摘 要:通过仿真优化与试验,研制了一套用于承压类管道内壁损伤检测的系统,系统由低频 电磁传感器模块、信号发生模块、功率放大模块以及信号调理模块构成。通过低频电磁传感器磁化 管道并采集管道的电磁信号,由信号发生和功率放大模块完成对激励线圈的励磁,信号调理模块完 成数据放大和滤波,最终实现管道内部缺陷检测。试验结果表明,该低频电磁检测系统灵敏度高, 可以实现对直径为152mm,厚度为16mm,埋深为12.8mm 的304不锈钢承压管道内部缺陷的有 效检测,且其最佳检测频率为100Hz~200Hz。

关键词:多通道检测系统;管道缺陷;低频电磁;内外壁损伤

中图分类号:TH878;TG115.28 文献标志码:A 文章编号:1000-6656(2022)09-0045-07

承压类管道是重要的气体、液体运输工具。截 止目前,我国现有的原油管道长度达到6.5万千米, 天然气管道总长度达到10.4万千米。按照国家相 关部门发布的文件显示,到2025年底,国内的油气 管道总长度将达到约24万千米,形成一个庞大的管 道运输网[1]。管道系统的可靠性和有效性常常受到 腐蚀、磨蚀、沉积、阻塞等降解因素的影响[2]。为了 能够确保管道的安全运行,对管道进行检测是最基 本的要求,检测方法包括低频电磁漏磁检测、射线检 测、涡流检测、超声检测等[3-7]。汪磊等[8]研究了常 规超声使用的单晶探头,发现其声束发射角度单一, 不能有效识别出压力容器内表面的点腐蚀缺陷,且 只能从波形中识别出较深点腐蚀缺陷的位置,不能 确定缺陷类型,容易导致漏检。黄学斌[9]采用红外热像检测技术检测氨制冷压力管道缺陷,根据管道 内部温度场的不同来检测内腐蚀缺陷,然而,影响温 度场的因素众多,且该检测要求苛刻,实际应用范围 不大。唐飞阳亮等[10]在检测锅炉水冷壁管结构件 时,为提高点腐蚀型缺陷的检测成功率,采用了数字 射线检测方法,但该方法对于腐蚀面积型缺陷的检 测灵敏度较低,适用范围有一定的限制。岳庚新[11] 采用放置式涡流传感器来检测表面有涂层的管道内 部缺陷,发现无法对涂层厚度大于2.5 mm 的内部 缺陷进行有效检测。可以看出,上述检测方法都有 其自身的检测优点,但也有明显的局限性,尤其对于 表面存在涂层的管道类设备的缺陷检测还存在不 足。因此,研制一种使用方便,穿透性强的高精度检 测仪,实现对表面存在涂层的管道类设备缺陷的检 测,具有十分重要的意义[12]。

文章基于低频电磁检测基本原理,通过优化传 感器结构,实现了对信号的控制、数据放大及滤波处 理等功能。研制的承压类管道缺陷低频电磁检测系 统,在低磁导率、检测频率为100~200 Hz的情况 下,实现了对直径为152mm,厚度为16mm,埋深 为12.8mm 的304不锈钢材料承压管道缺陷的有 效检测。

1 低频电磁检测原理

低频电磁检测原理为使用强磁场磁化待测试件 直至试件磁饱和,当试件内部存在缺陷时,试件内部 磁场会发生泄漏,对拾取的漏磁场强度及相位进行 分析,可以得到缺陷的相关特征,再进一步对拾取数 据进行分析,即可实现对缺陷的量化。 低

频电磁传感器如图1所示,传感器采用磁芯 及缠绕在磁芯上的激励线圈作为励磁装置,缠绕在 衔芯上的多匝线圈作为漏磁场拾取装置,高磁导率 的拱形金属材料作为磁屏蔽装置。激励线圈在低频 率正弦激励激发下产生一个交变的原电磁场,原电 磁场穿透待测试件,磁屏蔽层将磁芯下方的原电磁 场屏蔽,使得检测线圈可以拾取到更为精准的漏磁 场信号,以便后续进行缺陷特征提取。

2 试样制备与试验方法

影响传感器检测灵敏度的因素主要包括磁芯形 状、磁芯尺寸(内外半径、厚度等)、检测线圈参数(衔 芯尺寸、线圈匝数等),而要实现高灵敏度的低频电 磁检测,需 要 对 传 感 器 结 构 进 行 分 析 并 进 行 参 数优化。

基于 COMSOL 仿真软件,利用电磁场模块,建 立了交流电磁场检测模型(见图2)。通过参数化扫 描功能改变参数并控制变量唯一,对上述影响传感 器检测灵敏度的因素逐个进行分析,以此为后续的 低频电磁检测传感器的设计提供参数指导。

2.1 磁芯参数仿真及优化

2.1.1 磁芯形状

要想有效地磁化被测试件,磁芯必须能与被测 试件形成磁回路,文章采用的磁芯材料为铁基纳米 晶体,常用的磁芯形状有 U 型和 C型两种。图3所 示为两种磁芯的仿真模型,两磁芯的尺寸相同,绕线 匝数为360匝,激励线圈绕线位置为磁芯两极。

对两模型施加2A 的激励电流,得到检测信号 的仿真结果如图4所示。由图4(a)可知,对于相同 的缺陷深度,C型磁芯的检测幅值稍高于 U 型磁芯 的;由图4(b)可知,缺陷深度对两种磁芯的检测灵 敏度都有较大影响,但其影响趋势相似,在缺陷深度 为2.4~8.4mm 时,C 型磁芯传感器的灵敏度稍高 于 U 型磁芯传感器的灵敏度。

2.1.2 磁芯尺寸

进一步研究了 C型磁芯尺寸(主要包括磁芯内 径弧度θ、磁芯半径 R 和磁芯厚度 W 等)对产生磁 场的影响,C型磁芯关键尺寸参数如图5所示。

控制 磁 芯 半 径 R 为 45 mm,磁 芯 厚 度 W 为 15mm 不变,在磁芯内径弧度为180°~260°,变化 步长为 20°情况下,提取不同磁芯内径弧度产生的 磁感应强度(见图6)。由图6可见,磁芯内径弧度 的变化对检测信号的影响较大,在内径弧度为180° 时磁感应强度最大。

提取扫描基准值、缺陷检测峰值和基线最大偏 离量3个特征参数,分别获得了如图7(a)所示的缺 陷检测峰值随磁芯内径弧度变化的曲线,以及如图7(b)所示的扫描基准值及基准线最大偏离值随磁 芯内径弧度变化的曲线。

从图7(a)可以看出,当缺陷深度一定时,磁芯 内径弧度越大,缺陷检测峰值越小,即较小的磁芯内 径弧度有利于缺陷检测,但从图7(b)可以看到此时 扫描基准值和基准线最大偏离值均较大,即此时的 扫描结果受背景磁场影响较大,基准线水平较高,且 基线平稳度较差,不利于缺陷检测。3个参量之间 相互矛盾,无法直接给出最优的磁芯内径弧度。因 此,文章将采用遗传算法对磁芯内径弧度进行优化, 在算法中找出最优解。

进一步,研究了磁芯半径对磁化装置磁化性能 的影响。设 置 磁 芯 内 径 弧 度 固 定 为 220°,厚 度 为 15mm,磁芯半径以10 mm 的步长在20~60 mm 间变化,得到了不同磁芯半径下仿真磁感应强度的 空间分布(见图8)。由图8可以看出,不同磁芯半 径下磁感应强度的空间分布曲线几乎重叠,即磁芯 半径对磁感应强度的空间分布无明显影响。因此, 在实际制作传感器中,磁芯半径可以根据成本等其 他因素设定。

对磁芯厚度对传感器检测性能的影响进行了研 究。控制磁芯内径弧度为220°,半径为 45 mm 不 变,磁芯厚度以2mm 的步长在4~12mm 间变化, 获得了其磁感应强度随磁芯厚度变化的分布曲线 (见图9)。由图9可以看出,磁芯厚度从4 mm 增 加到12mm 的过程中,磁感应强度也增大。

缺陷检测峰值与扫描基准值随磁芯厚度变化的 曲线如图10所示。从图10可以看出,磁极宽度增 加,缺陷检测峰值与无缺陷处的基准值同步上升,二 者同时制约着磁芯厚度的选择。文章也采用遗传算 法对磁芯厚度进行计算求取最优解。

利用遗传算法优化磁芯内径弧度和磁芯厚度两个参数,遗传算法重实数变量的可行域为[10,130], 二进制编码的精度为 0.09634。当阈值小于10 -3 时,优化过程结束。达到该条件的遗传算法优化收 敛图如图11所示。由于适应度值达到0.0000195 时满足收敛条件,根据优化结果,该系统的最佳磁芯 内径弧度为220°,磁芯厚度为12mm。

2.2 检测线圈优化

除了激励磁芯的优化设计,检测线圈的优化设 计也是传感器优化的重要部分。根据法拉第电磁感 应定律,对于一个匝数为 N 匝的线圈,不考虑线圈 间存在间隙,假设每匝穿过的磁通量相同,则线圈的 感应电动势E 为

式中:dΦ/dt为磁通量变化率;L 为电感系数,di/dt 为电流关于时间的导数。

由式(1)可以看出线圈的感应电动势和电感及 匝数呈线性关系,线圈匝数决定了线圈感应电动势 的大小,但并不能一味地增加线圈匝数来获得高阻 抗,相较于增加线圈匝数,改变线圈电感更易提升检 测线圈的阻抗值,电感为

式中:u0 为自由空间磁导率;ur 为镍铁合金衔芯的 相对磁导率;A 为检测衔芯横断面积;lm 为对应的 磁路长度。

由式(2)可见,影响检测线圈检测灵敏度的主要 因素为 衔 芯 尺 寸 (主 要 指 衔 芯 直 径)及 检 测 线 圈 匝数。

2.2.1 检测线圈衔芯直径优化

检测衔芯的直径影响接收线圈的电感值,从而 影响到 传 感 器 的 接 收 能 力。 在 绕 制 匝 数 相 同 的 80%Ni+20%Fe镍铁合金条件下,试验采用直径 (D)为3.15 mm,3.65 mm,4.15 mm 的检测衔芯, 对12mm 厚的304不锈钢管道表面孔型缺陷进行 检测,检测结果如图12所示。

由图12可以看出,检测衔芯直径不变,缺陷处检测幅值与相位信号强度都随着缺陷深度的增大而 逐渐增强;在同一缺陷深度下,检测信号强度随检测 衔芯直径的增加呈现一定程度的衰减,且当直径为 3.15mm 时,检测灵敏度最高。

2.2.2 检测线圈匝数优化

增加检测线圈匝数可以有效提高线圈感应电动 势的大小,但同时也易增加检测线圈的阻抗值。为 确定最优的检测线圈匝数,选取线径为0.06mm 的 漆包线在直径为3.15mm 的检测衔芯上分别绕制8 层(480 匝),10 层 (600 匝),12 层 (720 匝),再 对 12mm 厚的304不锈钢管道表面孔型缺陷进行检 测,检测结果如图13所示。

由图13可以看出,在相同检测线圈匝数情况 下,缺陷处检测幅值与相位信号强度随着缺陷深度 的增大而逐渐增强,在同一缺陷深度下,检测信号强 度并不随着检测线圈匝数的增加对应增强;在绕满 10层(600匝)时检测信号较强,考虑到线圈高度等 因素,应选择10层(600匝)的检测线圈。

3 电磁检测系统设计及试验

3.1 电磁检测系统设计

研制的承压类管道低频电磁检测系统主要由电 磁传感器、信号发生模块、功率放大模块与信号调理 模块构成。

3.1.1 电磁传感器设计

电磁传感器由激励模块、检测模块及外壳体组 成。前文已经通过 COMSOL仿真确定了磁芯及检 测线圈的相关参数,具体为采用 C 型铁基纳米晶体材料作为励磁磁芯,磁芯内径弧度为220°,磁芯厚 度为12mm,激励线圈缠绕在整个励磁磁芯上,磁 屏蔽层采用高磁导率的坡莫合金,检测线圈衔芯采 用内径为3.15mm 的80%Ni+20%Fe配比镍铁合 金,采用600匝的多匝线圈缠绕在衔芯上。

3.1.2 外围模块设计

在低频电磁检测系统中,激励线圈由正弦信号 进行激励,信号发生器工作流程如图14所示,具体 为:单片机主控电路输出一个高频采样脉冲,分频芯 片对高频脉冲信号进行分频,产生低频脉冲;低频脉 冲信号经过低通滤波器后产生一个正弦信号,作为 激励源;然后在低频信号中插入高频脉冲,对低频信 号进行采样。

功率放大模块采用 PA60EU 功放芯片和 OP07 运放芯片来放大单片机主控电路输出的正弦信号, 使正弦信号能够作用于激励线圈,从而产生强磁场; 信号调理模块主要通过反向低通滤波来放大电路, 滤除检测线圈受环境干扰而产生的杂波。

3.2 试验结果与分析

按照承压类管道构件电磁检测国家标准,设计 并加工了管道构件检测试块,试块材料为304不锈钢,用 于 模 拟 承 压 类 管 道 构 件,管 道 直 径 为 152mm,厚度为16 mm。在管道中心位置处加工 直径 为 5 mm,上 下 表 面 深 度 分 别 为 管 道 厚 度 的 20%,50%,60%,80%,100%的5个缺陷(见图15, T 为厚度)。调整电磁传感器的提离高度,开展检 测试验,检测现场如图16所示。

3.2.1 表面缺陷检测试验

检测系统激励频率为100~1000 Hz,步进为 100Hz,驱动电流为5A,对厚度为16mm 管道构 件表面腐蚀缺陷进行检测,匀速滑动传感器对管道 进行扫查,进一步提取检测信号,检测结果如图17 所示。

由图17可知,检测幅值及相位信号均随着缺陷 深度增大整体呈现递增趋势;对于直径为5mm 的 缺陷,随 频 率 增 大 其 相 位 信 号 减 小,激 励 频 率 为100~500 Hz均可实现对缺陷的有效检测,且频率 约为100Hz时,幅值响应及缺陷信号响应最强,检 测效果最好。

3.2.2 埋深缺陷检测试验

检测系统的激励频率为100~400 Hz,步进为 100Hz,驱动电流为5A,对16mm 厚的管道构件 内部腐蚀缺陷进行检测,匀速滑动传感器对管道进 行扫查,提取检测信号,检测结果如图18所示。

由图18可知,当管道厚度为16mm 时,随着缺 陷埋深增加,检测电压幅值与相位均呈下降趋势;采 用100~300 Hz输入信号激励时,埋深为9.6mm 以下缺陷的幅值与相位均有明显变化,说明该系统 可以实现对埋深为9.6mm 以下缺陷的检出,但对 于埋 深 为 12.8 mm 左 右 的 缺 陷,仅 在 频 率 为 100~200Hz时,采集到的幅值与相位差明显,可以 实现缺陷检出。

3.3 检测结果

采用研制的承压类管道低频电磁检测系统,对 不同参数的缺陷开展了试验研究,分析了激励频率 对低频电磁检测信号的影响,获得了如下结果。

(1)对304不锈钢管道而言,增大激励频率,检 测信号幅值整体上呈现递增趋势,检测相位信号呈 现先递减再递增趋势,激励频率为500~600Hz时, 检测信 号 无 法 有 效 表 征 缺 陷,最 佳 检 测 频 率 为 100~200Hz。

(2)分析了裂纹缺陷的检测信息,发现缺陷处 检测幅值及相位信号强度随着缺陷深度的增加而增 强;随着缺陷埋深的增大,检测信号强度严重衰减, 不利于缺陷的有效表征。

(3)研制的检测系统对304不锈钢的穿透深度 可达16mm,对5mm 宽圆形缺陷的有效检测深度 达管道厚度的60%,系统功能完整,性能良好。

4 结语

设计研制了承压类管道低频电磁检测系统,利 用仿真对比试验完善了低频电磁传感器的内部结 构。试验表明,该系统对于管道的最佳检测频率为 100~200 Hz,可 实 现 对 直 径 为 152mm,厚 度 为 16mm,埋深为12.8mm 的304不锈钢管道内部缺 陷的有效检测。该系统灵敏度高、穿透性强,体积 小,在承压管道内部损伤无损检测领域具有较好的 应用前景。

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<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 无损检测 > 44卷 > 9期 (pp:45-51)>