基于磁探針檢測(cè)的壓力管道內(nèi)壁缺陷評(píng)估研究

曾恒煒，張芝茂，錢正春，葛英飛，成煥波

（南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京，211167）

0 引言

壓力管道是一種利用內(nèi)部壓力運(yùn)輸液體和氣體的管狀設(shè)備，其廣泛應(yīng)用于石油、燃?xì)狻⒒さ犬a(chǎn)業(yè)。因其長期處于高溫、高壓和內(nèi)部介質(zhì)的共同作用下，管道內(nèi)壁容易出現(xiàn)腐蝕、裂紋、凹坑等缺陷，從而引發(fā)各種危害性的后果，因此需要尋找一種合適的無損檢測(cè)方法對(duì)壓力管道的內(nèi)壁完整性實(shí)施檢測(cè)與評(píng)估[1～2]。目前常見的管道檢測(cè)方法大多采用管內(nèi)檢測(cè)的方式，一般通過管道機(jī)器人攜帶檢測(cè)設(shè)備與儀器進(jìn)入管道，并對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè)與分析。由于各種智能管道檢測(cè)儀器目前尚處于研究階段，因此自身體積比較龐大，不僅需要液壓變送器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而且還存在著卡管的風(fēng)險(xiǎn)[3]。此外，這種內(nèi)部檢測(cè)方式需要事先將壓力管道中的介質(zhì)釋放并清除干凈，無法做到在線檢測(cè)，每次檢測(cè)都需要長時(shí)間停機(jī)，極大影響了企業(yè)正常的生產(chǎn)計(jì)劃，因此為了提升檢測(cè)效率和便捷性，急需采用外部無損檢測(cè)的方式來對(duì)壓力管道內(nèi)壁缺陷進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估。

目前常見的無損檢測(cè)方法包括漏磁、超聲、渦流、射線、滲透等。其中，漏磁檢測(cè)是利用材料在飽和磁化的情況下，缺陷處的材料表面會(huì)形成漏磁現(xiàn)象，通過對(duì)漏磁大小的檢測(cè)來分析缺陷[4]，這種方法在管道檢測(cè)的應(yīng)用中最為廣泛[5]，但其信號(hào)大小與缺陷間缺乏精準(zhǔn)的線性關(guān)系，且受缺陷形狀的影響較大；超聲檢測(cè)通過探頭將電脈沖轉(zhuǎn)換成聲脈沖并使其進(jìn)入材料內(nèi)部，當(dāng)聲波接觸到缺陷或材料內(nèi)壁時(shí)便會(huì)產(chǎn)生反射，通過分析反射信號(hào)來評(píng)估材料缺陷的位置與大小[6]，該方法雖然能有效克服材料厚度的限制，但探頭與管道的曲面輪廓之間容易出現(xiàn)耦合不良的情況；渦流檢測(cè)主要基于電磁感應(yīng)原理，利用通電線圈靠近材料表面以產(chǎn)生渦流，同時(shí)由材料缺陷、尺寸等因素引發(fā)渦流，使材料的衍生磁場發(fā)生變化，進(jìn)而改變線圈的阻抗，間接探測(cè)出材料的缺陷[7]，但需要注意的是渦流檢測(cè)一般頻率較高，容易產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，只能有效探測(cè)表面或近表面的材料；射線檢測(cè)雖然能有效穿透較厚的材料，但由于存在輻射危害，可能會(huì)對(duì)壓力管道內(nèi)的流體介質(zhì)產(chǎn)生輻射污染；滲透檢測(cè)雖然技術(shù)成熟，操作簡單，但只能檢測(cè)材料表面和近表面缺陷，難以對(duì)內(nèi)壁缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別[8]。綜上所述，常見的無損檢測(cè)方法因受其檢測(cè)原理的制約，從壓力管道外部對(duì)內(nèi)壁缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)均存在一定的不足，故而迫切需要尋找其他合適的無損檢測(cè)方法。

磁探針法最早于1949年由Werner[9]提出，在此基礎(chǔ)上，Stauffer[10]建立了第一個(gè)探針法磁性表征裝置。磁探針的主要檢測(cè)原理如圖1所示，探針與鐵磁材料表面之間形成點(diǎn)接觸，通過勵(lì)磁設(shè)備對(duì)鐵磁性材料施加交變磁場，從而在1-2-3-4圍成的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生磁通；并且材料內(nèi)部的缺陷會(huì)引起磁通量的變化，進(jìn)而在兩根探針之間形成一定的電位差，滿足下列公式：

圖1 磁探針法檢測(cè)原理圖

其中，V12表示的是觸點(diǎn)1、2之間的電位差，S1234表示回路1234所在位置的截面，B1234表示回路1234均勻分布的磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此探針電位差的大小實(shí)際上反映了該區(qū)域的磁通變化。由于材料缺陷處與非缺陷處的磁通變化程度不同，兩者產(chǎn)生的電位差也不相同，因此可以根據(jù)電位差的變化規(guī)律來判斷出缺陷的位置和尺寸。并且探針之間其所測(cè)得的電壓信號(hào)大小相當(dāng)于同一位置纏繞單匝線圈測(cè)得的信號(hào)幅值的一半，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行后處理，能夠得到局部矢量磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律。近年來，隨著模擬電子技術(shù)的飛速發(fā)展，磁探針檢測(cè)方法逐漸得到大家的關(guān)注與重視。Matsubara等人[11]通過對(duì)探針法原理的研究，明確了探針跨度與材料厚度的比例對(duì)測(cè)量信號(hào)分布規(guī)律的影響；Enokizono等人[12]研究了磁場強(qiáng)度矢量與探針測(cè)量得到的磁通密度矢量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者之間的變化存在一定的相位差，從而有助于評(píng)估定向與非定向電硅鋼磁通密度的測(cè)量誤差；Yamaguchi等人[13]對(duì)探針法進(jìn)行了理論分析，表明了檢測(cè)性能增強(qiáng)的可能性；Krismanic等人[14]設(shè)計(jì)出了一種手持式的便攜檢測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了磁探針檢測(cè)裝置的小型化；Ducharne等人[15]采用磁探針法對(duì)鐵磁性材料的取向進(jìn)行測(cè)量，通過使用嵌入方式制備打印磁探針，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料內(nèi)部磁特性的持續(xù)監(jiān)測(cè)。上述研究結(jié)果表明，磁探針對(duì)材料的局部磁特性非常敏感，對(duì)鐵磁性材料的內(nèi)部缺陷有較好的指示作用，研究潛力較大。因此，本文利用磁探針這種無損檢測(cè)方法從圓柱形管道的外部對(duì)內(nèi)壁上的預(yù)制缺陷進(jìn)行定量化表征與評(píng)價(jià)，為壓力管道損傷與缺陷的在線監(jiān)測(cè)提供借鑒與參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

利用磁探針法從管道外部檢測(cè)內(nèi)壁缺陷的整體實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。該檢測(cè)裝置由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)源，緊密繞制有600匝銅質(zhì)線圈的U型磁軛倒置于檢測(cè)平臺(tái)上，其腳柱的末端制成具有一定弧度的凹槽形狀，管道水平放置在腳柱凹槽內(nèi)，使得腳柱與管道的表面輪廓相互緊密貼合。線圈兩端與功率放大器（OPA549）連接，用于放大激勵(lì)信號(hào)以確保磁化充足。兩根磁探針采用磷青銅材質(zhì)，通過3D打印的夾具安裝固定于檢測(cè)平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的自由移動(dòng)。通過導(dǎo)線將磁探針與數(shù)據(jù)采集卡（NIUSB-6356）相連，實(shí)時(shí)采集并保存探針兩端的電位差。為了驗(yàn)證磁探針法檢測(cè)管道內(nèi)壁缺陷結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用如圖3所示的高斯磁通計(jì)（HC-805）對(duì)管道實(shí)施檢測(cè)，該設(shè)備將霍爾傳感器作為探頭來采集管道表面的磁場信號(hào)分布。

圖2 磁探針檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3 高斯磁通計(jì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文選用Q235碳鋼材質(zhì)的壓力管道作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其主要的化學(xué)成分如表1所示。管道的具體尺寸如圖4所示，內(nèi)壁沿軸線方向先后預(yù)制了5個(gè)長度分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm的環(huán)形槽作為內(nèi)壁缺陷，第一個(gè)缺陷距離管道邊緣長度為10mm，并且各缺陷之間的間距均勻分布為10mm，槽的深度均為2mm，試樣整體加工誤差不超過±0.1mm。

表1 Q235鋼管主要的化學(xué)成分（wt%）

圖4 管道尺寸與內(nèi)壁缺陷示意圖

將管道放置在磁軛腳柱末端的弧形槽內(nèi)，使得管道外壁恰好與磁軛末端的弧形槽面相互貼合；兩根探針之間的跨度固定為25mm，并且雙探針排列的方向垂直于管道的軸向方向。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器，持續(xù)輸出頻率為3Hz的正弦波信號(hào)，由上位機(jī)發(fā)送命令控制檢測(cè)平臺(tái)，使得探針和磁軛同步沿著管道軸向方向勻速進(jìn)行移動(dòng)，如圖5所示。檢測(cè)線的總長度為210mm，探針每移動(dòng)2mm就采集一次感應(yīng)電壓信號(hào)；為了保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，將管道旋轉(zhuǎn)120o后再次進(jìn)行檢測(cè)，如此重復(fù)測(cè)量3次后，將所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)取平均值作為最終分析的結(jié)果。為了驗(yàn)證磁探針檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用高斯磁通計(jì)從管道外部對(duì)內(nèi)壁缺陷實(shí)施檢測(cè)。測(cè)量過程中通過夾具始終將高斯磁通計(jì)探頭的末端豎直放置在管道的正上方，提離值保持2mm恒定不變。在檢測(cè)平臺(tái)帶動(dòng)下，探頭從管道最左側(cè)沿檢測(cè)線移動(dòng)，同樣的每隔2mm記錄相應(yīng)的磁場信號(hào)，直至探頭移動(dòng)210mm后停止，如此重復(fù)檢測(cè)3次，并取平均值以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[16～17]。

圖5 管道檢測(cè)線示意圖

2 結(jié)果分析與討論

2.1 仿真分析

為了說明磁探針法從外部檢測(cè)管道內(nèi)壁缺陷的可行性，在ANSYS Maxwell軟件中建立了磁探針檢測(cè)壓力管道內(nèi)壁缺陷的局部模型，如圖6所示。其中，在管道內(nèi)壁模擬開設(shè)有長度為20mm且與實(shí)際缺陷深度相同的缺陷模型，初始的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量設(shè)定為2000個(gè)，網(wǎng)格形狀為三角形，每經(jīng)過一次計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)增加30%，最終網(wǎng)格總數(shù)為137674。將內(nèi)壁有缺陷的模型仿真分析結(jié)果與內(nèi)壁無缺陷的進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。可以看出，探針的感應(yīng)電壓信號(hào)隨激勵(lì)磁場而產(chǎn)生同周期的變化規(guī)律。其中，綠色與紅色曲線分別代表管道內(nèi)壁有缺陷與無缺陷時(shí)的感應(yīng)電壓信號(hào)分布規(guī)律。內(nèi)壁缺陷存在與否不會(huì)影響探針的感應(yīng)電壓信號(hào)分布規(guī)律，但是缺陷處的感應(yīng)電壓信號(hào)幅值會(huì)低于無缺陷處的感應(yīng)電壓信號(hào)幅值，說明利用磁探針法來檢測(cè)管道內(nèi)壁缺陷是可行性。這是因?yàn)槿毕萏幍臋M截面積變小，導(dǎo)致經(jīng)過橫截面的磁通量相應(yīng)減少，因此磁通量所引起的探針感應(yīng)電壓信號(hào)幅值也隨之降低。

圖6 磁探針檢測(cè)模型

圖7 管道內(nèi)壁有缺陷與無缺陷的感應(yīng)電壓信號(hào)分布規(guī)律

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由磁探針理論可知，在測(cè)量區(qū)域磁通量均勻分布的情況下，探針?biāo)鶞y(cè)得的感應(yīng)電壓信號(hào)幅值大小與測(cè)量區(qū)域內(nèi)的橫截面積呈正相關(guān)。由于缺陷處的探針?biāo)鶉傻臋M截面積S1234小于無缺陷處的橫截面積，因此管道內(nèi)壁缺陷處探針?biāo)鶞y(cè)得的感應(yīng)電壓信號(hào)幅值總是小于無缺陷的處感應(yīng)電壓信號(hào)幅值。實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的磁探針感應(yīng)電壓信號(hào)幅值如圖8所示，可以看出信號(hào)發(fā)生突變的位置正好對(duì)應(yīng)于內(nèi)壁缺陷的邊緣，并且內(nèi)壁缺陷處的感應(yīng)電壓信號(hào)幅值總體要遠(yuǎn)低于非缺陷處的信號(hào)幅值，從而在缺陷區(qū)域形成明顯的波谷特征。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的結(jié)果與仿真分析的結(jié)果一致，都表明缺陷處的探針感應(yīng)電壓幅值會(huì)隨著缺陷處橫截面積的減小而降低。

圖8 壓力管道感應(yīng)電壓信號(hào)分布規(guī)律

記波谷的最小值為Hmin，波谷的左右邊界數(shù)值分別為H1、H2，為了進(jìn)一步量化表征管道內(nèi)壁缺陷的尺寸長度，提取測(cè)的曲線中每個(gè)波谷的最小值Hmin和波谷左右兩邊界平均數(shù)值，將左右邊界平均數(shù)值與波谷最小值Hmin做平均值處理作為評(píng)價(jià)缺陷的特征閾值，如公式(2)所示，記為半峰寬高HFWHM，如圖9所示。為計(jì)算半峰寬高HFWHM特征閾值評(píng)價(jià)缺陷的準(zhǔn)確性，將半峰寬高HFWHM與感應(yīng)電壓分布曲線的交點(diǎn)為起點(diǎn)做坐標(biāo)軸X的垂直線，如圖9中的虛線所示，用于表示特征閾值所界定的缺陷位置。該閾值所界定的缺陷長度與實(shí)際缺陷長度的比值分別為77.8%、88.2%、91.7%、90.3%、94.6%，平均比值為88.52%，可以認(rèn)為特征閾值半峰寬高HFWHM評(píng)價(jià)管道內(nèi)壁缺陷尺寸的準(zhǔn)確性為88.52%。

圖9 特征閾值下的缺陷尺寸

采用高斯磁通計(jì)測(cè)得的壓力管道磁場信號(hào)分布規(guī)律如圖10所示，與磁探針法測(cè)得的壓力管道感應(yīng)電壓分布規(guī)律一致。在內(nèi)壁有缺陷的區(qū)域，管道表面的磁場信號(hào)會(huì)降低并形成波谷，從而驗(yàn)證了磁探針法檢測(cè)管道內(nèi)壁缺陷的準(zhǔn)確性。不同的是，由于高斯磁通計(jì)所測(cè)得的磁場信號(hào)是由較弱的地磁場激發(fā)產(chǎn)生的，其信號(hào)強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于磁探針的外加激勵(lì)磁場。因此高斯磁通計(jì)測(cè)得的磁場信號(hào)波谷深度不如磁探針的明顯，因此利用磁探針評(píng)估管道內(nèi)壁缺陷的靈敏度較高。

圖10 壓力管道磁場信號(hào)分布規(guī)律

3 結(jié)論

本文采用磁探針法對(duì)壓力管道的內(nèi)壁缺陷實(shí)施檢測(cè)。首先通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)缺陷處的感應(yīng)電壓信號(hào)幅值低于無缺陷處的感應(yīng)電壓信號(hào)幅值；然后通過對(duì)磁探針檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得到了不同尺寸的內(nèi)壁缺陷感應(yīng)電壓分布規(guī)律，在缺陷處磁探針感應(yīng)電壓幅值會(huì)急劇降低并形成波谷特征，缺陷處的感應(yīng)電壓幅值下降趨勢(shì)與仿真的結(jié)果一致，并且信號(hào)的波谷寬度與缺陷實(shí)際的尺寸具有較好的一致性。提出了半峰寬高HFWHM這一特征閾值，其判別內(nèi)壁缺陷尺寸的準(zhǔn)確性可達(dá)到88.52%。通過對(duì)管道表面磁場信號(hào)的檢測(cè)，驗(yàn)證了磁探針評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)由高斯磁通計(jì)測(cè)得的磁場信號(hào)分布規(guī)律與探針檢測(cè)的感應(yīng)電壓信號(hào)一致，并且磁探針的內(nèi)壁缺陷靈敏度更高。本文提出的磁探針外部檢測(cè)管道內(nèi)壁缺陷的方法可為液壓、石油管道內(nèi)壁質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估提供指導(dǎo)。