不銹鋼管道脈沖渦流檢測傳感器特性分析

歐陽順

（中石化天津液化天然氣有限責任公司，天津 300280）

0 引言

液化天然氣（LNG）作為一種清潔、高效的能源，其燃燒后產生的溫室氣體只有煤炭的1/2，石油的2/3，對環境造成的污染遠遠小于石油和煤炭。2019 年，我國進口LNG 已經超過6000萬噸，成為僅次于日本的第二大LNG 進口國。隨之與LNG 配套的存儲、運輸、使用等環節的設備也在加速發展中，促使能源結構不斷優化，符合我國雙碳戰略目標。

1 研究背景

國內越來越多的LNG 站投入運營，對LNG 站的維護與檢驗檢測需求逐漸增多。若進行在線不停工檢驗檢測，常規檢測方法是先將管道外的保溫層拆除，但由于LNG 的特殊性是管道內介質溫度特別低，介質吸熱膨脹管內壓力升高會產生安全隱患；另一方面，介質吸熱管道外表面會形成結冰層不利于超聲等常規檢測檢測[1]。采用射線檢測時可不拆除保溫層，但射線檢測對檢測人員安全健康的有一定的危害。因此對帶有保冷保溫層的低溫管道腐蝕在線檢測成為了一個重要的研究課題。

由渦流檢測技術發展而來的脈沖渦流檢測技術，利用脈沖方波作為激勵信號，可穿透保溫層實現低溫管道的在線腐蝕檢測，同時脈沖渦流檢測技術具有無需耦合劑、檢測效率高及檢測穩定等優勢，利用該技術對LNG 站低溫管道檢測具有廣闊的應用前景，因此脈沖渦流檢測技術在帶有包覆層不銹鋼管道影響因素研究中具有重要意義。

國內一些學者開展了脈沖渦流檢測技術在不銹鋼構件中的應用研究。李威[2]進行了階梯厚度的304 不銹鋼平板試件在不同提離高度的實驗研究，在定性分析不銹鋼厚度和提離高度變化的檢測信號特性的基礎上，采用計算信號衰減段斜率的方法對脈沖渦流信號進行了定量分析。沈立龍[3]在液氮低溫環境下，得出脈沖渦流技術檢測不銹鋼管壁厚有96.43%的值與超聲檢測數值的相對誤差在±10%以內。宋韻[4]針對不銹鋼小徑管的非鐵磁性導致其自身無法聚焦磁場，提出采用跑道型測厚傳感器，減少檢測中的電磁能量耗散，通過實驗驗證跑道型脈沖渦流傳感器更適合不銹鋼小徑管測厚。曹騰飛[5]仿真發現脈沖渦流檢測的探測區域會隨時間變大且渦流在奧氏體不銹鋼中比在鐵磁性材料中擴散得更快，提出通過加入罐型磁芯來聚焦一次磁場和提高信號幅值。還得出在激勵線圈匝密度保持不變的情況下，線圈寬度對檢測靈敏度的影響最大，在激勵線圈匝數保持不變的情況下，線圈內徑對檢測靈敏度的影響最大等結論。

以上學者的研究確定了脈沖渦流技術在不銹鋼構件中檢測應用的可行性。本文為解決LNG 接收站中在線狀態下對保冷不銹鋼管道腐蝕減薄檢測困難的問題，通過在定制的不銹鋼包覆層管道中進行脈沖渦流傳感器特性影響因素分析，改變傳感器參數包括高度、內徑、匝數等，掌握其性能特點，以提高對不銹鋼管道的檢測能力。

2 實驗原理和平臺

脈沖檢測原理如圖1 所示[6]：采用正負方波信號作為激勵信號，經過功率放大器放大后，傳輸至激勵線圈，當信號處于下降沿時激勵信號將會從最大值變為最小值，激勵線圈中電流大小發生改變，因此激勵線圈周圍產生的一次磁場會發生快速變化。同時在試件中產生連續變化的感應渦流及脈沖渦流，連續變化的渦流在試件中快速衰減產生連續變化的二次磁場。此時檢測線圈將接收到變化一次磁場與二次磁場的疊加值轉化為電壓信號。通過采集接收線圈中的電壓信號，對其進行預處理、提取特征值，即可分析被測試件的厚度。

圖1 脈沖渦流檢測原理

根據脈沖渦流檢測原理設計脈沖渦流檢測系統實驗平臺，主要包括信號發生器、功率放大器、NI 采集卡、PC、電源、被測試件、保溫層、金屬保護層等。

根據實驗需求定制一批不銹鋼管道，材料為304 不銹鋼，管道參數和提離高度見表1。

表1 實驗管道參數

實驗中傳感器與試件放置相應厚度的塑料板模擬提離。設置5 種規格傳感器，將其編號為A、B、C、D、E，傳感器模型如圖2所示，主要包括線圈骨架、激勵線圈、接收線圈。

圖2 傳感器模型（剖面）

每個傳感器在尺寸和匝數不同，具體參數見表2。

表2 傳感器參數

激勵方波脈沖信號激勵頻率為2 Hz，占空比為50%，激勵電壓為12 V。接收的瞬態響應信號，經過中值濾波，從直角坐標系轉換到單對數坐標系，再對其斜率特征量做信號分析。

3 數據分析

本實驗主要用晚期信號衰減斜率作為特征量，對不同傳感器信號對比分析。圖3 為每個傳感器在0 mm 提離下不同厚度試件檢測信號，圖4 為每個傳感器在80 mm 提離下不同厚度試件檢測信號。隨著傳感器提離高度的增加，信號幅值逐漸降低，在0 mm 提離和80 mm 提離兩個極值處的數據能夠反映傳感器特性變化規律，因此略去中間提離變化圖。

由圖3 可知，在沒有提離情況下，由于各個傳感器的參數差異，在相同厚度試件下，信號衰減時間不同。為了方便觀察，只看每個傳感器在15 mm 厚度試件下信號衰減到水平線的時間，傳感器A 和傳感器B 相比較，在增大線圈內徑（激勵和接收線圈尺寸增加），激勵信號增強，接收信號也隨之增強；傳感器B和傳感器C 相比較，在內徑和線圈匝數相同的情況下，降低線圈高度，有利于檢測信號幅度提升；傳感器C、D、E相比較，增加接激勵或接收線圈匝數，信號幅值有一定提升。

圖3 不同傳感器在0 mm提離下厚度信號

由圖4 可知，在大提離情況下（80 mm），接收信號幅值快速下降，傳感器A 無法區分不同厚度信號，超出其檢測能力范圍；B 傳感器區分2～8 mm 厚度試件明顯；E 傳感器 區 分8～15 mm厚度試件明顯；傳感 器C、D、E 相 比較，C 傳感器信號幅值較低，D、E 傳感器信號幅值增大，即增加線圈匝數，有利于在大提離下增加檢測信號幅值。

圖4 不同傳感器在80 mm提離下厚度信號

4 結論

通過五組不同規格傳感器在設置實驗條件下數據對比分析可知，提離高度增加，檢測信號幅值降低；增加線圈內徑、線圈匝數，有利于檢測信號幅值增加；在相同內徑和匝數情況下，降低線圈高度，有利于信號幅度提升。每個傳感器有其最佳適用范圍，在大提離、較厚試件條件下應選用內徑較大、線圈匝數較多的傳感器。

通過實驗得出的結果，可為應用脈沖渦流技術現場檢測不銹鋼管道提供理論支撐。