基于U 形磁導體聚焦探頭的脈沖渦流檢測研究*

楊 帆余兆虎付躍文*黃文豐夏志風段建剛

(1.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063；2.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043)

在高溫、高壓及運輸腐蝕性液氣介質條件下承壓設備金屬結構部分易產生腐蝕，且以局部腐蝕為主。 為了保溫和防止外部腐蝕，常使用數十到幾百毫米厚的包覆層進行保護。 在不拆除包覆層的情況下檢測管道、容器及其他金屬結構件局部腐蝕是一項檢測難題[1-2]。 脈沖渦流檢測技術是一種非接觸式檢測手段，可不拆卸包覆層對管道等構件進行檢測。 該技術具有入射電磁場滲透深度大、對深處缺陷檢測能力強、檢測信息豐富等特點[3-4]。 因此，脈沖渦流在檢測帶包覆層金屬結構件的減薄及局部缺陷等方面受到廣泛關注[5-7]。

脈沖渦流探頭一般由圓柱形激勵和接收單元組成，最通常的結構是將激勵與接收線圈同軸放置，這種圓柱形探頭被廣泛應用于檢測試件缺陷及壁厚減薄[8-9]。 高斌等分析了檢測線圈在空氣和試件中的能量轉換關系，并且提出了一種檢測線圈同軸放置于激勵線圈上方的圓柱形探頭。 該探頭的檢測靈敏度取決于檢測線圈的換能效率[10]。 Rao 等應用放置于環形激勵線圈底部中央的GMR 磁傳感器接收試件的感應磁場變化，可檢測不銹鋼板底部厚度變化25%的埋深缺陷[11]。

上述圓柱形探頭的換能效率以及磁場接收能力受提離影響顯著，因而在提離時探頭檢測能力明顯下降。 為了解決這些問題，研究人員通過增強激勵磁場或通過設計差共模結構放大感應磁場的變化量以提高探頭的信噪比[12-13]。

Park 等研制的探頭由兩個串聯連接的鐵氧體圓柱形激勵線圈和兩個差分連接的Hall 磁傳感器組成，該探頭能夠產生很強的激勵磁場并且可以通過差分式結構抑制干擾。 通過提高探頭的信噪比，從而檢測25 毫米提離下的不銹鋼板20%厚度變化[14]。 武新軍等基于圓柱形同軸線圈解析模型，推導得到感應電壓變化量與試件厚度的關系，使用電壓峰值時間特征對厚度進行定量。 該探頭可用于檢測包覆層下管道平均壁厚[15]。

但是除了平均壁厚損失之外，面積小而較深的局部缺陷由于更易導致穿透性缺陷因而對管道容器等設備的安全威脅有時會更大。 為了更好地檢測工件上的局部缺陷，陣列接收以及施加屏蔽以抑制激勵磁場擴散等方法被認為是能夠有效改進探頭檢測能力的方法[16-17]。 由于缺陷信號特征從根本上來說由缺陷對于渦流場的擾動產生，因此探頭對局部缺陷的檢測靈敏度取決于局部缺陷對渦流場的擾動大小。 如果探頭產生的渦流場能夠有較好的聚焦特性，則聚焦區域掃過局部缺陷時，渦流場產生的擾動將較大。 同時接收線圈也需要置于適當區域才能達到較高的檢測靈敏度。對于圓柱形探頭來說，已有研究表明在試件上感應的渦流場存在盲區，需要將接收線圈放置于渦流場聚集區域才能獲得更高的檢測靈敏度[18]。 因此，渦流分布的聚焦性能是影響探頭檢測靈敏度的關鍵因素。 一些研究團隊通過改變探頭激勵結構來改善激勵磁場，使得渦流聚集分布，從而提高探頭檢測靈敏度。 其中，探頭結構包括矩形、漏斗形、雙圓柱形等結構[19-21]。 付躍文等對圓柱形激勵線圈的三種擺放(徑向、橫向和縱向)位置下的渦流空間分布規律展開了研究，分析了渦流場盲區(該區域內渦流趨近于零)對探頭檢測能力的影響。 同時明確了縱向擺放的圓柱形探頭在檢測管道壁厚時具備更高檢測靈敏度，為在檢測帶包覆層管道壁厚時探頭的設計優化提供了幫助[22]。

上述探頭在檢測試件表面及近表面缺陷或提離下的厚度變化時取得了良好的檢測效果，但是目前尚缺乏探頭提離時在試件上產生的渦流分布對局部腐蝕缺陷檢測影響的研究。 由于磁導體回路可有效引導磁場分布，使得探頭在試件上產生的渦流分布發生改變。 因此本文通過設計U 形磁導體脈沖渦流探頭在提離下對304L 不銹鋼板局部腐蝕以及厚度進行檢測。

研究從仿真和試驗兩方面進行。 在仿真方面，使用有限元仿真軟件得到磁導體引導的磁場分布以及對不同提離下試件上的渦流分布進行研究，通過引入渦流有效聚集區域面積變化描述缺陷引起的渦流擾動大小，從而得到磁導體聚焦探頭的檢測范圍以及相對缺陷的檢測偏移量，為設計具有高靈敏度的局部缺陷檢測探頭提供參考。

1 檢測原理

如圖1(a)所示，脈沖渦流檢測探頭由一對激勵線圈和接收線圈組成，在激勵線圈中施加脈沖激勵電流，線圈周圍空間產生瞬變磁場，即一次磁場。 激勵電流從方波直流段快速關斷時，周圍磁場快速衰減，由于電磁感應，被檢對象上會感應出脈沖渦流。脈沖渦流產生的磁場為二次磁場。 激勵電流關斷時，一次磁場為零，此時檢測線圈測量二次磁場的變化，這種變化通過檢測線圈上的感應電壓反映，如圖1(b)所示。 檢測電壓的大小反映了金屬試件的壁厚/缺陷等信息，以此判斷被檢對象的金屬損失程度。

圖1 脈沖渦流檢測原理

2 試驗方法設計

2.1 PEC 檢測系統

試驗平臺由激勵設備、計算機、不銹鋼板試件、U 形磁導體聚焦探頭構成，如圖2 所示。 激勵設備可發射頻率為1/16 Hz～32 Hz 的等寬雙極性方波脈沖激勵，最大電流為10 A。 設備的采集和處理單元能夠接收大動態范圍感應電壓信號，可以測量微弱電磁信號。 采集為16 位A/D，最高采樣頻率為1 MHz。

圖2 試驗平臺

2.2 試件

被檢試件共有九塊304L 不銹鋼板，相對磁導率為1.003，電導率為1.38 MS/m。 不銹鋼板尺寸分別為四塊500 mm×500 mm×2 mm(長×寬×厚)、兩塊500 mm×500 mm×1 mm 和三塊500 mm×500 mm×5 mm 的304L 不銹鋼板。 其中三塊500 mm×500 mm×5 mm 的試件中心各刻有尺寸分別為30 mm×30 mm×1.5 mm、30 mm×30 mm×1.0 mm 和30 mm×30 mm×0.5 mm(長×寬×深)的方槽，如圖3(a)所示，用于模擬鋼板局部腐蝕缺陷。 圖3(b)將不同數量的鋼板疊加在一起用于模擬鋼板的壁厚變化。

圖3 不銹鋼試件

2.3 探頭設計

U 形磁導體聚焦探頭的激勵部分使用U 形鐵氧體磁芯，在其一磁腳上繞制激勵線圈。 鐵氧體磁芯材料電導率為240 S/m，相對磁導率為5 628。 激勵線圈線徑0.57 mm，匝數為238，電感為3.44 mH，電阻為0.995 Ω。 檢測線圈有兩個以差分形式連接，線徑為0.1 mm，單個檢測線圈3 400 匝，電阻為184.39 Ω，電感為32 mH。 探頭的結構及檢測線圈擺放位置如圖4(a)所示，具體尺寸參數如圖4(b)所示。

圖4 磁導體聚焦探頭結構及尺寸圖

2.4 數據處理方法

在檢測過程中，探頭從距離不銹鋼板左端135 mm 處開始檢測，以固定間隔選擇檢測點。 圖5所示為一定提離下探頭檢測有無缺陷試件的歸一化感應電壓(感應電壓除以激勵電流)的對數衰減曲線(圖5 左)以及相應的時間剖面曲線(圖5 右)。 在電壓衰減曲線的前期，探頭中的接收線圈接收到的信號主要受激勵線圈的磁場信號的影響，后期信號中，激勵電流為零，激勵線圈產生的磁場趨近于零，接收線圈的信號主要受渦流場的信號影響，因此接收線圈的電壓曲線的衰減速度與試件的金屬損失相關，這時電壓衰減曲線的衰減速度可用于檢測壁厚損失或局部缺陷。 時間剖面曲線是將不同點處的下降曲線匯總后，對不同點的曲線取同一時刻點(例如時刻點t1，t2，t3)形成的系列曲線，能夠直觀地顯示缺陷的信號特征，如圖5 右可以看出b 位置處存在缺陷。

圖5 歸一化感應電壓及時間剖面曲線生成示意圖

接收線圈產生的電壓信號按對數衰減，電壓動態范圍較大，因此將檢測信號按照對數標準劃分為若干時窗[23-24]。 設第i 個測點處得到的電壓矢量如下:

式中:N是每個脈沖周期的關斷時間內的采樣時間的時窗總數，本文N為28。

假設總共測量M個點，則M個采樣點的電壓矢量可以合成為矩陣W:

式中矩陣M第i行代表第i個測點。

可以從矩陣M中得到第j個時窗的切片矢量Sj:

式中:矢量Sj代表電壓衰減曲線在某一時刻下不同測點的電壓矢量，若不存在缺陷，理想情況下切片矢量Sj中的每個電壓值都相等。 考慮噪聲干擾后，發現Sj中某一電壓值低于其他電壓值，則認為該電壓值所對應的測量點存在缺陷。

所設計的探頭檢測信號生成過程如圖6 所示。探頭依次經過位置a、b、c、d、e，產生一個不對稱V形信號。 測點a 和e 為無缺陷處，在測點c 時達到電壓極值，此時探頭未到缺陷中心位置。 信號的不對稱性來自于渦流聚集區域的不規則，檢測定位產生偏移因為渦流聚集區域不在探頭正下方。

圖6 U 形磁導體聚焦探頭檢測缺陷信號及其特征

3 U 形磁導體聚焦探頭的數值仿真

3.1 仿真模型的建立

使用有限元仿真軟件建立U 形磁導體聚焦探頭的脈沖渦流檢測模型，分析探頭的磁導體結構對圓柱形線圈產生的激勵磁場的影響。 同時分析探頭在不同提離下渦流分布及聚集情況，據此計算探頭提離下聚焦探頭的有效檢測范圍，以及根據檢測信號的極值位置確定缺陷位置，從而為探頭的結構設計和實際檢測中缺陷定位提供幫助。

圖7 為磁導體探頭提離時的仿真模型，探頭的激勵線圈放置于試件中心正上方，仿真模型網格由正四面體和自由六面體網格單元組成。 使用對稱邊界條件將檢測模型簡化為二分之一模型。 仿真中不銹鋼板的材料屬性及尺寸與2.2 節中實際試驗中所使用的試件一致。 探頭激勵線圈的結構尺寸及電磁參數見表1，與實際試驗中所用的參數一致。 探頭的激勵信號采用單極性方波脈沖激勵，頻率為16 Hz，與實際試驗中所用8 Hz 雙極性脈沖方波脈寬對應。 方波電流大小為2.34 A，與實際試驗中一致。 計算時采用指數增加的時間步長，初始時間步長為10-6s，直到總時間0.062 5 s。

表1 探頭激勵單元的結構尺寸參數

圖7 U 形磁導體聚焦探頭的仿真模型

3.2 磁場與渦流分布仿真結果分析

圖8(a)和圖8(b)分別為在提離40 mm 下普通圓柱體探頭和磁導體探頭在激勵信號關斷時223.8 μs 時刻周圍空氣域中的磁通密度在XOZ平面分布圖。 圖8(b)顯示探頭的鐵氧體磁芯能夠有效引導磁場，通過磁回路改變了圓柱形線圈原本產生的蝶形激勵磁場，在探頭下部的鋼板區域形成了一個更為集中的磁場，這使得探頭產生的渦流也更集中于該區域，有利于探頭對局部缺陷的檢測。 同時注意到磁場分布關于探頭中軸線是兩邊不對稱的。

圖8 不同探頭提離40 mm 下XOZ 平面磁通密度分布

圖9 和圖10 分別為普通圓柱體探頭和磁導體探頭在關斷時223.8 μs 時刻40 mm 和110 mm 提離下的渦流分布圖。 厚度方向的渦流分布圖中給出了全局渦流分布，并對畫框部分給出了放大圖。

圖9 223.8 μs 時刻下圓柱形探頭不同提離下渦流密度分布

圖10 223.8 μs 時刻下聚焦探頭不同提離下渦流密度分布

圖10 與圖9 相比，表明與圓柱形線圈相比，磁導體探頭在不銹鋼板上產生的渦流分布并非為均勻圓環形分布。 渦流聚焦區域位于未繞制線圈的磁腳右下方，通過磁引導避免了圓柱形激勵線圈中心下方存在的渦流檢測盲區。 同時表明隨著探頭提離距離的增大，渦流密度衰減的同時，渦流聚焦區域擴大。 同時渦流聚焦區域的中心不在探頭的中軸線上，而是有一定偏移量。

3.3 仿真結果的定量計算分析

探頭在檢測缺陷時，渦流的有效聚集區域面積大小反映了檢測局部缺陷的能力。 如果在極小區域內聚集了大量的渦流能量，那么渦流檢測極小缺陷的能力必然較高。

本文在比較聚焦區域大小時選取聚焦區域的方法是:當渦流耗散功率P 下降為渦流區域最大值的一半時，認為渦流到達了有效區域的邊界。 當材料電導率一定時，功率下降為原來一半，渦流密度的最大值相應地降為原來大小的0.707 倍。 因此使用最大渦流密度的0.707 倍處來劃定渦流有效聚集區域邊界。

當該區域內出現缺陷時，由于工件厚度等的變化，渦流分布會發生變化，渦流有效區域的大小也會發生變化，反映了缺陷對于渦流的擾動。

圖11 為探頭在提離40 mm 下渦流聚集區域放大圖。 由仿真結果可計算出圖11(a)探頭在無缺陷試件上渦流有效聚集區面積S1＝1 402 mm2，該區域中心處存在渦流密度最大值Max ＝2 841.43 A/m2，渦流聚集區邊界渦流密度為2 008.89 A/m2。 圖11(b)所示為探頭在缺陷試件上的渦流有效聚集區面積S2＝684 mm2，最大渦流密度大小為3 276.32 A/m2，渦流聚集區邊界的渦流密度為2 316.36 A/m2。 結果表明:與無缺陷試件的有效聚集區相比，缺陷擾動導致有缺陷區域的渦流有效聚集區面積變小。

圖11 探頭提離40 mm 時有無缺陷不銹鋼板上渦流聚集區

同時分別計算提離70 mm 和110 mm 時的渦流有效聚集區面積S3和S4，其中S3＝3 087 mm2，S4＝5 220 mm2，渦流最大值(圖中Max 點)分別偏移探頭中軸線15 mm 和25 mm。 從圖12 可以看出，隨著提離距離的增加，渦流聚焦面積增加，聚焦程度下降，導致對于局部缺陷的檢測靈敏度降低。

圖12 探頭不同提離下渦流有效聚集區

隨著探頭提離高度增加，感應渦流最大值Max點位置相對探頭中軸線位置偏移量增加，如圖13 所示。 這表明探頭在實際檢測中對缺陷的檢測定位存在偏移，且偏移量隨探頭提離高度增加而增加。

圖13 感應渦流最大值相對探頭中軸線偏移量與探頭提離高度關系曲線

圖14 所示為探頭40 mm 提離下將探頭(以探頭中心計算)從距離不銹鋼板左端140 mm 處開始往右移動至360 mm 處(移動步進為10 mm)，得到探頭有效檢測區面積與探頭位置曲線。 同一提離下，探頭在無缺陷區域檢測時，渦流有效聚集區域面積基本保持不變。 當渦流有效聚集區域開始進入缺陷區域(缺陷位于235 mm～265 mm 位置處，缺陷中心位置s0在250 mm 處)時，由于渦流有效聚集區受缺陷擾動影響，有效聚集區域面積相應減小。 探頭中軸線在位置190～290 mm 范圍內渦流有效聚集區面積減小，并在240 mm 處達到了最小值。 可計算出渦流擾動最大處對應的探頭中軸線位置與缺陷中心存在s＝10 mm 偏移。

圖14 提離40 mm 下探頭的有效檢測區面積與缺陷位置關系

4 試驗結果

使用圖2 所示試驗平臺及電流和頻率參數、圖3所示不銹鋼試件以及圖4 所示的探頭以及2.4節的數據處理方法進行了實際試驗。

圖15 是磁導體探頭在提離40 mm 和50 mm 下檢測圖3(a)不銹鋼試件30 mm×30 mm×1.5 mm 局部缺陷的感應電壓時間剖面曲線。 利用V 形波形信號特征識別缺陷，選擇6～8 號時窗內的剖面曲線識別缺陷。 通過缺陷信號特征以及每個時窗內信號變化的一致性可以清楚地判別局部缺陷。 檢測信號電壓從探頭距離試件左端215 mm ～270 mm 內(缺陷中心在250 mm 處)低于周圍值，6 號時窗電壓在245 mm 處達到最小值(21 540 μV/A)，相對局部缺陷中心(250 mm 處)偏移s1＝5 mm。 在提離50 mm下，U 形探頭能夠檢測局部缺陷，但此時檢測信號電壓變化相比提離40 mm 時弱，探頭對局部缺陷的檢測能力降低。 探頭相對局部缺陷偏移s2＝5 mm。

圖15 U 形磁導體探頭不同提離下對30 mm×30 mm×1.5 mm 局部腐蝕缺陷檢測結果

圓柱形探頭在提離40 mm 和50 mm 下均檢測不到該局部缺陷。

圖16 和圖17 分別為磁導體探頭對30 mm×30 mm×1.0 mm、30 mm×30 mm×0.5 mm 局部腐蝕缺陷在極限提離下的感應電壓時間剖面曲線。 試驗結果表明，所設計的U 形磁導體探頭針對大小為30 mm×30 mm×1.0 mm 的局部腐蝕缺陷極限提離高度為30 mm；針對大小為30 mm×30 mm×0.5 mm 的局部腐蝕缺陷極限提離高度為10 mm。

圖16 U 形磁導體探頭提離30 mm 下對30 mm×30 mm×1.0 mm 局部腐蝕缺陷檢測結果

圖17 U 形磁導體探頭提離10 mm 下對30 mm×30 mm×0.5 mm 局部腐蝕缺陷檢測結果

圖16 和圖17 的結果表明，隨著缺陷深度變小，能夠分辨某個面積的局部缺陷的最大提離高度也變小。

圖18 為磁導體探頭在提離110 mm 下對圖3(b)中2 mm～10 mm 厚度變化不銹鋼試件的歸一化感應電壓衰減曲線。 圖19 為圓柱形探頭在提離100 mm下不銹鋼板2～10mm 厚度檢測結果。 圓柱形探頭能夠檢測缺陷的最大提離高度比U 形探頭小10 mm，但二者接近，這一結果說明U 形探頭對于圓柱形探頭的優勢主要體現在局部腐蝕方面，對于大面積腐蝕則優勢不明顯。 從仿真結果中的渦流分布結果來看，當腐蝕區域擴大到很大時，由于腐蝕區很大，對于圓柱形探頭來說腐蝕區同時包含了中間的盲點和周圍的圓環狀聚焦區，所以聚焦特性中圓柱形探頭的盲點對于檢測的負面影響將降低，這是二者在檢測大面積腐蝕時靈敏度接近的物理背景。

圖18 U 形磁導體探頭提離110 mm 下不銹鋼板2 mm～10 mm 厚度檢測結果

圖19 圓柱形探頭提離100 mm 下不銹鋼板2 mm～10 mm 厚度檢測結果

圖18 中根據每條電壓衰減曲線的斜率變化(斜率越大厚度越小)可以清楚識別不銹鋼板的9個厚度，最小的厚度變化為10%。 這一對于大面積腐蝕的檢測分辨率和2020 年文獻[8]中的分辨率結果(120 mm 提離下分辨30 mm 和27 mm 厚不銹鋼板)相近，但遠高于2010 年文獻[14]的結果(18mm 提離下分辨5 mm 和4 mm 厚不銹鋼板)。

對于提離狀態下的不銹鋼板的局部腐蝕，目前尚未發現相應的可比較的其他文獻研究結果。

5 結論

本文主要設計了一種U 形磁導體聚焦探頭，在探頭提離情況下對不銹鋼板局部腐蝕缺陷進行檢測。對磁場及渦流分布以及檢測信號缺陷特征相對缺陷的位置偏移進行了仿真研究。 隨后進行了實際試驗。

①建立了探頭仿真模型，分析探頭提離下磁場分布與渦流密度分布以及對檢測局部缺陷的影響。仿真結果表明，通過磁導體結構引導磁場后，在試件上產生的渦流聚集分布于探頭下方，使探頭不存在圓柱體探頭中的檢測盲區。 同時依據渦流耗散功率劃定渦流有效檢測區域邊界，可以比較探頭在不同提離下的檢測范圍，以及探頭得到缺陷信號極值時探頭中軸線相對缺陷中心的偏移量。 隨著提離距離的增加，渦流的聚集程度降低，探頭有效檢測區域擴大，檢測局部缺陷的能力降低。 同時，渦流中心和探頭中軸線的偏移量也增大。

②試驗結果表明探頭提離50 mm 下所設計的磁導體聚焦探頭可對不銹鋼板局部腐蝕缺陷(30 mm×30 mm×1.5mm)進行檢測。 探頭中軸線相對缺陷中心位置存在5 mm 偏移。

③試驗也表明檢測大面積腐蝕時圓柱形探頭和U 形探頭的差別縮小。

進一步的工作將研究面積等的細致影響以及面積和深度的綜合影響。

研究成果可應用于設計優化聚焦型脈沖渦流探頭，用以提升探頭對包覆層金屬結構局部腐蝕的檢測靈敏度，以及對缺陷進行定位。