蔚道祥，陳定岳，薛盛龍，付躍文，鄒國輝

(1.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063;2.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，浙江 寧波 315048)

0 引言

帶包覆層管道在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，隨著服役時間的增長，管道內(nèi)壁和外壁將會出現(xiàn)缺陷，為此，對其進行無損檢測至關(guān)重要，但無損檢測技術(shù)普通需要去除包覆層進行檢測。脈沖渦流無損檢測技術(shù)可實現(xiàn)不拆除包覆層進行檢測，起初該技術(shù)主要運用在非鐵磁性材料的缺陷檢測［1-2］，且該對于檢測技術(shù)對金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同深度缺陷都有著較好的檢測效果［3］。目前在國外RTD、Shell 等公司將該技術(shù)應(yīng)用于帶包覆層鐵磁性管道腐蝕檢測取得了良好效果［4-5］。國內(nèi)華中科技大學(xué)研制了一套鐵磁性構(gòu)件的脈沖渦流檢測系統(tǒng)，廈門愛德森電子有限公司研制出隔熱層下管道壁厚脈沖渦流檢測系統(tǒng)EEC-83［6-7］，南昌航空大學(xué)無損檢測重點實驗室也積極開展了該方面的研究［8］。傳感器位置對于脈沖渦流檢測至關(guān)重要，探究其對脈沖渦流檢測信號的影響對缺陷的量化評價具有重要意義。

張輝等［9］對圓形傳感器參數(shù)的影響進行了有限元仿真與試驗，周德強等［10］對矩形傳感器做了試驗和有限元仿真，探究了矩形線圈平行和垂直被測對象，徐君［11］采用InSb 磁敏電阻作為脈沖渦流檢測傳感器，喻星星［12］研究了傳感器激勵參數(shù)對鐵磁性管構(gòu)件脈沖渦流檢測的影響及其機理，上述研究策略均采用將檢測線圈固定于激勵線圈正下方，而對檢測線圈的位置變化對檢測效果的影響的探究并未涉及。本研究建立了帶包覆層鐵磁性管道脈沖渦流檢測的有限元模型，研究了檢測線圈位置變化對檢測效果的影響規(guī)律，進一步進行了試驗驗證，分析并獲得了檢測線圈的最佳位置。

1 脈沖渦流檢測原理

帶包覆層鐵磁性管道檢測示意圖如圖1。探頭由激勵線圈和檢測線圈構(gòu)成，檢測線圈置于激勵線圈的正下方，探頭置于保護層的上方，激勵波形如圖2 所示，在激勵線圈上加載雙極性脈沖方波，當激勵電流瞬間關(guān)斷時，激勵線圈將會感生出快速衰減的變化磁場，變化的磁場在檢測試件中感應(yīng)出脈沖渦流，最后脈沖渦流然后又會感應(yīng)出二次磁場，二次磁場被檢測檢測線圈接收，并感應(yīng)出瞬態(tài)感應(yīng)電壓。

圖1 帶包覆層鐵磁性管道腐蝕結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of corrosion ferromagnetic pipe under insulation

2 仿真試驗與結(jié)果分析

2.1 激勵加載

采用磁矢量位法(MVP)進行有限元仿真。在建模過程中采用SOLID97 號單元，激勵信號參數(shù)如表1 所示。仿真計算時采用8 Hz 單向脈沖激勵，激勵電流波形如圖3 所示。

圖2 脈沖渦流檢測機理Fig.2 Principle of PEC

表1 激勵脈沖電壓源參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter settings of excitation pulse voltage source

圖3 激勵電流波形圖Fig.3 Waveform of excitation current

2.2 實體建模與材料屬性

利用ANSYS 軟件建立仿真模型，其中鐵磁性管道管長為1 225 mm，管道壁厚為7.7 mm，腐蝕深度為3.85 mm(50%管道壁厚)，包覆層為厚度為110 mm 的海綿，保護層選用0.5 mm 厚度鋁皮，激勵線圈線徑為1.0 mm 漆包線，外半徑為45 mm，內(nèi)半徑為15 mm，高度為30 mm，共繞制300 匝，檢測線圈線徑為0.24 mm 漆包線，外半徑為14 mm，內(nèi)半徑為6 mm，高度為15 mm，共繞制1 200 匝。圖4 為本試驗的三維實體模型，圖5 為網(wǎng)格劃分模型。

圖4 三維仿真圖Fig.4 Three-dimensional simulation

圖5 包覆層管道網(wǎng)格劃分模型Fig.5 Mesh model of ferromagnetic pipe under insulation

2.3 仿真結(jié)果及分析

設(shè)試樣完好處的脈沖渦流傳感器檢測電壓為u，缺陷處檢測電壓為u0，令Δu=u-u0，因此，檢測靈敏度為

當檢測線圈在激勵線圈下移動，脈沖渦流傳感器檢測靈敏度將會發(fā)生變化，通過有限元計算可得出檢測靈敏度最大位置范圍，對試驗具有一定的指導(dǎo)意義。由于模型具有對稱性，僅模擬了軸向和環(huán)向半個模型。在周向和軸向各選取了4個檢測點，分別距離激勵線圈中心距離為0、30、45(激勵線圈邊緣正下方)、50 mm。通過有限元仿真計算，其各個檢測點的靈敏度變化圖如圖6所示。

圖6 是接收線圈在周向和軸向兩個方向移動時檢測靈敏度變化圖，從仿真結(jié)果可知，周向和軸向都是當接收線圈向激勵線圈邊緣靠近時檢測靈敏度增加，當超過激勵線圈外邊緣時檢測靈敏度會下降，在激勵線圈外邊緣附近檢測靈敏度最大，周向和軸向最大靈敏度分別為0.60、0.61。

故可得出結(jié)論，不論是周向還是軸向，檢測線圈位于激勵線圈邊緣正下方附近時檢測靈敏度達到最大，故檢測線圈放置的最佳位置在激勵線圈的邊緣正下方位置。

圖6 檢測線圈不同位置檢測靈敏度Fig.6 Sensitivity of detecting coil at different position

3 檢測試驗設(shè)計

3.1 探頭設(shè)計

探頭由激勵線圈和檢測線圈兩部分構(gòu)成。激勵線圈使用的銅導(dǎo)線線徑為1.0 mm，繞制300 匝，線圈內(nèi)徑15 mm，外半徑為45 mm，高為30 mm。接收線圈使用的銅導(dǎo)線線徑為0.2 mm，繞制1 200 匝，外徑為14 mm，內(nèi)徑為6 mm，高為15 mm，接收線圈是置于在激勵線圈的下方。激勵采用占空比為50%的正負雙極性脈沖方波，頻率為4 Hz，本試驗選擇加載電流，其幅值為3 A。

3.2 檢測試件設(shè)計及加工

試驗選用20 鋼鋼管，尺寸為φ 141 mm ×7.7 mm，利用線切割加工為對稱1/2 管道。利用1/2 管，分別加工了3 處缺陷模擬內(nèi)壁面積型腐蝕。面積型腐蝕缺陷尺寸均為100 mm ×100 mm，深度分別為1 mm(A)、1.5 mm(B)、2 mm(C)。試件示意圖如圖7 所示。試驗選用75 mm 厚海綿來模擬保溫層，0.5 mm 厚鋁皮來模擬保護層。

圖7 內(nèi)壁面積型腐蝕示意圖Fig.7 Schematic diagram of internal area corrosion

3.3 試驗檢測平臺

試驗所用儀器為瞬變電磁儀，由激勵和接收兩部分組成。激勵部分主要是為激勵線圈加載大小和頻率可調(diào)的脈沖信號(電流或電壓)，接收部分主要是接收檢測線圈信號。最高采樣頻率為1 MHz。前放增益最高為32 倍，主放增益最高為128 倍。降低噪聲主要是利用信號的周期，采用多周期疊加的方法。本試驗選擇的激勵電流為3 A，頻率為4 Hz，試驗中周期信號的疊加次數(shù)為10 次的方法。檢測試驗平臺如圖8 所示。

鋼管水平放置于地面，傳感器垂直放置于包覆層上，且傳感器置于B 缺陷正上方。

圖8 脈沖渦流檢測試驗平臺Fig.8 Experimental platform of PEC

3.4 接收線圈放置方法

為了探究檢測線圈位置變化對檢測靈敏度的影響，選取試件中B 缺陷為檢測對象，在周向和軸向分別選取了5 個檢測點，距離激勵線圈中心的距離分別為0、20、30、45(激勵線圈邊緣正下方)、50 mm。接收線圈在周向和軸向激勵線圈邊緣正下方，示意圖如圖9 所示，其中，R 為激勵線圈外徑，r 為檢測線圈的外徑。由于激勵線圈為圓形，周向和軸向偏離激勵線圈正下方相同距離時檢測靈敏度都具有對稱性，所以本試驗只檢測了周向和軸向各一半位置。

圖9 接收線圈位于激勵線圈邊緣Fig.9 Detection coil at the edge of the excitation coil

3.5 試驗檢測結(jié)果

按照上述布置進行檢測試驗后，進行檢測靈敏度計算，計算結(jié)果如圖10 所示。

從圖10 可以看出，在軸向時檢測線圈位于激勵線圈邊緣正下方時檢測靈敏度為0.26，達到最大;在周向時最佳檢測位置是激勵線圈邊緣正下方，其檢測靈敏度為0.27。軸向和周向均為當檢測線圈置于激勵線圈邊緣附近下方時探頭檢測靈敏度達到最大，檢測效果最好。有限元仿真與試驗有相同的結(jié)論，二者可相互驗證。

圖10 檢測線圈不同位置檢測靈敏度Fig.10 Sensitivity of detection coil at different position

4 結(jié)論

1)采用脈沖渦流檢測方法，進行探頭置于激勵線圈下不同位置的有限元仿真和試驗研究。通過有限元仿真和試驗可得，當檢測線圈位于激勵線圈正下方時，不論是軸向還是周向檢測靈敏度都未達到最大。

2)有限元仿真結(jié)果表明，當檢測線圈位于激勵線圈邊緣正下方時檢測靈敏度達到最大，周向檢測靈敏度為0.60，軸向檢測靈敏度0.61;試驗結(jié)果表明，當檢測線圈位于激勵線圈邊緣正下方時檢測效果最好，軸向和周向檢測靈敏度分別為0.26、0.27。因此，當檢測線圈置于激勵線圈外邊緣附近時檢測靈敏度達到最大值。

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