不銹鋼管道均勻電磁場內檢測探頭設計和試驗研究

李 偉, 趙建明, 葛玖浩, 袁新安, 劉 健, 殷曉康, 陳國明

(1.中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心,山東青島 266580;2.南京航空航天大學高速載運設施的無損檢測監(jiān)控技術工信部重點實驗室,江蘇南京 210016)

在石油石化中,不銹鋼管道廣泛應用于管道輸送系統(tǒng),但由于管道中的腐蝕介質和交替的冷卻和加熱環(huán)境,在管道的內壁很容易產(chǎn)生疲勞裂紋[1-3]。通常疲勞裂紋在縱向上聚集和生長[4],最終導致管道的泄露和失效,所以需要定期對管道進行檢測。目前,常規(guī)的檢測技術主要包括磁粉、滲透、超聲、漏磁和渦流等檢測技術[5]。磁粉和滲透檢測技術是目前最可靠的無損檢測技術,但磁粉和滲透檢測需要和被測材料直接接觸,對表面要求比較高,并且只能實現(xiàn)裂紋的檢出,不能對裂紋量化,對管道內檢測難以實現(xiàn)[6];超聲檢測技術需要在檢測工具和被測管道之間添加耦合劑[7],如果沒有徹底清潔,很難在管道的內壁涂抹耦合劑;漏磁檢測技術只能檢測鐵磁性材料[8];渦流檢測檢測技術容易受提離和抖動的影響。均勻場擾動無損檢測方法,比如交流電磁場檢測技術、交流電位降檢測技術和周向電流場檢測,對檢測和評估導電材料具有良好的前景[9-11]。目前針對均勻電磁場檢測探頭形式開展了一系列研究,李偉[12]建立U型探頭仿真模型并搭建了試驗系統(tǒng);袁新安等[13]使用雙U型探頭對任意走向的裂紋進行檢測;葛玖浩等[14-15]使用外穿式探頭實現(xiàn)了管道外壁裂紋的檢測。然而U型探頭不適用于管道曲面檢測,外穿式探頭由于集膚效應的存在,很難實現(xiàn)管道內壁的檢測,為了實現(xiàn)對管道內壁的檢測,還需要內檢測探頭,但目前對于均勻電磁場管道內檢測探頭的研究還處于空白。筆者提出一種赫姆霍茲線圈式不銹鋼管道內檢測探頭并搭建試驗系統(tǒng)。通過有限元軟件COMSOL建立不銹鋼管道內檢測仿真模型,分析不銹鋼管道內電磁場的分布和變化規(guī)律,提取特征信號,分析裂紋的尺寸對特征信號的影響,設計不銹鋼管道內檢測探頭,搭建管道內檢測試驗系統(tǒng),對管道內壁裂紋進行檢測。

1 有限元仿真

均勻電磁場管道內檢測探頭采用赫姆霍茲線圈結構。赫姆霍茲線圈是一對平行共軸的相同載流線圈,當對線圈通以相同方向的電流,且兩個線圈間距等于線圈半徑時,線圈的總磁場在軸的中心附近,會呈均勻分布的狀態(tài)[15]。

1.1 管道內電場分布規(guī)律

根據(jù)赫姆霍茲線圈結構,利用有限元軟件COMSOL,建立的管道內檢測仿真模型如圖1所示,其中管道的材料為不銹鋼,相對磁導率為1,導電率為3.7×107S/m,赫姆霍茲線圈采用直徑為0.8 mm的漆包線,匝數(shù)為200,激勵信號采用電流為0.5 A,頻率為2 000 Hz的正弦交流信號。具體的模型尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1 仿真模型Fig.1 Simulation model

表1 模型尺寸參數(shù)

提取管道內表面電流密度如圖2所示。由圖2可知,感應電流的最大值在激勵線圈附近,而在兩個線圈中間位置會感應出均勻的電場,符合均勻電磁場檢測要求。

圖2 表面電流密度Fig.2 Surface current density

1.2 裂紋擾動規(guī)律

為了探究裂紋的擾動機制,仿真管道內表面存在裂紋時鋁合金管道內電磁場的分布規(guī)律。設置管道內壁軸向裂紋的長度為20 mm,寬度為1 mm,深度為5 mm。

提取管道內壁軸向裂紋附近的電流密度如圖3所示。由圖3可知,均勻的電流場經(jīng)過裂紋時,表面的電流會從裂紋的尖端繞過(圖3(a)),內部的電流會從裂紋的上方繞過(圖3(b)),符合均勻電磁場檢測的原理。

采用參數(shù)化掃描方式模擬真實的探頭檢測,線圈的原點從Z坐標的-60 mm掃描到60 mm,步長為1 mm,考慮探頭結構和傳感器的尺寸,提取裂紋正上方提離為7 mm處的軸向磁場信號Bz和徑向磁場信號Br見圖4。從圖4中可以看出,無裂紋時Bz信號為固定的值,Br信號為0;當經(jīng)過缺陷時,Bz信號出現(xiàn)兩個較小的波谷和一個較大的波峰,Br信號出現(xiàn)波峰波谷。因此把軸向磁場信號Bz和徑向磁場信號Br作為裂紋檢測的特征信號。

圖3 電流密度Fig.3 Current density

圖4 軸向裂紋上方軸向磁場信號Bz和徑向磁場信號BrFig.4 Axial direction signal Bz and radial direction signal Br above crack

1.3 裂紋尺寸對特征信號影響

為探究提取的特征信號與裂紋尺寸關系,分別對不同深度和不同長度的裂紋進行有限元仿真分析。首先保持裂紋的長度(30 mm)、寬度(0.8 mm)不變,對不同深度的裂紋進行仿真分析,提取裂紋上方7 mm提離處的軸向磁場信號Bz,仿真的結果如圖5(a)所示?？梢钥闯?相比較傳統(tǒng)的均勻電磁場檢測技術,裂紋越深,特征信號波谷越深不同,所提出的內穿式赫姆霍茲線圈所感應的電流從裂紋的的上方繞過,特征信號Bz波峰的高度隨著裂紋深度增加而增加。因此定義ΔBz/Bz0為裂紋引起軸向磁場信號Bz的畸變量,其中Bz0為Bz的背景值,ΔBz為Bz波峰的最大值與背景值Bz0的差值,得到的裂紋深度和Bz畸變量的關系見圖5(b)。可以看出,在裂紋深度一定范圍內,Bz磁場的畸變量和深度保持比較好的線性關系,說明Bz特征信號包含裂紋的深度信息。

圖5 裂紋深度和Bz關系Fig.5 Relationship between Bzand crack depth

保持裂紋的深度(4 mm)、寬度(0.8 mm)不變,對不同長度的裂紋進行仿真分析,提取裂紋上方7 mm提離處的徑向磁場信號Br,仿真結果如圖6所示。在裂紋長度較小時,裂紋長度對Br信號的波峰波谷間距和幅值均會產(chǎn)生影響,裂紋越長,波峰波谷間距和畸變幅值越大;當裂紋較長時,裂紋長度幾乎不對畸變的幅值產(chǎn)生影響,而波峰波谷的間距會隨著裂紋長度的增加而增加,所以特征信號Br包含裂紋的長度信息。

圖6 裂紋長度和Br關系Fig.6 Relationship between Brand crack length

2 檢測探頭設計和試驗分析

2.1 檢測探頭設計

檢測探頭結構如圖7所示,主要包括激勵線圈、非磁性骨架、線纜保護裝置、連接裝置和檢測傳感器。用直徑0.8 mm的漆包線在非磁性骨架的兩側各纏繞200匝組成赫姆霍茲激勵線圈,用于產(chǎn)生激勵的磁場;線纜保護裝置用來通過和保護激勵線圈和檢測傳感器的輸入和輸出;連接裝置與管道內的驅動裝置連接在一起,可以完成管道的自動掃查。

在激勵線圈中間位置的周向均布10個檢測傳感器,可以一次性實現(xiàn)管道內壁裂紋的全面檢測。所安裝的電路板如圖8所示。選擇的傳感器為體積小、線性范圍大、靈敏度高的TMR傳感器,傳感器安裝在電路板中央靠近邊緣的地方,檢測軸向特征信號Bz的TMR在電路板的A面,如圖8(a)所示;檢測徑向特性信號Br的TMR在電路板的B面,如圖8(b)所示。電路板上安裝用于放大信號的AD620,對Bz和Br信號各放大100倍,借助共地電容,達到濾波、降噪和抗干擾的能力[16-17]。

圖7 探頭結構Fig.7 Structure of testing probe

圖8 傳感器電路板Fig.8 TMR PCB

2.2 檢測系統(tǒng)

整個檢測系統(tǒng)如圖9、 10所示,包括臺架、待測管道、檢測探頭、硬件集成機箱、PC機。硬件集成機箱中的信號發(fā)生器產(chǎn)生2 000 Hz的正弦交流信號,經(jīng)過功率放大器,加載在檢測探頭的激勵線圈上,激勵線圈在管道內感應出均勻的電場和磁場,臺架驅動檢測探頭在管道中以10 mm/s的速度勻速運行。當管道中存在缺陷時,會引起管道內電場和磁場的畸變,檢測探頭中間位置的周向均布10個檢測傳感器拾取磁場信號,通過硬件集成機箱中的采集卡采集到PC機中,PC機上基于MATLAB和LABVIEW共同開發(fā)的軟件識別程序對信號進行處理,最終識別出缺陷。

圖9 試驗測試系統(tǒng)Fig.9 Test system

圖10 試驗測試系統(tǒng)Fig.10 Experiment system structure

2.3 檢測結果

對管道內壁不同深度、相同長度的裂紋進行檢測,管道尺寸如圖11所示。得到減去背景場以后的Bz和Br信號如圖12所示。由圖12可知,當存在裂紋時,特征信號Br會出現(xiàn)波峰,特征信號Bz會出現(xiàn)波峰和波谷。對于相同長度、不同深度的裂紋,裂紋越深,Bz信號的畸變量越大。觀察每一路特征信號,3號傳感器的畸變量最大,可以初步判定缺陷存在于3號傳感器附近。提取3號傳感器的Bz信號,得到仿真和試驗的Bz信號畸變量和裂紋深度的關系如圖13所示。由圖13可知,裂紋深度和Bz信號的畸變量具有良好的線性關系,和仿真結果一致,仿真結果相對于試驗結果的最大相對誤差為9.83%。對裂紋的深度和Bz信號的畸變量進行線性擬合,得到裂紋深度測量結果如表2所示。由表2可知,深度測量最大誤差為3.83%,具有較高的裂紋深度測量精度。

圖11 不同深度裂紋管道Fig.11 Pipes with different depth cracks

圖12 不同深度裂紋檢測結果Fig.12 Crack detection results at different depths

圖13 不同深度裂紋Bz畸變量Fig.13 Bzamplitude distortion of cracks with different depths

表2 裂紋深度測量結果

對于管道內壁不同長度、相同深度的裂紋進行檢測,管道的尺寸如圖14所示。得到Bz和Br信號如圖15所示,對于不同長度、相同深度的裂紋,裂紋越長,Br信號的波峰波谷間距越大。觀察每一路信號,3號傳感器的畸變量最大,可以初步斷定,裂紋存在于3號傳感器附近。提取3號傳感器的Br信號,得到仿真和試驗的Br信號的波峰波谷間距和裂紋長度的關系如圖16所示。由圖16可知,裂紋長度和Br信號波峰波谷的間距具有良好的線性關系,和仿真結果一致,仿真結果相對于試驗結果的最大相對誤差為12.0%。對裂紋的長度和Br信號波峰波谷的間距進行線性擬合,得到裂紋長度測量結果如表3所示。由表3可知,長度測量最大誤差為8.70%,具有較高的裂紋長度測量精度。

圖14 不同長度裂紋管道Fig.14 Pipes of different length cracks

圖15 不同長度裂紋檢測結果Fig.15 Crack detection results at different lengths

圖16 不同長度裂紋Br波峰波谷間距Fig.16 Brpeak-to-valley spacing of cracks of different lengths

表3 裂紋長度測量

3 結 論

(1)赫姆霍茲線圈式不銹鋼管道內檢測探頭可實現(xiàn)不銹鋼管道中軸向裂紋的全周向檢測;當存在裂紋時軸向磁場信號Bz出現(xiàn)波峰,徑向磁場信號Br出現(xiàn)波峰和波谷。

(2)Bz信號的畸變量包含裂紋的深度信息,Br信號的波峰波谷間距包含裂紋的長度信息。裂紋長度較小時,裂紋的長度對Br信號的幅值和波峰波谷均會產(chǎn)生影響;裂紋長度較大時,裂紋長度對Br信號的幅值影響減小,主要影響B(tài)r信號波峰波谷的間距。