基于參數(shù)反演算法的鐵磁構(gòu)件腐蝕減薄缺陷脈沖渦流檢測(cè)方法

姚文勝,葉宇峰,王鋒淮,謝浩平,陸樹華

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院,浙江杭州 310020;2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310020)

0 引言

工業(yè)領(lǐng)域大量使用鐵磁性管道和容器輸送和存儲(chǔ)高溫、高壓、具有腐蝕性的氣體或液體介質(zhì)。由于介質(zhì)磨損和流體加速腐蝕,會(huì)導(dǎo)致壁厚腐蝕減薄,甚至穿孔,容易造成介質(zhì)泄漏、爆炸等事故。腐蝕會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的承壓性能下降,嚴(yán)重威脅到生產(chǎn)安全,因此需要定期對(duì)構(gòu)件腐蝕情況實(shí)施無損檢測(cè)和評(píng)估。

目前能夠?qū)﹁F磁構(gòu)件實(shí)施無損檢測(cè)的方法主要有超聲法、漏磁法和脈沖渦流法。實(shí)際應(yīng)用中,構(gòu)件外包覆層會(huì)給壓電和電磁超聲檢測(cè)帶來困難。此外,腐蝕造成不規(guī)則麻坑、變形和腐蝕產(chǎn)物垢積,會(huì)導(dǎo)致超聲法無法獲得有效回波。剝離包覆層、打磨表面、涂耦合劑等預(yù)處理工序,降低了超聲檢測(cè)效率,一般超聲法只對(duì)管道彎頭、三通等容易發(fā)生腐蝕的部位進(jìn)行抽樣檢測(cè)。漏磁法已成功應(yīng)用于長(zhǎng)輸油氣管道、儲(chǔ)罐底板等鐵磁構(gòu)件的缺陷檢測(cè),對(duì)表面或近表面缺陷(如裂紋、凹坑等)檢測(cè)效果較好,且檢測(cè)速度快,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)掃查,但對(duì)面積型腐蝕檢測(cè)能力較弱,在壁厚檢測(cè)上不具備優(yōu)勢(shì)。

脈沖渦流法是一種可以在包覆層外檢測(cè)鐵磁構(gòu)件壁厚的電磁無損檢測(cè)方法。以脈沖電流代替正弦電流激勵(lì),在導(dǎo)體外產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng),使導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出渦流,通過檢測(cè)此瞬態(tài)渦流電磁場(chǎng)的衰減過程,評(píng)估構(gòu)件的腐蝕程度。

現(xiàn)有鐵磁構(gòu)件脈沖渦流檢測(cè)技術(shù),多通過從檢測(cè)信號(hào)中提取特征量的方法來反映壁厚變化。文獻(xiàn)[1]以雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下時(shí)域感應(yīng)電壓拐點(diǎn)時(shí)間作為檢測(cè)特征量檢測(cè)鐵磁管道壁厚的相對(duì)變化量。文獻(xiàn)[2]對(duì)同時(shí)帶有非金屬保溫層和金屬保護(hù)層的碳鋼管道的壁厚減薄脈沖渦流檢測(cè)方法進(jìn)行了研究,將理論模型簡(jiǎn)化為四層平板模型,并提取磁場(chǎng)衰減系數(shù)作為特征量檢測(cè)碳鋼管道壁厚。柯海等[3]對(duì)鋼腐蝕脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的信號(hào)處理和分析方法進(jìn)行了系列研究,將感應(yīng)電壓信號(hào)繪制在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中,以后期感應(yīng)電壓直線段的斜率為特征量反映壁厚,或利用差分信號(hào)峰值時(shí)間檢測(cè)鐵磁管道的壁厚[4]。文獻(xiàn)[5-6]給出了脈沖渦流電壓信號(hào)的衰減率與壁厚之間的關(guān)系式,并表明衰減率特征量與傳感器形狀、尺寸和探頭提離關(guān)系較弱。文獻(xiàn)[7]從脈沖渦流信號(hào)中提取出提離交叉點(diǎn)特征量,并研究了電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和壁厚變化對(duì)提離交叉點(diǎn)的影響。這些提取檢測(cè)特征量的方法優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)處理簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快。王浩[8]提出了基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的脈沖激勵(lì)上升沿時(shí)間優(yōu)化方法以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)脈沖激勵(lì)上升沿時(shí)間。

利用最優(yōu)化算法計(jì)算渦流場(chǎng)反演,是渦流檢測(cè)中參數(shù)反演、缺陷重構(gòu)的另一種有效方法。文獻(xiàn)[8]利用管道內(nèi)同軸線圈的阻抗變化,同時(shí)反演金屬管道的內(nèi)徑和電磁參數(shù),研究發(fā)現(xiàn)該方法只能反演出管道的內(nèi)徑以及相對(duì)磁導(dǎo)率與電導(dǎo)率的比值。文獻(xiàn)[9]基于金屬管道外放置式線圈渦流檢測(cè)模型的頻域解析解,與線圈阻抗-頻率變化曲線建立最小二乘參數(shù)反演,并將有約束的最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束的最優(yōu)化問題,利用Levenberg-Marquardt(LM)算法同時(shí)反演鐵磁管道的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、壁厚、內(nèi)徑、線圈提離5個(gè)參數(shù),結(jié)果表明參數(shù)反演結(jié)果受迭代初值的影響較大。文獻(xiàn)[10]利用脈沖渦流檢測(cè)中感應(yīng)電壓差分信號(hào),運(yùn)用共軛梯度算法來反演雙層金屬管道壁內(nèi)局部腐蝕減薄缺陷,當(dāng)同時(shí)反演缺陷形狀的多個(gè)參數(shù)時(shí),如果初值選取不當(dāng),反演結(jié)果容易收斂到局部極小點(diǎn)。隨著待反演參數(shù)的增加,這類問題會(huì)變得更加嚴(yán)重。

當(dāng)待檢測(cè)未知參數(shù)之間存在耦合關(guān)系時(shí),不管采用特征量法還是最優(yōu)化參數(shù)反演法,檢測(cè)信號(hào)微小的擾動(dòng),或者反演條件稍微的改變,均會(huì)引起檢測(cè)結(jié)果顯著的誤差。在文獻(xiàn)[10-12]中,均發(fā)現(xiàn)同時(shí)反演多個(gè)參數(shù)時(shí)難度更大,檢測(cè)結(jié)果的精度和可靠性會(huì)變差,重要原因之一就是待反演參數(shù)之間存在著耦合關(guān)系。這也是目前用脈沖渦流法檢測(cè)鐵磁構(gòu)件壁厚腐蝕時(shí),主要的誤差來源。

本文在鐵磁平板脈沖渦流場(chǎng)模型時(shí)域解析解的基礎(chǔ)上,利用感應(yīng)電壓測(cè)量值與計(jì)算值建立最小二乘參數(shù)反演,并結(jié)合模型參數(shù)之間的耦合關(guān)系,給出一種可靠的鐵磁構(gòu)件相對(duì)壁厚脈沖渦流檢測(cè)方法。觀察該方法對(duì)鐵磁構(gòu)件局部缺陷壁厚變化的掃查效果,驗(yàn)證方法的有效性和可靠性。

1 鐵磁構(gòu)件脈沖渦流檢測(cè)理論模型

圖1為鐵磁平板的脈沖渦流檢測(cè)模型。平板壁厚為d,電導(dǎo)率為σ,相對(duì)磁導(dǎo)率為μr。高度為h的空心圓柱激勵(lì)線圈(下標(biāo)為d)和檢測(cè)線圈(下標(biāo)為p)垂直放置于被檢鐵磁平板上方,線圈探頭下沿與平板上表面之間的距離定義為探頭提離距離l0。建立圓柱坐標(biāo)系Oρφz,并讓z軸與線圈探頭軸線重合。假定在圓柱面ρ=b上,各場(chǎng)量衰減為0。

圖1 圓柱線圈激勵(lì)下鐵磁平板脈沖渦流檢測(cè)模型

對(duì)鐵磁構(gòu)件實(shí)施脈沖渦流檢測(cè)時(shí),往激勵(lì)線圈中通入脈沖激勵(lì)電流[13],使導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)出瞬態(tài)渦流場(chǎng),此渦流場(chǎng)引起的空間磁場(chǎng)變化,會(huì)在檢測(cè)線圈中感應(yīng)出電壓信號(hào),通過采集分析檢測(cè)線圈兩端感應(yīng)電壓時(shí)域信號(hào),評(píng)估鐵磁構(gòu)件壁厚的腐蝕減薄程度[14-18]。

利用有限漢克爾變換求解得到了圖1所示截?cái)鄿u流場(chǎng)模型在復(fù)頻域中級(jí)數(shù)形式的場(chǎng)量表達(dá)式,然后利用留數(shù)定理求解頻域式的拉氏反變換,得到了激勵(lì)線圈通入脈沖激勵(lì)電流i(t)時(shí),檢測(cè)線圈兩端的感應(yīng)電壓時(shí)域表達(dá)式為

u(t)=Lini′(t)+uec(t)*i′(t)

(1)

式中:i′(t)為激勵(lì)電流對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù);“*”為卷積運(yùn)算;Lini′(t)為由激勵(lì)電流感應(yīng)的入射場(chǎng)感應(yīng)電壓,這部分信號(hào)會(huì)隨著激勵(lì)電流的快速關(guān)斷而衰減,且系數(shù)Lin只與線圈探頭的幾何參數(shù)有關(guān),不包含反映被檢導(dǎo)體的參數(shù)信息;uec(t)為導(dǎo)體內(nèi)渦流場(chǎng)感應(yīng)電壓的單位階躍響應(yīng)。

(2)

式中極點(diǎn)ξk為超越方程式(3)的第k個(gè)正根。

(3)

2 鐵磁構(gòu)件壁厚檢測(cè)方法

2.1 最優(yōu)化參數(shù)反演模型

通過對(duì)比式(2)所示的時(shí)域感應(yīng)電壓對(duì)壁厚、電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率的檢測(cè)靈敏度曲線,判斷出3個(gè)參數(shù)靈敏度曲線之間存在近似線性相關(guān),進(jìn)而推導(dǎo)得出在鐵磁構(gòu)件脈沖渦流檢測(cè)中,時(shí)域感應(yīng)電壓可以用只含2個(gè)變量σd、μrd的函數(shù)vecp表示:

uec(d,σ,μr,t)≈uecp(σd,μrd,t)

(4)

即鐵磁平板脈沖渦流場(chǎng)時(shí)域感應(yīng)電壓uec(σ,μr,d,t)可用uecp(xp,t)近似表示,參數(shù)向量xp=(σd,μrd)T。這表明在鐵磁構(gòu)件脈沖渦流檢測(cè)模型中,鐵磁構(gòu)件的電導(dǎo)率與壁厚,以及相對(duì)磁導(dǎo)率與壁厚,大體會(huì)以乘積的形式耦合在一起[12]。

當(dāng)待反演的參數(shù)之間存在耦合關(guān)系時(shí),參數(shù)反演問題會(huì)變成一個(gè)多解問題,此時(shí)檢測(cè)信號(hào)微小的擾動(dòng),或者反演條件(反演算法、迭代初值、迭代次數(shù)等)稍微的改變,均會(huì)引起檢測(cè)結(jié)果顯著的誤差,且容易受檢測(cè)條件、環(huán)境因素變化的影響,導(dǎo)致參數(shù)檢測(cè)結(jié)果的精度和可靠性變差。在實(shí)際檢測(cè)中,如果利用脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)對(duì)壁厚d、電導(dǎo)率σ和相對(duì)磁導(dǎo)率μr3個(gè)參數(shù)同時(shí)反演,檢測(cè)信號(hào)微小的誤差,就會(huì)導(dǎo)致壁厚檢測(cè)結(jié)果顯著的誤差。因此,一次檢測(cè)只能確定3個(gè)參數(shù)中的2個(gè)。

一般而言,被檢鐵磁構(gòu)件的電導(dǎo)率σ和相對(duì)磁導(dǎo)率μr均很難直接測(cè)量,且容易受材料微觀組織、溫度、壓力等因素的影響,所以難以用標(biāo)準(zhǔn)試件對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。相對(duì)磁導(dǎo)率的取值更容易受鐵磁材料微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)件內(nèi)剩磁、脈沖激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度等因素影響,線圈的放置位置不同,透入構(gòu)件脈沖激勵(lì)磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度不同,構(gòu)件相對(duì)磁導(dǎo)率的取值不同。在此,將每次檢測(cè)時(shí),鐵磁構(gòu)件的相對(duì)磁導(dǎo)率μr均當(dāng)成未知量,采用參數(shù)反演的方法確定其取值。

通過以上分析,基于模型解析表達(dá)式,建立最小二乘參數(shù)反演。設(shè)被檢鐵磁構(gòu)件的壁厚d和相對(duì)磁導(dǎo)率μr為2個(gè)未知參數(shù),即有未知參數(shù)向量x=(d,μr)T。設(shè)數(shù)據(jù)采集卡采集得到的時(shí)域感應(yīng)電壓離散序列為(t1,u1),(t2,u2),…,(tm,um),將其與式(2)計(jì)算的時(shí)域感應(yīng)電壓理論值u(x,t)對(duì)比,令測(cè)量值與理論計(jì)算值之間的誤差平方和最小來確定參數(shù)x的取值,即最小二乘問題:

(5)

2.2 相對(duì)壁厚的檢測(cè)過程

綜上所述,對(duì)鐵磁構(gòu)件壁厚腐蝕實(shí)施脈沖渦流檢測(cè)時(shí),可將同一段被檢構(gòu)件的電導(dǎo)率值設(shè)為任意固定值σ0,并通過構(gòu)件上檢測(cè)點(diǎn)與標(biāo)定點(diǎn)壁厚反演結(jié)果作比,消除設(shè)定的電導(dǎo)率值σ0的影響,從而得到檢測(cè)點(diǎn)壁厚相對(duì)于標(biāo)定點(diǎn)壁厚的相對(duì)變化量。相對(duì)壁厚的具體檢測(cè)過程可總結(jié)如下:

(1)在被檢鐵磁構(gòu)件上任意選取一處檢測(cè)點(diǎn),標(biāo)記為標(biāo)定點(diǎn)Q0,該處真實(shí)壁厚記為d0;

(2)將線圈探頭置于標(biāo)定點(diǎn)Q0處,對(duì)標(biāo)定點(diǎn)Q0實(shí)施脈沖渦流檢測(cè),采集得到檢測(cè)線圈兩端時(shí)域感應(yīng)電壓離散序列(t1,u1),(t2,u2),…,(tm,um);

(6)

由此計(jì)算出檢測(cè)點(diǎn)Qj處的壁厚相對(duì)于標(biāo)定點(diǎn)Q0處壁厚的相對(duì)變化量后,將檢測(cè)結(jié)果與檢測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)對(duì)應(yīng),存儲(chǔ)到主機(jī)中。重復(fù)步驟4和步驟5,得到下一檢測(cè)點(diǎn)Qj+1處壁厚相對(duì)變化量。直至描繪出整段被檢鐵磁構(gòu)件壁厚相對(duì)于標(biāo)定點(diǎn)Q0處壁厚的相對(duì)變化情況,從而找出鐵磁構(gòu)件上壁厚腐蝕減薄的位置,并對(duì)壁厚腐蝕程度進(jìn)行定量評(píng)估。

與從檢測(cè)信號(hào)中提取檢測(cè)特征量的方法相比,本文根據(jù)電磁場(chǎng)解析理論結(jié)果建立最小二乘反演確定參數(shù)的取值,充分利用了整段感應(yīng)電壓信號(hào)上的信息,能更有效地評(píng)估脈沖渦流電磁場(chǎng)的整個(gè)衰減過程,可提高參數(shù)檢測(cè)結(jié)果的精度和可靠性。

3 系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 帶包覆層鐵磁構(gòu)件脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)

圖2是帶包覆層鐵磁構(gòu)件脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的功能模塊示意圖。被檢鐵磁構(gòu)件外通常有一層非導(dǎo)電、非導(dǎo)磁的包覆層覆蓋,起保溫、防腐等作用。檢測(cè)系統(tǒng)由主機(jī)、脈沖激勵(lì)源、線圈探頭和數(shù)據(jù)采集卡等組成。對(duì)鐵磁構(gòu)件實(shí)施脈沖渦流檢測(cè)時(shí),主機(jī)向脈沖激勵(lì)源輸出脈沖激勵(lì)信號(hào)和觸發(fā)信號(hào),觸發(fā)脈沖激勵(lì)源給激勵(lì)線圈提供脈沖電流,在空間產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)。變化的磁場(chǎng)在被檢鐵磁構(gòu)件中感應(yīng)出脈沖渦流場(chǎng),此渦流場(chǎng)衰減變化過程,又會(huì)在檢測(cè)線圈兩端感應(yīng)出電壓信號(hào)。時(shí)域感應(yīng)電壓信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集、處理后輸出數(shù)字化的感應(yīng)電壓信號(hào)給主機(jī)。主機(jī)再對(duì)接收的時(shí)域感應(yīng)電壓檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波、降噪等處理后,代入反演程序中,反演計(jì)算出對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的壁厚,并將壁厚檢測(cè)結(jié)果輸出到顯示器上。

圖2 帶包覆層鐵磁構(gòu)件脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)功能模塊示意圖

繞制的圓柱線圈探頭幾何尺寸見表1,實(shí)物照片如圖3所示,一般需要根據(jù)被檢鐵磁構(gòu)件的壁厚和包覆層厚度設(shè)計(jì)合適的線圈探頭尺寸。

表1 激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈幾何尺寸

3.2 不同電導(dǎo)率設(shè)定值對(duì)應(yīng)的參數(shù)反演結(jié)果

以一塊900 mm×900 mm×7.50 mm的20#鋼板為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)對(duì)象,該鋼板可模擬大型壓力容器壁板。在其中一面銑出2個(gè)250 mm×250 mm×1.8 mm和200 mm×200 mm×3.0 mm的矩形槽,模擬鐵磁構(gòu)件壁厚的腐蝕減薄,加工的矩形缺陷的尺寸和位置如圖4所示。在同一塊鋼板上得到壁厚分別為7.5、5.7、4.5 mm的3處檢測(cè)點(diǎn),在7.5 mm壁厚處找一點(diǎn)標(biāo)記為檢測(cè)點(diǎn)Q0,1.8 mm深矩形缺陷中心位置標(biāo)記為檢測(cè)點(diǎn)Q1,3.0 mm深矩形缺陷中心位置標(biāo)記為檢測(cè)點(diǎn)Q2。

圖4 鋼板上加工的矩形槽減薄缺陷

用圖3所示直徑為40 mm的線圈探頭對(duì)3處檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行脈沖渦流檢測(cè)。將帶缺陷的鋼板翻轉(zhuǎn)過來,缺陷朝下,線圈探頭垂直放置在鋼板檢測(cè)點(diǎn)上方,并使線圈探頭下沿與管道外壁之間的提離距離設(shè)定為15 mm并保持不變。往激勵(lì)線圈中通入幅值為1.0 A,下降沿時(shí)間為0.6 ms的脈沖電流。然后采集脈沖電流下降沿在檢測(cè)線圈兩端感應(yīng)的電壓時(shí)域信號(hào),不同檢測(cè)點(diǎn)處感應(yīng)電壓實(shí)驗(yàn)曲線如圖5中實(shí)線所示。

圖5 鋼板上不同壁厚檢測(cè)點(diǎn)處感應(yīng)電壓實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論計(jì)算曲線

首先,將不同檢測(cè)點(diǎn)采集的感應(yīng)電壓依次代入式(6)所示最小二乘參數(shù)反演問題中,并利用數(shù)值迭代算法,反演未知參數(shù)向量x中2個(gè)參數(shù)。為了觀察不同電導(dǎo)率設(shè)定值σ0對(duì)參數(shù)反演結(jié)果的影響,依次將模型的電導(dǎo)率值設(shè)為5 MS/m、6 MS/m和7 MS/m,分別得到檢測(cè)點(diǎn)Q0、Q1、Q2處的3組參數(shù)反演結(jié)果x1,x2和x3如表2所示。

表2 不同電導(dǎo)率設(shè)定值對(duì)應(yīng)的參數(shù)反演結(jié)果

將不同電導(dǎo)率設(shè)定值σ0對(duì)應(yīng)的參數(shù)反演結(jié)果x1、x2和x3代入時(shí)域感應(yīng)電壓的理論計(jì)算式(2)中,計(jì)算得到不同檢測(cè)點(diǎn)處不同參數(shù)反演結(jié)果對(duì)應(yīng)的時(shí)域感應(yīng)電壓理論計(jì)算曲線(見圖5)。對(duì)于每個(gè)檢測(cè)點(diǎn),不同參數(shù)反演結(jié)果x1、x2和x3得到的計(jì)算曲線基本重合,幾乎無法區(qū)分,且均與實(shí)驗(yàn)采集的測(cè)量曲線吻合,說明參數(shù)反演結(jié)果x1、x2和x3均是最小二乘問題(5)的最優(yōu)解。然而,從表2中反演結(jié)果可以看出,改變?cè)O(shè)定的模型電導(dǎo)率值σ0,x中壁厚和相對(duì)磁導(dǎo)率的反演結(jié)果差別明顯,壁厚與真實(shí)值之間存在較大誤差。說明在被檢鐵磁構(gòu)件電導(dǎo)率未知的情況下,無法通過脈沖渦流檢測(cè)信號(hào),準(zhǔn)確反映各檢測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)壁厚。因此,需要按照3.2節(jié)中步驟,通過構(gòu)件上檢測(cè)點(diǎn)與標(biāo)定點(diǎn)壁厚反演結(jié)果作比,來消除電導(dǎo)率設(shè)定值σ0的影響。

3.3 相對(duì)壁厚檢測(cè)結(jié)果

表3 鋼板相對(duì)壁厚脈沖渦流法與超聲法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

由檢測(cè)結(jié)果可知,不同電導(dǎo)率設(shè)定值對(duì)應(yīng)的相對(duì)壁厚檢測(cè)結(jié)果基本一致,檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)精度約為0.4%。驗(yàn)證了3.2節(jié)中相對(duì)壁厚的檢測(cè)方法可以有效消除電導(dǎo)率設(shè)定值σ0的影響。隨后,以標(biāo)定點(diǎn)Q0處的壁厚7.5 mm為參考,用超聲測(cè)厚儀測(cè)得各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的平均壁厚相對(duì)變化量,2種方法相對(duì)壁厚檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比如表3所示。由數(shù)據(jù)分析可見,文中脈沖渦流法檢測(cè)鐵磁構(gòu)件相對(duì)壁厚的誤差不大于4%,可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壁厚腐蝕的檢測(cè)需求。

3.4 局部減薄缺陷相對(duì)壁厚掃查結(jié)果

對(duì)整塊鋼板進(jìn)行掃查,觀察檢測(cè)方法對(duì)整塊鐵磁鋼板壁厚變化的檢測(cè)效果。為了避免鋼板邊緣效應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,取鋼板中間700 mm×700 mm的區(qū)域,以20 mm為步長(zhǎng),依次劃分成20 mm×20 mm大小的網(wǎng)格,并對(duì)網(wǎng)格依次編號(hào)。將帶缺陷的一面朝下,并使線圈探頭與鋼板之間的提離距離固定為15 mm。按照3.2節(jié)中給出的檢測(cè)鐵磁構(gòu)件相對(duì)壁厚的步驟,對(duì)鋼板上每個(gè)網(wǎng)格實(shí)施脈沖渦流檢測(cè)。得到每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)壁厚相對(duì)變化量檢測(cè)結(jié)果后,最終描繪出檢測(cè)區(qū)域鋼板相對(duì)壁厚,如圖6所示。

由圖6可知,檢測(cè)結(jié)果直觀顯現(xiàn)了鋼板上加工的2處壁厚減薄區(qū)域。為了更清楚地觀察檢測(cè)結(jié)果對(duì)缺陷邊緣的識(shí)別效果,圖7(a)給出圖6中y坐標(biāo)固定為640 mm,x坐標(biāo)從100 mm變化到800 mm時(shí),相對(duì)壁厚檢測(cè)結(jié)果的變化曲線。圖7(b)給出圖6中y坐標(biāo)固定為300 mm,x坐標(biāo)從100 mm變化到800 mm時(shí),相對(duì)壁厚檢測(cè)結(jié)果的變化曲線。

由于線圈下方的渦流是在探頭足底區(qū)域內(nèi)分布,壁厚檢測(cè)結(jié)果是渦流分布區(qū)域壁厚的平均效果,所以當(dāng)線圈探頭跨越缺陷邊緣時(shí),壁厚檢測(cè)結(jié)果是一個(gè)逐漸下降的過程。如圖7所示,在此檢測(cè)條件下,大致需要2倍線圈直徑(約80 mm)的跨度,檢測(cè)結(jié)果才能趨于穩(wěn)定。由于圖7中矩形減薄區(qū)域的尺寸較大,遠(yuǎn)大于線圈的足底面積,因此跨過缺陷邊緣后檢測(cè)結(jié)果會(huì)趨近于真實(shí)相對(duì)壁厚。此時(shí),檢測(cè)結(jié)果下降沿或上升沿的中間位置,正好對(duì)應(yīng)于缺陷邊緣的位置。

為進(jìn)一步探索并擴(kuò)展該方法的應(yīng)用范圍,模擬現(xiàn)場(chǎng)壓力管道檢測(cè)條件,在一段材質(zhì)為20#鋼,長(zhǎng)度為1.2 m,外徑為180 mm,壁厚為8.0 mm的管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在管道中間位置,加工出一個(gè)直徑為50 mm、深度約為2.4 mm的圓形平底孔,平底孔中央位置的剩余壁厚約70%。保持線圈探頭與鋼管外壁之間的提離為10 mm不變,以10 mm為步長(zhǎng),沿管道軸線對(duì)缺陷進(jìn)行掃查檢測(cè)。同樣,按照3.2節(jié)中給出的檢測(cè)鐵磁構(gòu)件相對(duì)壁厚的步驟,掃查得到探頭跨過圓形平底孔時(shí),相對(duì)壁厚的檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。與圖7中結(jié)果一樣,探頭跨過缺陷邊緣時(shí),由于探頭足底面積內(nèi)渦流的綜合作用,壁厚檢測(cè)結(jié)果有一個(gè)逐漸下降的過程。在此檢測(cè)條件下,其跨度也接近2倍線圈直徑(約80 mm)。但圖8中圓形平底孔的直徑只有50 mm,明顯小于線圈的足底面積。當(dāng)線圈探頭置于平底孔缺陷正上方時(shí),由于探頭足底覆蓋了部分完好管道的區(qū)域,使得相對(duì)壁厚的檢測(cè)結(jié)果(約85%)明顯大于平底孔中心的剩余壁厚真實(shí)值(約70%)。此時(shí),利用脈沖渦流掃查結(jié)果,平底孔缺陷的減薄程度會(huì)被嚴(yán)重低估。

圖8 圓形平底孔缺陷脈沖渦流檢測(cè)結(jié)果

綜上所述,本文提出的鐵磁構(gòu)件相對(duì)壁厚脈沖渦流檢測(cè)方法,檢測(cè)結(jié)果可以直觀顯現(xiàn)出腐蝕減薄的區(qū)域,可實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域鐵磁構(gòu)件壁厚腐蝕的快速掃查檢測(cè)。當(dāng)腐蝕區(qū)域面積大于探頭足底面積時(shí),不但能準(zhǔn)確可靠地檢測(cè)出腐蝕減薄處壁厚的相對(duì)變化量,而且對(duì)腐蝕區(qū)域的邊緣有較好的空間分辨能力;當(dāng)減薄區(qū)域面積小于探頭足底面積時(shí),利用脈沖渦流掃查結(jié)果,局部腐蝕缺陷的減薄程度會(huì)被低估,但仍然可以正確分辨出腐蝕位置。

4 結(jié)束語

以鐵磁平板脈沖渦流檢測(cè)模型的時(shí)域解析式為基礎(chǔ),給出了一種鐵磁構(gòu)件相對(duì)壁厚的脈沖渦流參數(shù)反演方法。首先將被檢構(gòu)件的電導(dǎo)率值設(shè)為固定常數(shù),建立時(shí)域感應(yīng)電壓測(cè)量值與理論計(jì)算值之間的最小二乘參數(shù)反演,反演鐵磁構(gòu)件的壁厚和相對(duì)磁導(dǎo)率。然后,通過構(gòu)件上2處檢測(cè)點(diǎn)壁厚反演結(jié)果作比,可消除被檢構(gòu)件電導(dǎo)率設(shè)定值的影響,從而檢測(cè)出2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間的壁厚相對(duì)變化量。

為研究方法在壓力容器和壓力管道壁厚腐蝕檢測(cè)的適應(yīng)性,以含人工壁厚減薄矩形槽缺陷的鋼板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,將脈沖渦流法與超聲測(cè)厚法得到的相對(duì)壁厚檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了脈沖渦流法檢測(cè)鐵磁構(gòu)件相對(duì)壁厚的可行性,其相對(duì)壁厚誤差不大于4%。與此同時(shí),在含平底孔缺陷的管道上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),模擬壓力管道檢測(cè)情況。綜合2次實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)腐蝕區(qū)域面積大于探頭足底面積時(shí),可準(zhǔn)確檢測(cè)出腐蝕區(qū)域的剩余壁厚,且對(duì)腐蝕區(qū)域的邊緣有較好的空間識(shí)別能力;當(dāng)減薄區(qū)域面積小于探頭足底面積時(shí),局部腐蝕缺陷的減薄程度會(huì)被低估。