基于聚焦探頭的帶包覆層管道復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位脈沖渦流檢測研究

楊 帆，付躍文，黃文豐， 李包水，李朝陽

（1.中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東江門 529100；2.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌 330063）

0 引言

帶包覆層管道常用于石油、天然氣和化工等領(lǐng)域，用于輸送高溫高壓或腐蝕性氣液介質(zhì)，極易發(fā)生腐蝕缺陷，且以局部腐蝕缺陷為主[1-2]。對帶包覆層管道進(jìn)行內(nèi)外壁腐蝕缺陷檢測是一大難題。脈沖渦流檢測（Pulsed Eddy Current Testing，PECT）是一種非接觸式檢測方法。相較于傳統(tǒng)的渦流檢測，PECT采用方波激勵(lì)，具有入射電磁場滲透深度大、對缺陷深度檢測能力強(qiáng)、檢測信息豐富等特點(diǎn)[3-4]。因此，PECT在帶包覆層管道腐蝕缺陷檢測應(yīng)用領(lǐng)域中得到廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)的脈沖渦流探頭使用圓柱形線圈激勵(lì)，線圈或磁傳感器接收檢測信號(hào)。Zhou等[5]通過仿真研究了不同尺寸的圓柱形激勵(lì)線圈進(jìn)行仿真研究，對圓柱形探頭參數(shù)優(yōu)化并提高靈敏度。但是，圓柱形探頭的渦流場為環(huán)形分布，中心存在檢測盲區(qū)[6]。Fu等[7]對圓柱形激勵(lì)線圈提離一定高度時(shí)，徑向、橫向和縱向擺放位置的渦流空間分布規(guī)律展開了研究，明確了縱向擺放的圓柱形探頭在檢測管道壁厚時(shí)具備更高檢測靈敏度。研究者們通過使用雙D形、漏斗形、矩形等形狀的激勵(lì)線圈改善試件中渦流場分布，提升檢測靈敏度[8-10]。Li等[11]設(shè)計(jì)多種U形和E形探頭，比較得出U形兩級(jí)差分探頭檢測靈敏度更高的結(jié)論。Yu等[12]對圓柱形和U形激勵(lì)的脈沖渦流探頭的聚焦特性進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)U形激勵(lì)更能聚集渦流場，更有利于檢測包覆層管道中的局部腐蝕缺陷。脈沖渦流探頭尺寸與渦流場大小相關(guān)，小尺寸探頭具有更好的分辨力，在相同提離下能檢測更小的局部缺陷[13-14]。

管道結(jié)構(gòu)例如彎頭、焊縫等部位具有和平直管道不同的復(fù)雜信號(hào)，給實(shí)際檢測帶來困難。直管在軋制為彎頭過程中，彎頭的弧內(nèi)側(cè)與弧外側(cè)的厚度發(fā)生改變，檢測時(shí)在無缺陷情況下也會(huì)帶來信號(hào)的改變。按照用途，我國相關(guān)法規(guī)對彎頭的減薄量做了明確規(guī)定，一般不超過標(biāo)稱壁厚的15%[15-16]。非鐵磁性鋼在焊接過程中，由于發(fā)生相變，導(dǎo)致焊縫以及周圍母材磁導(dǎo)率增加，在進(jìn)行渦流檢測時(shí)帶來信號(hào)干擾，使焊縫附近的局部缺陷難以識(shí)別[17]。鄭斐等[18]對不同彎頭尺寸、介質(zhì)流速進(jìn)行仿真，彎頭的沖刷腐蝕主要集中于弧內(nèi)側(cè)；孫杰等[19]提出利用彎頭脈沖渦流信號(hào)的對稱性識(shí)別缺陷，在現(xiàn)場檢測中驗(yàn)證了實(shí)用性；左嘉琦等[20]利用脈沖渦流檢測信號(hào)的均方差值實(shí)現(xiàn)焊縫的定位。但目前未有對包覆層管道焊縫附近缺陷進(jìn)行檢測的相關(guān)研究。

本研究通過仿真與試驗(yàn)兩部分，提取焊縫與彎頭各處檢測信號(hào)的特征，并對復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位中的缺陷進(jìn)行檢測，有助于檢測實(shí)踐中判斷信號(hào)變化原因以及提高檢測靈敏度。

1 有限元仿真

1.1 仿真模型的建立

使用有限元仿真軟件對所設(shè)計(jì)的聚焦探頭建立模型，如圖1所示。管道長度為500 mm，中間設(shè)置寬5 mm、余高2 mm的焊縫。在離左端160 mm處設(shè)置深0.3 mm、寬50 mm的內(nèi)壁均勻腐蝕缺陷（圖1a）；在距離左端點(diǎn)160 mm處設(shè)置尺寸為40 mm×40 mm×1 mm內(nèi)壁局部腐蝕缺陷（圖1b）；圖1c為彎頭仿真模型。模型中聚焦探頭參數(shù)設(shè)置與試驗(yàn)相同，激勵(lì)電流為1.65 A。激勵(lì)方波在35μs處開始關(guān)斷，脈沖方波下降沿寬度為30 μs，計(jì)算時(shí)采用指數(shù)增加的時(shí)間步長，初始時(shí)間步長為10-6s，直到總時(shí)間為0.062 5 s。

圖1 聚焦探頭仿真模型Fig.1 Simulation model of focusing probe

1.2 仿真結(jié)果分析

試件中感應(yīng)渦流分布面積的大小影響檢測靈敏度與檢測分辨力。在一定面積內(nèi)，缺陷對渦流引起的擾動(dòng)劇烈，因而檢測信號(hào)靈敏，該范圍稱為有效檢測區(qū)，其大小為0.707倍最大渦流密度所圍成的面積[21]。

圖2為聚焦探頭提離40、60 mm時(shí)試件中感應(yīng)渦流的密度分布。渦流集中于探頭正下方，有利于對局部缺陷的檢測及定位。通過對提離40、60 mm渦流有效區(qū)的計(jì)算，得到聚焦探頭正下方有效區(qū)軸向?qū)挾确謩e為30、42 mm。即在提離40 mm時(shí)，聚焦探頭對不同缺陷的最小可分辨距離為30 mm；在提離60 mm時(shí)，缺陷間距則需要大于42 mm才可區(qū)分。在缺陷、焊縫間隔大于30 mm，聚焦探頭提離40 mm進(jìn)行檢測，可分辨不同的缺陷信號(hào)。隨著提離高度的增加，渦流有效檢測區(qū)增大，渦流密度減弱，在提離增大時(shí)，聚焦探頭對不同缺陷的分辨力降低。

圖2 聚焦探頭提離高度對試件感應(yīng)渦流密度分布及有效檢測區(qū)位置的影響Fig.2 Influence of probe lift-off height on the density distribution of induced eddy current and the position of effectivedetection area

圖3為聚焦探頭提離20 mm時(shí)，對均勻腐蝕和局部腐蝕缺陷檢測仿真的結(jié)果?？梢?，2種腐蝕缺陷信號(hào)的感應(yīng)電壓衰減速率均快于母材感應(yīng)電壓，焊縫的感應(yīng)電壓衰減速率慢于母材。聚焦探頭在提離20 mm時(shí)均能檢測出局部腐蝕缺陷、均勻腐蝕缺陷和焊縫。

圖3 聚焦探頭提離20 mm對不同缺陷及焊縫仿真結(jié)果Fig.3 Simulation resultsof different defectsand welding seams when the probe is lifted 20 mm

圖4為聚焦探頭提離20 mm對彎頭內(nèi)側(cè)與外側(cè)中心位置的感應(yīng)電壓仿真結(jié)果。結(jié)果顯示，由于彎頭外側(cè)壁厚減薄，因此感應(yīng)電壓衰減速率快于壁厚加厚的彎頭內(nèi)側(cè)。

圖4 聚焦探頭提離20 mm對彎頭電壓仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of elbow pipe when the probeis lifted 20 mm

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試件尺寸

檢測試件為3根304L不銹鋼管道，均由直管和一個(gè)90°彎頭焊接構(gòu)成（圖5）。1#管道用于焊縫附近均勻腐蝕缺陷檢測，2#管道用于焊縫附近局部腐蝕缺陷檢測，3#管道用于彎頭內(nèi)壁局部腐蝕缺陷檢測。各管道及缺陷設(shè)置參數(shù)為：

1）1#管道直管段外徑為219 mm，標(biāo)稱厚度為4 mm，設(shè)置有內(nèi)外壁模擬均勻腐蝕缺陷。內(nèi)壁缺陷寬度為50 mm，深度為0.3 mm；外壁缺陷寬度為60 mm，深度為0.2 mm；缺陷到焊縫距離均為60 mm（圖5b）。

2）2#管道直管外徑為117 mm，標(biāo)稱厚度為3.5 mm，刻有8個(gè)不同尺寸的內(nèi)、外壁局部腐蝕缺陷。缺陷尺寸分別為40 mm×40 mm×1.0 mm、40 mm×40 mm×1.5 mm、50 mm×50 mm×1.0 mm、50 mm×50 mm×1.5 mm，相同尺寸的缺陷分別設(shè)置在內(nèi)壁與外壁，距離焊縫50 mm。彎頭外徑與直管一致，但標(biāo)稱厚度為3 mm（圖5c）。

3）3#管道的直管與彎頭外徑為114 mm，標(biāo)稱厚度為6 mm，在彎頭的內(nèi)側(cè)中心內(nèi)壁刻有20 mm×2 0 mm×1.8 mm的局部腐蝕缺陷（圖5d）。

圖5 試件實(shí)物圖與尺寸圖Fig.5 Photo and dimension figures of specimens

2.2 PECT系統(tǒng)

脈沖渦流檢測系統(tǒng)如圖6所示。系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集裝置、PECT聚焦探頭、被檢管道、防震海綿。激勵(lì)設(shè)備可發(fā)射頻率為(1/16)～32 Hz的等寬雙極性方波脈沖激勵(lì)，最大電流為10 A。設(shè)備的采集和處理單元可以測量微弱電磁信號(hào)。采集為16位A/D，最高采樣頻率為1 MHz，采集5次信號(hào)疊加求平均。試驗(yàn)使用占空比為50%的脈沖方波，頻率為8 Hz，聚焦探頭施加電流為1.65 A。

圖6 PECT系統(tǒng)Fig.6 Pulsed eddy current testing system

2.3 聚焦探頭設(shè)計(jì)

聚焦探頭尺寸如圖7所示。聚焦探頭磁芯部分使用U形磁導(dǎo)體，激勵(lì)線圈纏繞于磁導(dǎo)體磁背上。檢測線圈由2個(gè)相同的線圈組成，分別繞于U形磁導(dǎo)體的2個(gè)磁腳上，并差分連接。激勵(lì)部分長度為32 mm，厚度為14 mm，高度為24 mm；激勵(lì)線圈線徑為0.35 mm，匝數(shù)為79；單一檢測線圈的外徑為17 mm，內(nèi)徑為9 mm，高度為7 mm，線徑為0.28 mm，匝數(shù)為136。

圖7 PECT聚焦探頭Fig.7 Pulsed eddy current focusing probe

2.4 信號(hào)處理方法

檢測時(shí)，聚焦探頭固定從距離直管端點(diǎn)一定距離開始取點(diǎn)進(jìn)行檢測，在彎頭內(nèi)外側(cè)均勻間隔采點(diǎn)測量。對于1#管道，聚焦探頭在距離端點(diǎn)200 mm處開始沿直線檢測，檢測間距為10 mm；對于2#管道，聚焦探頭在距離端點(diǎn)250 mm處開始沿直線檢測，檢測間距為10 mm。檢測彎頭時(shí)，1#管道內(nèi)、外側(cè)分別均勻取13、29個(gè)測量點(diǎn)，2#管道內(nèi)、外側(cè)分別取9、13個(gè)測量點(diǎn)，3#管道內(nèi)側(cè)取13個(gè)測量點(diǎn)。

圖8為某一提離下歸一化感應(yīng)電壓生成電壓剖面曲線過程示意圖。檢測線圈在激勵(lì)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)采集檢測信號(hào)，并按對數(shù)時(shí)間增長取時(shí)間點(diǎn)t1、t2、t3，即時(shí)窗。通過觀察時(shí)間剖面曲線中顯示較好的時(shí)窗號(hào)，憑借信號(hào)特征識(shí)別缺陷[22]。

圖8 電壓時(shí)間剖面曲線生成過程Fig.8 Generation processof time slicecurves of induced voltage

使用靈敏度衡量聚焦探頭對缺陷的檢測能力，靈敏度 S計(jì)算公式[23]為：

其中：V0為 無缺陷處歸一化感應(yīng)電壓，V1為缺陷信號(hào)中歸一化感應(yīng)電壓最小值。通過對變化幅度歸一化處理，更客觀地比較聚焦探頭在檢測不同缺陷時(shí)感應(yīng)電壓的變化量，S越大，則說明探頭對該尺寸缺陷越靈敏。

3 試驗(yàn)結(jié)果

圖9為聚焦探頭檢測過程與信號(hào)生成過程示意圖。在電壓時(shí)間剖面曲線中，以下凹信號(hào)特征識(shí)別缺陷，凸起信號(hào)特征識(shí)別焊縫（圖9a）。在彎頭段，由于彎頭外側(cè)壁厚呈現(xiàn)中間薄兩端厚的特點(diǎn)，因此檢測信號(hào)呈現(xiàn)對稱自然下凹狀態(tài)；彎頭內(nèi)側(cè)壁厚與外側(cè)相反，因此信號(hào)特征呈現(xiàn)對稱上凸（圖9b）。

圖9信號(hào)生成過程及其特征Fig.9 Occurrence of thedetection signal and itsfeature

3.1 直管段焊縫附近試驗(yàn)結(jié)果

圖10 為聚焦探頭對1#管道內(nèi)壁腐蝕缺陷的試驗(yàn)結(jié)果。選取顯示效果較好的6#～8#時(shí)窗，其對應(yīng)中心時(shí)間分別為168、207、263μs。通過感應(yīng)電壓時(shí)間剖面曲線中“下凹”的信號(hào)特征識(shí)別缺陷、“上凸”信號(hào)特征識(shí)別焊縫，這是因?yàn)楹缚p因余高使其厚度增大，且磁導(dǎo)率上升導(dǎo)致感應(yīng)電壓衰減速率變慢。所設(shè)計(jì)聚焦探頭在提離50 mm高度內(nèi)，均能對減薄為0.3 mm的內(nèi)壁均勻腐蝕缺陷進(jìn)行檢測。聚焦探頭提離20 mm以內(nèi)，可以檢測到焊縫信號(hào)，且焊縫信號(hào)與缺陷信號(hào)可以分離；聚焦探頭提離30 mm以上，焊縫信號(hào)已經(jīng)不明顯，只能檢測到缺陷信號(hào)；聚焦探頭提離50 mm時(shí)，缺陷信號(hào)已經(jīng)很微弱。

圖10 不同提離高度時(shí)聚焦探頭對1#管內(nèi)壁腐蝕缺陷和焊縫的試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Test results of pipe 1# inner wall corrosion defects and welds using focusing probeat different lifting heights

圖11為聚焦探頭對1#管道外部腐蝕缺陷的試驗(yàn)結(jié)果，選取6#～8#時(shí)窗顯示的更好結(jié)果。通過下凹的信號(hào)特征可知，在聚焦探頭最大可提離40 mm內(nèi)，可對減薄為0.2 mm、寬度為60 mm的均勻腐蝕缺陷進(jìn)行有效檢測。在聚焦探頭提離30 mm以上，已檢測不到焊縫的存在。

圖11不同提離高度時(shí)聚焦探頭對1#管道外壁腐蝕缺陷和焊縫的試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Test results of pipe 1# outer wall corrosion defects and welds using focusing probeat different lifting heights

圖12 為計(jì)算得到的聚焦探頭在各提離高度對1#管道內(nèi)壁均勻腐蝕缺陷檢測信號(hào)的靈敏度。在提離高度為30 mm以下，聚焦探頭檢測靈敏度在近似線性區(qū)間；靈敏度隨提離高度的增加而下降；在提離40 mm及以上，檢測信號(hào)已非常微弱。

圖12 不同提離高度時(shí)聚焦探頭對1#管道內(nèi)壁均勻腐蝕缺陷的檢測靈敏度Fig.12 Detection sensitivity of probe to pipe 1#inner wall uniform corrosion defectsat different lift-off heights

聚焦探頭在提離40 mm時(shí)，對2#管內(nèi)、外壁不同尺寸局部腐蝕缺陷的檢測結(jié)果顯示，當(dāng)缺陷靠近彎頭外側(cè)，缺陷信號(hào)無法形成一個(gè)完整“凹坑”，這是由于檢測過程中聚焦探頭雖未到達(dá)彎頭位置，但感應(yīng)渦流場流經(jīng)彎頭位置導(dǎo)致電壓值下降。相似地，當(dāng)缺陷靠近彎頭內(nèi)側(cè)時(shí)，聚焦探頭在彎頭附近位置接收的電壓值增大。由于彎頭標(biāo)稱壁厚薄于直管，因此，缺陷靠近彎頭時(shí)歸一化感應(yīng)電壓幅值也會(huì)下降。

將聚焦探頭對2#管道局部缺陷檢測信號(hào)靈敏度計(jì)算匯總于表1。由表1可知，聚焦探頭對外壁局部缺陷的檢測靈敏度整體高于檢測內(nèi)壁缺陷；當(dāng)缺陷位于彎頭內(nèi)側(cè)附近時(shí)，靈敏度顯著降低；當(dāng)缺陷位于彎頭側(cè)壁或外側(cè)時(shí)，靈敏度無顯著差異。

表1 2#管道不同尺寸內(nèi)外壁局部缺陷檢測信號(hào)靈敏度Table1 Detection signal sensitivity of local defects on inner and outer wallswith different sizes of pipe2#

3.2 彎頭試驗(yàn)結(jié)果

圖13為聚焦探頭提離40 mm時(shí)對1#、2#管道彎頭檢測的結(jié)果?？梢?，彎頭內(nèi)側(cè)信號(hào)特征呈拱形（圖13a、圖13c），彎頭外側(cè)信號(hào)特征呈下凹弧形（圖13b、圖13d）。在無缺陷的條件下，彎頭內(nèi)、外側(cè)分別保持拱形和下凹的特征，且有良好的對稱性。

圖13 聚焦探頭提離40 mm時(shí)1#、2#管道彎頭內(nèi)外側(cè)的檢測結(jié)果Fig.13 Detection resultsof theinner and outer sidesof pipe1#,2# elbow when the focusing probe islifted 40 mm

圖14為不同提離高度時(shí)聚焦探頭對3#管彎頭內(nèi)側(cè)的檢測結(jié)果。彎頭整體拱形的信號(hào)特征中，由于存在內(nèi)壁缺陷，在探頭提離10 mm檢測時(shí)，明顯可見缺陷信號(hào)（圖14a）。但缺陷信號(hào)受提離效應(yīng)而明顯變小，在探頭提離30 mm時(shí)，缺陷信號(hào)已經(jīng)非常微弱（圖14b）。

圖14 不同提離高度時(shí)聚焦探頭對3#管彎頭內(nèi)壁缺陷檢測結(jié)果Fig.14 Detection resultsof the probeon inner wall defect of 3# pipe elbow at different lift off heights

4 結(jié)論

1）基于有限元仿真與試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)一種針對包覆層管道復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位檢測的脈沖渦流聚焦探頭，仿真結(jié)果表明該探頭感應(yīng)渦流場聚集特性較好，可有效增強(qiáng)對局部缺陷的檢測能力。

2）所設(shè)計(jì)探頭在提離30 mm下可識(shí)別5 mm寬的焊縫，提離40 mm下可識(shí)別最小減薄量0.2 mm、寬度60 mm的均勻腐蝕缺陷，提離50 mm下可識(shí)別40 mm×40 mm×1 mm的局部缺陷。

3）焊縫由于材質(zhì)與母材不同，其信號(hào)在時(shí)間剖面曲線上呈凸起特征，與母材缺陷信號(hào)的下凹特征不同。

4）管道彎頭無缺陷時(shí)，對稱部位的檢測結(jié)果的時(shí)間剖面曲線具有對稱性。如果對稱性破壞則表明存在腐蝕缺陷。