基于差分脈沖渦流的大提離下坑蝕檢測方法研究

摘 要 針對大提離下鐵磁性材料坑蝕檢測的難題，提出基于差分脈沖渦流的線圈結(jié)構(gòu)。通過實(shí)驗(yàn)定性分析3種差分布置方式對信號的影響，表明外部差分可保證信號對稱性。進(jìn)而對比不同提離下外部180°、90°差分結(jié)構(gòu)缺陷信號幅值，表明外部180°差分結(jié)構(gòu)更優(yōu)。最后在100 mm提離下采用外部180°差分接收線圈3檢測直徑20 mm、深2.4 mm平底孔，其幅值為0.3 mV，表明該結(jié)構(gòu)可在大提離下檢測坑蝕。

關(guān)鍵詞 脈沖渦流 大提離 鐵磁性材料 坑蝕檢測 差分信號

中圖分類號 TP29" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號 1000-3932（2024）06-0996-05

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，承壓設(shè)備（如壓力管道、容器等）在石油、化工及能源等行業(yè)被廣泛應(yīng)用。為減少介質(zhì)能量損失并避免管道直接與外界接觸，承壓設(shè)備通常為采用包覆層結(jié)構(gòu)的鐵磁性材料，以此來運(yùn)輸高溫、高壓、高濕介質(zhì)。外部濕氣和離子滲透穿過保溫層等到達(dá)金屬外壁，在一定條件下會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致外壁腐蝕（如坑蝕），這種絕緣層下腐蝕（Corrosion Under Insulation，CUI）是最嚴(yán)重的腐蝕類型之一［1］。采用脈沖渦流（Pulsed Eddy Current，PEC）可以實(shí)現(xiàn)不拆除包覆層條件下的壁厚檢測［2］，但目前大部分研究仍局限于大面積腐蝕引起的壁厚減薄檢測［3～5］，而坑蝕由于體積小，現(xiàn)有脈沖渦流無法檢測出，在實(shí)際工程應(yīng)用中容易漏檢，從而造成安全事故，因此，研究大提離下坑蝕檢測方法可以及早發(fā)現(xiàn)安全隱患，保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

張卿基于電磁波反射和折射理論，通過引入結(jié)構(gòu)系數(shù)將Cheng矩陣法擴(kuò)展求解波動(dòng)方程，建立平底盲孔構(gòu)件PEC檢測解析模型［6］，其中傳感器包括同軸式傳感器和TR傳感器兩種。MAO X F和GUO J L采用擾動(dòng)法研究有表面缺陷圓柱體的渦流場解析解［7］，計(jì)算了由擾動(dòng)場引起的線圈阻抗變化。PIPIS K等將表面積分法應(yīng)用于裂紋信號的計(jì)算［8］，采用TREE方法構(gòu)造格林算子，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有高度一致性。HAN Y等通過仿真與實(shí)驗(yàn)［9］，得出垂直放置線圈比水平放置線圈更有利于缺陷檢測的結(jié)論，可在100 mm提離下對直徑32 mm、深5 mm的平底盲孔缺陷進(jìn)行檢測。曹愛松等設(shè)計(jì)雙激勵(lì)雙接收式聚焦型探頭［10］，對100 mm包覆層下的20#鋼管進(jìn)行局部缺陷的脈沖渦流仿真，其中缺陷長60 mm、寬40 mm、深5 mm，仿真結(jié)果顯示感應(yīng)電壓中后段有所區(qū)別。然而坑蝕檢測實(shí)驗(yàn)研究仍較少，故筆者通過實(shí)驗(yàn)提出一種基于差分脈沖渦流的大提離下坑蝕檢測方法。

1 差分PEC檢測基本原理

差分PEC檢測基本原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，如圖1所示，不同于渦流檢測的單頻激勵(lì)，PEC激勵(lì)一般為方波或階躍信號，具有頻率成分豐富的優(yōu)點(diǎn)，高頻成分趨膚深度小，對表面缺陷更加敏感，低頻成分趨膚深度大，可以穿透試件獲取壁厚信息。

試件坑蝕處電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率會發(fā)生變化，當(dāng)載有方波或階躍電信號的線圈放置于鐵磁性試件上方時(shí)，導(dǎo)致其附近的渦流、磁場發(fā)生變化，該變化與坑蝕幾何尺寸、激勵(lì)信號大小及提離高度等有關(guān)。若采用合適的接收元件（如線圈），將該變化轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電壓測量出來，并進(jìn)行分析處理即可獲取坑蝕狀態(tài)信息。由于坑蝕體積小，大提離下信號變化量微弱，為毫伏級甚至納伏級，因此，提出采用差分接收線圈結(jié)構(gòu)檢測有無坑蝕的PEC差分信號，進(jìn)而提取特征量，實(shí)現(xiàn)坑蝕檢測。

2 差分PEC檢測實(shí)驗(yàn)平臺

差分PEC檢測實(shí)驗(yàn)平臺如圖2所示，包括信號發(fā)生器、功率放大器、前置放大器、可編程濾波器、示波器、激勵(lì)線圈和差分接收線圈等。信號發(fā)生器經(jīng)過功率放大器后，產(chǎn)生幅值±10 V、頻率1 Hz、占空比50%的方波信號，施加于激勵(lì)線圈，差分接收線圈信號輸出經(jīng)過前置放大器、可編程濾波器后顯示于示波器。制作的激勵(lì)線圈、差分接收線圈尺寸見表1。檢測試件尺寸見表2，試件1與試件2分別加工有直徑20 mm、深80%（9.6 mm）、深20%（2.4 mm）平底孔的模擬坑蝕。

3 大提離下差分PEC坑蝕檢測實(shí)驗(yàn)

3.1 差分接收線圈布置方式的影響

差分接收線圈布置方式如圖3所示，其中圖3a為內(nèi)部差分接收線圈結(jié)構(gòu)，兩接收線圈中心間距為30 mm，圖3b為外部180°差分接收線圈結(jié)構(gòu)，兩接收線圈中心間距120 mm，圖3c為外部90°差分接收線圈結(jié)構(gòu)，激勵(lì)線圈與接收線圈中心間距60 mm。

以試件1、激勵(lì)線圈1、差分接收線圈1為例，激勵(lì)線圈固定不動(dòng)，3種布置方式得到的差分信號波形如圖4所示，圖4a為內(nèi)部差分信號，圖4b為外部180°、90°差分檢測信號，通道1為幅值±10 V、重復(fù)頻率1 Hz的方波激勵(lì)信號，通道2為差分PEC信號。由激勵(lì)上升沿和下降沿激發(fā)的內(nèi)部差分PEC信號具有不對稱現(xiàn)象，表現(xiàn)為幅值一大一小，而外部差分PEC信號對稱。采用激勵(lì)線圈1、差分接收線圈2和3信號類似，且試件2類似。原因在于差分接收線圈間距過近，線圈易互感引起不對稱。此外，激勵(lì)線圈外徑影響渦流的擴(kuò)散區(qū)域，渦流自激勵(lì)線圈正下方中心處向四周擴(kuò)散，若激勵(lì)尺寸過大，則會影響傳感器靈敏度，而激勵(lì)尺寸限制了內(nèi)部差分線圈尺寸，故采用外部差分布置方式更合理。

3.2 不同提離下外部差分的深80%平底孔檢測

按照外部180°、90°布置差分接收線圈，在不同提離下采用激勵(lì)線圈2、差分接收線圈2進(jìn)行試件1的深80%平底孔檢測，提離高度從50 mm開始增加，步進(jìn)10 mm。首先考慮到線圈制作無法絕對相同，將差分接收線圈中的兩個(gè)接收線圈均放置于無缺陷處，進(jìn)行平衡微調(diào)，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)標(biāo)定；然后在保持激勵(lì)線圈與接收線圈相對位置固定不變的情況下整體移動(dòng)線圈，并將差分接收線圈中的其中一個(gè)線圈放置于缺陷正上方再次測量，將兩次差分信號再做差分，獲取缺陷檢測信號。

外部180°差分結(jié)構(gòu)缺陷信號如圖5a所示，缺陷信號幅值先增大后減小，隨著提離增加，信號峰值逐漸減小。外部90°差分結(jié)構(gòu)缺陷信號如圖5b所示，信號規(guī)律類似。兩者對比可知，同一提離下外部180°差分信號幅值大于外部90°差分信號幅值，前者更有利于在大提離下檢測坑蝕。

3.3 100 mm提離下深20%平底孔檢測

根據(jù)3.2節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用外部180°布置方式，在100 mm提離下采用激勵(lì)線圈2、差分接收線圈1～3進(jìn)行試件2的深20%平底孔檢測，研究接收線圈尺寸對小缺陷檢測的靈敏度，檢測步驟與3.2節(jié)所述一致。

不同接收線圈的差分缺陷信號如圖6所示，差分接收線圈3信號峰值最大，約0.3 mV，差分接收線圈1信號峰值最小，故差分接收線圈3檢測能力最優(yōu)。分析原因，在匝數(shù)、內(nèi)徑相同的情況下，一方面接收線圈高度增加必然導(dǎo)致外徑減小，截面積變小，磁通量變化量減小，表現(xiàn)為信號幅值減??；另一方面線圈高度增加，試件與接收線圈中心距離增加，可等效為試件與接收線圈提離增大，提離增大使得信號幅值變小。因此，采用外部180°差分接收線圈3在大提離下檢測小缺陷更合理。

4 結(jié)束語

在分析材料大提離坑蝕檢測需求的基礎(chǔ)上，提出差分PEC檢測基本原理并成功搭建實(shí)驗(yàn)平臺。通過繞制不同尺寸的激勵(lì)線圈、差分接收線圈，更改提離和差分線圈布置方式，證明外部180°結(jié)構(gòu)在保證信號對稱性的同時(shí)可以增大信號幅值，提高缺陷檢測能力。最后固定提離100 mm檢測平底孔，對比差分接收線圈1～3發(fā)現(xiàn)，差分接收線圈3檢測效果最佳，分析得出在匝數(shù)、內(nèi)徑相同的情況下，減小線圈高度利于缺陷檢測，證明差分結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于大提離下坑蝕檢測。后續(xù)將圍繞此需求，采用差分結(jié)構(gòu)進(jìn)行線圈尺寸優(yōu)化，提高大提離下小坑蝕的檢測能力，并完成相應(yīng)儀器研制。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ ELTAI E O，MUSHARAVATI F，MAHDI E.Severity of corrosion under insulation （CUI） to structures and strategies to detect it［J］.Corrosion Reviews，2019，37（6）：553-564.

［2］" "SOPHIAN A，TIAN G， FAN M. Pulsed Eddy Current Non-destructive Testing and Evaluation：A Review［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2017，30（3）：500-514.

［3］" "徐志遠(yuǎn).帶包覆層管道壁厚減薄脈沖渦流檢測理論與方法［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2012.

［4］" "張卿，李曉光，孫加偉，等.脈沖渦流TR探頭解析模型的快速求解方法［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2022，30（2）：172-178.

［5］" "姚文勝，葉宇峰，王鋒淮，等.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方法［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2023（9）：80-86.

［6］" "張卿.帶金屬保護(hù)層構(gòu)件脈沖渦流檢測解析模型及應(yīng)用［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2018.

［7］" "MAO X F，GUO J L.Approximate analytical solutions to eddy current field of a metal cylinder with a surface shallow defect［J］.NDT amp; E International，2022，130：102679.

［8］" "PIPIS K， SKARLATOS A， THEODOULIDIS T，et al.ECT-Signal Calculation of Cracks Near Fastener Holes Using an Integral Equation Formalism with Dedicated Green’s Kernel［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2016，52（4）：1-8.

［9］" "HAN Y，TAO Y，SHAO C，et al.Pulsed eddy currents in ferromagnetic pipes with cladding in nuclear power plants［J］.Energy Reports，2022，8：104-111.

［10］" "曹愛松，張燁，張蒲根，等.基于聚焦型探頭脈沖渦流檢測的保溫層下腐蝕仿真研究［J］.化工裝備技術(shù)，2020，41（4）：10-14.

（收稿日期：2024-03-12，修回日期：2024-09-29）

Detection Method Research for the Pitting Corrosion under Large"Lift-off Based on Differential Pulsed Eddy Current

YUAN Meng， WU Xin-jun

（School of Mechanical Science and Engineering， Huazhong University of Science and Technology）

Abstract" "Aiming at the difficulty in detecting the pitting corrosion of ferromagnetic materials under large lift-off， a coil structure based on differential pulsed eddy current was proposed. In addition， the effect of three differential arrangements on the signal was qualitatively analyzed through experiments to show that， the external differential can guarantee the symmetry of the signal. Comparing the signal amplitude of the external 180° and 90° differential structures under different lift-offs shows that， the external 180° differential structure is better; making use external 180° differential receiving coil 3 detect both 20-mm-diameter and 2.4-mm-deep flat bottom hole under 100 mm lifting indicates that when the amplitude stays at 0.3 mV， this structure can detect pitting corrosion under large lifting.

Key words" "pulsed eddy current， large lift-off， ferromagnetic materials， pitting corrosion detection， differential signal