脈沖渦流檢測(cè)激勵(lì)參數(shù)和激勵(lì)線圈參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

宮 昊,郝憲鋒,王安泉,孫偉峰,戴永壽

(1.中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 青島 266580；2.中國石化股份勝利油田分公司 技術(shù)檢測(cè)中心， 東營 257000)

腐蝕造成的壁厚減薄是承壓設(shè)備失效破壞的主要原因之一，為了保障承壓設(shè)備的運(yùn)行安全，需定期對(duì)其剩余壁厚進(jìn)行檢測(cè)[1-2]。脈沖渦流檢測(cè)具有穿透能力強(qiáng)、檢測(cè)信號(hào)包含更多缺陷信息的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于承壓設(shè)備的缺陷檢測(cè)中[3]。檢測(cè)過程中，脈沖激勵(lì)參數(shù)和激勵(lì)線圈參數(shù)的不同會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。為了研究參數(shù)變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，徐志遠(yuǎn)等[3]研究了激勵(lì)參數(shù)和試件電磁參數(shù)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響；張輝等[4]研究了矩形傳感器尺寸、激勵(lì)脈沖頻率及占空比對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，得出需要根據(jù)被測(cè)試件的厚度來設(shè)計(jì)激勵(lì)頻率和占空比的結(jié)論；周德強(qiáng)等[5]對(duì)傳感器幾何參數(shù)和激勵(lì)頻率進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了試驗(yàn)中所用的最佳頻率；朱紅運(yùn)等[6]研究了激勵(lì)電流對(duì)檢測(cè)的影響規(guī)律。為了提高渦流檢測(cè)的靈敏度和分辨率，筆者通過仿真試驗(yàn)研究了脈沖激勵(lì)參數(shù)及激勵(lì)線圈參數(shù)對(duì)鐵磁性試件壁厚檢測(cè)靈敏度和分辨率的影響，確定了脈沖激勵(lì)參數(shù)和激勵(lì)線圈參數(shù)；最后以鐵磁性階梯試件為檢測(cè)對(duì)象，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 脈沖渦流檢測(cè)的基本原理

將具有一定幅值、頻率和占空比的脈沖信號(hào)加到激勵(lì)線圈兩端，由法拉第電磁感應(yīng)定律得知，在脈沖信號(hào)的跳變沿處,激勵(lì)線圈周圍會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)B1。當(dāng)激勵(lì)線圈靠近被測(cè)試件時(shí)，激勵(lì)線圈周圍變化的磁場(chǎng)會(huì)在試件中感應(yīng)出變化的渦流，渦流的變化又會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)變化的磁場(chǎng)B2。將檢測(cè)線圈磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)中包含著有關(guān)試件厚度的信息，提取檢測(cè)電壓信號(hào)中的某些特征就能實(shí)現(xiàn)壁厚的反演[7]。脈沖渦流測(cè)厚原理示意如圖1所示(圖中r0,r1,h分別為激勵(lì)線圈的內(nèi)半徑、外半徑和高度)。

圖1 脈沖渦流測(cè)厚原理示意

2 脈沖渦流測(cè)厚模型及仿真試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 脈沖渦流測(cè)厚模型

為了研究檢測(cè)參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，利用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立了脈沖渦流測(cè)厚模型。由于模型具有對(duì)稱性，同時(shí)為了減小計(jì)算量，將三維仿真模型轉(zhuǎn)化為二維仿真模型(見圖2)。模型中激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈均是同軸的空心圓柱形結(jié)構(gòu)，激勵(lì)線圈在內(nèi),檢測(cè)線圈在外，線圈材料設(shè)置為銅。為了計(jì)算方便，以厚度均勻的鋼板替代管道作為被測(cè)試件，鋼板的電導(dǎo)率設(shè)置為7.1 MS·m-1，相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)置為250。

圖2 脈沖渦流測(cè)厚二維仿真模型

2.2 仿真試驗(yàn)內(nèi)容

通過圖1可以看出，對(duì)脈沖渦流檢測(cè)結(jié)果造成影響的主要參數(shù)有脈沖激勵(lì)參數(shù)、激勵(lì)線圈參數(shù)及檢測(cè)線圈參數(shù)，但檢測(cè)線圈參數(shù)相較于脈沖激勵(lì)參數(shù)和激勵(lì)線圈參數(shù),對(duì)檢測(cè)靈敏度和分辨率的影響較小。仿真過程中保持檢測(cè)線圈的參數(shù)不變，設(shè)置檢測(cè)線圈的內(nèi)半徑為72 mm,外半徑為76 mm,高度為4 mm,匝數(shù)為800匝。脈沖激勵(lì)及激勵(lì)線圈的主要參數(shù)如表1所示。

表1 脈沖激勵(lì)及激勵(lì)線圈的主要參數(shù)

以差分電壓信號(hào)峰值為特征來研究參數(shù)變化對(duì)檢測(cè)靈敏度和分辨率的影響。差分電壓信號(hào)峰值的定義如式(1)所示。

ΔV=max(Vnodefect-Vdefect)

(1)

式中：Vnodefect為無缺陷處的檢測(cè)電壓信號(hào)，此時(shí)的信號(hào)為參考信號(hào);Vdefect為缺陷處的檢測(cè)電壓信號(hào),此時(shí)的信號(hào)為缺陷信號(hào);ΔV為參考信號(hào)減去缺陷信號(hào)的最大值[1]，ΔV越大，則檢測(cè)的靈敏度越高，不同厚度對(duì)應(yīng)的ΔV變化量越大，則檢測(cè)的分辨率越高。

仿真時(shí)被測(cè)試件的厚度設(shè)置為8, 11, 14, 17, 20 mm，其中最大厚度20 mm用來模擬無缺陷的情況，8,11,14,17 mm厚度用來模擬壁厚減薄的情況。脈沖渦流測(cè)厚仿真試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 脈沖渦流測(cè)厚仿真試驗(yàn)流程

3 參數(shù)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 脈沖激勵(lì)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在研究脈沖激勵(lì)參數(shù)對(duì)檢測(cè)的影響時(shí)，保持激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈的參數(shù)不變。設(shè)置激勵(lì)線圈的內(nèi)半徑為10 mm,外半徑為30 mm,高度為40 mm,匝數(shù)為400匝。檢測(cè)線圈的內(nèi)半徑為72 mm,外半徑為76 mm,高度為4 mm,匝數(shù)為800匝。限于篇幅，在此僅詳細(xì)介紹脈沖激勵(lì)電壓幅值的優(yōu)化過程。

保持激勵(lì)電壓的其他參數(shù)不變，僅改變電壓幅值進(jìn)行仿真試驗(yàn)。電壓幅值設(shè)置為20,25,30,35 V，設(shè)置頻率為1 Hz,占空比為50%,邊沿時(shí)間為1 ms。在不同的電壓幅值下，8 mm試件厚度的差分電壓信號(hào)如圖4所示，激勵(lì)電壓幅值與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線如圖5所示，不同激勵(lì)電壓幅值下不同厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值如表2所示。

圖4 不同電壓幅值下，8 mm試件厚度的差分電壓信號(hào)

圖5 激勵(lì)電壓幅值與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線(仿真)

將表2中的數(shù)據(jù)繪制在同一個(gè)直角坐標(biāo)系中，得到的激勵(lì)電壓幅值與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5可以看出，隨著電壓幅值的增大，同一厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值都增大，不同厚度之間的差分電壓信號(hào)峰值的變化量也增大，即隨著激勵(lì)電壓幅值的增大，檢測(cè)的靈敏度和分辨率均得到了提高。但在實(shí)際檢測(cè)過程中，激勵(lì)電壓幅值越大，則產(chǎn)生的熱量越高，容易損壞激勵(lì)線圈，綜合考慮，選定激勵(lì)電壓幅值為30 V。

表2 不同激勵(lì)電壓幅值下,不同試件厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值 mV

激勵(lì)電壓頻率與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6可以看出,隨著電壓頻率的增大，同一厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值都減小，不同厚度之間的差分電壓信號(hào)峰值的變化量也減小，即隨著激勵(lì)電壓頻率的增大，檢測(cè)的靈敏度和分辨率均降低。由渦流滲透深度公式[8](2)得知,激勵(lì)電壓頻率越小則滲透深度越大，檢測(cè)的靈敏度和分辨率越高，這與仿真結(jié)果相符。

圖6 激勵(lì)電壓頻率與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線(仿真)

(2)

式中：f為激勵(lì)電壓頻率;μ為被測(cè)試件的磁導(dǎo)率;σ為被測(cè)試件的電導(dǎo)率;δ為渦流滲透深度。

此外，由于在0.1 Hz和1 Hz條件下，檢測(cè)的靈敏度和分辨率相差無幾，綜合考慮，選定激勵(lì)電壓頻率為1 Hz。激勵(lì)電壓占空比與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著電壓占空比的增大，同一厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值不改變，即檢測(cè)的靈敏度和分辨率不受激勵(lì)電壓占空比的影響。但占空比過小會(huì)導(dǎo)致渦流不能有效擴(kuò)散到試件下表面，從而檢測(cè)信號(hào)中不包含有關(guān)試件厚度的信息，而占空比過大又會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量更高。因此，綜合考慮，選定激勵(lì)電壓的占空比為50%。

圖7 激勵(lì)電壓占空比與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線(仿真)

3.2 激勵(lì)線圈參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

激勵(lì)線圈的參數(shù)設(shè)計(jì)是脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，激勵(lì)線圈的參數(shù)直接影響被測(cè)試件中渦流的大小及擴(kuò)散情況。通過研究發(fā)現(xiàn)，小尺寸探頭適用于檢測(cè)小壁厚，大尺寸探頭適用于檢測(cè)大壁厚[1]。通過研究激勵(lì)線圈內(nèi)半徑、外半徑、高度及匝數(shù)對(duì)檢測(cè)靈敏度和分辨率的影響，對(duì)激勵(lì)線圈的參數(shù)給出了選定依據(jù)。在研究激勵(lì)線圈參數(shù)對(duì)檢測(cè)的影響時(shí)，保持脈沖激勵(lì)電壓參數(shù)不變，設(shè)置電壓幅值為30 V，占空比為50%，頻率為1 Hz，邊沿時(shí)間為1 ms。

保持激勵(lì)線圈的其他參數(shù)不變，僅改變激勵(lì)線圈內(nèi)半徑進(jìn)行仿真試驗(yàn)。設(shè)置激勵(lì)線圈內(nèi)半徑為5,10,15,20,25 mm，外半徑為30 mm,高度為40 mm,匝數(shù)為400匝。在不同的激勵(lì)線圈內(nèi)半徑下，8 mm試件厚度的差分電壓信號(hào)如圖8所示，不同激勵(lì)線圈內(nèi)半徑下,不同厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值如表3所示。

圖8 不同激勵(lì)線圈內(nèi)半徑下，8 mm試件厚度的差分電壓信號(hào)

將表3中的數(shù)據(jù)繪制在同一個(gè)直角坐標(biāo)系中，得到激勵(lì)線圈內(nèi)半徑與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線如圖9所示。從圖9可以看出，隨著激勵(lì)線圈內(nèi)半徑的增大，同一試件厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值略有增大，不同厚度之間的差分電壓信號(hào)峰值的變化量也略有增大，即隨著激勵(lì)線圈內(nèi)半徑的增大，檢測(cè)的靈敏度和分辨率都略有提高。然而，激勵(lì)線圈內(nèi)半徑過大時(shí)，不能有效檢測(cè)小范圍腐蝕。綜合考慮，選定激勵(lì)線圈內(nèi)半徑為10 mm。

圖9 激勵(lì)線圈內(nèi)半徑與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線

表3 不同激勵(lì)線圈內(nèi)半徑下，不同試件厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值 mV

激勵(lì)線圈外半徑與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線如圖10所示。從圖10可以看出，隨著激勵(lì)線圈外半徑的增大，同一厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值略有增大，不同厚度之間的差分電壓信號(hào)峰值的變化量也增大，即隨著激勵(lì)線圈外半徑的增大，檢測(cè)靈敏度和分辨率都有所提高。然而，激勵(lì)線圈外半徑過大時(shí)，不能有效檢測(cè)小范圍腐蝕。綜合考慮，選定激勵(lì)線圈外半徑為30 mm。

圖10 激勵(lì)線圈外半徑與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線

激勵(lì)線圈高度與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線如圖11所示。從圖11可以看出，隨著激勵(lì)線圈高度的增大，同一厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值減小，不同厚度之間的差分電壓信號(hào)峰值的變化量也減小，即隨著激勵(lì)線圈高度的增大，檢測(cè)靈敏度和分辨率都降低。然而，激勵(lì)線圈的高度過小時(shí)，不能有效檢測(cè)較大厚度的試件。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的壁厚檢測(cè)需求，綜合考慮，選定激勵(lì)線圈高度為40 mm。

圖11 激勵(lì)線圈高度與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線

激勵(lì)線圈匝數(shù)與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線如圖12所示。從圖12可以看出，隨著激勵(lì)線圈匝數(shù)的增多，同一厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值略微減小，不同厚度之間的差分電壓信號(hào)峰值的變化量也略微減小，即隨著激勵(lì)線圈匝數(shù)的增多，檢測(cè)靈敏度和分辨率的變化不太明顯。然而，匝數(shù)的多少會(huì)影響磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而影響壁厚的檢測(cè)范圍，綜合考慮，選定激勵(lì)線圈匝數(shù)為400匝。

圖12 激勵(lì)線圈匝數(shù)與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線

3.3 探頭厚度檢測(cè)范圍的確定

在前兩小節(jié)介紹了脈沖激勵(lì)參數(shù)和激勵(lì)線圈參數(shù)對(duì)檢測(cè)的影響，確定了脈沖激勵(lì)參數(shù)和激勵(lì)線圈參數(shù)。激勵(lì)線圈電壓幅值為30 V，頻率為1 Hz，占空比為50%，邊沿時(shí)間為1 ms，激勵(lì)線圈內(nèi)半徑為10 mm，外半徑為30 mm，高度為40 mm，匝數(shù)為400匝;檢測(cè)線圈的內(nèi)半徑為72 mm，外半徑為76 mm,高度為4 mm，匝數(shù)為800匝。為了確定在該參數(shù)下的有效厚度檢測(cè)范圍，以單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下信號(hào)后期斜率(脈沖渦流檢測(cè)電壓信號(hào)曲線的后期在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中趨于直線，該直線的斜率為信號(hào)后期斜率)為特征[9]，通過仿真試驗(yàn)確定了有效厚度檢測(cè)范圍。

仿真時(shí)被測(cè)試件的厚度為1.5～45 mm，單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的檢測(cè)電壓信號(hào)如圖13所示。通過提取信號(hào)后期斜率并建立其與厚度之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，試件厚度為4～24 mm的信號(hào)后期斜率與厚度之間呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關(guān)系，擬合曲線如圖14所示。斜率與厚度之間的關(guān)系如式(3)所示。

圖13 單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的檢測(cè)電壓信號(hào)(仿真)

圖14 信號(hào)斜率與被測(cè)試件厚度擬合曲線(仿真)

y=71.71(-x)-0.53

(3)

關(guān)系式的確定系數(shù)為0.999 1。通過仿真試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析可以得出，在該參數(shù)條件下的有效厚度檢測(cè)范圍為4～24 mm。

4 測(cè)試件試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)系統(tǒng)包括自研發(fā)的脈沖激勵(lì)源、Q235材料的階梯板、探頭、示波器及PC機(jī)，脈沖激勵(lì)參數(shù)及探頭參數(shù)與仿真試驗(yàn)參數(shù)相同。首先以9,11,13,15,18 mm厚度的測(cè)試件進(jìn)行試驗(yàn)來驗(yàn)證脈沖激勵(lì)參數(shù)仿真優(yōu)化結(jié)果的正確性，試驗(yàn)結(jié)果如圖15～17所示。

圖15 激勵(lì)電壓幅值與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線(驗(yàn)證試驗(yàn))

圖16 激勵(lì)電壓頻率與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線(驗(yàn)證曲線)

圖17 激勵(lì)電壓占空比與差分電壓信號(hào)峰值關(guān)系曲線(驗(yàn)證試驗(yàn))

從圖15～17可以看出，參數(shù)變化對(duì)檢測(cè)的影響規(guī)律與仿真試驗(yàn)結(jié)果相同，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

然后驗(yàn)證探頭的厚度檢測(cè)范圍，將采集的檢測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理及單對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到的電壓信號(hào)如圖18所示。通過提取信號(hào)后期斜率并建立其與厚度之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，厚度為7～24 mm的斜率與厚度之間呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關(guān)系，擬合曲線如圖19所示。斜率與厚度之間的關(guān)系式如式(4)所示，關(guān)系式的確定系數(shù)為0.954 5。通過測(cè)試件試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析可以得出

圖18 單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的檢測(cè)電壓信號(hào)(驗(yàn)證試驗(yàn))

圖19 信號(hào)斜率與被測(cè)試件厚度關(guān)系曲線(驗(yàn)證試驗(yàn))

y=124.4(-x)-0.661

(4)

使用該探頭能夠有效檢測(cè)7～24 mm厚度的試件。由于繞制的探頭尺寸存在一定偏差，厚度檢測(cè)范圍較仿真結(jié)果略有不同。

5 結(jié)語

(1) 激勵(lì)電壓幅值、激勵(lì)線圈內(nèi)半徑及激勵(lì)線圈外半徑越大，檢測(cè)靈敏度和分辨率越高;激勵(lì)電壓頻率、激勵(lì)線圈高度及激勵(lì)線圈匝數(shù)越大，則檢測(cè)靈敏度和分辨率越低;激勵(lì)電壓占空比的變化不影響檢測(cè)的靈敏度和分辨率。

(2) 激勵(lì)電壓幅值、激勵(lì)電壓頻率、激勵(lì)線圈外半徑及激勵(lì)線圈高度對(duì)檢測(cè)靈敏度和分辨率的影響較大，激勵(lì)電壓占空比、激勵(lì)線圈內(nèi)半徑及激勵(lì)線圈匝數(shù)對(duì)檢測(cè)靈敏度和分辨率的影響較小。

(3) 使用所設(shè)計(jì)的參數(shù)能夠有效檢測(cè)7～24 mm厚度的試件。