基于圓臺型傳感器的帶包覆層鐵磁性管道脈沖渦流檢測研究

蔚道祥 楊宇清 司 俊 付躍文

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 2.南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

基于圓臺型傳感器的帶包覆層鐵磁性管道脈沖渦流檢測研究

蔚道祥*1楊宇清1司 俊1付躍文2

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 2.南昌航空大學(xué)無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

針對帶包覆層鐵磁性管道腐蝕的檢測，提出了一種新型圓臺型傳感器。采用圓臺型探頭對帶包覆層的鐵磁性管道人工試樣進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)其對大面積腐蝕以及局部腐蝕的檢測效果明顯。

脈沖渦流 傳感器 包覆層 管道 無損檢測 腐蝕

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵磁性管道的使用越來越廣泛，特別是在石化等行業(yè)使用率極高。管道通常用以輸送高壓、高濕和腐蝕性氣液介質(zhì)，而雨水、潮濕空氣等會引起管道外壁腐蝕。為了防止管道內(nèi)的介質(zhì)能量損失和管外壁腐蝕，通常在管道外部包裹一層厚度為幾十毫米至上百毫米的包覆層，在包覆層外通常還會再加一層一定厚度的金屬保護(hù)層，這樣可以大大提高包覆層的使用壽命，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶包覆層鐵磁性管道結(jié)構(gòu)

管道外有了包覆層后，對管道進(jìn)行腐蝕檢測難度就比較大了。脈沖渦流檢測是一種新型的無損檢測技術(shù)，最早應(yīng)用在非鐵磁性材料的檢測上，取得了一定的成效。相對于其他檢測技術(shù)，脈沖渦流檢測技術(shù)不需要設(shè)備停止運(yùn)行， 也不需要去掉管外的保護(hù)層和保溫層，在線即可實(shí)現(xiàn)管道檢測。這不僅降低了檢測成本， 而且提高了工作效率， 因此對帶包覆層管道腐蝕檢測的研究具有很重要的實(shí)際價(jià)值[1]。

國內(nèi)外對帶包覆層鐵磁性管道的檢測都在做相關(guān)的研究。美國RCO公司的Pedro F.Lara等在Brian R.Spies專利的基礎(chǔ)上，對傳感器設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理方法和管道腐蝕情況的判斷方法都作了較大改進(jìn)，并申請了專利[2]。英國RDT公司對該技術(shù)進(jìn)行了傳感器及信號處理等方面的持續(xù)改進(jìn)，提高了靈敏度[3]。在國內(nèi)，廈門愛德森電子有限公司[4]、華中科技大學(xué)[5]、南昌航空大學(xué)無損檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也積極開展了這方面的研究[6]。目前國內(nèi)外大多數(shù)研究側(cè)重于大面積型腐蝕，而局部腐蝕也是管道中常見的缺陷，且危害性較大，故對局部腐蝕進(jìn)行研究也是非常必要的。本文應(yīng)用脈沖渦流檢測技術(shù)對厚度為110 mm包覆層管道腐蝕進(jìn)行檢測，并利用圓臺型傳感器對人工試件進(jìn)行了檢測，檢測效果良好。

1 脈沖渦流檢測原理

帶包覆層鐵磁性管道腐蝕的脈沖渦流檢測如圖2所示。傳感器線圈一般置于包覆層管道的外層，傳感器線圈是由激勵(lì)線圈和檢測線圈兩部分構(gòu)成。圖2所示為激勵(lì)波形，檢測激勵(lì)線圈采用雙極性脈沖方波電流進(jìn)行激勵(lì)。當(dāng)瞬間關(guān)斷激勵(lì)線圈中的電流時(shí)，激勵(lì)線圈中會產(chǎn)生一個(gè)快速衰減的脈沖磁場，磁場穿過包覆層管道的外層和保溫層到達(dá)管壁中，然后變化的脈沖磁場又在鐵磁性管道材料中感應(yīng)出瞬時(shí)渦流，瞬時(shí)渦流又感應(yīng)出二次磁場，二次磁場被檢測線圈接收，并感應(yīng)出瞬態(tài)感應(yīng)電壓。

圖2 脈沖渦流檢測基本機(jī)理

2 傳感器檢測

2.1 檢測傳感器設(shè)計(jì)

檢測探頭由發(fā)射線圈和檢測線圈組成。在實(shí)際檢測中，發(fā)射線圈的匝數(shù)、個(gè)數(shù)都會對檢測效果產(chǎn)生很大的影響。為了達(dá)到較好的檢測效果，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，得出了檢測效果較好的探頭參數(shù)。探頭采用圓臺骨架做為激勵(lì)線圈的纏繞骨架，其上底直徑為3.5 mm，下底直徑為7.5 mm，高為7.0 mm，選用的漆包線直徑為1.0 mm，共繞制500匝；檢測線圈由圓形骨架繞制而成，其內(nèi)徑為1.6 mm，外徑為3.2 mm，高為2.1 mm，選用的漆包線直徑為0.41 mm，共繞制900匝。通過實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，上底在下檢測效果較上底在上要好，故本文采用上底在下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用的傳感器如圖3所示。

圖3 圓臺型傳感器

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺

檢測實(shí)驗(yàn)所用儀器為瞬變電磁儀，由激勵(lì)和接收兩部分組成，通過傳感器與主機(jī)（包括接收部分和發(fā)射機(jī)部分）的連接實(shí)現(xiàn)激勵(lì)的發(fā)射與信號的接收。采集信號為16位A/D，最高采樣頻率為1MHz，前放增益最高為32倍，主放增益最高為128倍。利用信號周期的不同，采用多周期疊加的方法降低噪聲。本實(shí)驗(yàn)選擇的激勵(lì)電流為3 A，頻率為4 Hz，實(shí)驗(yàn)中周期信號的疊加次數(shù)為10次。檢測實(shí)驗(yàn)平臺如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺

2.3 檢測試件設(shè)計(jì)

圖5 組合型缺陷管道腐蝕樣圖

實(shí)驗(yàn)選用的缺陷試件為J55材質(zhì)的鐵磁性鋼管，規(guī)格為?141.5 mm×7.7 mm，如圖5所示。圖5中A是一個(gè)倒圓錐臺形通孔，通孔的上部直徑為25 mm，底部直徑為10 mm；B是一個(gè)周向長度為150 mm的窄凹槽，槽寬為5 mm，槽深為2 mm；C是一個(gè)軸向長度為200 mm的窄凹槽，槽寬為10 mm，槽深為2 mm；D、E、F都是周向面積腐蝕缺陷，其周向腐蝕幅度為90°～180°，腐蝕深度均為1 mm，其中D的軸向長度為170 mm，E的軸向長度為110 mm，F(xiàn)的軸向長度為210 mm。管道外有一層模擬包覆層，用鋁皮包裹海綿和塑料管制作而成。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)選取包覆層厚度為110 mm的管道進(jìn)行檢測，測點(diǎn)間距為100 mm，選取了圓臺型探頭和常用的圓形探頭以做對比。

圖6 圓臺型探頭檢測剖面

由于端口效應(yīng)的影響，缺陷A和缺陷F因距離端口較近無法測出，而對于周向缺陷B、軸向缺陷C、周向腐蝕缺陷E和周向缺陷F的檢測效果相對較好。圖6為圓臺型探頭的檢測剖面圖，從圖中可看出該探頭檢測效果較明顯。圖7為圓形探頭的檢測剖面圖，從圖中可看出圓形探頭也有一定的檢測效果。為了進(jìn)一步比較圓臺型探頭和圓形探頭的檢測效果，作出了檢測靈敏度圖。圖8和圖9分別為這兩種探頭在缺陷D和缺陷E處的檢測靈敏度對比圖，通過對比可知，圓臺型探頭的檢測靈敏度要高于常規(guī)的圓形探頭。

圖7 圓形探頭檢測剖面

圖8 D處腐蝕檢測靈敏度

圖9 E處腐蝕檢測靈敏度

3 結(jié)論

使用圓臺型探頭對110 mm厚包覆層管道的局部腐蝕進(jìn)行檢測，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知檢測效果明顯，可達(dá)到檢出缺陷的目的，具有一定的研究意義。本文為帶包覆層鐵磁性管道局部腐蝕的脈沖渦流檢測的探頭設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

[1]付躍文，康小偉，喻星星．帶包覆層鐵磁性金屬管道局部腐蝕的脈沖渦流檢測[J]．應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2013， 21（4）： 786-795.

[2]SPIES B R.Transient Electromagnetic Method for Detecting Corrosion on Conductive Containers：4843320[P].1989-06-27.

[3]BRETT C R，RAAD J A.Validation of a pulsed eddy current system for measuring wall thinning through insulation[J].Proceedings of the SPIE， 1996（2947）： 211-222.

[4]趙亮.非接觸距離厚度的脈沖渦流檢測方法研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2006.

[5]黃琛.鐵磁性構(gòu)件脈沖渦流測厚理論與儀器 [D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[6]康小偉，付躍文．帶包覆層鐵磁性管道腐蝕脈沖渦流檢測技術(shù) [J]．無損檢測， 2011， 33（9）： 40-42.

Pulsed Eddy Current Test of Ferromagnetic Pipe with Insulation Based on Truncated-Cone-Type Sensor

Wei Daoxiang Yang Yuqing Si Jun Fu Yuewen

A new type of truncated-cone-type sensor was proposed to detect the corrosion of ferromagnetic pipe with insulation.The artificial specimen of ferromagnetic pipe with insulation was detected by a truncated-cone-type probe,and its effect on large area corrosion and local corrosion was obvious.

Pulsed eddy current;Sensor;Insulation;Pipe;Nondestructive testing;Corrosion

TM 937

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.004

*蔚道祥，男，1988年生，碩士，助理工程師。上海市，200062。

2017-02-15）