一種地面鋼質(zhì)管道損傷渦流磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黨 偉 朱 兵

（1.北京大豪科技股份有限公司，北京 100011；2.北京商業(yè)學(xué)校，北京 102200）

0 引言

管道是重要的液體、氣體運(yùn)輸工具，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。其中，地面鋼質(zhì)管道由于不受地下因素制約，不影響土壤環(huán)境，相對(duì)埋地管道清除事故容易、整修方便，因此廣泛應(yīng)用于石化運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)[2]。但由于鋼質(zhì)管道使用周期過(guò)長(zhǎng)致使管壁腐蝕損壞，容易發(fā)生管道的泄漏事故，造成嚴(yán)重的后果。因此，為有效避免地面鋼質(zhì)管道泄漏事故的發(fā)生，有必要對(duì)其進(jìn)行定期檢測(cè)[3]。

地面鋼質(zhì)管道為避免管壁的腐蝕、延長(zhǎng)使用周期，需要進(jìn)行防腐，通常情況下，在管道的外部會(huì)包裹一層保溫和防腐的復(fù)合層[4]。因此，針對(duì)地面鋼質(zhì)管道的損傷檢測(cè)需求，還需要滿足檢測(cè)系統(tǒng)具有一定的提離效應(yīng)，以保證能夠在不拆除管道外保護(hù)層的前提下，對(duì)管道缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)。

1 渦流磁場(chǎng)檢測(cè)基本原理

渦流磁場(chǎng)有效檢測(cè)的前提是在待測(cè)管道的管壁感應(yīng)出感應(yīng)電流。根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知，當(dāng)交變磁場(chǎng)通入金屬內(nèi)部時(shí)，能夠在金屬內(nèi)部感應(yīng)出交變的電場(chǎng)，且該電場(chǎng)的方向垂直于磁場(chǎng)[5]。所以，當(dāng)交變磁場(chǎng)接近管道時(shí)，會(huì)在管道的管壁感應(yīng)出交變的電場(chǎng)，管道為良導(dǎo)體，電場(chǎng)的存在必然產(chǎn)生電流，該電流為感應(yīng)電流[6]。當(dāng)感應(yīng)電流在流動(dòng)方向上遇到管道缺陷時(shí)，電流方向會(huì)發(fā)生偏移，同時(shí)，缺陷處導(dǎo)體電阻率的改變也會(huì)使感應(yīng)電流變化，感應(yīng)電流分布的變化會(huì)致使相應(yīng)管壁附近的感應(yīng)磁場(chǎng)發(fā)生畸變[7]，所以，在管道缺陷上方就會(huì)形成畸變的磁力線分布，即管道缺陷相應(yīng)位置附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生改變。通過(guò)檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，就能夠定位管道的缺陷位置。

傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)方法因?yàn)橼吥w效應(yīng)的存在，無(wú)法滿足檢測(cè)的深度要求，如果選擇低頻激勵(lì)信號(hào)則又無(wú)法保證檢測(cè)的精度[8]。因此，為克服趨膚效應(yīng)問(wèn)題，同時(shí)兼顧檢測(cè)靈敏度、可靠性等需求，設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)采用一種特殊的激勵(lì)方式，低頻正弦信號(hào)搭載高頻正弦信號(hào)的波形輸出，激勵(lì)源信號(hào)波形如圖1所示。低頻信號(hào)保證了檢測(cè)的深度，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)能夠穿透管道外壁的防腐層，使檢測(cè)具有一定的提離效應(yīng)，而高頻信號(hào)則滿足了檢測(cè)的精度要求。

2 檢測(cè)探頭及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)探頭

探頭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為檢測(cè)探頭和矯正探頭兩個(gè)部分，檢測(cè)探頭平行于管道軸線縱向放置，激勵(lì)線圈致密纏繞于硅鋼片磁芯，線圈外接激勵(lì)電源，檢測(cè)時(shí)保持檢測(cè)探頭均勻低速掃描管道，拾取缺陷處的突變磁場(chǎng)信號(hào)。矯正探頭固定于一塊無(wú)缺陷鐵氧體上方，激勵(lì)線圈同樣致密纏繞于硅鋼片磁芯，線圈接入可調(diào)精密電阻后與激勵(lì)電源連接。調(diào)節(jié)可調(diào)精密電阻的阻值，使矯正探頭與檢測(cè)探頭的三軸磁場(chǎng)信號(hào)在幅值與相位上相一致。因?yàn)闄z測(cè)探頭在缺陷處拾取到的磁場(chǎng)信號(hào)是自身激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和缺陷磁場(chǎng)以及其它影響因素共同作用疊加后的磁場(chǎng)信號(hào)，所以，在后期的信號(hào)處理中，只需要采用物理方法將檢測(cè)探頭與調(diào)節(jié)好參數(shù)的矯正探頭的三軸磁場(chǎng)值分別做差，即可得到管道上對(duì)應(yīng)缺陷處的三軸磁場(chǎng)信號(hào)。應(yīng)用此物理方法提取出的缺陷信號(hào)，更加接近真實(shí)缺陷處的磁場(chǎng)信號(hào)。

檢測(cè)探頭和矯正探頭實(shí)物圖如圖2所示。其中，硅鋼片磁芯單片厚度0.3mm，檢測(cè)探頭和矯正探頭磁芯均為40片硅鋼片疊加，厚度約12mm，檢測(cè)探頭尺寸為80×35mm（鏤空矩形50×20mm），矯正探頭尺寸為60×25mm（鏤空矩形40×15mm），鐵氧體尺寸為100×50×25mm。

有鐵芯的電感器存在磁飽和問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)該保證鐵芯在磁飽和范圍內(nèi)工作，而且磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)該盡量較大保證有理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]。以現(xiàn)有尺寸的檢測(cè)探頭和矯正探頭為計(jì)算對(duì)象，最終選定激勵(lì)線圈線徑為0.5mm，安全電流值1.178A，檢測(cè)探頭纏繞線圈200匝，矯正探頭纏繞線圈150匝。實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制電流值不超過(guò)1.178A，探頭磁路就不會(huì)達(dá)到磁飽和的狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)包括激勵(lì)電源、功率放大電路、檢測(cè)探頭、采集卡、計(jì)算機(jī)等。激勵(lì)電源外接功率放大電路，調(diào)節(jié)功率放大器的增益，使實(shí)際作用于勵(lì)磁線圈的電流有效值達(dá)到最優(yōu)檢測(cè)要求。選用高磁導(dǎo)率的U形硅鋼片疊加作為磁芯，在磁芯上致密纏繞計(jì)算后的固定匝數(shù)的線圈，檢測(cè)探頭和矯正探頭的激勵(lì)線圈并聯(lián)，同時(shí)輸入所需頻率的激勵(lì)信號(hào)。接收部分選用TMR2309三軸磁電阻線性傳感器芯片探頭，固定于U形檢測(cè)探頭和矯正探頭正下方中心位置，傳感器外接采集卡和上位機(jī)，記錄信號(hào)波形，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交流，采集數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)、測(cè)量結(jié)果顯示與存儲(chǔ)都可以在上位機(jī)端完成[10]。檢測(cè)中，保持檢測(cè)探頭兩個(gè)極靴端連線平行于管道軸線縱向放置，在管道正上方均勻低速掃描管道，矯正探頭固定于無(wú)缺陷鐵氧體表面，觀察與探頭連接的上位機(jī)端實(shí)時(shí)顯示的信號(hào)波形，對(duì)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行Matlab分析處理，提取管道上對(duì)應(yīng)不同類型缺陷的磁場(chǎng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定性檢測(cè)[11]。檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)示意圖如圖3所示。

3 有限元仿真與分析

應(yīng)用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件對(duì)檢測(cè)探頭掃描管道的過(guò)程進(jìn)行仿真分析，三維建模包括檢測(cè)探頭和管道兩個(gè)部分，其中檢測(cè)探頭與實(shí)物等比例建模，置于管道正上方10mm提離位置，管道建模尺寸為內(nèi)徑68mm，外徑74mm，長(zhǎng)600mm，在管道中心位置處，有一個(gè)直徑12mm的通孔缺陷。對(duì)建立的檢測(cè)模型進(jìn)行磁場(chǎng)仿真，得到管道產(chǎn)生的相應(yīng)感應(yīng)電流分布和檢測(cè)探頭中磁力線的分布情況如圖4所示。

由圖4可知，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)集中于鐵芯內(nèi)部，這是由于硅鋼片鐵芯的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣，與空氣相比鐵芯磁阻很小，所以，磁通幾乎全部集中在鐵芯內(nèi)部[12]。同時(shí)，管壁產(chǎn)生均勻的感應(yīng)電流，在通孔缺陷處，感應(yīng)電流發(fā)生偏折和扭曲，感應(yīng)電流分布的變化必然引起感應(yīng)磁場(chǎng)的改變，所以，在缺陷附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生畸變。進(jìn)一步對(duì)檢測(cè)模型的電勢(shì)分布計(jì)算和分析，得到電勢(shì)仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，由于探頭的激勵(lì)磁場(chǎng)作用，管道電勢(shì)在磁軛探頭的兩腳和缺陷處存在明顯電勢(shì)差，探頭兩腳間的電勢(shì)差使管道產(chǎn)生均勻感應(yīng)電流，缺陷處電勢(shì)差使感應(yīng)電流發(fā)生畸變，致使缺陷附近磁場(chǎng)發(fā)生改變，檢測(cè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果與理論研究相一致。

4 實(shí)驗(yàn)探究與結(jié)果分析

通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)管道檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，模擬地面鋼質(zhì)管道的檢測(cè)工況，對(duì)渦流磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)及設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)鋼質(zhì)管道內(nèi)徑68mm，外徑74mm，總長(zhǎng)2850mm，實(shí)驗(yàn)管道表面預(yù)制沿管徑裂紋、垂直管徑裂紋、刻槽、通孔、盲孔和45°裂紋六種不同類型缺陷，其中，盲孔缺陷直徑12mm，深度2mm；通孔缺陷直徑12mm；刻槽缺陷尺寸為20×12×2mm；三種裂紋缺陷尺寸均為30×2×2mm，實(shí)驗(yàn)管道示意圖如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)中，分別對(duì)六種不同類型缺陷進(jìn)行檢測(cè)，激勵(lì)信號(hào)高頻低頻20Hz，高頻1kHz，輸出電壓峰峰值14V，將檢測(cè)探頭置于管道正上方，提離值10cm，沿管徑方向均速掃描管道，分別通過(guò)不同缺陷上方附近，采集對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)信號(hào)。檢測(cè)探頭測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)為感應(yīng)磁場(chǎng)、缺陷處磁場(chǎng)和其他環(huán)境因素共同作用的磁場(chǎng)，而矯正探頭測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)沒(méi)有管道缺陷磁場(chǎng)，因此，要得到缺陷的磁場(chǎng)信號(hào)，就可以在信號(hào)處理中，將調(diào)節(jié)好幅值和相位的矯正探頭三軸磁場(chǎng)信號(hào)和檢測(cè)探頭三軸磁場(chǎng)值分別做差，采用物理方法提取缺陷磁場(chǎng)信號(hào)，現(xiàn)以磁場(chǎng)的法向分量為分析對(duì)象，實(shí)驗(yàn)最終得到的六種不同缺陷的磁場(chǎng)信號(hào)如圖7所示。

分析圖7可知，當(dāng)檢測(cè)探頭保持一定的提離值，掃描通過(guò)不同種類的管道缺陷時(shí)，在缺陷附近磁場(chǎng)信號(hào)的法向分量存在明顯的信號(hào)突變，提取出的缺陷磁場(chǎng)信號(hào)對(duì)不同種類的管道缺陷表現(xiàn)為不同的信號(hào)特征，通過(guò)分析信號(hào)特征，可以對(duì)管道缺陷進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)需求。通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，認(rèn)為檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和信號(hào)處理方法可以對(duì)管道進(jìn)行損傷檢測(cè)，定位缺陷位置，且能夠保證在一定的提離距離下的檢測(cè)精度。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于地面鋼質(zhì)管道能夠在不拆除防腐層的前提下對(duì)管道進(jìn)行損傷檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于渦流磁場(chǎng)檢測(cè)原理對(duì)管道進(jìn)行探傷的檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用COMSOL仿真和管道模擬缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了檢測(cè)探頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性，觀察管道在不同種類缺陷下，缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律，應(yīng)用信號(hào)處理方法提取出不同缺陷對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)了管道的損傷檢測(cè)，能夠有效定位缺陷位置。