摘 要:通過仿真優化與試驗,研制了一套用于承壓類管道內壁損傷檢測的系統,系統由低頻 電磁傳感器模塊、信號發生模塊、功率放大模塊以及信號調理模塊構成。通過低頻電磁傳感器磁化 管道并采集管道的電磁信號,由信號發生和功率放大模塊完成對激勵線圈的勵磁,信號調理模塊完 成數據放大和濾波,最終實現管道內部缺陷檢測。試驗結果表明,該低頻電磁檢測系統靈敏度高, 可以實現對直徑為152mm,厚度為16mm,埋深為12.8mm 的304不銹鋼承壓管道內部缺陷的有 效檢測,且其最佳檢測頻率為100Hz~200Hz。

關鍵詞:多通道檢測系統;管道缺陷;低頻電磁;內外壁損傷 

中圖分類號:TH878;TG115.28                           文獻標志碼:A                            文章編號:1000-6656(2022)09-0045-07

承壓類管道是重要的氣體、液體運輸工具。截 止目前,我國現有的原油管道長度達到6.5萬千米, 天然氣管道總長度達到10.4萬千米。按照國家相 關部門發布的文件顯示,到2025年底,國內的油氣 管道總長度將達到約24萬千米,形成一個龐大的管 道運輸網[1]。管道系統的可靠性和有效性常常受到 腐蝕、磨蝕、沉積、阻塞等降解因素的影響[2]。為了 能夠確保管道的安全運行,對管道進行檢測是最基 本的要求,檢測方法包括低頻電磁漏磁檢測、射線檢 測、渦流檢測、超聲檢測等[3-7]。汪磊等[8]研究了常 規超聲使用的單晶探頭,發現其聲束發射角度單一, 不能有效識別出壓力容器內表面的點腐蝕缺陷,且 只能從波形中識別出較深點腐蝕缺陷的位置,不能 確定缺陷類型,容易導致漏檢。黃學斌[9]采用紅外熱像檢測技術檢測氨制冷壓力管道缺陷,根據管道 內部溫度場的不同來檢測內腐蝕缺陷,然而,影響溫 度場的因素眾多,且該檢測要求苛刻,實際應用范圍 不大。唐飛陽亮等[10]在檢測鍋爐水冷壁管結構件 時,為提高點腐蝕型缺陷的檢測成功率,采用了數字 射線檢測方法,但該方法對于腐蝕面積型缺陷的檢 測靈敏度較低,適用范圍有一定的限制。岳庚新[11] 采用放置式渦流傳感器來檢測表面有涂層的管道內 部缺陷,發現無法對涂層厚度大于2.5 mm 的內部 缺陷進行有效檢測?？梢钥闯?上述檢測方法都有 其自身的檢測優點,但也有明顯的局限性,尤其對于 表面存在涂層的管道類設備的缺陷檢測還存在不 足。因此,研制一種使用方便,穿透性強的高精度檢 測儀,實現對表面存在涂層的管道類設備缺陷的檢 測,具有十分重要的意義[12]。 

文章基于低頻電磁檢測基本原理,通過優化傳 感器結構,實現了對信號的控制、數據放大及濾波處 理等功能。研制的承壓類管道缺陷低頻電磁檢測系 統,在低磁導率、檢測頻率為100~200 Hz的情況 下,實現了對直徑為152mm,厚度為16mm,埋深 為12.8mm 的304不銹鋼材料承壓管道缺陷的有 效檢測。

1 低頻電磁檢測原理 

低頻電磁檢測原理為使用強磁場磁化待測試件 直至試件磁飽和,當試件內部存在缺陷時,試件內部 磁場會發生泄漏,對拾取的漏磁場強度及相位進行 分析,可以得到缺陷的相關特征,再進一步對拾取數 據進行分析,即可實現對缺陷的量化。 低

頻電磁傳感器如圖1所示,傳感器采用磁芯 及纏繞在磁芯上的激勵線圈作為勵磁裝置,纏繞在 銜芯上的多匝線圈作為漏磁場拾取裝置,高磁導率 的拱形金屬材料作為磁屏蔽裝置。激勵線圈在低頻 率正弦激勵激發下產生一個交變的原電磁場,原電 磁場穿透待測試件,磁屏蔽層將磁芯下方的原電磁 場屏蔽,使得檢測線圈可以拾取到更為精準的漏磁 場信號,以便后續進行缺陷特征提取。

2 試樣制備與試驗方法 

影響傳感器檢測靈敏度的因素主要包括磁芯形 狀、磁芯尺寸(內外半徑、厚度等)、檢測線圈參數(銜 芯尺寸、線圈匝數等),而要實現高靈敏度的低頻電 磁檢測,需 要 對 傳 感 器 結 構 進 行 分 析 并 進 行 參 數優化。 

基于 COMSOL 仿真軟件,利用電磁場模塊,建 立了交流電磁場檢測模型(見圖2)。通過參數化掃 描功能改變參數并控制變量唯一,對上述影響傳感 器檢測靈敏度的因素逐個進行分析,以此為后續的 低頻電磁檢測傳感器的設計提供參數指導。

2.1 磁芯參數仿真及優化 

2.1.1 磁芯形狀

要想有效地磁化被測試件,磁芯必須能與被測 試件形成磁回路,文章采用的磁芯材料為鐵基納米 晶體,常用的磁芯形狀有 U 型和 C型兩種。圖3所 示為兩種磁芯的仿真模型,兩磁芯的尺寸相同,繞線 匝數為360匝,激勵線圈繞線位置為磁芯兩極。

對兩模型施加2A 的激勵電流,得到檢測信號 的仿真結果如圖4所示。由圖4(a)可知,對于相同 的缺陷深度,C型磁芯的檢測幅值稍高于 U 型磁芯 的;由圖4(b)可知,缺陷深度對兩種磁芯的檢測靈 敏度都有較大影響,但其影響趨勢相似,在缺陷深度 為2.4~8.4mm 時,C 型磁芯傳感器的靈敏度稍高 于 U 型磁芯傳感器的靈敏度。

2.1.2 磁芯尺寸 

進一步研究了 C型磁芯尺寸(主要包括磁芯內 徑弧度θ、磁芯半徑 R 和磁芯厚度 W 等)對產生磁 場的影響,C型磁芯關鍵尺寸參數如圖5所示。

控制 磁 芯 半 徑 R 為 45 mm,磁 芯 厚 度 W 為 15mm 不變,在磁芯內徑弧度為180°~260°,變化 步長為 20°情況下,提取不同磁芯內徑弧度產生的 磁感應強度(見圖6)。由圖6可見,磁芯內徑弧度 的變化對檢測信號的影響較大,在內徑弧度為180° 時磁感應強度最大。 

提取掃描基準值、缺陷檢測峰值和基線最大偏 離量3個特征參數,分別獲得了如圖7(a)所示的缺 陷檢測峰值隨磁芯內徑弧度變化的曲線,以及如圖7(b)所示的掃描基準值及基準線最大偏離值隨磁 芯內徑弧度變化的曲線。

從圖7(a)可以看出,當缺陷深度一定時,磁芯 內徑弧度越大,缺陷檢測峰值越小,即較小的磁芯內 徑弧度有利于缺陷檢測,但從圖7(b)可以看到此時 掃描基準值和基準線最大偏離值均較大,即此時的 掃描結果受背景磁場影響較大,基準線水平較高,且 基線平穩度較差,不利于缺陷檢測。3個參量之間 相互矛盾,無法直接給出最優的磁芯內徑弧度。因 此,文章將采用遺傳算法對磁芯內徑弧度進行優化, 在算法中找出最優解。 

進一步,研究了磁芯半徑對磁化裝置磁化性能 的影響。設 置 磁 芯 內 徑 弧 度 固 定 為 220°,厚 度 為 15mm,磁芯半徑以10 mm 的步長在20~60 mm 間變化,得到了不同磁芯半徑下仿真磁感應強度的 空間分布(見圖8)。由圖8可以看出,不同磁芯半 徑下磁感應強度的空間分布曲線幾乎重疊,即磁芯 半徑對磁感應強度的空間分布無明顯影響。因此, 在實際制作傳感器中,磁芯半徑可以根據成本等其 他因素設定。

對磁芯厚度對傳感器檢測性能的影響進行了研 究。控制磁芯內徑弧度為220°,半徑為 45 mm 不 變,磁芯厚度以2mm 的步長在4~12mm 間變化, 獲得了其磁感應強度隨磁芯厚度變化的分布曲線 (見圖9)。由圖9可以看出,磁芯厚度從4 mm 增 加到12mm 的過程中,磁感應強度也增大。

缺陷檢測峰值與掃描基準值隨磁芯厚度變化的 曲線如圖10所示。從圖10可以看出,磁極寬度增 加,缺陷檢測峰值與無缺陷處的基準值同步上升,二 者同時制約著磁芯厚度的選擇。文章也采用遺傳算 法對磁芯厚度進行計算求取最優解。

利用遺傳算法優化磁芯內徑弧度和磁芯厚度兩個參數,遺傳算法重實數變量的可行域為[10,130], 二進制編碼的精度為 0.09634。當閾值小于10 -3 時,優化過程結束。達到該條件的遺傳算法優化收 斂圖如圖11所示。由于適應度值達到0.0000195 時滿足收斂條件,根據優化結果,該系統的最佳磁芯 內徑弧度為220°,磁芯厚度為12mm。

2.2 檢測線圈優化 

除了激勵磁芯的優化設計,檢測線圈的優化設 計也是傳感器優化的重要部分。根據法拉第電磁感 應定律,對于一個匝數為 N 匝的線圈,不考慮線圈 間存在間隙,假設每匝穿過的磁通量相同,則線圈的 感應電動勢E 為

式中:dΦ/dt為磁通量變化率;L 為電感系數,di/dt 為電流關于時間的導數。

由式(1)可以看出線圈的感應電動勢和電感及 匝數呈線性關系,線圈匝數決定了線圈感應電動勢 的大小,但并不能一味地增加線圈匝數來獲得高阻 抗,相較于增加線圈匝數,改變線圈電感更易提升檢 測線圈的阻抗值,電感為

式中:u0 為自由空間磁導率;ur 為鎳鐵合金銜芯的 相對磁導率;A 為檢測銜芯橫斷面積;lm 為對應的 磁路長度。

由式(2)可見,影響檢測線圈檢測靈敏度的主要 因素為 銜 芯 尺 寸 (主 要 指 銜 芯 直 徑)及 檢 測 線 圈 匝數。 

2.2.1 檢測線圈銜芯直徑優化 

檢測銜芯的直徑影響接收線圈的電感值,從而 影響到 傳 感 器 的 接 收 能 力。 在 繞 制 匝 數 相 同 的 80%Ni+20%Fe鎳鐵合金條件下,試驗采用直徑 (D)為3.15 mm,3.65 mm,4.15 mm 的檢測銜芯, 對12mm 厚的304不銹鋼管道表面孔型缺陷進行 檢測,檢測結果如圖12所示。

由圖12可以看出,檢測銜芯直徑不變,缺陷處檢測幅值與相位信號強度都隨著缺陷深度的增大而 逐漸增強;在同一缺陷深度下,檢測信號強度隨檢測 銜芯直徑的增加呈現一定程度的衰減,且當直徑為 3.15mm 時,檢測靈敏度最高。

2.2.2 檢測線圈匝數優化

增加檢測線圈匝數可以有效提高線圈感應電動 勢的大小,但同時也易增加檢測線圈的阻抗值。為 確定最優的檢測線圈匝數,選取線徑為0.06mm 的 漆包線在直徑為3.15mm 的檢測銜芯上分別繞制8 層(480 匝),10 層 (600 匝),12 層 (720 匝),再 對 12mm 厚的304不銹鋼管道表面孔型缺陷進行檢 測,檢測結果如圖13所示。 

由圖13可以看出,在相同檢測線圈匝數情況 下,缺陷處檢測幅值與相位信號強度隨著缺陷深度 的增大而逐漸增強,在同一缺陷深度下,檢測信號強 度并不隨著檢測線圈匝數的增加對應增強;在繞滿 10層(600匝)時檢測信號較強,考慮到線圈高度等 因素,應選擇10層(600匝)的檢測線圈。

3 電磁檢測系統設計及試驗 

3.1 電磁檢測系統設計

研制的承壓類管道低頻電磁檢測系統主要由電 磁傳感器、信號發生模塊、功率放大模塊與信號調理 模塊構成。

  3.1.1 電磁傳感器設計

電磁傳感器由激勵模塊、檢測模塊及外殼體組 成。前文已經通過 COMSOL仿真確定了磁芯及檢 測線圈的相關參數,具體為采用 C 型鐵基納米晶體材料作為勵磁磁芯,磁芯內徑弧度為220°,磁芯厚 度為12mm,激勵線圈纏繞在整個勵磁磁芯上,磁 屏蔽層采用高磁導率的坡莫合金,檢測線圈銜芯采 用內徑為3.15mm 的80%Ni+20%Fe配比鎳鐵合 金,采用600匝的多匝線圈纏繞在銜芯上。

3.1.2 外圍模塊設計

在低頻電磁檢測系統中,激勵線圈由正弦信號 進行激勵,信號發生器工作流程如圖14所示,具體 為:單片機主控電路輸出一個高頻采樣脈沖,分頻芯 片對高頻脈沖信號進行分頻,產生低頻脈沖;低頻脈 沖信號經過低通濾波器后產生一個正弦信號,作為 激勵源;然后在低頻信號中插入高頻脈沖,對低頻信 號進行采樣。

功率放大模塊采用 PA60EU 功放芯片和 OP07 運放芯片來放大單片機主控電路輸出的正弦信號, 使正弦信號能夠作用于激勵線圈,從而產生強磁場; 信號調理模塊主要通過反向低通濾波來放大電路, 濾除檢測線圈受環境干擾而產生的雜波。 

3.2 試驗結果與分析

按照承壓類管道構件電磁檢測國家標準,設計 并加工了管道構件檢測試塊,試塊材料為304不銹鋼,用 于 模 擬 承 壓 類 管 道 構 件,管 道 直 徑 為 152mm,厚度為16 mm。在管道中心位置處加工 直徑 為 5 mm,上 下 表 面 深 度 分 別 為 管 道 厚 度 的 20%,50%,60%,80%,100%的5個缺陷(見圖15, T 為厚度)。調整電磁傳感器的提離高度,開展檢 測試驗,檢測現場如圖16所示。

3.2.1 表面缺陷檢測試驗 

檢測系統激勵頻率為100~1000 Hz,步進為 100Hz,驅動電流為5A,對厚度為16mm 管道構 件表面腐蝕缺陷進行檢測,勻速滑動傳感器對管道 進行掃查,進一步提取檢測信號,檢測結果如圖17 所示。

由圖17可知,檢測幅值及相位信號均隨著缺陷 深度增大整體呈現遞增趨勢;對于直徑為5mm 的 缺陷,隨 頻 率 增 大 其 相 位 信 號 減 小,激 勵 頻 率 為100~500 Hz均可實現對缺陷的有效檢測,且頻率 約為100Hz時,幅值響應及缺陷信號響應最強,檢 測效果最好。

3.2.2 埋深缺陷檢測試驗 

檢測系統的激勵頻率為100~400 Hz,步進為 100Hz,驅動電流為5A,對16mm 厚的管道構件 內部腐蝕缺陷進行檢測,勻速滑動傳感器對管道進 行掃查,提取檢測信號,檢測結果如圖18所示。

由圖18可知,當管道厚度為16mm 時,隨著缺 陷埋深增加,檢測電壓幅值與相位均呈下降趨勢;采 用100~300 Hz輸入信號激勵時,埋深為9.6mm 以下缺陷的幅值與相位均有明顯變化,說明該系統 可以實現對埋深為9.6mm 以下缺陷的檢出,但對 于埋 深 為 12.8 mm 左 右 的 缺 陷,僅 在 頻 率 為 100~200Hz時,采集到的幅值與相位差明顯,可以 實現缺陷檢出。 

3.3 檢測結果 

采用研制的承壓類管道低頻電磁檢測系統,對 不同參數的缺陷開展了試驗研究,分析了激勵頻率 對低頻電磁檢測信號的影響,獲得了如下結果。 

(1)對304不銹鋼管道而言,增大激勵頻率,檢 測信號幅值整體上呈現遞增趨勢,檢測相位信號呈 現先遞減再遞增趨勢,激勵頻率為500~600Hz時, 檢測信 號 無 法 有 效 表 征 缺 陷,最 佳 檢 測 頻 率 為 100~200Hz。

(2)分析了裂紋缺陷的檢測信息,發現缺陷處 檢測幅值及相位信號強度隨著缺陷深度的增加而增 強;隨著缺陷埋深的增大,檢測信號強度嚴重衰減, 不利于缺陷的有效表征。

(3)研制的檢測系統對304不銹鋼的穿透深度 可達16mm,對5mm 寬圓形缺陷的有效檢測深度 達管道厚度的60%,系統功能完整,性能良好。

4 結語 

設計研制了承壓類管道低頻電磁檢測系統,利 用仿真對比試驗完善了低頻電磁傳感器的內部結 構。試驗表明,該系統對于管道的最佳檢測頻率為 100~200 Hz,可 實 現 對 直 徑 為 152mm,厚 度 為 16mm,埋深為12.8mm 的304不銹鋼管道內部缺 陷的有效檢測。該系統靈敏度高、穿透性強,體積 小,在承壓管道內部損傷無損檢測領域具有較好的 應用前景。

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<文章來源>材料與測試網 > 期刊論文 > 無損檢測 > 44卷 > 9期 (pp:45-51)>