金屬管道內(nèi)外壁缺陷的脈沖渦流檢測系統(tǒng)

趙 番，湯曉英，王繼鋒，浦 哲

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062;2.上海壓力管道智能檢測工程技術(shù)研究中心，上海 200062)

金屬管道常見的缺陷按照類型可分為內(nèi)壁缺陷和外壁缺陷。外壁缺陷有凹缺陷、凸缺陷、混合表面缺陷、區(qū)域缺陷以及外觀缺陷等。內(nèi)壁缺陷是指不延伸到金屬管道表面的缺陷，一般包括孔隙、夾雜、縮孔、分層、折疊、冷隔等[1]。由于內(nèi)、外壁缺陷的形態(tài)特征具有多樣性，管道漏磁內(nèi)檢測器的磁敏元件在檢測信號(hào)的幅值上差別很大，使得檢測靈敏度存在很大的不確定性，易造成管道內(nèi)、外壁缺陷的誤判，從而影響后續(xù)的開挖修復(fù)。因此，在漏磁內(nèi)檢測中，準(zhǔn)確地識(shí)別金屬管道缺陷的位置特征，對(duì)管道的安全運(yùn)行具有重要的意義。

渦流檢測是一種非接觸測量的無損檢測方法，主要適用于金屬管道的內(nèi)、外壁腐蝕缺陷檢測。傳統(tǒng)的渦流檢測技術(shù)以周期性的正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，采用兩路同步且正交的相敏檢波信號(hào)，經(jīng)過低通濾波后得到渦流檢測線圈的電阻分量和感抗分量，最后經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理，計(jì)算出缺陷處信號(hào)的幅值信息和相位信息。幅值反映缺陷的長度和高度信息，相位的滯后和超前反映缺陷在管道中所處的位置。這種方法采用了數(shù)字信號(hào)處理器，存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高、響應(yīng)速度慢的問題，從而極大地影響了管道漏磁內(nèi)檢測的檢測速度。

1 脈沖渦流檢測技術(shù)原理

脈沖渦流檢測技術(shù)是在傳統(tǒng)渦流檢測技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型檢測方法。該技術(shù)以法拉第電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，當(dāng)通有矩形波的檢測線圈逐漸靠近被測金屬試件時(shí)，試件中會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生渦流；而渦流產(chǎn)生的二次感應(yīng)磁場又會(huì)反作用于檢測線圈，從而在檢測線圈上感應(yīng)出電壓[2]。感應(yīng)電壓的大小受缺陷的大小和形狀影響，通過測量感應(yīng)電壓便可以推斷出管壁是否存在缺陷。脈沖渦流檢測技術(shù)具有頻譜豐富、響應(yīng)速度快、深層缺陷檢測能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

利用脈沖渦流技術(shù)對(duì)金屬管道進(jìn)行內(nèi)、外壁缺陷區(qū)分時(shí)，當(dāng)缺陷位于管道外壁時(shí)，其溢出磁場可視為磁力線遇到磁導(dǎo)率不一致時(shí)外逸的部分；當(dāng)缺陷位于管道內(nèi)壁時(shí)，缺陷在檢測空間引發(fā)的漏磁場，其實(shí)質(zhì)是材料中磁力線受到材料不連續(xù)處畸變磁場的擾動(dòng)，從原本分布均勻的鐵磁性構(gòu)件內(nèi)被“擠壓”出材料表面，從而形成可檢測量[3]。

文章所設(shè)計(jì)的脈沖渦流檢測系統(tǒng)便是利用內(nèi)、外壁信號(hào)的不同產(chǎn)生機(jī)理，形成不同的差分電導(dǎo)來進(jìn)行檢測的。脈沖渦流檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。檢測時(shí)采用占空比為50%的方波作為渦流激勵(lì)信號(hào)[4]。所設(shè)計(jì)的脈沖渦流電橋包括測量橋臂和參考橋臂[5]，測量橋臂包括線圈MEA1和與之串聯(lián)的電阻R1,參考橋臂包括線圈REF1和與之串聯(lián)的電阻R2。渦流激勵(lì)信號(hào)加載到測量橋臂和參考橋臂后發(fā)射空間交變磁場，對(duì)管道進(jìn)行電磁激勵(lì)。當(dāng)管道中沒有缺陷時(shí)，渦流檢測電橋通過測量橋臂及參考橋臂上串聯(lián)的電阻R1、R2達(dá)到平衡。當(dāng)渦流檢測電橋碰到有腐蝕、裂紋等內(nèi)、外壁缺陷的管道時(shí)，由于測量線圈MEA1和參考線圈REF1進(jìn)出(進(jìn)入和離開)缺陷的時(shí)間不同，會(huì)在渦流檢測電橋的橋臂上引起電壓差。差分電壓采樣電路通過運(yùn)算放大器采集測量線圈和參考線圈之間的差分電壓VDIFF1。同時(shí)，缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致測量線圈和參考線圈中的電流不一致，形成差分電流。差分電流測量電路通過跨阻放大將測量線圈和參考線圈上的橋臂電流轉(zhuǎn)化成電壓VI1和VI2，中央處理器通過數(shù)學(xué)運(yùn)算，將兩個(gè)電壓VI1和VI2轉(zhuǎn)化成測量橋臂和參考橋臂之間的差分電流IDIFF1。用差分電流除以差分電壓，便可得到渦流電橋的差分電導(dǎo),如式(1)所示。

(1)

圖1 脈沖渦流檢測原理示意

當(dāng)脈沖渦流檢測系統(tǒng)經(jīng)過管道內(nèi)壁缺陷時(shí)，渦流檢測單元的差分電導(dǎo)會(huì)有先正峰值后負(fù)峰值的波形產(chǎn)生；當(dāng)渦流系統(tǒng)經(jīng)過管道外壁缺陷時(shí)，差分電導(dǎo)只有正峰值的波形產(chǎn)生；當(dāng)管道沒有缺陷時(shí)，差分電導(dǎo)沒有峰值波形產(chǎn)生。因此，根據(jù)差分電導(dǎo)的波形，可以判斷出缺陷是位于管道內(nèi)壁還是外壁。

圖2 脈沖渦流檢測系統(tǒng)硬件框圖

2 脈沖渦流檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為區(qū)分管道內(nèi)外壁缺陷的脈沖渦流檢測系統(tǒng)的硬件框圖，系統(tǒng)由脈沖渦流激勵(lì)電路、測量線圈、參考線圈、高通濾波器、測量橋臂電流采樣電路、參考橋臂電流采樣電路、渦流電橋差分電壓采樣電路、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和中央處理器等組成。設(shè)置高通濾波器的目的是消除缺陷對(duì)激勵(lì)信號(hào)和測量電導(dǎo)的影響。

脈沖渦流檢測系統(tǒng)的兩組電橋布局如圖3所示。每組電橋都包含相同的測量線圈和參考線圈，可以有效地覆蓋缺陷尺寸，提高判別的準(zhǔn)確性。測量線圈(MEA1,MEA2)及參考線圈(REF1,REF2)均為渦流線圈，采用50匝,內(nèi)徑為6.2 mm、線徑為0.1 mm的漆包線繞制成圓柱形。線圈的周向中心距為21 mm，軸向中心距為23.5 mm。

圖3 脈沖渦流檢測系統(tǒng)的電橋布局

3 脈沖渦流檢測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

脈沖渦流檢測系統(tǒng)利用產(chǎn)生的脈沖渦流激勵(lì)以檢測缺陷處的差分電流和差分電壓，進(jìn)而求得差分電導(dǎo)，再利用電導(dǎo)的波形來判斷缺陷的性質(zhì)。檢測系統(tǒng)電路包括以下4部分：脈沖渦流激勵(lì)電路、渦流橋臂電流采樣電路、差分電壓采樣電路和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路等。

3.1 脈沖渦流激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

脈沖渦流激勵(lì)電路采用CPLD控制正、負(fù)對(duì)稱的方波信號(hào)來驅(qū)動(dòng)模擬開關(guān)[6]，模擬開關(guān)的輸出經(jīng)過運(yùn)放跟隨電路以增強(qiáng)渦流激勵(lì)信號(hào)(MOA)的輸出驅(qū)動(dòng)能力。

方波信號(hào)頻率為33.3 kHz，這樣能保證將設(shè)計(jì)的脈沖渦流檢測系統(tǒng)安裝在管道內(nèi)檢測器上，檢測器能夠以10 m·s-1的速度進(jìn)行在線檢測。選用ADI公司的ADG839模擬開關(guān)，通過一系列串聯(lián)電阻用于確定方波信號(hào)的電平輸出范圍。運(yùn)算放大器選用TI公司的軌對(duì)軌運(yùn)放OPA320，其供電電壓為3.3 V，共模抑制比為114 dB。

渦流激勵(lì)信號(hào)為(1.65±1.5) V的電壓信號(hào)，當(dāng)PWMA(模擬開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào))為1時(shí)，其為(1.65+1.5) V；當(dāng)PWMA為0時(shí)，其為(1.65-1.5) V。

3.2 渦流橋臂電流采樣電路

方波信號(hào)加在測量線圈和參考線圈上向外發(fā)射空間交變磁場，對(duì)管道進(jìn)行電磁激勵(lì)。當(dāng)管道中存在缺陷時(shí)，會(huì)在測量橋臂和參考橋臂上形成差分電流。差分電流不能被直接測量，但是可以通過測量橋臂和參考橋臂中的電流，間接計(jì)算出來。

渦流測量橋臂電流采樣電路中，渦流測量橋臂中流過的電流I1首先經(jīng)過一個(gè)頻率為15.9 kHz的高通濾波器，目的是消除管道缺陷對(duì)激勵(lì)信號(hào)的影響，保證漏磁檢測器的設(shè)計(jì)精度。第一級(jí)為跨阻放大電路，放大倍數(shù)為G1，經(jīng)過放大后變?yōu)殡妷盒盘?hào)VI1t，以保證電壓輸出在一個(gè)有效線性范圍內(nèi)。第二級(jí)為同相比例放大電路，放大倍數(shù)為G2。經(jīng)過兩級(jí)放大便將電流I1轉(zhuǎn)化為電壓VI1。采用兩級(jí)放大的目的是保證系統(tǒng)能探測出非常狹窄的缺陷，以提高分辨率。運(yùn)算放大器選用ADI公司的ADA4891-2，其為低成本的軌對(duì)軌雙運(yùn)放。

渦流測量橋臂電流I1的計(jì)算如式(2)所示。

(2)

同理，渦流參考橋臂電流I2經(jīng)過高通濾波和跨阻放大轉(zhuǎn)化成VI2。則差分電流IDIFF1=I1-I2。

3.3 差分電壓采樣電路

差分電壓采樣電路由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成。測量線圈電壓V1和參考線圈電壓V2首先經(jīng)過高通濾波，以消除管道缺陷對(duì)激勵(lì)信號(hào)的影響。然后進(jìn)入由ADA4891-2雙運(yùn)放組成的差分運(yùn)放，以放大差分電壓。V1送入運(yùn)放U14A的同相輸入端，經(jīng)過放大后變?yōu)閂O1，VO1送至U14B的反相輸入端。V2送入U(xiǎn)14B的同相輸入端。

3.4 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

考慮到信號(hào)的轉(zhuǎn)換速度，將差分電流和差分電壓信號(hào)，分別送入14位分辨率逐次逼近寄存器型(SAR)同步采樣模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) AD7387的輸入引腳。ADC的供電電壓為+3.3 V，基準(zhǔn)設(shè)為+3.0 V，采用單端接法。

電路中，模擬量進(jìn)入RC低通濾波器，再進(jìn)入ADC的模擬量輸入通道。差分電壓被送入ADC的AINB0引腳，測量橋臂和參考橋臂電流轉(zhuǎn)換成的電壓VI1和VI2分別被送入AINA0和AINA1引腳，以得到相應(yīng)的電流I1和I2。ADC經(jīng)過SPI總線將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量送入中央處理器CPLD，CPLD進(jìn)行減法運(yùn)算I1-I2，計(jì)算結(jié)果即為差分電流IDIFF1。利用差分電流IDIFF1除以差分電壓VDIFF1，便可以計(jì)算出缺陷處的差分電導(dǎo)值C=IDIFF1/VDIFF1。

4 脈沖渦流信號(hào)采樣時(shí)序設(shè)計(jì)

圖4為設(shè)計(jì)的脈沖渦流信號(hào)采樣時(shí)序圖。在渦流線圈上施加一個(gè)頻率為33.3 kHz,周期為30 μs的方波信號(hào)對(duì)渦流電橋進(jìn)行激勵(lì)，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)采樣。信號(hào)采樣分成以下三部分。

第一部分：測量周期。從正/負(fù)半周期的第5.0 μs開始，持續(xù)5.0 μs。ADC會(huì)依次讀取差分電壓VDIFF1、渦流測量橋臂電流I1對(duì)應(yīng)的電壓VI1和渦流參考橋臂電流I2對(duì)應(yīng)的電壓VI2。

第二部分：計(jì)算周期。從渦流激勵(lì)正/負(fù)半周期的第10.0 μs開始，持續(xù)5.0 μs。CPLD計(jì)算渦流橋臂的差分電流IDIFF1，并根據(jù)測量得到的差分電壓和差分電流計(jì)算缺陷處的電導(dǎo)值C。

第三部分：判斷周期。根據(jù)前述渦流系統(tǒng)經(jīng)過管道內(nèi)、外壁缺陷時(shí)，差分電導(dǎo)的波形不同，便可以判斷出缺陷的位置。

圖4 脈沖渦流系統(tǒng)信號(hào)采樣時(shí)序圖

5 試驗(yàn)與分析

將設(shè)計(jì)的脈沖渦流檢測系統(tǒng)安裝于內(nèi)檢測器動(dòng)態(tài)測試機(jī)構(gòu)上來評(píng)價(jià)其對(duì)管道內(nèi)外壁缺陷的識(shí)別準(zhǔn)確度[7]，試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)裝置實(shí)物

該測試機(jī)構(gòu)利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)在導(dǎo)軌上行走，滑臺(tái)下面固定內(nèi)檢測器，內(nèi)檢測器上安裝設(shè)計(jì)的脈沖渦流檢測系統(tǒng)，對(duì)直徑為508 mm，厚度為12.7 mm的半管進(jìn)行檢測。檢測過程中內(nèi)檢測器的鋼刷及脈沖渦流檢測系統(tǒng)必須與半管內(nèi)壁完全接觸，以便對(duì)半管進(jìn)行飽和磁化，此時(shí)內(nèi)檢測器的中心線與半管的中心線重合。當(dāng)動(dòng)態(tài)測試機(jī)構(gòu)行駛到終點(diǎn)時(shí)，重新返程至起點(diǎn)，完成一次檢測過程。

管道缺陷共有2組，其布局如圖6所示。其中，第一組的4個(gè)缺陷布置為矩形內(nèi)壁缺陷，第二組的4個(gè)缺陷布置為圓形外壁缺陷。第一組缺陷的尺寸如表1所示，第二組缺陷的尺寸如表2所示。

圖6 管道內(nèi)、外壁缺陷布局圖

表1 第一組缺陷尺寸mm

缺陷缺陷尺寸長度寬度深度缺陷136.06.04.8缺陷236.06.06.0缺陷336.06.03.0缺陷436.06.01.2

表2 第二組缺陷尺寸 mm

檢測過程中，將系統(tǒng)固定在半管內(nèi)的6點(diǎn)鐘方向，以測試脈沖渦流系統(tǒng)對(duì)內(nèi)外壁缺陷的檢測靈敏度，檢測結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，對(duì)前4個(gè)內(nèi)壁缺陷，脈沖渦流系統(tǒng)的信號(hào)具有陡峭的畸變特征，都有前正峰值后負(fù)峰值的波形產(chǎn)生。對(duì)于后4個(gè)外壁缺陷，脈沖渦流系統(tǒng)的信號(hào)峰值與內(nèi)壁缺陷的不同，只有正峰值波形產(chǎn)生。驗(yàn)證結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖7 缺陷檢測波形

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套區(qū)分管道內(nèi)、外壁缺陷的脈沖渦流檢測系統(tǒng)。利用內(nèi)檢測器動(dòng)態(tài)測試機(jī)構(gòu)對(duì)脈沖渦流檢測系統(tǒng)的檢測能力進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能準(zhǔn)確區(qū)分管道內(nèi)、外壁缺陷。