小徑管內(nèi)壁缺陷的渦流熱成像定量檢測(cè)

王勇勇,孫全德,王恪典,原 鵬

(1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,新疆 烏魯木齊 830047;3.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

1 引 言

壓力管道被廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工原料的輸送。由于輸送介質(zhì)大多具有腐蝕性,容易導(dǎo)致管道內(nèi)壁出現(xiàn)局部腐蝕缺陷,造成管道穿孔、泄露、減薄等安全隱患。為確保壓力管道安全運(yùn)行,避免重大安全生產(chǎn)事故的發(fā)生,對(duì)管道內(nèi)壁腐蝕缺陷的深度的定量評(píng)估至關(guān)重要。

壓力管道中小徑管是指外徑 57～89 mm,壁厚 3～8 mm 的管子。目前對(duì)于小徑管缺陷的無(wú)損檢測(cè)手段主要有渦流、超聲、射線等檢測(cè)手段[1]。由于小徑管曲率大、壁厚薄,導(dǎo)致常規(guī)無(wú)損檢測(cè)手段在對(duì)內(nèi)壁缺陷檢測(cè)時(shí)具有一定局限性。射線法多采用橢圓透射工藝,由于管徑小,射線束與裂紋夾角往往大于11°,造成缺陷拍攝不清晰,容易漏檢[2]。超聲檢測(cè)受管道曲率的影響,造成超聲波能量的損失,降低缺陷檢測(cè)的靈敏度,特別是對(duì)于尺寸較小的缺陷。

紅外熱成像技術(shù)作為一種新興高效的無(wú)損檢測(cè)手段,具有檢測(cè)面積大、檢測(cè)速度快、非接觸、靈敏度高、缺陷信息直觀準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[3]。此前紅外熱成像檢測(cè)多用于鐵軌表面RCF裂紋、金屬腐蝕,以及復(fù)合材料裂紋、沖擊損傷等缺陷檢測(cè)[4-8]。渦流熱成像(Eddy Current Pulsed Thermography,ECPT)是一種主動(dòng)熱激勵(lì)檢測(cè)方法,基于電磁學(xué)中的渦流現(xiàn)象與焦耳熱現(xiàn)象,在對(duì)金屬內(nèi)壁腐蝕缺陷的檢測(cè)具有潛在的有效性。近幾年部分國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者,將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)部缺陷的檢測(cè),并提出多種方法定量缺陷深度。例如,王卓[9]等人利用缺陷與非缺陷區(qū)域灰度均值的差值與缺陷深度的關(guān)系,建立了對(duì)于缺陷深度檢測(cè)擬合模型。He[10]等人利用峰值時(shí)間與剩余厚度線性關(guān)系,建立缺陷深度與峰值時(shí)間線性擬合曲線來(lái)預(yù)估缺陷深度。Lahiria[11]等人利用缺陷區(qū)域與非缺陷區(qū)域衰減速率的不同擬合出用于定量未知缺陷深度曲線。Rui[12]等人利用對(duì)數(shù)分析法將溫度轉(zhuǎn)化到對(duì)數(shù)域內(nèi)分析,通過(guò)分析缺陷的深度與分離時(shí)間線性關(guān)系,來(lái)量化缺陷的深度。Wang[13]等人提出利用高斯變換將峰值對(duì)比度時(shí)間與缺陷深度之間的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了修正后的線性關(guān)系能更準(zhǔn)確地定量缺陷深度。以上在對(duì)于缺陷大小定量方面,大多利用缺陷點(diǎn)與無(wú)缺陷點(diǎn)最大熱對(duì)比度、峰值時(shí)間為特征量對(duì)缺陷深度定量,且研究對(duì)象多為金屬板試件的檢測(cè),對(duì)于小徑管內(nèi)壁腐蝕缺陷的研究較少。

針對(duì)這一問(wèn)題,本文采用渦流熱成像技術(shù),通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,分析不同深度缺陷對(duì)溫度信號(hào)的影響,提取冷卻階段溫度信號(hào),利用溫度衰減信號(hào)與時(shí)間圍成的面積作為特征量定量缺陷的深度。

2 脈沖渦流熱成像檢測(cè)原理

如圖1所示渦流熱成像檢測(cè)原理:依據(jù)電磁學(xué)中電磁感應(yīng)定律,當(dāng)感應(yīng)線圈中通入高頻交變電流時(shí),在靠近激勵(lì)線圈的鐵磁性導(dǎo)電材料將會(huì)感應(yīng)出電渦流,渦流產(chǎn)生的熱輻射將被紅外攝像儀接收。依據(jù)焦耳定律可知,渦流在被測(cè)件中轉(zhuǎn)換成焦耳熱,由于受趨膚效應(yīng)的影響,熱量主要集中材料表面,然后通過(guò)熱傳導(dǎo)從向材料內(nèi)部溫度較低地方傳播,以達(dá)到熱平衡。如果材料中存在缺陷時(shí),會(huì)阻礙渦流分布和熱傳導(dǎo)過(guò)程。因此,通過(guò)紅外熱像儀觀察試件表面溫度圖像分布,可以實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)。

圖1 渦流熱成像原理圖

3 感應(yīng)加熱數(shù)學(xué)模型

在電渦流脈沖熱成像檢測(cè)中,激勵(lì)電流在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)渦流會(huì)存在趨膚效應(yīng),由式(1)可以計(jì)算:

(1)

式中,f為激勵(lì)電流的頻率;σ為被測(cè)件的電導(dǎo)率;μ為材料磁導(dǎo)率。

由于材料本身的電阻,當(dāng)渦流在鐵磁性材料的流動(dòng)過(guò)程中將產(chǎn)生熱量,而這些熱量受趨膚效應(yīng)的影響主要集中在材料表面,依據(jù)焦耳定律可知,導(dǎo)體內(nèi)的渦流產(chǎn)生熱量用Q可以表示為:

(2)

其中,jc為線圈電流密度;E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

從式(2)可知,產(chǎn)生的熱量Q與被測(cè)試件電場(chǎng)強(qiáng)度和線圈電流密度呈正比。由于產(chǎn)生熱量受趨膚效應(yīng)的影響熱量主要集中在材料表面施加于材料的表面,然后逐漸從加熱區(qū)域傳導(dǎo)到材料內(nèi)部溫度較低的地方,以達(dá)到熱平衡,熱傳導(dǎo)方程可表示為:

(3)

其中,ρ為材料密度;Cp為材料比熱容;ρ為熱傳導(dǎo)系數(shù);T是被測(cè)試件表面的溫度;k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

被測(cè)試件表面熱量以熱波的形式隨時(shí)間t向材料內(nèi)部傳播一定深度,這個(gè)深度被定義為熱透入深度,用σth表示為:

(4)

其中,t為記錄的時(shí)刻；α為材料的熱擴(kuò)散系數(shù)可表示為:

a=k/ρCp

(5)

由此可見(jiàn),電渦流脈沖熱成像檢測(cè)缺陷的能力取決于材料趨膚效應(yīng)與熱透入深度。例如,鐵磁性材料趨膚深度在頻率100 kHz時(shí)為0.04 mm,200 kHz為0.03 mm,非鐵磁材料如鋁,其趨膚深度在100 kHz時(shí)約為0.34 mm。由于實(shí)驗(yàn)試件采用鐵磁性材料,趨膚深度較小,加熱方式為近表面加熱。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 建立模型

利用COMSOL Multiphysics建立如圖2所示有限元模型,分析缺陷深度對(duì)溫度信號(hào)的影響。試件尺寸為外直徑60 mm,壁厚4 mm,長(zhǎng)200 mm半圓形鋼管。在管道內(nèi)壁存在不同深度與面積的腐蝕缺陷,缺陷直徑D為6 mm,深度H為1～3 mm。采用380 A激勵(lì)電流,激勵(lì)頻率256 kHz,由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加熱階段存在一定延遲時(shí)間,所以數(shù)值模擬采用加熱260 ms,冷卻至600 ms,激勵(lì)線圈提離1 mm,數(shù)值模擬的采用材料參數(shù)如表1所示。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

如圖3所示,不同深度缺陷在加熱階段與冷卻階段的表面溫度分布,從圖中可以看出在在加熱階段250 ms時(shí),雖然可以觀察到缺陷位置,但對(duì)于深度較小的缺陷,難以檢測(cè)出缺陷的大小。在冷卻階段500 ms時(shí),由于缺陷區(qū)域相比無(wú)缺陷區(qū)域具有更高溫度,可以發(fā)現(xiàn)缺陷位置與面積輪廓信息更為明顯,對(duì)于缺陷深度小于2 mm缺陷,對(duì)于縱向熱傳導(dǎo)影響較小,在熱圖像中難以準(zhǔn)確識(shí)別缺陷的大小。同時(shí),分析得出對(duì)于鐵磁性材料,在冷卻階段對(duì)內(nèi)壁缺陷的定量分析較為合適,這為下一步實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)。

表1 材料參數(shù)

圖2 內(nèi)壁缺陷仿真模型

圖3 加熱和冷卻階段溫度圖

為進(jìn)一步分析缺陷深度對(duì)于溫度信號(hào)影響,如圖4所示提取不同深度缺陷中心處溫度變化曲線,截取冷卻階段溫度衰減信號(hào),并進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理如圖5所示,從圖中可以看出缺陷深度越深,溫度衰減越快。其原因?yàn)槿毕萆疃仍缴?則剩余壁厚越小,缺陷處溫度的熱散耗越大,導(dǎo)致溫度衰減速率越快。

圖4 不同深度缺陷溫度曲線

圖5 冷卻階段溫度歸一化曲線

5 渦流熱成像實(shí)驗(yàn)分析

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置

渦流熱成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示,激勵(lì)線圈采用感應(yīng)加熱系統(tǒng)(Easyheat 224,Ambrell)。該激勵(lì)系統(tǒng)最大勵(lì)磁功率為2.4 kW,最大電流為400 A,勵(lì)磁頻率范圍為150 kHz～400 kHz。實(shí)驗(yàn)中采用Flir紅外熱像儀記錄試件熱信號(hào)分辨率為786×562,采樣頻率60 Hz,靈敏度為20 mK,試驗(yàn)中使用的激勵(lì)線圈,由直徑為6.00 mm的空心銅管制成。實(shí)驗(yàn)采用加熱時(shí)間為0.3 s,攝像機(jī)記錄時(shí)間為1.5 s。

圖6 渦流熱成像試驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用的缺陷試件如圖7所示,小徑管外直徑為60 mm,長(zhǎng)度200 mm,試件內(nèi)壁加工5個(gè)不同深度的人工孔缺陷,缺陷之間距離相等,缺陷直徑D為6 mm,深度H為1～3 mm。

圖7 缺陷試件

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖8為所示缺陷深度1～3 mm在加熱階段0.3 s與冷卻階段0.5 s、1 s時(shí)表面熱圖像,從圖中可以看出,在加熱階段從熱圖像中僅可以識(shí)別出深度2.5 mm與3 mm的缺陷,而對(duì)于深度較小的缺陷難以檢測(cè)。在冷卻階段0.5 s時(shí),對(duì)于深度大于1.5 mm的缺陷,可以從熱圖像中觀察到缺陷的輪廓信息,由于橫向熱傳導(dǎo)影響,導(dǎo)致檢測(cè)缺陷面積大于實(shí)際缺陷面積,并隨著冷卻時(shí)間增加,缺陷的輪廓信息逐漸變模糊。對(duì)于深度1 mm的缺陷,對(duì)縱向熱傳導(dǎo)影響較小,且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中受外界環(huán)境與不均勻加熱的影響,導(dǎo)致缺陷區(qū)域與無(wú)缺陷區(qū)域熱對(duì)比度較低,難以從紅外熱圖像中觀察到缺陷的位置。

如圖9所示,提取沿缺陷水平方向線段1位置,在冷卻階段0.5 s時(shí)缺陷深度1 mm、1.5 mm、2 mm溫度變化值。從圖可以看出,對(duì)于缺陷深度1 mm缺陷,在線段1處溫度變化比較平緩,缺陷區(qū)域與無(wú)缺陷區(qū)域熱對(duì)比度較小,沒(méi)有缺陷導(dǎo)致的明顯的溫度突變,因此難以在熱圖像中觀察到缺陷的位置。

從數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出,對(duì)于深度較小的缺陷,在冷卻階段缺陷深度信息較為明顯,如圖10所示,提取部分冷階段溫度衰減信號(hào),得到與數(shù)值模擬結(jié)果具有相同趨勢(shì),即缺陷深度越深,冷卻階段溫度衰減越快,但由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中受室內(nèi)環(huán)境溫度與提離效應(yīng)影響,與數(shù)值模擬分析出的溫度分布存在一定差異。

圖8 不同深度缺陷的渦流熱圖像

圖9 線段溫度分布

依據(jù)圖10可以得出缺陷深度越深溫度衰減信號(hào)越快,因此可以通過(guò)溫度衰減信號(hào)與時(shí)間所圍成面積的不同為特征量預(yù)估缺陷深度,如圖11所示,缺陷深度越深,溫度衰減越快,與時(shí)間圍成面積越小。如圖12所示,采用線性擬合方法,建立缺陷深度與溫度衰減信號(hào)積分面積的線性擬合模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷深度的預(yù)估。

圖10 不同缺陷深度歸一化溫度信號(hào)

圖11 瞬態(tài)衰減信號(hào)所圍成面積圖

圖12 缺陷深度與積分面積擬合模型

6 結(jié) 論

(1)通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出相同趨勢(shì),缺陷深度越深,冷卻階段溫度衰減越快。同時(shí)對(duì)于鐵磁性材料內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn),在冷卻階段可以從原始熱圖像中識(shí)別出深度較小的缺陷。

(2)利用溫度衰減信號(hào)與時(shí)間所圍成面積的不同為特征量,建立缺陷深度與積分面積線性擬合模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷深度的預(yù)估。

(3)在渦流熱成像實(shí)驗(yàn)中,可以檢測(cè)出缺陷直徑6 mm,最小深度1.5 mm缺陷,驗(yàn)證該方法對(duì)小徑管內(nèi)壁腐蝕檢測(cè)的有效性。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于檢測(cè)線圈對(duì)缺陷檢測(cè)存在遮擋,造成缺陷可視化效果差,后續(xù)研究將設(shè)計(jì)一種激勵(lì)線圈,提高缺陷檢測(cè)的可視化。