管道缺陷位置對(duì)瞬變電磁檢測(cè)信號(hào)的影響

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710300)

瞬變電磁法又稱時(shí)域電磁法，其在管道缺陷檢測(cè)時(shí)，主要運(yùn)用電磁感應(yīng)原理，通過給激勵(lì)線圈施加階躍電流信號(hào)，待激勵(lì)線圈周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場(chǎng)后瞬間關(guān)斷電流信號(hào)，在管道上表面產(chǎn)生渦流效應(yīng)。由于管體和周圍介質(zhì)的電阻消耗，渦流逐漸衰減至零，在衰減的整個(gè)過程中又會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)來阻礙一次磁場(chǎng)的消失；接收線圈接收二次磁場(chǎng)信息并以電壓的形式顯示出來，電壓的變化包含了金屬管道本體的特征信息，且與缺陷的位置、傳感器提離高度及激發(fā)功率有著密切關(guān)系[1]。

目前，李永年和李曉松推導(dǎo)出了接收信號(hào)的計(jì)算公式，通過接收信號(hào)和壁厚之間的數(shù)學(xué)模型確定了管道的剩余壁厚；南昌航空大學(xué)于潤(rùn)橋教授采用施加磁芯的方式提高了激發(fā)功率。但是對(duì)于瞬變電磁檢測(cè)對(duì)象影響因素的分析卻很少，筆者試驗(yàn)的目的主要是了解缺陷的不同位置對(duì)瞬變電磁檢測(cè)信號(hào)的影響規(guī)律[2]。

1 鋼管缺陷的瞬變電磁檢測(cè)模型

瞬變電磁法檢測(cè)系統(tǒng)主要由3部分組成：瞬變電磁儀、傳感器和控制單元。瞬變電磁儀主要用來發(fā)射階躍型脈沖信號(hào)；傳感器分為激勵(lì)線圈和接收線圈，激勵(lì)線圈通過被施加的階躍型信號(hào)產(chǎn)生一次磁場(chǎng)，接收線圈采集二次磁場(chǎng)的變化信息，把電磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)；控制單元主要是前面兩者的連接件，用于數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)出指令。由于缺陷在管道橫截面的分布位置不同，檢測(cè)信號(hào)的幅值也不一樣，根據(jù)幅值的差異關(guān)系分析缺陷的具體位置。圖1為管道瞬變電磁檢測(cè)模型示意[3-4]。

圖1 管道瞬變電磁檢測(cè)模型示意

2 瞬變電磁法檢測(cè)管道缺陷的理論分析

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，瞬間關(guān)斷的階躍型信號(hào)使得管道表面產(chǎn)生渦流效應(yīng)，階躍信號(hào)滿足的條件是

(1)

當(dāng)t<0時(shí)，激勵(lì)線圈與周圍介質(zhì)產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場(chǎng)；當(dāng)t≥0時(shí)，階躍信號(hào)瞬間關(guān)斷，管道上表面產(chǎn)生渦流。由于周圍介質(zhì)的歐姆消耗，隨時(shí)間變化的渦流在空間形成二次磁場(chǎng)并被接收線圈接收。瞬變電磁法檢測(cè)原理示意如圖2所示。

圖2 瞬變電磁法檢測(cè)原理示意

假設(shè)接收線圈的磁通量為φ，接收線圈的有效面積和匝數(shù)分別為S，N。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理可知，接收線圈與管道上渦流效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)如式(2)所示[5]。

(2)

由式(2)可以看出，影響接收信號(hào)變化的只是磁感應(yīng)強(qiáng)度，缺陷的位置不同導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度有所差異。因此，通過在管道上進(jìn)行不同缺陷位置的試驗(yàn)分析，可以為后續(xù)通過信號(hào)判斷缺陷的精準(zhǔn)位置提供指導(dǎo)。

3 試驗(yàn)過程

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生部分、探頭檢測(cè)部分、管道試件和數(shù)據(jù)采集及處理等4個(gè)部分組成，瞬變電磁檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，瞬變電磁檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖3 管道瞬變電磁檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖

圖4 管道瞬變電磁檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.2 激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器

瞬變電磁儀的函數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生頻率范圍為1/16～32 Hz的方波信號(hào)，頻率和信號(hào)占空比可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況調(diào)節(jié)，信號(hào)輸出的有效幅值可達(dá)±20 V。

3.3 探頭及試件部分

探頭為圓形線圈，激勵(lì)線圈有效直徑為200 mm，由線徑為1 mm的漆包線纏繞而成，匝數(shù)為130匝。接收線圈直徑為100 mm，線徑為0.25 mm，匝數(shù)為400匝。管道試件尺寸(外徑×壁厚)為φ108 mm×6 mm，在中間位置制作人工缺陷，缺陷尺寸(長(zhǎng)×寬×深)為120 mm×120 mm×2 mm。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

首次檢測(cè)時(shí)將人工缺陷置于傳感器的正下方，然后將管道分別旋轉(zhuǎn)90°，180°，270°進(jìn)行檢測(cè)，在每個(gè)方向上至少檢測(cè)3次，3次檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的差值不大于5%，則檢測(cè)數(shù)據(jù)有效。采集設(shè)置激發(fā)頻率為1 Hz，采樣頻率為32 Hz，共31個(gè)時(shí)窗。

通過笛卡爾坐標(biāo)系無法分辨出檢測(cè)信號(hào)之間的差異，經(jīng)過坐標(biāo)變換為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系后(周向檢測(cè)信號(hào)幅值曲線如圖5所示)，可以清楚地看到前期數(shù)據(jù)基本重合，在t>5 ms時(shí)出現(xiàn)了明顯的幅值差異?？梢钥闯?，缺陷在0°位置信號(hào)幅值最小且衰減速率最快；缺陷在90°和270°位置信號(hào)幅值和衰減速率相同；缺陷在180°位置信號(hào)幅值最大且衰減速率最小。周向檢測(cè)數(shù)據(jù)和無缺陷處信號(hào)對(duì)比如圖6所示，可見前期信號(hào)幅值一致，中期無缺陷處的信號(hào)幅值和有缺陷處的信號(hào)幅值出現(xiàn)明顯差異。

圖5 管道缺陷周向檢測(cè)信號(hào)幅值曲線

圖6 管道缺陷周向檢測(cè)數(shù)據(jù)和無缺陷處信號(hào)對(duì)比

通過在每個(gè)方向上左移50 mm，右移20 mm進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)(軸向檢測(cè))，結(jié)果表明在每個(gè)方向上信號(hào)幅值基本不變，軸向檢測(cè)信號(hào)幅值曲線如圖7所示。

在圖5中選擇合適的時(shí)窗值(t=12 ms)進(jìn)行一次線性函數(shù)擬合，確定了角度與信號(hào)幅值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，擬合度均為0.992 82，說明擬合程度高。當(dāng)?shù)玫綑z測(cè)數(shù)據(jù)后，代入擬合公式(3)可以確定出兩個(gè)角度，再通過其他方法進(jìn)一步確定缺陷的準(zhǔn)確位置。

圖7 管道軸向檢測(cè)信號(hào)幅值曲線

(3)

4 結(jié)論

(1) 檢測(cè)信號(hào)在線性坐標(biāo)系中無法分辨出信號(hào)幅值差異，經(jīng)過坐標(biāo)變換后,在對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中檢測(cè)信號(hào)在前期一致，后期出現(xiàn)了明顯的分叉。

(2) 缺陷在管道橫截面的不同位置處，信號(hào)幅值會(huì)不同，當(dāng)缺陷處于傳感器正下方時(shí)信號(hào)幅值最小，當(dāng)缺陷背離傳感器時(shí)信號(hào)幅值最大，但是不會(huì)超過無缺陷處的信號(hào)幅值，也就是說，只要存在缺陷，就可檢測(cè)出來。

(3) 在傳感器覆蓋范圍內(nèi)，缺陷在周向上對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值影響較大，在軸向上對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值基本上無影響。

(4) 通過擬合方法確定了檢測(cè)信號(hào)幅值與管道橫截面角度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)以后更精確地定位缺陷位置提供了參考。