連續(xù)油管分層缺陷磁導(dǎo)率擾動電磁檢測方法與檢測系統(tǒng)

邱公喆，康宜華，程 偲，姜 春

（華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

0 前 言

連續(xù)油管（coiled tubing, CT）廣泛應(yīng)用于油田鉆井、完井、壓裂、酸化、排液、試油、采油采氣、修井、集輸管線解堵等領(lǐng)域，其失效形式主要包括腐蝕、機械損傷和制造缺陷[1]。在CT的制造過程中，需對原材料鋼板、產(chǎn)品CT進行嚴格的無損檢測，分層缺陷是無損檢測的內(nèi)容之一。

應(yīng)用較為廣泛的金屬板材和管材分層檢測方法是超聲法，主要包括Lamb波法[2-3]和測厚法[4-5]等。Lamb波與板內(nèi)缺陷相互作用時會發(fā)生反射、透射、模式轉(zhuǎn)換、振幅減小和飛行時間變化等現(xiàn)象[6-8]，在回波檢測信號中攜帶與缺陷相關(guān)的信息[9-10]，其檢測分層的能力與選用的模態(tài)、缺陷在板厚方向的位置等因素密切相關(guān)，但信號解釋較為困難[11-12]。測厚法對分層缺陷具有很高的檢測靈敏度，由于始波和界面波的干擾，在被檢材料近表面存在檢測盲區(qū)，因而難以發(fā)現(xiàn)外折、重皮等缺陷，此外，激勵聲波的重復(fù)頻率限制了檢測的速度[13-14]。

隨著研究的深入，越來越多的學(xué)者注意到直流磁化下鐵磁性材料缺陷處的磁導(dǎo)率畸變現(xiàn)象。宋凱等[15]利用磁飽和渦流法檢測鋼管時，檢出了鋼管內(nèi)壁缺陷，這與趨膚效應(yīng)原理相矛盾，隨后開展深入研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁缺陷在鋼管外壁引起的磁導(dǎo)率畸變是檢測信號形成的真正根源。李二龍等[16]也提出，直流磁化下埋藏缺陷在鋼板表面和近表面引起的磁導(dǎo)率分布異常是磁化渦流技術(shù)檢出埋藏缺陷的機理。鄧志揚等提出基于磁導(dǎo)率測量的漏磁法（P-MFL），實現(xiàn)了對大埋深缺陷的檢測[17]，并基于等效源法揭示了該方法的檢測機理[18]。伍劍波等基于磁導(dǎo)率擾動機理建立熱響應(yīng)和缺陷參數(shù)之間的物理聯(lián)系[19]，利用感應(yīng)加熱成像技術(shù)測量鋼板表面開口裂紋深度[20]，并成功檢出鋼板亞表面缺陷[21]。馮搏等[22]討論了磁化強度對鋼板分層缺陷的磁導(dǎo)率擾動信號的影響。

磁導(dǎo)率已成為內(nèi)、外部缺陷與檢測信號之間聯(lián)系的物理媒介和特征參量。本研究提出一種連續(xù)油管等薄壁管板材分層缺陷的磁導(dǎo)率擾動（magnetic permeability perturbation, MPP）電磁檢測新方法（以下簡稱MPPT）。當(dāng)沿管、板法向施加磁力時，分層缺陷的分層面將垂直于磁場方向，在分層的交界部位產(chǎn)生內(nèi)部磁場的擾動，從而在開口附近引發(fā)磁導(dǎo)率的擾動，這一擾動可以從內(nèi)部傳遞到表層[17-18]。利用差動渦流傳感器檢測表層磁導(dǎo)率擾動，即可獲得內(nèi)部分層缺陷的檢測信號。與Lamb波法相比，MPPT形成缺陷信號的機理簡單，類似于漏磁檢測方法，便于快速建立信號與缺陷的對應(yīng)關(guān)系；與超聲測厚法相比，MPPT在原理上避免了始波和界面波的干擾，能對近表面分層實施檢測，更能適應(yīng)高速度的檢測應(yīng)用。

1 檢測方法

鋼板分層缺陷MPPT 探頭如圖1 所示，永磁體沿法向放置在管、板上，確保磁化區(qū)內(nèi)的鐵磁體工作在磁特性曲線中最大磁導(dǎo)率點以遠的近飽和磁化狀態(tài)，使得相對磁導(dǎo)率隨磁化強度增大而單調(diào)減小。類似于電磁超聲測厚原理[23]，檢測過程中，永磁體和檢測探頭相對于管、板移動，渦流激勵和檢測線圈由FPCB 制成，放置在永磁體磁極端面的正下方且貼近管板表面，采用差動渦流檢測技術(shù)測量管、板不同空間位置上的表層磁導(dǎo)率差異。

圖1 鋼板分層缺陷MPPT探頭

2 仿真分析

2.1 仿真模型

建立鋼板分層缺陷MPPT 探頭的2D 仿真模型，如圖2 所示，相關(guān)物理參數(shù)見表1。將永磁體正下方的鋼板（藍色虛線框所示）區(qū)域定義為檢測區(qū)。以檢測區(qū)的右邊緣為y軸、鋼板底邊為x軸建立坐標系。鋼板相對磁鐵沿x軸負方向移動。分層缺陷位于起始位置時，其左邊沿到坐標系原點的水平距離s為5 mm，永磁體寬度W為10 mm。鋼板的磁特性通過非線性B-H曲線求取。利用參數(shù)化掃描，改變分層缺陷的水平位置，基于穩(wěn)態(tài)求解器計算測點處的相對磁導(dǎo)率。

表1 仿真模型的相關(guān)物理參數(shù)

圖2 鋼板分層缺陷MPPT探頭有限元仿真模型

2.2 分層缺陷測點處磁導(dǎo)率分布

圖3 所示為分層缺陷引起的鋼板內(nèi)部磁導(dǎo)率分布云圖，在永磁體正下方、鋼板內(nèi)部、距上表面0.01 mm 處設(shè)置測點，觀察分層缺陷相對于永磁體、在不同軸向（板長方向）位置時測點處的相對磁導(dǎo)率μr。黑色實線表示磁力線走向。當(dāng)分層缺陷進入檢測區(qū)后，缺陷的上表面聚集正磁荷、下表面聚集負磁荷，在缺陷附近形成白色實線所示的畸變場Bdis。將檢測區(qū)等分為I、II 兩個片區(qū)，定性分析缺陷進入不同片區(qū)的狀況。如圖3（b）所示，分層缺陷左端頭進入I 號片區(qū)后，測點處Bdis方向與磁化場方向呈銳角，測點處的磁感應(yīng)強度‖B‖增大；如圖3（c）所示，分層缺陷左端頭進入II 號片區(qū)后，測點處Bdis方向與磁化場方向呈鈍角，因此‖B‖減??；如圖3（d）所示，分層缺陷左端頭離開II 號片區(qū)后，測點處Bdis的豎直分量保持不變，因此‖B‖恒定。綜上所述，分層缺陷進入檢測區(qū)的過程中，測點處‖B‖先增大，再減小，最后保持不變；相應(yīng)地，測點處μr會先減小，再增大，最后保持不變。

圖3 分層缺陷引起的鋼板內(nèi)部磁導(dǎo)率分布云圖

圖3 還顯示了分層缺陷位于不同水平位置時，鋼板內(nèi)部相對磁導(dǎo)率的分布云圖，圖例表示相對磁導(dǎo)率的大小。磁導(dǎo)率擾動從缺陷傳遞到鋼板表層的過程中存在明顯的擴散現(xiàn)象，因此測得的磁導(dǎo)率擾動影響范圍要大于缺陷的實際延伸范圍。

2.3 分層缺陷對磁導(dǎo)率的擾動

提取圖3 中測點處的相對磁導(dǎo)率隨分層缺陷移動的變化曲線，得到分層缺陷對磁導(dǎo)率的擾動結(jié)果，如圖4 所示，橫軸表示分層缺陷向左平移的距離，縱軸為測點的相對磁導(dǎo)率μr。μr曲線呈關(guān)于紅色虛線左右對稱的倒雙峰結(jié)構(gòu)。在a點之前，測點的μr值定義為基值μrf；在a、c兩點之間，分層缺陷逐漸進入檢測區(qū)，測點μr值隨分層缺陷的移動發(fā)生變化；在c、d兩點之間，分層缺陷完全進入檢測區(qū)；在d、f兩點之間，分層缺陷逐漸離開檢測區(qū)；在h點之后，分層缺陷完全離開檢測區(qū)，測點的μr值回到μrf。

圖4 分層缺陷對磁導(dǎo)率的擾動

提取圖4中兩個特征值來表征μr曲線的變化特點。峰-峰值Spp為a、b兩點間的豎直距離，表征分層缺陷在測點處引起的最大磁導(dǎo)率擾動，與缺陷埋深D和層厚T有關(guān)；峰寬值Sw為b、e兩點之間的水平距離，表征分層缺陷從開始進入到完全離開檢測區(qū)所需要平移的距離，與缺陷長度L有關(guān)。

2.4 分層的幾何參數(shù)與磁導(dǎo)率擾動特征

2.4.1 分層沿掃查方向的長度

隨掃查方向長度L的特征變化如圖5 所示。圖5（a）中給出了L-μr曲線，提取圖中的一些特征參數(shù)可以得到圖5（b）。L分別取10 mm、15 mm、20 mm 和25 mm，其余參數(shù)同表1。如圖5 所示，Spp對分層缺陷的長度變化并不敏感，Sw隨缺陷長度的增大單調(diào)增大，說明Sw可以作為衡量分層缺陷長度的重要參考指標。

圖5 隨掃查方向長度L的特征變化

選取b、e兩點間的水平距離作為Sw的值，主要基于以下兩點考慮：①b、e兩點為極小值點，相對于a、f兩點而言，更容易確定其實際位置；②分層缺陷引起的磁導(dǎo)率擾動傳遞到鋼板表面的過程中存在明顯的擴散現(xiàn)象，這導(dǎo)致了a、f兩點間的水平距離顯著大于分層缺陷的實際長度，為了補償這一誤差，應(yīng)當(dāng)選取b、e兩點間的水平距離作為Sw的值。

2.4.2 分層的埋深

缺陷埋深的影響如圖6所示。圖6（a）給出了D-μr曲線，提取圖中特征參數(shù)可得圖6（b）。D分別取3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm和6.0 mm，其余參數(shù)同表1。如圖6 所示，Sw隨D增大略微增大，這與磁導(dǎo)率擾動在傳遞過程中的擴散現(xiàn)象有關(guān)，D越大，磁導(dǎo)率擾動的擴散范圍越廣。SPP隨D增大迅速減小，這表明系統(tǒng)的檢測靈敏度也隨D增大而降低，原因在于，D越大，從缺陷傳遞到鋼板表層的磁導(dǎo)率擾動越弱。

圖6 缺陷埋深D的影響

2.4.3 分層的厚度

缺陷層厚的影響如圖7所示。圖7（a）給出了T-μr曲線，提取圖中特征參數(shù)可得圖7（b）。層厚T分別取0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm 和0.25 mm，其余參數(shù)同表1。從圖7 可以看出，Sw對D的變化不敏感。SPP隨D增大單調(diào)增大，但變化較小且趨于平緩，說明分層缺陷引入的磁阻對主磁通量變化的影響有限，產(chǎn)生磁導(dǎo)率擾動的主導(dǎo)因素不是分層缺陷引入的磁阻導(dǎo)致的主磁通量的變化，而是分層缺陷端頭產(chǎn)生的內(nèi)部擾動場引起的測點處磁通量密度的變化。由于缺陷端頭附近的空間磁場擾動量要遠大于缺陷中部，因此該檢測方法只對分層的邊界敏感。

圖7 缺陷層厚的影響

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺

鋼板分層缺陷檢測試驗平臺如圖8所示，試驗平臺包括信號發(fā)生器、永磁體、渦流線圈、檢波電路、放大電路和示波器。檢測樣本為厚度10 mm的45鋼板，其上用線切割法加工出平行于上下表面的人工通槽，通槽參數(shù)見表2。永磁體沿10 mm厚度方向磁化鋼板。同軸渦流線圈位于永磁體正下方，其位置相對永磁體固定。信號發(fā)生器在激勵線圈兩端加載幅值5 V、頻率200 kHz的正弦交變電壓。檢測過程中，鋼板相對永磁體水平向左移動。接收線圈兩端感應(yīng)電壓的變化ΔV經(jīng)過檢波電路和放大電路處理后顯示在示波器上。分層缺陷位于鐵磁性材料內(nèi)部，受壁厚磁屏蔽效應(yīng)的影響，其產(chǎn)生的漏磁場較弱，因此，忽略空氣中的漏磁場對ΔV的影響。

表2 試驗樣本（人工通槽）參數(shù)

圖8 鋼板分層缺陷檢測試驗平臺

3.2 試驗結(jié)果

勵磁電流對檢測信號的影響如圖9 所示，由于渦流線圈感應(yīng)電壓與被測鋼板表面的相對磁導(dǎo)率正相關(guān)，因此ΔV與圖4 所示的磁導(dǎo)率擾動曲線波形相似，均為左右對稱的倒雙峰結(jié)構(gòu)。分層缺陷進入檢測區(qū)后，ΔV均為負值，說明缺陷使材料表層相對磁導(dǎo)率降低，感應(yīng)電壓幅值減小，這與前述理論分析相符。隨L增大，ΔV雙峰間距增大；隨D增大，ΔV幅值迅速減小；隨T增大，ΔV幅值增大，上述現(xiàn)象均與仿真結(jié)果吻合。

圖9 勵磁電流對檢測信號的影響

4 連續(xù)油管板材檢測系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)組成

連續(xù)油管板材檢測系統(tǒng)的組成如圖10 所示，檢測系統(tǒng)主要由傳送裝置、氣動伸縮裝置、分選裝置、PLC 控制系統(tǒng)和檢測主機構(gòu)成。傳動裝置將板材移入、移出檢測主機；氣動伸縮裝置在檢測完成后將探頭抬離板材表面；分選裝置根據(jù)上位機的判斷結(jié)果篩選合格件；PLC 控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各運動構(gòu)件的動作時序；檢測主機由正弦波發(fā)生電路、檢波放大電路、A/D 采集電路和上位機等部分組成，用于獲取、記錄探傷信號。

圖10 連續(xù)油管板材檢測系統(tǒng)的組成

4.2 陣列探頭

單個分層檢測探頭主要由激勵線圈、接收線圈和永磁體組成。如圖11所示，由于單個探頭的檢測范圍有限，將四個“品”字形排列的探頭安裝在帶滾輪的夾持機構(gòu)上，構(gòu)成一個探頭組。檢測過程中，夾持機構(gòu)利用永磁體的吸附力貼附于板材表面，保證探頭到板材表面的距離恒定；檢測完成后，夾持機構(gòu)在氣動伸縮裝置的牽引下與板材表面脫離。如圖12所示，為實現(xiàn)全覆蓋掃查，在板材上下表面均布置有邊緣探頭組和中部探頭組。邊緣探頭組安裝有跟蹤靠輪，可自動感知板邊位置，用于板材左右兩側(cè)邊緣區(qū)域的檢測。中部探頭組垂直于板材前進方向呈品字形陣列布置，用于掃查板材表面除左右邊緣外的中間區(qū)域。

圖11 探頭組夾持機構(gòu)

圖12 探頭布置簡圖

4.3 設(shè)備布置

連續(xù)油管板材檢測設(shè)備布置如圖13 所示，檢測設(shè)備為龍門結(jié)構(gòu)，被檢鋼板由拖輪組帶動直線穿過檢測設(shè)備。輸入輥道上的鋼板通過設(shè)備時，設(shè)備能通過光電傳感器檢測鋼板的板頭信號、板尾信號、前進速度等信息，并跟蹤鋼板邊緣。安裝在1#、2#、3#、4#橫梁上的探頭組呈梳狀布置，完成對鋼板上下表面的全覆蓋掃查。1#、2#立柱橫梁位于傳輸輥道上方，在橫梁的前、后側(cè)安裝有直線導(dǎo)軌。1#橫梁前部安裝上表面邊緣探頭組，后部安裝上表面中部探頭組1；2#橫梁后部安裝上表面中部探頭組2；3#、4#立柱橫梁位于傳輸輥道下方，在橫梁的前、后側(cè)同樣安裝有直線導(dǎo)軌；3#橫梁前部安裝下表面邊緣探頭組，后部安裝下表面中部探頭組1；4#橫梁后部安裝下表面中部探頭組2。邊緣探頭組對鋼板邊部進行分層檢測，中部探頭組對鋼板中部區(qū)域進行分層檢測。在設(shè)備前、中、后部，還配置有1#、2#、3#壓緊輥裝置，防止鋼板在檢測過程中跳動。3 個壓緊輥裝置的結(jié)構(gòu)基本相同，主要由安裝支架、壓輪、升降裝置和導(dǎo)向裝置等組成。

圖13 檢測設(shè)備布置簡圖

4.4 檢測流程

利用PLC 實現(xiàn)檢測系統(tǒng)各運動構(gòu)件的協(xié)同控制是實現(xiàn)自動化檢測的重要一環(huán)，檢測工藝流程如圖14 所示。檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)以下主要功能：①自動上下料；②自動高精度探傷，并記錄缺陷位置；③自動標記缺陷；④自動根據(jù)探傷信號分選合格件、降級件和判廢件。

圖14 檢測流程圖

5 連續(xù)油管管材檢測系統(tǒng)

連續(xù)油管管材檢測系統(tǒng)與板材檢測系統(tǒng)在系統(tǒng)組成、檢測流程等方面相似，因此不作贅述。兩者的主要區(qū)別在于陣列探頭的布置方式。如圖15 所示，為實現(xiàn)對連續(xù)油管表面的全覆蓋掃查，沿管材周向布置一圈MPPT 探頭。檢測過程中，管材在對輥的帶動下沿軸向前進。為保證不低于10%的重疊率，根據(jù)單個MPPT探頭的周向有效檢測長度和管徑布置需要的探頭數(shù)目。

圖15 探頭布置簡圖

6 結(jié)束語

本研究提出一種連續(xù)油管用薄壁板材和成品管材分層缺陷的磁導(dǎo)率擾動電磁檢測方法與系統(tǒng)。其信號成因類似于漏磁檢測方法，但磁化場方向沿法向；其探頭結(jié)構(gòu)類似于電磁超聲測厚探頭，但線圈的激勵為低頻連續(xù)電流。試驗證明了該方法的有效性，在薄壁鐵磁性管、板件的分層檢測應(yīng)用上具有一定的優(yōu)勢。