雙金屬?gòu)?fù)合管缺陷微磁檢測(cè)技術(shù)研究

于潤(rùn)橋，萬(wàn)冠杰，胡 博，饒曉龍

（南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

雙金屬?gòu)?fù)合管缺陷微磁檢測(cè)技術(shù)研究

于潤(rùn)橋，萬(wàn)冠杰，胡 博，饒曉龍

（南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

為了將微磁檢測(cè)技術(shù)更好地應(yīng)用于雙金屬?gòu)?fù)合管的缺陷檢測(cè)，針對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)構(gòu)的特殊性，提出了一種新型微磁檢測(cè)技術(shù)。以人工預(yù)制腐蝕缺陷的雙金屬管為研究對(duì)象，采用自主研發(fā)的微磁檢測(cè)儀，對(duì)復(fù)合管管體及焊縫腐蝕缺陷進(jìn)行檢測(cè)。研究結(jié)果驗(yàn)證了微磁檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合管管體及焊縫缺陷檢測(cè)中的可行性，同時(shí)針對(duì)焊縫缺陷，將采集到的信號(hào)剔點(diǎn)、差分放大及濾波處理后，微磁檢測(cè)技術(shù)仍有較好的檢測(cè)效果。

雙金屬?gòu)?fù)合管；微磁檢測(cè)；缺陷；濾波

復(fù)合管又稱(chēng)為雙金屬管或包覆管[1]，它是由兩種不同金屬管構(gòu)成的復(fù)合管，通過(guò)一定方法，如液壓法、熱擠壓法、爆炸焊接法及堆焊法等[2]使管層之間結(jié)合緊密，從而提高或改善其綜合性能，使管道具有高強(qiáng)度、良好的耐腐蝕和耐磨性能。復(fù)合管作為一種新型結(jié)構(gòu)材料已被廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)累計(jì)應(yīng)用雙金屬?gòu)?fù)合管近2 000 km[2]，美國(guó)復(fù)合管應(yīng)用年增長(zhǎng)率為10%，日本大直徑供水管道中復(fù)合管占25%，英國(guó)管道總長(zhǎng)度中復(fù)合管占25%，而瑞典使用復(fù)合管已占管道總長(zhǎng)度的40%[3]。因此，對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行定期無(wú)損檢測(cè)至關(guān)重要。

常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)由于各自的局限性而無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)雙金屬管的檢測(cè)需求，雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)外金屬材質(zhì)不同，晶粒度級(jí)別相差較大，采用傳統(tǒng)的超聲波探傷設(shè)備和方法無(wú)法檢測(cè)復(fù)合管管體和焊縫的缺陷[4]。由于復(fù)合管厚度變化大，散射線(xiàn)影響大，使得射線(xiàn)檢測(cè)效果不是很理想，且由于復(fù)合管兩層金屬的結(jié)合多屬于機(jī)械貼合結(jié)構(gòu)，在焊縫的射線(xiàn)檢測(cè)中經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性黑影，干擾底片的正常評(píng)定[5]。

微磁檢測(cè)技術(shù)是建立在地磁場(chǎng)環(huán)境下對(duì)管道檢測(cè)基礎(chǔ)上而發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，具有安全可靠、體積小、質(zhì)量輕、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅解決了許多五大常規(guī)檢測(cè)技術(shù)難以解決的技術(shù)難題，還成為近年來(lái)管道檢測(cè)技術(shù)的新熱點(diǎn)。陳桂琴[6]等運(yùn)用微磁檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍍層工件裂紋定量的有效檢測(cè)。徐偉津[7]等驗(yàn)證了微磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)于順磁材料渦輪盤(pán)無(wú)損檢測(cè)的可行性，提出了信號(hào)差值比較法結(jié)合低通濾波降噪后數(shù)據(jù)處理的新思路。劉美全[8]等分析了地磁場(chǎng)在缺陷微磁檢測(cè)中的作用。程強(qiáng)強(qiáng)[9]等測(cè)量了油管橢圓度，并建立了油管缺陷的微磁檢測(cè)等效磁導(dǎo)率計(jì)算模型，并推導(dǎo)了5個(gè)參數(shù)計(jì)算油管橢圓度的方法。

1 微磁檢測(cè)技術(shù)原理

微磁檢測(cè)技術(shù)是指檢測(cè)過(guò)程不需要外界磁化，利用缺陷生成過(guò)程中在缺陷處產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)的奇異變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別缺陷的一種檢測(cè)方法，其原理如圖1所示。

圖1 微磁檢測(cè)原理示意圖

當(dāng)被檢管道置于均勻的磁場(chǎng)中，若材質(zhì)是連續(xù)、均勻的，磁力線(xiàn)將均勻分布在管壁內(nèi)部[10]，當(dāng)被檢試件中存在缺陷，若試件相對(duì)磁導(dǎo)率高于缺陷材質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率時(shí)，此時(shí)該位置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的凸起；若試件相對(duì)磁導(dǎo)率低于缺陷材質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生一個(gè)向下的凹陷。根據(jù)其原理可知，裂紋、氣孔、疏松、管體腐蝕及低磁導(dǎo)率夾渣所產(chǎn)生的缺陷信號(hào)為向上凸起；高磁導(dǎo)率夾渣所產(chǎn)生的缺陷信號(hào)為向下凹陷。

2 試驗(yàn)材料

本研究選用碳鋼內(nèi)覆不銹鋼雙金屬?gòu)?fù)合鋼管，直徑為113 mm，基層為8 mm厚20碳鋼，復(fù)層為2 mm厚304不銹鋼。在復(fù)合管內(nèi)側(cè)預(yù)置兩個(gè)大小不同的圓形腐蝕坑，如圖2所示。缺陷A位于內(nèi)側(cè)焊縫焊道上，深度為1.61 mm，直徑為10 mm；缺陷B位于復(fù)合管管體內(nèi)側(cè)，深度為2.49 mm，直徑為5 mm。復(fù)合管預(yù)置缺陷實(shí)物照片如圖3所示。

圖2 復(fù)合管預(yù)置缺陷示意圖

圖3 復(fù)合管實(shí)物圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 管體人工缺陷的檢測(cè)

試驗(yàn)使用自主研發(fā)的單通道微磁檢測(cè)儀，該儀器需使用手持傳感器貼近管道外表面，使傳感器垂直管體外表面在A缺陷附近由左向右掃查，掃查長(zhǎng)度為80 mm，傳感器起始點(diǎn)距離A缺陷中心位置56 mm，定向重復(fù)掃查復(fù)合管道，其檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 管體缺陷原始信號(hào)

將管道置于均勻磁場(chǎng)中，磁力線(xiàn)均勻分布在管壁內(nèi)部，在檢測(cè)過(guò)程中，排除人為因素（如抖動(dòng)、掃查速度等）產(chǎn)生的干擾，磁感應(yīng)強(qiáng)度在管體由左到右整體呈現(xiàn)為遞減趨勢(shì)，原始曲線(xiàn)整體呈現(xiàn)趨勢(shì)取決于傳感器探頭正負(fù)的朝向。經(jīng)多次重復(fù)試驗(yàn)后，當(dāng)傳感器經(jīng)過(guò)缺陷上方時(shí)，缺陷對(duì)磁力線(xiàn)產(chǎn)生排斥作用，使得缺陷上下兩端靠近管體邊界處的磁力線(xiàn)密度變大，即管道表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度與無(wú)缺陷時(shí)相比變大，此時(shí)缺陷位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上凸起的異常，在圖4中凸起處的場(chǎng)強(qiáng)變化幅值為124 659.2 nT，磁傾角41°33′， 地磁場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量為 31 520 nT[11]，傳感器所測(cè)得場(chǎng)強(qiáng)變化值即為垂直工件表面的地磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分量。同時(shí)，圖4中檢測(cè)到的異常處位置也與缺陷A實(shí)際位置相吻合，故該異常突變是由A缺陷引發(fā)的。

對(duì)A缺陷處的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由于儀器采集的信號(hào)存在隨機(jī)信號(hào)的干擾，故本次試驗(yàn)對(duì)信號(hào)采用的是差分放大處理，以消除干擾。同時(shí)，隨機(jī)信號(hào)不是一個(gè)固定值，而是無(wú)規(guī)律性出現(xiàn)。采集到的信號(hào)服從正態(tài)分布[12]，即

式中：u—正態(tài)分布的期望；

σ—正態(tài)分布的方差；

Z—常系數(shù)；

該正態(tài)分布的置信區(qū)間為u±Zσ。其置信區(qū)間即為閾值線(xiàn)，結(jié)果如圖5所示。

經(jīng)差分處理后，由圖5可知，[76，80]區(qū)域靠近管道邊緣，其檢測(cè)結(jié)果超出閾值線(xiàn)是由管道邊緣的端頭效應(yīng)引起的，故而不納入評(píng)定范圍。而在[47，67]區(qū)域中經(jīng)差分處理后，檢測(cè)結(jié)果變化明顯，且超出閾值線(xiàn)很多，同時(shí)，原始信號(hào)在該區(qū)域也出現(xiàn)異常走勢(shì)，故而超出閾值線(xiàn)部分為缺陷信號(hào)異常區(qū)域。

圖5 管體缺陷檢測(cè)結(jié)果

3.2 管道焊縫缺陷的檢測(cè)

傳感器緊貼環(huán)形焊縫外表面，沿焊道對(duì)管道焊縫B缺陷進(jìn)行掃查，掃查長(zhǎng)度為90 mm，起始點(diǎn)距B缺陷中心位置為54 mm，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 焊縫缺陷檢測(cè)結(jié)果

由于管道焊縫是雙面手工焊，內(nèi)側(cè)表面存在高低起伏的余高，焊縫余高的不平整對(duì)整個(gè)檢測(cè)效果影響較大。

傳感器探頭的朝向?qū)е略记€(xiàn)呈現(xiàn)出整體上升的趨勢(shì)，在圖6中出現(xiàn)了兩處曲線(xiàn)異常。經(jīng)差分放大數(shù)據(jù)處理后這兩處附近均超過(guò)了上下閾值線(xiàn)，凹坑1是由于焊縫余高所造成的，故應(yīng)將凹坑1影響區(qū)域的點(diǎn)去除后重新分析。將數(shù)據(jù)前20個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)剔除，將掃查長(zhǎng)度修正為70 mm，同時(shí)對(duì)該采樣點(diǎn)進(jìn)行低通濾波處理，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 修正后的焊縫缺陷檢測(cè)結(jié)果

對(duì)比圖6和圖7，剔除偽缺陷并濾波后，缺陷2的凸起比之前明顯很多。由此可知，微磁對(duì)焊縫上的缺陷檢測(cè)也能有很好的檢測(cè)效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用一種新型的微磁檢測(cè)技術(shù)，對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管管體和焊縫上模擬的人工腐蝕坑進(jìn)行了檢測(cè)，驗(yàn)證微磁檢測(cè)在復(fù)合管管體及焊縫上缺陷檢測(cè)的可行性。同時(shí)，針對(duì)焊縫上的缺陷，將采集到的信號(hào)剔點(diǎn)、差分放大及濾波處理后，微磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道焊縫上的腐蝕缺陷仍有較好的檢測(cè)效果，證明了微磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管缺陷檢測(cè)具有高效、快速、穩(wěn)定的特點(diǎn)。另外，對(duì)于雙金屬?gòu)?fù)合管的分層缺陷及定量評(píng)估，還有待于進(jìn)一步研究。

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Micro-magnetic Detection Technology Research of Bimetal Composite Pipe Defects

YU Runqiao,WAN Guanjie,HU Bo,RAO Xiaolong
（Key Laboratory of Nondestructive Testing(Ministry of Education),Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China）

In order to make the micro-magnetic detection technology be well applied in defect detection of bimetal composite pipe,aiming at the special structure of bimetal composite pipe,a new type of micro-magnetic detection technology was put forward.With artificial prefabricated corrosion defects of bimetal composite pipe as the research object,adopted the independent research and development micro-magnetic detector,to test the corrosion defects of composite pipe body and weld.The results proved that the micro-magnetic detection technology is feasible for detecting the corrosion defects of composite pipe body and weld.Meanwhile,in view of weld defects,the acquired signals were picked point,after differential amplification and filtering processing,micro-magnetic detection technology still possesses better detection effect.

bimetal composite pipe;micro-magnetic detection;defect;filtering

TG441.7

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.007

于潤(rùn)橋（1963—），男，碩士，教授，主要從事電磁檢測(cè)技術(shù)的研究。

2015-10-13

李 超