基于脈沖渦流的提離高度檢測方法

殷雪峰，程千里，竇鳳杰，崔建杰

(1.中國石化 青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島 266500；2.天津特米斯科技有限公司，天津 300131)

0 引言

利用脈沖渦流(Pulsed Eddy Current,PEC)檢測技術(shù)對帶保溫層的金屬管道或設(shè)備壁厚進(jìn)行檢測，是近幾年發(fā)展起來的一種新型非接觸式無損檢測技術(shù)。與傳統(tǒng)渦流檢測技術(shù)不同，脈沖渦流檢測技術(shù)采用方波作為激勵方式，激勵能量更強(qiáng)，具有很好的穿透性能，能夠穿透幾十甚至上百毫米的包覆層(保溫層和保護(hù)層)，可真正實現(xiàn)在不拆除保溫層的情況下對承壓管道或設(shè)備的不停機(jī)檢測，該技術(shù)已在煉油化工等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

現(xiàn)有利用脈沖渦流檢測技術(shù)對帶保溫層的鐵磁性材料壁厚進(jìn)行檢測，一般采用拐點時間[2-3]或晚期信號衰減率(或稱晚期信號斜率)[4-8]作為特征值，其中，拐點時間受提離高度影響較大[2-3]，晚期信號衰減率受提離高度影響較小[8]。目前，為抑制脈沖渦流檢測信號的提離效應(yīng)，測量提離高度已經(jīng)成為脈沖渦流檢測技術(shù)的研究熱點[9-14]。在工程應(yīng)用中，需要根據(jù)提離高度選擇合適的脈沖渦流傳感器和相關(guān)參數(shù)(發(fā)射電壓、發(fā)射頻率等)。如參數(shù)選擇不當(dāng)，可能引起壁厚檢測數(shù)據(jù)的偏離，甚至不能得到壁厚值，造成管道壁厚檢測的漏檢或誤檢。因此，獲得提離高度的準(zhǔn)確值，對提高帶保溫層管道或設(shè)備壁厚檢測的準(zhǔn)確性有重要意義。

本文對鐵磁性材料脈沖渦流的信號特點進(jìn)行分析，提出以脈沖渦流中期信號截距作為特征量進(jìn)行提離高度測量的方法，并進(jìn)行試驗驗證。

1 脈沖渦流信號特點分析

脈沖渦流檢測技術(shù)屬于渦流檢測技術(shù)(Eddy Current Testing，ECT)的一個分支，其基本原理是在線圈中通入恒定電流或電壓，在一定時間內(nèi)，被測構(gòu)件中會產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，當(dāng)斷開輸入時，線圈周圍會產(chǎn)生電磁場，該電磁場由直接從線圈中耦合出的一次電磁場和構(gòu)件中感應(yīng)出的渦流場產(chǎn)生的二次電磁場兩部分疊加而成，且后者包含了構(gòu)件本身的厚度或缺陷等信息，采取合適的方法和檢測元件對二次場進(jìn)行測量，分析測量信號，即可得到被測構(gòu)件信息[1]。

脈沖渦流早期感應(yīng)電壓信號幅值大、衰減快，中晚期信號幅值小且衰減相對較慢，信號動態(tài)范圍大，不同壁厚的脈沖渦流信號在笛卡爾直角坐標(biāo)系中幾乎重合在一起，如圖1所示，故在直角坐標(biāo)系中無法對脈沖渦流信號特點進(jìn)行分析。如將時間信號和感應(yīng)電壓信號都進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換，在雙對數(shù)坐標(biāo)系(lnV-lnt坐標(biāo)系)或單對數(shù)坐標(biāo)系(lnV-t坐標(biāo)系)中，脈沖渦流信號的特征都能清晰地顯示，如圖2～4所示。

從圖2可以看出，在雙對數(shù)坐標(biāo)系中，不同壁厚構(gòu)件的感應(yīng)電壓信號在中期階段基本重合且表現(xiàn)為直線段，可理解為在中期階段感應(yīng)電壓信號的衰減規(guī)律符合冪函數(shù)衰減規(guī)律。隨著衰減時間增加，感應(yīng)電壓信號衰減速度增加，在圖2中表現(xiàn)為感應(yīng)電壓信號曲線向內(nèi)彎曲，且被測構(gòu)件壁厚越薄，感應(yīng)電壓信號曲線彎曲段出現(xiàn)越早，反之亦然。在雙對數(shù)坐標(biāo)系中，感應(yīng)電壓曲線由直線段到曲線段的過渡時間稱為拐點時間，可作為壁厚檢測的特征值[2-3]。

從圖3可以看出，在單對數(shù)坐標(biāo)系中，感應(yīng)電壓信號曲線中期階段基本重合且表現(xiàn)為彎曲段，后期階段感應(yīng)電壓曲線趨向于直線段，可理解為在后期階段感應(yīng)電壓信號的衰減規(guī)律符合指數(shù)衰減規(guī)律。在該階段，被測構(gòu)件的厚度對感應(yīng)電壓曲線的影響表現(xiàn)為曲線斜率的變化，壁厚越小，直線段曲線斜率的絕對值越大，反之亦然。在單對數(shù)坐標(biāo)系中，感應(yīng)電壓曲線晚期階段的斜率(或稱為晚期信號衰減率)也可作為壁厚檢測的特征值[4-8]。

從圖4可以看出，在雙對數(shù)坐標(biāo)系中，當(dāng)提離高度相同時，不同壁厚被測構(gòu)件的感應(yīng)電壓信號曲線在中期階段基本重合；當(dāng)提離高度不同時，相同壁厚被測構(gòu)件的感應(yīng)電壓曲線在中期階段不同。

綜合以上分析，可得到如下結(jié)論：

(1)感應(yīng)電壓信號中期階段符合冪函數(shù)衰減規(guī)律，晚期階段符合指數(shù)函數(shù)衰減規(guī)律；

(2)提離高度相同時，不同壁厚被測構(gòu)件的感應(yīng)電壓信號曲線中期階段基本重合，感應(yīng)電壓曲線中期階段不受壁厚影響；

(3)提離高度不同時，相同壁厚被測構(gòu)件感應(yīng)電壓信號曲線不同，感應(yīng)電壓曲線中期階段受提離影響。

以上結(jié)論與文獻(xiàn)[15-17]中內(nèi)容基本一致。如文獻(xiàn)[15]將脈沖渦流信號劃分為3個階段，其中第Ⅰ階段對應(yīng)著激勵線圈中矩形波電流的下降沿階段，即電流從矩形波幅值的90%下降至10%的階段，其持續(xù)時間一般為ms數(shù)量級，該階段的感應(yīng)電壓信號為一次磁場和二次磁場共同作用的結(jié)果，從中難以提取出被檢件信息。第Ⅱ階段始于矩形波電流的下降沿結(jié)束時刻tⅡ，一直持續(xù)到渦流密度最大值轉(zhuǎn)移至被檢件厚度一半深度處的時刻tⅢ。在此之后，渦流在被檢件中僅向外擴(kuò)散和衰減，直至完全耗散的過程對應(yīng)著PEC 信號的第Ⅲ階段。文中所提中期階段對應(yīng)上述文獻(xiàn)的第Ⅱ階段，晚期階段對應(yīng)上述文獻(xiàn)中的第Ⅲ階段。

文獻(xiàn)[15]中列出了第Ⅱ,Ⅲ階段脈沖渦流信號V(t)的分段函數(shù)：

(1)

式中,FⅡ(l)為與提離高度l相關(guān)的函數(shù);δ為試件的電導(dǎo)率;tⅢ為二次磁場到達(dá)被測構(gòu)件下底面的時間;FⅢ(l,d)為與提離高度l和被測構(gòu)件壁厚d相關(guān)的函數(shù)；c為常數(shù);μ為試件的磁導(dǎo)率。

2 基于中期信號截距的提離高度檢測方法

對于鐵磁性材料而言，感應(yīng)電壓信號隨時間衰減可以分為冪函數(shù)衰減階段和指數(shù)衰減函數(shù)衰減階段，其中冪函數(shù)衰減階段為信號的中期階段，其感應(yīng)電壓信號與被測構(gòu)件厚度無關(guān)，而與被測構(gòu)件的材料特性和提離高度相關(guān)。在被測構(gòu)件材質(zhì)相同的情況下，冪函數(shù)衰減階段的中期信號只與提離高度相關(guān)，若能找到中期感應(yīng)電壓信號與提離高度的特征關(guān)系，就可通過中期感應(yīng)電壓信號求得提離高度。

2.1 提離高度特征值的確定

對式(1)第二階段分段函數(shù)兩邊取對數(shù)，可得：

(2)

對于同一材質(zhì)的被測構(gòu)件來說，δ和μ為常數(shù)，可將ln[FⅡ(l)δ1/2μ1/2]簡化為G(l),同時，為便于分析，將ln[V(t)] 設(shè)為Y，將lnt設(shè)為X，則式(2)可以簡化為：

Y=-1.5X+G(l)

(3)

式(3)中，G(l)為與提離高度相關(guān)的函數(shù)，且在雙對數(shù)坐標(biāo)系中為感應(yīng)電壓中期信號的截距。因此，可以將雙對數(shù)坐標(biāo)系的中期信號截距作為提離高度的特征值。

2.2 利用截距計算提離高度的方法

通過以上分析，可得到利用脈沖渦流中期信號冪函數(shù)衰減階段在雙對數(shù)坐標(biāo)系中的截距計算提離高度的方法。

(1)提取雙對數(shù)坐標(biāo)系下被測構(gòu)件若干不同提離高度的感應(yīng)電壓曲線中期信號的截距ki。

(2)根據(jù)已知提離高度li和中期信號截距ki的對應(yīng)關(guān)系，通過擬合得到函數(shù)l(k)的關(guān)系式。

(3)取相同材料被測構(gòu)件任意區(qū)域的脈沖渦流信號，提取雙對數(shù)坐標(biāo)系中期信號截距k，根據(jù)l(k),即可計算出被測構(gòu)件指定區(qū)域的提離高度。

3 利用截距檢測提離高度的試驗驗證

為對上述方法進(jìn)行驗證，采用TEM-PFSS-II脈沖渦流檢測儀對不同提離高度的試驗樣管進(jìn)行試驗。試驗保溫層為聚氨酯類保溫層；保溫層上保護(hù)層為鋁皮，厚度約為0.4 mm。試驗用探頭為保溫探頭，主要參數(shù)：發(fā)射線圈內(nèi)徑10 mm，外徑75 mm，高度40 mm，匝數(shù)1 200匝；接收線圈的內(nèi)徑75 mm，外徑85 mm，匝數(shù)1 600匝。發(fā)射信號選擇頻率4 Hz、占空比為50%的方波電流；取電流關(guān)斷時刻為感應(yīng)電壓信號的采集起始點。

3.1 截距與提離高度擬合方程的獲得

取壁厚為4，6，8，12，16 mm、材料為20#碳鋼的標(biāo)準(zhǔn)樣板，在提離高度分別為5，10，20，30，40 mm的情況下進(jìn)行檢測，提取各壁厚和提離高度下感應(yīng)電壓信號在雙對數(shù)坐標(biāo)系中的中期信號截距值，將截距值列入表1中。按照第2.2節(jié)中所述方法，以截距ki為橫坐標(biāo)，以提離高度li為縱坐標(biāo)，并用冪函數(shù)對{(ki,li)}進(jìn)行擬合，可得到不同壁厚情況下提離高度與截距值的擬合曲線，如圖5所示。

表1 不同壁厚、不同提離高度下的中期信號截距值

分析表1和圖5的數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論。

(1)當(dāng)提離高度相同時，被測構(gòu)件壁厚不會對截距值產(chǎn)生影響，即被測構(gòu)件厚度不影響提離高度的測量。

(2)當(dāng)被測構(gòu)件的壁厚相同時，測得的截距隨壁厚值增加而減小，當(dāng)采用冪函數(shù)擬合時，5個壁厚值的擬合曲線基本重合，且擬合效果較好。

(3)根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得到提離高度與截距之間的方程：l=753.27k-0.338,該方程不受被測構(gòu)件壁厚的影響。

3.2 試驗管提離高度的驗證試驗

試驗管材料為20#碳鋼，外徑273 mm，壁厚8 mm。保溫層厚度分別為25，50，75，100 mm,且保溫層上覆蓋厚度為0.4 mm的鋁皮作為保護(hù)層。

針對不同提離高度，采用不同發(fā)射電壓進(jìn)行測量，在獲取雙對數(shù)坐標(biāo)系中期信號截距后，對不同電壓下的截距，按公式l=753.27k-0.338計算出被測位置的提離高度，并與實際的提離高度進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。需要注意的是，雖然鋁皮具有一定厚度，但其與保溫層相比，厚度較小，因此實際提離高度未將鋁皮厚度考慮在內(nèi)。

表2 試驗數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)可知，當(dāng)提離高度在100 mm以內(nèi)時，利用雙對數(shù)坐標(biāo)系中直線段(脈沖渦流信號冪函數(shù)衰減階段)的截距作為脈沖渦流檢測中提離高度測量的特征值，計算得到的提離高度與實際提離高度值比較接近，相對誤差基本可以控制在5%以內(nèi)，效果較為理想；且該方法不受發(fā)射電壓(或電流)和鋁皮厚度的影響。

4 結(jié)論

通過分析脈沖渦流檢測信號，提出在雙對數(shù)坐標(biāo)系中，利用中期信號截距作為提離高度測量的特征值，并通過不同提離高度特征值擬合出提離高度和中期信號截距之間的關(guān)系式。通過試驗驗證，該方法具有一定的準(zhǔn)確性，在保溫層厚度不大于100 mm的情況下，其相對誤差基本未超過5%，且該方法不受被測構(gòu)件厚度和發(fā)射電壓的影響，具有較好的應(yīng)用性。該方法解決了帶保溫層管道或設(shè)備中保溫層厚度的測量方法，擴(kuò)充了脈沖渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍，有利于提高利用脈沖渦流檢測技術(shù)穿透保溫層檢測管道或設(shè)備壁厚的準(zhǔn)確性。