基于脈沖渦流的提離高度檢測(cè)方法

殷雪峰，程千里，竇鳳杰，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 266500；2.天津特米斯科技有限公司，天津 300131)

0 引言

利用脈沖渦流(Pulsed Eddy Current,PEC)檢測(cè)技術(shù)對(duì)帶保溫層的金屬管道或設(shè)備壁厚進(jìn)行檢測(cè)，是近幾年發(fā)展起來的一種新型非接觸式無損檢測(cè)技術(shù)。與傳統(tǒng)渦流檢測(cè)技術(shù)不同，脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)采用方波作為激勵(lì)方式，激勵(lì)能量更強(qiáng)，具有很好的穿透性能，能夠穿透幾十甚至上百毫米的包覆層(保溫層和保護(hù)層)，可真正實(shí)現(xiàn)在不拆除保溫層的情況下對(duì)承壓管道或設(shè)備的不停機(jī)檢測(cè)，該技術(shù)已在煉油化工等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

現(xiàn)有利用脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)帶保溫層的鐵磁性材料壁厚進(jìn)行檢測(cè)，一般采用拐點(diǎn)時(shí)間[2-3]或晚期信號(hào)衰減率(或稱晚期信號(hào)斜率)[4-8]作為特征值，其中，拐點(diǎn)時(shí)間受提離高度影響較大[2-3]，晚期信號(hào)衰減率受提離高度影響較小[8]。目前，為抑制脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)的提離效應(yīng)，測(cè)量提離高度已經(jīng)成為脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)[9-14]。在工程應(yīng)用中，需要根據(jù)提離高度選擇合適的脈沖渦流傳感器和相關(guān)參數(shù)(發(fā)射電壓、發(fā)射頻率等)。如參數(shù)選擇不當(dāng)，可能引起壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)的偏離，甚至不能得到壁厚值，造成管道壁厚檢測(cè)的漏檢或誤檢。因此，獲得提離高度的準(zhǔn)確值，對(duì)提高帶保溫層管道或設(shè)備壁厚檢測(cè)的準(zhǔn)確性有重要意義。

本文對(duì)鐵磁性材料脈沖渦流的信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出以脈沖渦流中期信號(hào)截距作為特征量進(jìn)行提離高度測(cè)量的方法，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 脈沖渦流信號(hào)特點(diǎn)分析

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)屬于渦流檢測(cè)技術(shù)(Eddy Current Testing，ECT)的一個(gè)分支，其基本原理是在線圈中通入恒定電流或電壓，在一定時(shí)間內(nèi)，被測(cè)構(gòu)件中會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，當(dāng)斷開輸入時(shí)，線圈周圍會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)由直接從線圈中耦合出的一次電磁場(chǎng)和構(gòu)件中感應(yīng)出的渦流場(chǎng)產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)兩部分疊加而成，且后者包含了構(gòu)件本身的厚度或缺陷等信息，采取合適的方法和檢測(cè)元件對(duì)二次場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，分析測(cè)量信號(hào)，即可得到被測(cè)構(gòu)件信息[1]。

脈沖渦流早期感應(yīng)電壓信號(hào)幅值大、衰減快，中晚期信號(hào)幅值小且衰減相對(duì)較慢，信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，不同壁厚的脈沖渦流信號(hào)在笛卡爾直角坐標(biāo)系中幾乎重合在一起，如圖1所示，故在直角坐標(biāo)系中無法對(duì)脈沖渦流信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行分析。如將時(shí)間信號(hào)和感應(yīng)電壓信號(hào)都進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系(lnV-lnt坐標(biāo)系)或單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系(lnV-t坐標(biāo)系)中，脈沖渦流信號(hào)的特征都能清晰地顯示，如圖2～4所示。

從圖2可以看出，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，不同壁厚構(gòu)件的感應(yīng)電壓信號(hào)在中期階段基本重合且表現(xiàn)為直線段，可理解為在中期階段感應(yīng)電壓信號(hào)的衰減規(guī)律符合冪函數(shù)衰減規(guī)律。隨著衰減時(shí)間增加，感應(yīng)電壓信號(hào)衰減速度增加，在圖2中表現(xiàn)為感應(yīng)電壓信號(hào)曲線向內(nèi)彎曲，且被測(cè)構(gòu)件壁厚越薄，感應(yīng)電壓信號(hào)曲線彎曲段出現(xiàn)越早，反之亦然。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，感應(yīng)電壓曲線由直線段到曲線段的過渡時(shí)間稱為拐點(diǎn)時(shí)間，可作為壁厚檢測(cè)的特征值[2-3]。

從圖3可以看出，在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，感應(yīng)電壓信號(hào)曲線中期階段基本重合且表現(xiàn)為彎曲段，后期階段感應(yīng)電壓曲線趨向于直線段，可理解為在后期階段感應(yīng)電壓信號(hào)的衰減規(guī)律符合指數(shù)衰減規(guī)律。在該階段，被測(cè)構(gòu)件的厚度對(duì)感應(yīng)電壓曲線的影響表現(xiàn)為曲線斜率的變化，壁厚越小，直線段曲線斜率的絕對(duì)值越大，反之亦然。在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，感應(yīng)電壓曲線晚期階段的斜率(或稱為晚期信號(hào)衰減率)也可作為壁厚檢測(cè)的特征值[4-8]。

從圖4可以看出，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，當(dāng)提離高度相同時(shí)，不同壁厚被測(cè)構(gòu)件的感應(yīng)電壓信號(hào)曲線在中期階段基本重合；當(dāng)提離高度不同時(shí)，相同壁厚被測(cè)構(gòu)件的感應(yīng)電壓曲線在中期階段不同。

綜合以上分析，可得到如下結(jié)論：

(1)感應(yīng)電壓信號(hào)中期階段符合冪函數(shù)衰減規(guī)律，晚期階段符合指數(shù)函數(shù)衰減規(guī)律；

(2)提離高度相同時(shí)，不同壁厚被測(cè)構(gòu)件的感應(yīng)電壓信號(hào)曲線中期階段基本重合，感應(yīng)電壓曲線中期階段不受壁厚影響；

(3)提離高度不同時(shí)，相同壁厚被測(cè)構(gòu)件感應(yīng)電壓信號(hào)曲線不同，感應(yīng)電壓曲線中期階段受提離影響。

以上結(jié)論與文獻(xiàn)[15-17]中內(nèi)容基本一致。如文獻(xiàn)[15]將脈沖渦流信號(hào)劃分為3個(gè)階段，其中第Ⅰ階段對(duì)應(yīng)著激勵(lì)線圈中矩形波電流的下降沿階段，即電流從矩形波幅值的90%下降至10%的階段，其持續(xù)時(shí)間一般為ms數(shù)量級(jí)，該階段的感應(yīng)電壓信號(hào)為一次磁場(chǎng)和二次磁場(chǎng)共同作用的結(jié)果，從中難以提取出被檢件信息。第Ⅱ階段始于矩形波電流的下降沿結(jié)束時(shí)刻tⅡ，一直持續(xù)到渦流密度最大值轉(zhuǎn)移至被檢件厚度一半深度處的時(shí)刻tⅢ。在此之后，渦流在被檢件中僅向外擴(kuò)散和衰減，直至完全耗散的過程對(duì)應(yīng)著PEC 信號(hào)的第Ⅲ階段。文中所提中期階段對(duì)應(yīng)上述文獻(xiàn)的第Ⅱ階段，晚期階段對(duì)應(yīng)上述文獻(xiàn)中的第Ⅲ階段。

文獻(xiàn)[15]中列出了第Ⅱ,Ⅲ階段脈沖渦流信號(hào)V(t)的分段函數(shù)：

(1)

式中,FⅡ(l)為與提離高度l相關(guān)的函數(shù);δ為試件的電導(dǎo)率;tⅢ為二次磁場(chǎng)到達(dá)被測(cè)構(gòu)件下底面的時(shí)間;FⅢ(l,d)為與提離高度l和被測(cè)構(gòu)件壁厚d相關(guān)的函數(shù)；c為常數(shù);μ為試件的磁導(dǎo)率。

2 基于中期信號(hào)截距的提離高度檢測(cè)方法

對(duì)于鐵磁性材料而言，感應(yīng)電壓信號(hào)隨時(shí)間衰減可以分為冪函數(shù)衰減階段和指數(shù)衰減函數(shù)衰減階段，其中冪函數(shù)衰減階段為信號(hào)的中期階段，其感應(yīng)電壓信號(hào)與被測(cè)構(gòu)件厚度無關(guān)，而與被測(cè)構(gòu)件的材料特性和提離高度相關(guān)。在被測(cè)構(gòu)件材質(zhì)相同的情況下，冪函數(shù)衰減階段的中期信號(hào)只與提離高度相關(guān)，若能找到中期感應(yīng)電壓信號(hào)與提離高度的特征關(guān)系，就可通過中期感應(yīng)電壓信號(hào)求得提離高度。

2.1 提離高度特征值的確定

對(duì)式(1)第二階段分段函數(shù)兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

(2)

對(duì)于同一材質(zhì)的被測(cè)構(gòu)件來說，δ和μ為常數(shù)，可將ln[FⅡ(l)δ1/2μ1/2]簡(jiǎn)化為G(l),同時(shí)，為便于分析，將ln[V(t)] 設(shè)為Y，將lnt設(shè)為X，則式(2)可以簡(jiǎn)化為：

Y=-1.5X+G(l)

(3)

式(3)中，G(l)為與提離高度相關(guān)的函數(shù)，且在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中為感應(yīng)電壓中期信號(hào)的截距。因此，可以將雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系的中期信號(hào)截距作為提離高度的特征值。

2.2 利用截距計(jì)算提離高度的方法

通過以上分析，可得到利用脈沖渦流中期信號(hào)冪函數(shù)衰減階段在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的截距計(jì)算提離高度的方法。

(1)提取雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下被測(cè)構(gòu)件若干不同提離高度的感應(yīng)電壓曲線中期信號(hào)的截距ki。

(2)根據(jù)已知提離高度li和中期信號(hào)截距ki的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過擬合得到函數(shù)l(k)的關(guān)系式。

(3)取相同材料被測(cè)構(gòu)件任意區(qū)域的脈沖渦流信號(hào)，提取雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中期信號(hào)截距k，根據(jù)l(k),即可計(jì)算出被測(cè)構(gòu)件指定區(qū)域的提離高度。

3 利用截距檢測(cè)提離高度的試驗(yàn)驗(yàn)證

為對(duì)上述方法進(jìn)行驗(yàn)證，采用TEM-PFSS-II脈沖渦流檢測(cè)儀對(duì)不同提離高度的試驗(yàn)樣管進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)保溫層為聚氨酯類保溫層；保溫層上保護(hù)層為鋁皮，厚度約為0.4 mm。試驗(yàn)用探頭為保溫探頭，主要參數(shù)：發(fā)射線圈內(nèi)徑10 mm，外徑75 mm，高度40 mm，匝數(shù)1 200匝；接收線圈的內(nèi)徑75 mm，外徑85 mm，匝數(shù)1 600匝。發(fā)射信號(hào)選擇頻率4 Hz、占空比為50%的方波電流；取電流關(guān)斷時(shí)刻為感應(yīng)電壓信號(hào)的采集起始點(diǎn)。

3.1 截距與提離高度擬合方程的獲得

取壁厚為4，6，8，12，16 mm、材料為20#碳鋼的標(biāo)準(zhǔn)樣板，在提離高度分別為5，10，20，30，40 mm的情況下進(jìn)行檢測(cè)，提取各壁厚和提離高度下感應(yīng)電壓信號(hào)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的中期信號(hào)截距值，將截距值列入表1中。按照第2.2節(jié)中所述方法，以截距ki為橫坐標(biāo)，以提離高度li為縱坐標(biāo)，并用冪函數(shù)對(duì){(ki,li)}進(jìn)行擬合，可得到不同壁厚情況下提離高度與截距值的擬合曲線，如圖5所示。

表1 不同壁厚、不同提離高度下的中期信號(hào)截距值

分析表1和圖5的數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論。

(1)當(dāng)提離高度相同時(shí)，被測(cè)構(gòu)件壁厚不會(huì)對(duì)截距值產(chǎn)生影響，即被測(cè)構(gòu)件厚度不影響提離高度的測(cè)量。

(2)當(dāng)被測(cè)構(gòu)件的壁厚相同時(shí)，測(cè)得的截距隨壁厚值增加而減小，當(dāng)采用冪函數(shù)擬合時(shí)，5個(gè)壁厚值的擬合曲線基本重合，且擬合效果較好。

(3)根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得到提離高度與截距之間的方程：l=753.27k-0.338,該方程不受被測(cè)構(gòu)件壁厚的影響。

3.2 試驗(yàn)管提離高度的驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)管材料為20#碳鋼，外徑273 mm，壁厚8 mm。保溫層厚度分別為25，50，75，100 mm,且保溫層上覆蓋厚度為0.4 mm的鋁皮作為保護(hù)層。

針對(duì)不同提離高度，采用不同發(fā)射電壓進(jìn)行測(cè)量，在獲取雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中期信號(hào)截距后，對(duì)不同電壓下的截距，按公式l=753.27k-0.338計(jì)算出被測(cè)位置的提離高度，并與實(shí)際的提離高度進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。需要注意的是，雖然鋁皮具有一定厚度，但其與保溫層相比，厚度較小，因此實(shí)際提離高度未將鋁皮厚度考慮在內(nèi)。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)可知，當(dāng)提離高度在100 mm以內(nèi)時(shí)，利用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中直線段(脈沖渦流信號(hào)冪函數(shù)衰減階段)的截距作為脈沖渦流檢測(cè)中提離高度測(cè)量的特征值，計(jì)算得到的提離高度與實(shí)際提離高度值比較接近，相對(duì)誤差基本可以控制在5%以內(nèi)，效果較為理想；且該方法不受發(fā)射電壓(或電流)和鋁皮厚度的影響。

4 結(jié)論

通過分析脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)，提出在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，利用中期信號(hào)截距作為提離高度測(cè)量的特征值，并通過不同提離高度特征值擬合出提離高度和中期信號(hào)截距之間的關(guān)系式。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法具有一定的準(zhǔn)確性，在保溫層厚度不大于100 mm的情況下，其相對(duì)誤差基本未超過5%，且該方法不受被測(cè)構(gòu)件厚度和發(fā)射電壓的影響，具有較好的應(yīng)用性。該方法解決了帶保溫層管道或設(shè)備中保溫層厚度的測(cè)量方法，擴(kuò)充了脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍，有利于提高利用脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)穿透保溫層檢測(cè)管道或設(shè)備壁厚的準(zhǔn)確性。