率進行了優(yōu)化設計，給出了試驗中所用的最佳頻率；朱紅運等[6]研究了激勵電流對檢測的影響規(guī)律。為了提高渦流檢測的靈敏度和分辨率，筆者通過仿真試驗研究了脈沖激勵參數(shù)及激勵線圈參數(shù)對鐵磁性試件壁厚檢測靈敏度和分辨率的影響，確定了脈沖激勵參數(shù)和激勵線圈參數(shù)；最后以鐵磁性階梯試件為檢測對象，對仿真結果進行了驗證。

1 脈沖渦流檢測的基本原理

將具有一定幅值、頻率和占空比的脈沖信號加到激勵線圈兩端，由法拉第電磁感應定律得知，在脈沖信號的跳變沿處,激勵線圈周圍會產生變化的磁場B1。當激勵線圈靠近被測試件時，激勵線圈周圍變化的磁場會在試件中感應出變化的渦流，渦流的變化又會產生另一個變化的磁場B2。將檢測線圈磁場的變化轉換為隨時間變化的電壓信號，電壓信號中包含著有關試件厚度的信息，提取檢測電壓信號中的某些特征就能實現(xiàn)壁厚的反演[7]。脈沖渦流測厚原理示意如圖1所示(圖中r0,r1,h分別為激勵線圈的內半徑、外半徑和高度)。

圖1 脈沖渦流測厚原理示意

2 脈沖渦流測厚模型及仿真試驗內容

2.1 脈沖渦流測厚模型

為了研究檢測參數(shù)對檢測結果的影響，利用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立了脈沖渦流測厚模型。由于模型具有對稱性，同時為了減小計算量，將三維仿真模型轉化為二維仿真模型(見圖2)。模型中激勵線圈和檢測線圈均是同軸的空心圓柱形結構，激勵線圈在內,檢測線圈在外，線圈材料設置為銅。為了計算方便，以厚度均勻的鋼板替代管道作為被測試件，鋼板的電導率設置為7.1 MS·m-1，相對磁導率設置為250。

圖2 脈沖渦流測厚二維仿真模型

2.2 仿真試驗內容

通過圖1可以看出，對脈沖渦流檢測結果造成影響的主要參數(shù)有脈沖激勵參數(shù)、激勵線圈參數(shù)及檢測線圈參數(shù)，但檢測線圈參數(shù)相較于脈沖激勵參數(shù)和激勵線圈參數(shù),對檢測靈敏度和分辨率的影響較小。仿真過程中保持檢測線圈的參數(shù)不變，設置檢測線圈的內半徑為72 mm,外半徑為76 mm,高度為4 mm,匝數(shù)為800匝。脈沖激勵及激勵線圈的主要參數(shù)如表1所示。

表1 脈沖激勵及激勵線圈的主要參數(shù)

以差分電壓信號峰值為特征來研究參數(shù)變化對檢測靈敏度和分辨率的影響。差分電壓信號峰值的定義如式(1)所示。

ΔV=max(Vnodefect-Vdefect)

(1)

式中：Vnodefect為無缺陷處的檢測電壓信號，此時的信號為參考信號;Vdefect為缺陷處的檢測電壓信號,此時的信號為缺陷信號;ΔV為參考信號減去缺陷信號的最大值[1]，ΔV越大，則檢測的靈敏度越高，不同厚度對應的ΔV變化量越大，則檢測的分辨率越高。

仿真時被測試件的厚度設置為8, 11, 14, 17, 20 mm，其中最大厚度20 mm用來模擬無缺陷的情況，8,11,14,17 mm厚度用來模擬壁厚減薄的情況。脈沖渦流測厚仿真試驗流程如圖3所示。

圖3 脈沖渦流測厚仿真試驗流程

3 參數(shù)的仿真優(yōu)化設計

3.1 脈沖激勵參數(shù)的優(yōu)化設計

在研究脈沖激勵參數(shù)對檢測的影響時，保持激勵線圈和檢測線圈的參數(shù)不變。設置激勵線圈的內半徑為10 mm,外半徑為30 mm,高度為40 mm,匝數(shù)為400匝。檢測線圈的內半徑為72 mm,外半徑為76 mm,高度為4 mm,匝數(shù)為800匝。限于篇幅，在此僅詳細介紹脈沖激勵電壓幅值的優(yōu)化過程。

保持激勵電壓的其他參數(shù)不變，僅改變電壓幅值進行仿真試驗。電壓幅值設置為20,25,30,35 V，設置頻率為1 Hz,占空比為50%,邊沿時間為1 ms。在不同的電壓幅值下，8 mm試件厚度的差分電壓信號如圖4所示，激勵電壓幅值與差分電壓信號峰值關系曲線如圖5所示，不同激勵電壓幅值下不同厚度對應的差分電壓信號峰值如表2所示。

圖4 不同電壓幅值下，8 mm試件厚度的差分電壓信號

圖5 激勵電壓幅值與差分電壓信號峰值關系曲線(仿真)

將表2中的數(shù)據(jù)繪制在同一個直角坐標系中，得到的激勵電壓幅值與差分電壓信號峰值關系曲線如圖5所示。從圖5可以看出，隨著電壓幅值的增大，同一厚度對應的差分電壓信號峰值都增大，不同厚度之間的差分電壓信號峰值的變化量也增大，即隨著激勵電壓幅值的增大，檢測的靈敏度和分辨率均得到了提高。但在實際檢測過程中，激勵電壓幅值越大，則產生的熱量越高，容易損壞激勵線圈，綜合考慮，選定激勵電壓幅值為30 V。

表2 不同激勵電壓幅值下,不同試件厚度對應的差分電壓信號峰值 mV

激勵電壓頻率與差分電壓信號峰值關系曲線如圖6所示。從圖6可以看出,隨著電壓頻率的增大，同一厚度對應的差分電壓信號峰值都減小，不同厚度之間的差分電壓信號峰值的變化量也減小，即隨著激勵電壓頻率的增大，檢測的靈敏度和分辨率均降低。由渦流滲透深度公式[8](2)得知,激勵電壓頻率越小則滲透深度越大，檢測的靈敏度和分辨率越高，這與仿真結果相符。

圖6 激勵電壓頻率與差分電壓信號峰值關系曲線(仿真)

(2)

式中：f為激勵電壓頻率;μ為被測試件的磁導率;σ為被測試件的電導率;δ為渦流滲透深度。

此外，由于在0.1 Hz和1 Hz條件下，檢測的靈敏度和分辨率相差無幾，綜合考慮，選定激勵電壓頻率為1 Hz。激勵電壓占空比與差分電壓信號峰值關系曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著電壓占空比的增大，同一厚度對應的差分電壓信號峰值不改變，即檢測的靈敏度和分辨率不受激勵電壓占空比的影響。但占空比過小會導致渦流不能有效擴散到試件下表面，從而檢測信號中不包含有關試件厚度的信息，而占空比過大又會導致產生的熱量更高。因此，綜合考慮，選定激勵電壓的占空比為50%。

圖7 激勵電壓占空比與差分電壓信號峰值關系曲線(仿真)

3.2 激勵線圈參數(shù)的優(yōu)化設計

激勵線圈的參數(shù)設計是脈沖渦流檢測系統(tǒng)設計中的一個重要環(huán)節(jié)，激勵線圈的參數(shù)直接影響被測試件中渦流的大小及擴散情況。通過研究發(fā)現(xiàn)，小尺寸探頭適用于檢測小壁厚，大尺寸探頭適用于檢測大壁厚[1]。通過研究激勵線圈內半徑、外半徑、高度及匝數(shù)對檢測靈敏度和分辨率的影響，對激勵線圈的參數(shù)給出了選定依據(jù)。在研究激勵線圈參數(shù)對檢測的影響時，保持脈沖激勵電壓參數(shù)不變，設置電壓幅值為30 V，占空比為50%，頻率為1 Hz，邊沿時間為1 ms。

保持激勵線圈的其他參數(shù)不變，僅改變激勵線圈內半徑進行仿真試驗。設置激勵線圈內半徑為5,10,15,20,25 mm，外半徑為30 mm,高度為40 mm,匝數(shù)為400匝。在不同的激勵線圈內半徑下，8 mm試件厚度的差分電壓信號如圖8所示，不同激勵線圈內半徑下,不同厚度對應的差分電壓信號峰值如表3所示。

圖8 不同激勵線圈內半徑下，8 mm試件厚度的差分電壓信號

將表3中的數(shù)據(jù)繪制在同一個直角坐標系中，得到激勵線圈內半徑與差分電壓信號峰值關系曲線如圖9所示。從圖9可以看出，隨著激勵線圈內半徑的增大，同一試件厚度對應的差分電壓信號峰值略有增大，不同厚度之間的差分電壓信號峰值的變化量也略有增大，即隨著激勵線圈內半徑的增大，檢測的靈敏度和分辨率都略有提高。然而，激勵線圈內半徑過大時，不能有效檢測小范圍腐蝕。綜合考慮，選定激勵線圈內半徑為10 mm。

圖9 激勵線圈內半徑與差分電壓信號峰值關系曲線

表3 不同激勵線圈內半徑下，不同試件厚度對應的差分電壓信號峰值 mV

激勵線圈外半徑與差分電壓信號峰值關系曲線如圖10所示。從圖10可以看出，隨著激勵線圈外半徑的增大，同一厚度對應的差分電壓信號峰值略有增大，不同厚度之間的差分電壓信號峰值的變化量也增大，即隨著激勵線圈外半徑的增大，檢測靈敏度和分辨率都有所提高。然而，激勵線圈外半徑過大時，不能有效檢測小范圍腐蝕。綜合考慮，選定激勵線圈外半徑為30 mm。

圖10 激勵線圈外半徑與差分電壓信號峰值關系曲線

激勵線圈高度與差分電壓信號峰值關系曲線如圖11所示。從圖11可以看出，隨著激勵線圈高度的增大，同一厚度對應的差分電壓信號峰值減小，不同厚度之間的差分電壓信號峰值的變化量也減小，即隨著激勵線圈高度的增大，檢測靈敏度和分辨率都降低。然而，激勵線圈的高度過小時，不能有效檢測較大厚度的試件。結合現(xiàn)場的壁厚檢測需求，綜合考慮，選定激勵線圈高度為40 mm。

圖11 激勵線圈高度與差分電壓信號峰值關系曲線

激勵線圈匝數(shù)與差分電壓信號峰值關系曲線如圖12所示。從圖12可以看出，隨著激勵線圈匝數(shù)的增多，同一厚度對應的差分電壓信號峰值略微減小，不同厚度之間的差分電壓信號峰值的變化量也略微減小，即隨著激勵線圈匝數(shù)的增多，檢測靈敏度和分辨率的變化不太明顯。然而，匝數(shù)的多少會影響磁場強度，進而影響壁厚的檢測范圍，綜合考慮，選定激勵線圈匝數(shù)為400匝。

圖12 激勵線圈匝數(shù)與差分電壓信號峰值關系曲線

3.3 探頭厚度檢測范圍的確定

在前兩小節(jié)介紹了脈沖激勵參數(shù)和激勵線圈參數(shù)對檢測的影響，確定了脈沖激勵參數(shù)和激勵線圈參數(shù)。激勵線圈電壓幅值為30 V，頻率為1 Hz，占空比為50%，邊沿時間為1 ms，激勵線圈內半徑為10 mm，外半徑為30 mm，高度為40 mm，匝數(shù)為400匝;檢測線圈的內半徑為72 mm，外半徑為76 mm,高度為4 mm，匝數(shù)為800匝。為了確定在該參數(shù)下的有效厚度檢測范圍，以單對數(shù)坐標系下信號后期斜率(脈沖渦流檢測電壓信號曲線的后期在單對數(shù)坐標系中趨于直線，該直線的斜率為信號后期斜率)為特征[9]，通過仿真試驗確定了有效厚度檢測范圍。

仿真時被測試件的厚度為1.5～45 mm，單對數(shù)坐標系下的檢測電壓信號如圖13所示。通過提取信號后期斜率并建立其與厚度之間的關系發(fā)現(xiàn)，試件厚度為4～24 mm的信號后期斜率與厚度之間呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關系，擬合曲線如圖14所示。斜率與厚度之間的關系如式(3)所示。

圖13 單對數(shù)坐標系下的檢測電壓信號(仿真)

圖14 信號斜率與被測試件厚度擬合曲線(仿真)

y=71.71(-x)-0.53

(3)

關系式的確定系數(shù)為0.999 1。通過仿真試驗及數(shù)據(jù)分析可以得出，在該參數(shù)條件下的有效厚度檢測范圍為4～24 mm。

4 測試件試驗及結果分析

試驗系統(tǒng)包括自研發(fā)的脈沖激勵源、Q235材料的階梯板、探頭、示波器及PC機，脈沖激勵參數(shù)及探頭參數(shù)與仿真試驗參數(shù)相同。首先以9,11,13,15,18 mm厚度的測試件進行試驗來驗證脈沖激勵參數(shù)仿真優(yōu)化結果的正確性，試驗結果如圖15～17所示。

圖15 激勵電壓幅值與差分電壓信號峰值關系曲線(驗證試驗)

圖16 激勵電壓頻率與差分電壓信號峰值關系曲線(驗證曲線)

圖17 激勵電壓占空比與差分電壓信號峰值關系曲線(驗證試驗)

從圖15～17可以看出，參數(shù)變化對檢測的影響規(guī)律與仿真試驗結果相同，驗證了仿真結果的正確性。

然后驗證探頭的厚度檢測范圍，將采集的檢測電壓信號進行濾波處理及單對數(shù)轉換后，得到的電壓信號如圖18所示。通過提取信號后期斜率并建立其與厚度之間的關系發(fā)現(xiàn)，厚度為7～24 mm的斜率與厚度之間呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關系，擬合曲線如圖19所示。斜率與厚度之間的關系式如式(4)所示，關系式的確定系數(shù)為0.954 5。通過測試件試驗及數(shù)據(jù)分析可以得出

圖18 單對數(shù)坐標系下的檢測電壓信號(驗證試驗)

圖19 信號斜率與被測試件厚度關系曲線(驗證試驗)

y=124.4(-x)-0.661

(4)

使用該探頭能夠有效檢測7～24 mm厚度的試件。由于繞制的探頭尺寸存在一定偏差，厚度檢測范圍較仿真結果略有不同。

5 結語

(1) 激勵電壓幅值、激勵線圈內半徑及激勵線圈外半徑越大，檢測靈敏度和分辨率越高;激勵電壓頻率、激勵線圈高度及激勵線圈匝數(shù)越大，則檢測靈敏度和分辨率越低;激勵電壓占空比的變化不影響檢測的靈敏度和分辨率。

(2) 激勵電壓幅值、激勵電壓頻率、激勵線圈外半徑及激勵線圈高度對檢測靈敏度和分辨率的影響較大，激勵電壓占空比、激勵線圈內半徑及激勵線圈匝數(shù)對檢測靈敏度和分辨率的影響較小。

(3) 使用所設計的參數(shù)能夠有效檢測7～24 mm厚度的試件。