脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)新進(jìn)展

殷雪峰，劉紅軍，崔建杰

(1 中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東 青島 266000；2 北京安泰信科技有限公司，山東 淄博 255000；3 天津特米斯科技有限公司，天津 300131)

油氣管道、容器、塔等裝置在役(在線)工作時(shí)，承受著氣體或液體的高壓，經(jīng)受著各種腐蝕的破壞，非常容易成為事故隱患，可能給企業(yè)和社會(huì)造成巨大的損失。長(zhǎng)久以來(lái)，針對(duì)裝置內(nèi)保溫層下的高溫(或超高溫)承壓管道、容器、塔壁等腐蝕情況的效、準(zhǔn)確的檢測(cè)與評(píng)估，一直是采油、煉化和天然氣行業(yè)中的科研難題。

作為渦流檢測(cè)技術(shù)的分支，脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)(Pulsed Eddy Current Testing，PECT)采用方波或階躍方式激勵(lì)，包含豐富的頻率成分，如可用于設(shè)備上表面缺陷檢測(cè)的高頻成分和用于設(shè)備下表面缺陷檢測(cè)的低頻成分，避免了傳統(tǒng)渦流只能檢測(cè)設(shè)備上表面缺陷的局限。此外，脈沖渦流的激勵(lì)能量更強(qiáng)，具有很好的穿透性，能穿透保護(hù)層和幾十甚至上百毫米的絕熱層，可真正實(shí)現(xiàn)在不拆除保護(hù)層的情況下對(duì)承壓構(gòu)件進(jìn)行不停機(jī)檢測(cè)，因此，脈沖渦流在管道和設(shè)備，尤其是帶包覆層的管道和設(shè)備的檢測(cè)中有良好的應(yīng)用前景[1]。

近幾年，脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)發(fā)展較快，在國(guó)內(nèi)外獲得了大量應(yīng)用，本文從脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的基本原理入手，介紹和比較了國(guó)外成型產(chǎn)品的技術(shù)原理，并對(duì)近期理論研究成果進(jìn)行了分析。

1 鐵磁性材料脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的基本原理

脈沖渦流屬于渦流檢測(cè)(Eddy Current，簡(jiǎn)稱ET)的一個(gè)分支，其基本原理是通過(guò)在探頭加載瞬間關(guān)斷電流，激勵(lì)出快速衰減的脈沖磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)可以穿過(guò)一定厚度的保護(hù)層和保溫層而誘發(fā)被檢構(gòu)件表面產(chǎn)生渦流，所誘發(fā)的渦流會(huì)從上表面向下表面擴(kuò)散。同時(shí)，在渦流擴(kuò)散過(guò)程中又會(huì)產(chǎn)生與激勵(lì)磁場(chǎng)方向相反的二次磁場(chǎng)，在探頭的接收傳感器中會(huì)輸出這個(gè)感應(yīng)電壓。如果管道上有缺陷，則會(huì)影響加載管道上脈沖渦流狀況，繼而影響接收傳感器上的感應(yīng)電壓。二次磁場(chǎng)感應(yīng)的電壓包含了被測(cè)構(gòu)件本身的一些特性，如：厚度、尺寸、電磁特性等綜合信息[2]。通過(guò)算法解析，可以掃查得到腐蝕缺陷的具體位置及嚴(yán)重程度。由于被測(cè)構(gòu)件的材料多種多樣，且工況復(fù)雜，如保護(hù)層材料和傳感器提離多變，因此檢測(cè)信號(hào)復(fù)雜。如何從復(fù)雜檢測(cè)信號(hào)中提取合適的特征量來(lái)評(píng)估構(gòu)件壁厚減薄成為關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)的記載，脈沖渦流檢測(cè)中常用的特征值主要有：峰值[3-4]、峰值時(shí)間[5]、過(guò)零點(diǎn)時(shí)間[3]、提離交叉點(diǎn)[6]、拐點(diǎn)時(shí)間和拐點(diǎn)斜率等[7-9]。圖1為脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)原理示意圖。

圖1 脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)原理示意圖

1.1 鐵磁性材料脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的起源

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在非鐵磁性材料上的歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代，直到20世紀(jì)80年代，美國(guó)ARCO石油公司才將脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鐵磁性材料的檢測(cè)中。1989年，ARCO公司的Spies和Lara等申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利“Transient Electromagnetic Method for Detecting Corrosion on Conductive Containers”獲得了授權(quán)，該專(zhuān)利將地質(zhì)勘探行業(yè)的瞬變電磁儀(TEM)應(yīng)用于帶包覆層的鐵磁性管道的腐蝕檢測(cè)中，詳細(xì)介紹了基于瞬變電磁用于檢測(cè)帶包覆層鐵磁管道腐蝕的基本原理，包括傳感器探頭的制作、激勵(lì)信號(hào)的發(fā)射、接收信號(hào)的采集和處理，并對(duì)腐蝕缺陷的判斷進(jìn)行了說(shuō)明。該專(zhuān)利采用的傳感器探頭由激勵(lì)線圈和接收線圈組成，接收信號(hào)為感應(yīng)電壓，由于接收到的感應(yīng)電壓值動(dòng)態(tài)范圍很大(從幾千mV到幾十μV)，該專(zhuān)利將信號(hào)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中進(jìn)行分析，通過(guò)比較未腐蝕區(qū)域和腐蝕區(qū)域的不同曲線特征，以獲得檢測(cè)壁厚值[10]。

1.2 RTD-INCOTEST脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)原理

1995年，荷蘭RTD公司獲得了ARCO公司脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)(1989年專(zhuān)利)在全球的獨(dú)家許可，并投入大量的研究資源，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并從標(biāo)定點(diǎn)、傳感器、算法軟件等方面進(jìn)行了改進(jìn)，最終成功開(kāi)發(fā)出可用于包覆層管道腐蝕檢測(cè)的脈沖渦流檢測(cè)設(shè)備，RTD公司將其命名為INCOTEST(Insulated Component TEST)系統(tǒng)，這是首個(gè)真正用于鐵磁性材料脈沖渦流檢測(cè)的商業(yè)化設(shè)備。

從現(xiàn)有文獻(xiàn)分析，RTD-INCOTEST脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的主要原理為：脈沖渦流檢測(cè)過(guò)程分為兩個(gè)階段，在第一階段，施加到發(fā)射線圈上的電流在探頭周?chē)a(chǎn)生一次磁場(chǎng)，一次磁場(chǎng)不受非導(dǎo)電和非磁性材料的影響，可以不受干擾地穿透保溫層和涂層到達(dá)金屬表面，這也就意味著脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)可以穿透包覆層而對(duì)鐵磁性材料的壁厚進(jìn)行檢測(cè)；在第二階段，隨著發(fā)射線圈中的電流關(guān)斷，一次磁場(chǎng)迅速衰減，同時(shí)產(chǎn)生二次感應(yīng)磁場(chǎng)，并在探頭的接收傳感器中會(huì)輸出感應(yīng)電壓(脈沖渦流信號(hào))；脈沖渦流信號(hào)從被測(cè)物的近表面逐步向遠(yuǎn)表面?zhèn)鬟f，在傳遞到遠(yuǎn)表面前，該信號(hào)的衰減速度較慢，其衰減律符合逆冪函數(shù)關(guān)系；而在到達(dá)遠(yuǎn)表面后，該信號(hào)會(huì)迅速衰減，其衰減率符合指數(shù)關(guān)系；為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，分別對(duì)檢測(cè)到的感應(yīng)電壓和時(shí)間軸進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，形成雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，前期脈沖渦流信號(hào)衰減段(符合逆冪函數(shù)關(guān)系)顯示為直線，后期信號(hào)衰減段(符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系)顯示為曲線，脈沖渦流信號(hào)由慢到快的過(guò)渡點(diǎn)(在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中即表現(xiàn)為直線段到曲線段的過(guò)渡點(diǎn))稱為“拐點(diǎn)”，拐點(diǎn)出現(xiàn)得越早，壁厚越薄，且拐點(diǎn)時(shí)間與壁厚呈一定的函數(shù)關(guān)系，因此，拐點(diǎn)時(shí)間可以作為測(cè)量被測(cè)物體壁厚的特征值[11]。

RTD公司的INCOTEST脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)即以拐點(diǎn)時(shí)間作為特征值，先通過(guò)脈沖渦流信號(hào)求得特征值，再利用特征值求得被測(cè)物體的壁厚值。除RTD公司的INCOTEST外，MAXWELL公司[12]、德國(guó)TüV(萊茵技術(shù))公司[13]和新加坡INNOSPECTION[14]等公司推出的針對(duì)鐵磁性材料的脈沖渦流檢測(cè)設(shè)備與RTD-INCOTEST脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的原理基本相同。圖2為INNOSPECTION公司脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的原理示意圖[14]。

圖2 INNOSPECITON公司檢測(cè)系統(tǒng)的原理示意圖

1.3 EDDYFI-Lyft脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)原理

除RTD公司的INCOTEST外，加拿大EDDYFI公司的Lyft脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)也比較知名。在2016年第19屆全球無(wú)損檢測(cè)會(huì)議中，EDDYFI公司對(duì)其Lyft脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的新進(jìn)展進(jìn)行了介紹[15]：他們改變了原有的在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中(圖3左圖)進(jìn)行脈沖渦流信號(hào)分析的方式，改為在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中進(jìn)行分析，這是因?yàn)槊}沖渦流晚期信號(hào)的衰減規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而這一關(guān)系在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中表現(xiàn)為直線(圖3中圖)，且晚期信號(hào)直線段的斜率與壁厚值呈一定函數(shù)關(guān)系，可以作為測(cè)量壁厚值的特征量。同時(shí)，EDDYFI公司提出了利用晚期信號(hào)衰減率(或拐點(diǎn)斜率)作為特征值來(lái)計(jì)算壁厚值的優(yōu)勢(shì)：(1)信號(hào)特征位置出現(xiàn)得更早，可以獲得更好的信噪比和更多的信號(hào)值；(2)晚期信號(hào)衰減率(拐點(diǎn)斜率)受提離高度或保溫層厚度的影響較小。

圖3 EDDYFI-Lyft系統(tǒng)的技術(shù)原理

2 鐵磁性材料脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的理論研究進(jìn)展

以上提到商業(yè)化產(chǎn)品的技術(shù)原理由于商業(yè)保密等原因，只從應(yīng)用角度提出了鐵磁性材料脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的原理，而近十年在理論研究上也獲得了很多進(jìn)展。

2.1 脈沖渦流感應(yīng)電壓近似式的提出

在RTD公司和EDDYFI公司的技術(shù)原理中均將脈沖渦流信號(hào)分為兩個(gè)階段，其前期信號(hào)的衰減規(guī)律符合逆冪函數(shù)關(guān)系，后期信號(hào)的衰減規(guī)律符合指數(shù)衰減規(guī)律。但對(duì)于兩段規(guī)律并沒(méi)有提供解析式或近似式。

文獻(xiàn)[16]通過(guò)數(shù)值模擬，研究了有限厚鐵磁性試件中渦流的擴(kuò)散規(guī)律及二次磁場(chǎng)的瞬變規(guī)律，分析得出了有限厚鐵磁性試件脈沖渦流響應(yīng)與試件電磁特性和時(shí)間的近似函數(shù)關(guān)系：

(1)

式中，t0為渦流到達(dá)試件下底面的時(shí)間；F(l,d)為與提離高度和試件厚度相關(guān)的參數(shù)；ρ為試件的電阻率；μ為試件的磁導(dǎo)率。

文獻(xiàn)[17]在已有平板導(dǎo)體脈沖渦流場(chǎng)感應(yīng)電壓時(shí)域解析式的基礎(chǔ)上，利用鐵磁性材料相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1的條件，比較解析式中各變量的量級(jí)大小，結(jié)合鐵磁平板內(nèi)脈沖渦流的擴(kuò)散過(guò)程，也得到了脈沖渦流感應(yīng)電壓在前、后期兩段的近似表達(dá)式。其表達(dá)式與文獻(xiàn)[16]的表達(dá)式基本相同，但對(duì)于后期的感應(yīng)電壓表達(dá)式其簡(jiǎn)化為：

Ve(t)≈Uee-t/τd

(2)

其中，τd為渦流擴(kuò)散時(shí)間常量：

τd=μσd2/π2

(3)

這些近似關(guān)系式與RTD公司和EDDYFI公司的技術(shù)原理相同，且能為渦流檢測(cè)過(guò)程的理論建模和信號(hào)解釋提供參考，也為檢測(cè)信號(hào)反演提供了依據(jù)。

2.2 多渦流環(huán)等效模型

在常規(guī)的渦流檢測(cè)技術(shù)的等效電路模型中，通常將試件中的渦流等效一定尺寸的假想線圈中流過(guò)的電流；將激勵(lì)線圈和試件之間的耦合關(guān)系等效為其與等效線圈之間的耦合關(guān)系，從而將復(fù)雜的電磁場(chǎng)模型簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的電路模型。但如果只將試件等效為一個(gè)線圈，建立的模型階數(shù)過(guò)低，對(duì)鐵磁性材料或壁厚較厚的非鐵磁性材料的脈沖渦流信號(hào)擬合效果不好。文獻(xiàn)[18]在單渦流環(huán)等效模型的基礎(chǔ)上，將階躍電流激勵(lì)下的每一種頻率的諧波感應(yīng)出來(lái)的渦流都等效為一個(gè)渦流環(huán)，而諧波之間相互影響的過(guò)程也可以用渦流環(huán)間的相互耦合作用來(lái)等效，從而建立起多渦流環(huán)耦合等效模型，并計(jì)算出系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到脈沖渦流電壓信號(hào)的表達(dá)式：

(4)

(5)

其中Bk和Ck是大于零的常數(shù)，n為正整數(shù)。

根據(jù)前面的討論，脈沖渦流信號(hào)的晚期衰減規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，比較公式(1)和公式(5)，可以得到：

V(t)≈B1exp(-C1t)|t?0

(6)

比較公式(2)和公式(6)，可知公式(2)中的渦流擴(kuò)散試件常量τd與公式(6)中的1/C1相等，即：

1/C1≈τd=μσd2/π2

(7)

為了便于分析，對(duì)公式(6)兩邊先求對(duì)數(shù)后求導(dǎo)數(shù)，可得到：

lnV(t)≈-C1t+lnB1

(8)

(9)

3 結(jié) 論

本文通過(guò)比較國(guó)外脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)原理，分析了脈沖渦流感應(yīng)電壓近似式和多渦流環(huán)耦合模型下的簡(jiǎn)化解。