郭　銳　曹　雷　賈　娟　賈永剛　程　軍　裘進(jìn)浩　季宏麗

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室1，山東 濟(jì)南　250002;山東魯能智能技術(shù)有限公司研發(fā)中心2，山東 濟(jì)南　250101;南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3，江蘇 南京　210016)

用于電力管道缺陷定量分析的渦流檢測(cè)技術(shù)

郭銳1曹雷2賈娟2賈永剛2程軍3裘進(jìn)浩3季宏麗3

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室1，山東 濟(jì)南250002;山東魯能智能技術(shù)有限公司研發(fā)中心2，山東 濟(jì)南250101;南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3，江蘇 南京210016)

摘要：針對(duì)電力管道的常見(jiàn)缺陷和檢測(cè)需求，詳細(xì)介紹了用于電力管道的電渦流檢測(cè)系統(tǒng)和缺陷定量分析技術(shù)。首先說(shuō)明了渦流檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)原理；然后分析了電力管道中常見(jiàn)的缺陷種類和特性，并列舉了渦流法的應(yīng)用實(shí)例；最后敘述了渦流缺陷定位和定量分析技術(shù)，重點(diǎn)闡述了基于陣列探頭的ECT成像技術(shù)和基于電磁仿真和優(yōu)化算法的缺陷形狀重構(gòu)技術(shù)。由仿真結(jié)果可知，隨著研究的深入和儀器技術(shù)的發(fā)展，渦流檢測(cè)法在電力管道缺陷檢測(cè)和定量分析中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

關(guān)鍵詞：電力管道渦流檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)缺陷評(píng)價(jià)缺陷定位電磁場(chǎng)仿真有限元仿真信號(hào)處理

0引言

保證電力設(shè)備，特別是各種管道的安全無(wú)故障運(yùn)行，是電力行業(yè)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。電力管道具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性要求高的特點(diǎn)，即使設(shè)計(jì)制造時(shí)采用了很高水平的工藝技術(shù)，定期的檢修和維護(hù)依然必不可少。由于管道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致老化產(chǎn)生缺陷，從而引起結(jié)構(gòu)的失效，這使得提高結(jié)構(gòu)的缺陷檢出率和準(zhǔn)確性成為保證發(fā)電廠正常運(yùn)作的必要課題。渦流檢測(cè)(eddy current testing，ECT)具有速度快和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于電力管道的在線損傷檢測(cè)中。

本文詳細(xì)介紹了用于電力管道的電渦流檢測(cè)系統(tǒng)和缺陷定量化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。針對(duì)電力管道中常見(jiàn)的缺陷種類，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于渦流檢測(cè)用于缺陷的定位和定量化分析的研究進(jìn)展，并列舉了渦流法在缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例。

1渦流檢測(cè)原理及發(fā)展

渦流檢測(cè)是一種重要的無(wú)損檢測(cè)方法，起源于1831年法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，被廣泛應(yīng)用于各類金屬工件的檢測(cè)中。渦流檢測(cè)以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，當(dāng)載有交變電流的激勵(lì)線圈靠近導(dǎo)體試件時(shí)，導(dǎo)體中感生出渦流，繼而產(chǎn)生與源磁場(chǎng)相反的次級(jí)磁場(chǎng)，改變激勵(lì)線圈的阻抗。渦流的大小與導(dǎo)體的材料性能及缺陷形式有關(guān)。因此，可通過(guò)測(cè)量線圈阻抗和相位的變化來(lái)判斷被測(cè)試件的電學(xué)性能和缺陷形態(tài)。

1855年，法國(guó)物理學(xué)家Leon F研究導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)了渦流。渦流檢測(cè)的應(yīng)用始于1879年，英國(guó)科學(xué)家 David H通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)載有交變電流的線圈靠近不同導(dǎo)電材料時(shí)，線圈中的感應(yīng)電壓會(huì)產(chǎn)生變化。20世紀(jì)50年代，德國(guó)的Foster博士對(duì)渦流檢測(cè)的理論和實(shí)踐進(jìn)行了完善，推動(dòng)了渦流檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展。他完整地闡釋了阻抗信號(hào)復(fù)平面分析方法，并將其應(yīng)用于儀器信號(hào)分析，他也因此被稱為“渦流檢測(cè)技術(shù)之父”[1]。

當(dāng)前，在眾多渦流檢測(cè)技術(shù)中，諧波渦流檢測(cè)仍是主流。諧波渦流檢測(cè)可分為單頻和多頻渦流檢測(cè)技術(shù)兩種。1970年，美國(guó)的Libby提出多頻檢測(cè)技術(shù)，采用多個(gè)頻率電流組合激勵(lì)檢測(cè)線圈。與單頻ECT方法相比，利用多頻渦流檢測(cè)技術(shù)可獲取更多的信息，并可消除噪聲信號(hào)干擾。這種技術(shù)在大亞灣核電站冷凝器管道的檢測(cè)中取得了成功。

20世紀(jì)80年代初，Wittig等人提出了脈沖渦流(pulsed eddy current，PEC)方法。它以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，采用周期或非周期脈沖信號(hào)激勵(lì)渦流探頭，具有頻譜寬、諧波分量多、趨膚深度大、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，主要用于多層材料屬性、厚度測(cè)量及缺陷檢測(cè)(尤其是深層缺陷檢測(cè))等方面。

1951年，McLean W R提出遠(yuǎn)場(chǎng)渦流(remote field eddy current，RFEC) 檢測(cè)方法。它是利用遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)特性進(jìn)行缺陷檢測(cè)的特殊渦流檢測(cè)技術(shù)，具有頻率低和能夠穿透管壁等特點(diǎn)。20世紀(jì)80年代中期，Schmidt詳細(xì)闡釋了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)機(jī)理，首次設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流裝置，用來(lái)檢測(cè)試件底部孔型缺陷。隨著遠(yuǎn)場(chǎng)渦流理論的不斷完善和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，人們才逐漸利用遠(yuǎn)場(chǎng)技術(shù)檢測(cè)壓力管道(特別是鐵磁性管道)。

近20年來(lái)，日本東京大學(xué)的Kenzo M、美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)的John R B、密歇根州立大學(xué)的 Lalita U、日本東北大學(xué)的Toshiyuki T等一大批國(guó)外科學(xué)家，對(duì)渦流檢測(cè)的數(shù)值仿真、新型探頭開(kāi)發(fā)、自然裂紋建模以及裂紋尺寸反演等方面進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的研究，取得了豐碩的成果。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、南昌航天大學(xué)以及廈門渦流技術(shù)研究所，都相繼對(duì)渦流檢測(cè)開(kāi)展了廣泛而深入的研究[2-5]。

2電力管道中常見(jiàn)缺陷的危害及形成機(jī)理

對(duì)于渦流法來(lái)說(shuō)，損傷的檢出與否和靈敏度的高低，主要與線圈探頭的形式以及電流激勵(lì)頻率的選取有關(guān)。至于如何選擇探頭及激振頻率，則需要根據(jù)結(jié)構(gòu)件中缺陷的空間分布和透入深度等特征量來(lái)決定。因此，研究生產(chǎn)中常見(jiàn)的缺陷形式并分析它們的產(chǎn)生機(jī)理就顯得十分必要。同時(shí)，在渦流檢測(cè)的建模仿真中,對(duì)不同種類缺陷的特征分析也很重要。在設(shè)備的維護(hù)方面，技術(shù)人員需要根據(jù)設(shè)備中不同的缺陷，采取合適的防治措施。

2.1疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋

電力管道中常見(jiàn)的裂紋形式有兩種，一種裂紋是在交變載荷(機(jī)械或熱載荷)或應(yīng)變作用下形成的，另一種裂紋是在外部腐蝕環(huán)境(酸堿性溶液、射線照射)及結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力雙重作用下造成的。前一種被稱為疲勞裂紋(fatigue crack，F(xiàn)C)，后一種被稱為應(yīng)力腐蝕裂紋(stress corrosion crack，SCC)。兩種常見(jiàn)裂紋的截面形狀如圖1所示。

圖1　兩種常見(jiàn)裂紋的截面形狀示意圖

疲勞斷裂是金屬管道的一種主要失效形式，管道大多工作在循環(huán)交變的載荷下，容易產(chǎn)生疲勞裂紋。在破壞的最后階段，由裂源點(diǎn)向外輻射，類似貝殼狀的疲勞裂紋貫穿整個(gè)厚度方向，造成構(gòu)件斷裂[6]。以火電廠鍋爐受熱面的水冷壁管為例，由于蒸汽、給水和燃料等因素的變化，導(dǎo)致?tīng)t膛熱負(fù)荷不斷變化，而受熱面的水冷壁管在受到交變應(yīng)力的不斷作用后形成疲勞裂紋。該裂紋在循環(huán)載荷的作用下不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞破壞。

應(yīng)力腐蝕裂紋在電力設(shè)備中也很常見(jiàn)，尤其是在核電站換熱器管道、鍋爐和管板焊縫中。由應(yīng)力腐蝕裂紋造成的泄漏是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)材質(zhì)、腐蝕環(huán)境和拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的3個(gè)主要因素。當(dāng)易發(fā)生電化學(xué)腐蝕的材料暴露在一定的腐蝕環(huán)境中，在拉應(yīng)力的共同作用下，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。當(dāng)應(yīng)力腐蝕裂紋增長(zhǎng)到一定的臨界尺寸后，將以很快的速度朝任意方向擴(kuò)展，最終形成應(yīng)力腐蝕破壞[7-8]。

2.2碳鋼管道壁厚減薄

對(duì)于電力管道，除上述兩種裂紋損傷之外，還有另外一種損傷形式正在引起人們?cè)絹?lái)越多的重視。其被稱為管道壁厚減薄，常見(jiàn)于發(fā)電廠的碳鋼管道中，尤其在彎管、冷凝管閥門開(kāi)口處以及三通管中更易發(fā)生。很多管道破裂事故均由碳鋼管道局部壁厚減薄造成。為尋求有效的解決途徑，各國(guó)學(xué)者對(duì)管壁減薄的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得了許多成果。

管道壁厚減薄的腐蝕機(jī)理如圖2所示。

圖2　管道壁厚減薄腐蝕機(jī)理示意圖

目前已知引起壁厚減薄的原因有：流動(dòng)加速腐蝕(flow accelerated corrosion，F(xiàn)AC)和液滴沖擊(liquid droplet impingement，LDI)。流動(dòng)加速腐蝕出現(xiàn)在水中含氧量很少的紊流區(qū)，由于液體的流動(dòng)誘發(fā)碳鋼和低合金鋼材料的加速性腐蝕，如給水系統(tǒng)和鍋爐管道的彎頭、三通及變徑處。圖2(a)所示為流動(dòng)加速腐蝕機(jī)理，在高溫水與全揮發(fā)的運(yùn)行環(huán)境下，碳鋼管道會(huì)有一定的溶解度。Fe溶解液中產(chǎn)生的二價(jià)鐵離子Fe2+隨著水流被沖走，由于水的含氧量少和氧化能力弱等原因，很難將Fe2+氧化為Fe3+，從而無(wú)法形成對(duì)表面具有保護(hù)作用的Fe3O4氧化膜覆蓋層，使給水管道的局部產(chǎn)生流動(dòng)加速腐蝕[9]。

液滴沖擊腐蝕是由于管道中液滴沖擊管壁而形成的腐蝕現(xiàn)象，在發(fā)電廠附加流體排入口附近的凝汽器冷卻管中常有發(fā)生。因?yàn)楦郊恿黧w排入口恰好對(duì)著頂部冷卻管，流體擴(kuò)容后，部分蒸汽液化成小水滴；蒸汽夾雜著水滴進(jìn)入凝汽器后，直接沖擊到冷卻管上，造成冷卻管的沖擊腐蝕，如圖2(b)所示。雖然流體是間斷性排放(主要發(fā)生在汽輪機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)情況下)的，但破壞具有累積性，久而久之會(huì)導(dǎo)致排入口附近的銅管被腐蝕，形成管壁減薄。

3電力管道的渦流檢測(cè)方法和應(yīng)用

電力行業(yè)中常用的無(wú)損檢測(cè)方法包括：射線探傷、超聲波探傷和磁粉探傷。與其他無(wú)損檢測(cè)法相比，渦流法因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而更多地應(yīng)用于管道檢測(cè)中。通常，火電廠的主設(shè)備大多由換熱管構(gòu)成，包括凝汽器、鍋爐受熱面和高、低壓加熱器等。這些設(shè)備在安裝前或使用中都必須進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。然而，根據(jù)高、低壓加熱器的鐵磁特性，其磁導(dǎo)率比非鐵磁性材料高很多，很難通過(guò)常規(guī)渦流法進(jìn)行檢測(cè)。因此，考慮采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流法和磁飽和法[10]。根據(jù)鐵磁性材料的磁飽和特性，在探頭的兩端或檢測(cè)區(qū)域施加強(qiáng)磁場(chǎng)，使被檢區(qū)域達(dá)到磁飽和狀態(tài)，材料在磁飽和后磁導(dǎo)率近似趨于常數(shù)，這樣將其等效視為非鐵磁性材料，就可利用常規(guī)渦流法進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于凝汽器的鐵磁性支撐板，可采用多頻渦流方法檢測(cè)隱藏缺陷。

電力管道焊縫裂紋的檢測(cè)示意圖如圖3所示。

圖3　電力管道焊縫裂紋的檢測(cè)示意圖

核電站設(shè)備中的焊縫應(yīng)力腐蝕裂紋很危險(xiǎn)，已經(jīng)成為威脅核電站安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。國(guó)外已有研究表明，渦流法對(duì)于壓水核反應(yīng)堆管道焊縫裂紋的檢測(cè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[11]。一般而言，焊縫中的裂紋位于近表面處，而焊縫內(nèi)部材質(zhì)的不均勻和各向異性等特點(diǎn)，使其在超聲波檢測(cè)時(shí)具有很差的信噪比，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)局限性；而渦流檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)正好得以體現(xiàn)。

現(xiàn)階段管壁減薄檢測(cè)常用的方法是射線檢測(cè)法和超聲檢測(cè)法，但國(guó)外已有學(xué)者研究將渦流檢測(cè)法用于發(fā)電廠設(shè)備的管壁減薄檢測(cè)中。因管壁減薄不同于結(jié)構(gòu)裂紋，檢測(cè)管道減薄主要可以使用脈沖渦流測(cè)厚法和遠(yuǎn)場(chǎng)渦流法。脈沖渦流測(cè)厚的基本原理是：隨著基底材料厚度的變化，探頭的過(guò)零時(shí)間、峰值時(shí)間以及峰值等特征參數(shù)會(huì)以一定規(guī)律變化，通過(guò)觀察探頭信號(hào)的時(shí)域曲線，就能得到材料的厚度分布情況。脈沖測(cè)厚用于管道減薄需要借助脈沖探頭移動(dòng)得到線圈響應(yīng)信號(hào)，根據(jù)信號(hào)分析管道周向及長(zhǎng)度方向的壁厚分布情況，確定局部減薄的位置。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流最早用于小口徑管道缺陷內(nèi)檢測(cè)，其典型裝置由激勵(lì)和檢測(cè)兩個(gè)線圈組成，低頻激勵(lì)線圈和同軸檢測(cè)線圈之間的間距為待檢測(cè)管件直徑的2～3倍。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流是鐵磁性管道材料中特有的現(xiàn)象，與管道同軸的低頻激勵(lì)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)能量，穿過(guò)管壁向外擴(kuò)散，并沿管道傳播，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域穿越管壁到達(dá)檢測(cè)線圈。此時(shí)，檢測(cè)信號(hào)包含了被檢管道整個(gè)管壁結(jié)構(gòu)的信息。相比傳統(tǒng)渦流檢測(cè)，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)不受趨膚效應(yīng)影響，可以采用相同的靈敏度檢測(cè)管道內(nèi)表面和外表面缺陷。另外，在保證其他參數(shù)不變的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值的對(duì)數(shù)和相位與壁厚呈線性關(guān)系，檢測(cè)靈敏度高。

4渦流檢測(cè)的缺陷定位與定量化研究

4.1缺陷定位

缺陷定位是指確定檢測(cè)構(gòu)件中的缺陷位置，而定量則是在允許誤差范圍內(nèi)對(duì)缺陷尺寸和形狀等進(jìn)行識(shí)別。對(duì)缺陷的定位已經(jīng)研究得比較深入。探頭性能對(duì)渦流檢測(cè)的定位精度至關(guān)重要(特別是在檢測(cè)細(xì)小裂紋時(shí))。若無(wú)法準(zhǔn)確獲取缺陷信號(hào)，任何強(qiáng)大的信號(hào)處理功能都無(wú)濟(jì)于事，因此，對(duì)提升渦流探頭檢測(cè)性能的研究是關(guān)鍵。普通探頭受提離和材料各向異性等因素的影響很大，如因構(gòu)件表面凹凸不平引起的噪聲會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)信噪比下降。在以往的研究結(jié)果中，探頭性能優(yōu)化主要從探頭機(jī)械結(jié)構(gòu)的改變和新型磁場(chǎng)傳感器的應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行，一些最新的研究成果已經(jīng)被應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中[12]。此外，軟件濾波和去噪等技術(shù)(如相位濾波和小波去噪)的運(yùn)用可有效地提高渦流檢測(cè)信號(hào)的精度，增加信噪比，進(jìn)而提取有用特征參數(shù)進(jìn)行缺陷和損傷的識(shí)別、分析及診斷，以求達(dá)到最佳檢測(cè)結(jié)果。

ECT渦流陣列成像系統(tǒng)如圖4所示。

圖4　用于管道損傷檢測(cè)的ECT陣列成像系統(tǒng)

渦流探頭陣列是20世紀(jì)80年代末開(kāi)發(fā)出的一種新型渦流檢測(cè)裝置，具有尺度大、掃描范圍寬等特點(diǎn)，可有效地降低由機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的噪聲信號(hào)，其定位精度和檢測(cè)效率大于普通渦流檢測(cè)的10倍。同時(shí)，結(jié)合渦流儀器強(qiáng)大的處理、分析和計(jì)算功能，該裝置能夠有效、快速地檢測(cè)導(dǎo)體材料的缺陷信息和其他特征。2006年，日本的Endo和Uchimoto等人提出了ECT照相機(jī)[13]的概念，開(kāi)發(fā)出一套集成化的渦流陣列成像和損傷形狀反演系統(tǒng)，用于探測(cè)核電站蒸汽管道中的裂紋損傷，并實(shí)現(xiàn)裂紋長(zhǎng)度和截面形狀的可視化。

系統(tǒng)由多線圈探頭陣列、ECT檢測(cè)儀以及利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的圖像處理和形狀反演系統(tǒng)組成。多線圈探頭由多個(gè)獨(dú)立的線圈按照一定的方式排列而成，線圈分工協(xié)作，隨檢測(cè)方向的不同，陣列中線圈分別用作激勵(lì)和接收線圈。陣列探頭既能檢測(cè)不同方向的疲勞和應(yīng)力腐蝕裂紋，又能用于探測(cè)管道中的夾雜和孔洞。ECT渦流陣列成像系統(tǒng)的特點(diǎn)是靈敏度高，通過(guò)對(duì)待測(cè)件平面進(jìn)行掃描，可得到各點(diǎn)處的渦流信號(hào)強(qiáng)度分布，實(shí)現(xiàn)整體區(qū)域內(nèi)的缺陷三維成像。

圖5所示的是利用渦流陣列探頭檢測(cè)核電站管道中疲勞裂紋(FC)的實(shí)例。在該實(shí)例中，將實(shí)際裂紋檢測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)損傷試件信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，以識(shí)別裂紋的長(zhǎng)度。疲勞裂紋是采用3點(diǎn)彎曲法制作出來(lái)的。圖5(a)中的方括號(hào)中表示疲勞裂紋的區(qū)域，通過(guò)將ECT測(cè)量信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)裂紋試件信號(hào)的比對(duì)，得到裂紋的長(zhǎng)度為17 mm；利用圖5(b)的斷面分析法，得出裂紋的實(shí)際長(zhǎng)度是18 mm，兩者基本吻合。圖6所示為應(yīng)力腐蝕裂紋的ECT成像示意圖。

圖5　疲勞裂紋的ECT成像示意圖

圖6　應(yīng)力腐蝕裂紋的ECT成像示意圖

從圖6(b)可以看出，SCC的表面開(kāi)口形狀比較復(fù)雜。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)試件信號(hào)的多次比對(duì)，識(shí)別3條主要的腐蝕裂紋，分別表示為SCC4_1、SCC4_2和SCC4_3，由圖6(a)中的方括號(hào)表示。標(biāo)準(zhǔn)試件信號(hào)識(shí)別3條腐蝕裂紋的長(zhǎng)度分別是16.0 mm、19.5 mm和5.5 mm，總長(zhǎng)度為41 mm；而利用滲透檢測(cè)得出的裂紋長(zhǎng)度是42 mm。從以上結(jié)果可知，利用ECT陣列成像和標(biāo)準(zhǔn)試件比對(duì)的方法，能得到精確的檢測(cè)結(jié)果，并識(shí)別出裂紋的長(zhǎng)度。

4.2缺陷信號(hào)的仿真計(jì)算和形狀重構(gòu)

缺陷定量化主要有缺陷的仿真計(jì)算和形狀反演兩方面內(nèi)容，其又被稱為渦流檢測(cè)的正問(wèn)題和逆問(wèn)題。缺陷的定量化難度很大，至今為止還有很多問(wèn)題沒(méi)有解決，需要繼續(xù)深入研究。渦流信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)精確仿真得到，是渦流檢測(cè)相比其他無(wú)損檢測(cè)方法的一大優(yōu)勢(shì)。目前可用于渦流仿真數(shù)值方法很多，如邊界元法、有限元法、棱邊有限元法、FEM-BEM混合編程法、體積分法等。另外，根據(jù)不同的用途需求，國(guó)內(nèi)外很多實(shí)驗(yàn)室研究并開(kāi)發(fā)了可實(shí)用化的程序代碼。除這些之外，市場(chǎng)上還有多款商用軟件可用于渦流仿真，如ANSYS/EMAG 3D、Ansoft Maxwell 3D、基于有限元方法的電磁場(chǎng)仿真軟件；而基于有限元法的日本PHOTO公司的PHOTO-Series軟件，它的功能很強(qiáng)大，除渦流場(chǎng)解析外，還包含了電場(chǎng)解析、電磁波解析、熱傳導(dǎo)解析等多個(gè)功能模塊。除有限元法外，國(guó)外也出現(xiàn)了基于其他方法的軟件，如法國(guó)原子能委員會(huì)開(kāi)發(fā)的、專門用于無(wú)損檢測(cè)的仿真軟件CIVA?；隗w積分法[14]，采用CIVA對(duì)渦流場(chǎng)進(jìn)行解析。

對(duì)缺陷的定性分析是進(jìn)行數(shù)值仿真的前提，只有弄清楚不同裂紋和缺陷的特征，才能根據(jù)缺陷特征確定正確輸入?yún)?shù)，如缺陷的空間尺寸和電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等，否則仿真結(jié)果將與實(shí)際不符。目前對(duì)不同裂紋缺陷的定性分析也是渦流仿真研究的熱點(diǎn)。

管道壁厚減薄的建模較為簡(jiǎn)單，只需將其等效為管壁上的一塊材料缺失即可。疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕的情況則復(fù)雜得多，它們的微觀結(jié)構(gòu)相差很大，這是因?yàn)閮煞N裂紋的起裂和擴(kuò)展機(jī)理不同。應(yīng)力腐蝕裂紋是沿著相鄰的晶粒界面擴(kuò)展的，在截面上呈現(xiàn)出樹(shù)狀的分叉，同一材料深度上存在著好幾條分支裂紋，裂紋表面之間的縫隙很小。通常應(yīng)力腐蝕裂紋中還會(huì)夾雜有少量的顆粒，裂紋區(qū)域可以導(dǎo)電，但與基體材料相比，應(yīng)力腐蝕裂紋的電導(dǎo)率很小，且分布很不均勻。而疲勞裂紋是穿透材料晶粒生長(zhǎng)的，所以在橫截面上是一條直線，寬度通常為10～50 μm，比應(yīng)力腐蝕裂紋略寬。構(gòu)件受何種交變載荷作用，對(duì)裂紋寬度影響較大。與SCC不同，疲勞裂紋面分離明顯沒(méi)有分叉，裂紋中間是空氣隙，疲勞裂紋不導(dǎo)電，渦電流不能通過(guò)。疲勞裂紋的特性與實(shí)驗(yàn)室中常用的電火花加工(electvical discharge machining,EDM)裂紋類似，只不過(guò)寬度更窄[15]。

基于以上分析，對(duì)于兩種裂紋形式，通過(guò)對(duì)疲勞裂紋建模就可以將其等效為電導(dǎo)率為1、磁導(dǎo)率為0的狹縫，裂紋的寬度對(duì)仿真信號(hào)影響不大。而應(yīng)力腐蝕裂紋的情況則較為復(fù)雜，按已有相關(guān)文獻(xiàn)的論述，若將其等效為一定寬度的導(dǎo)電區(qū)域，電導(dǎo)率取為基體材料電導(dǎo)率的5%～20%，其仿真結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況存在較大差異。另外，實(shí)際檢測(cè)時(shí)，如何區(qū)別兩種裂紋也很困難。即使裂紋寬度和深度相同，檢測(cè)信號(hào)依然差別很大。由于無(wú)從得知裂紋的實(shí)際形狀，所以不能單憑探頭信號(hào)的幅值和相位來(lái)確定裂紋的種類。如果能提取出與裂紋微觀分布和電磁特性相關(guān)的特征量，那么判斷究竟是何種裂紋就容易得多。這也是困擾國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的一個(gè)難題。

缺陷形狀的重構(gòu)方法主要有：遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[16-17]。缺陷形狀重構(gòu)算法如圖7所示。

圖7　缺陷形狀重構(gòu)算法

由于仿真計(jì)算需要編制冗長(zhǎng)的程序代碼，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且計(jì)算量大，一次重構(gòu)需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，故遺傳算法目前只能用于離線反演。缺陷形狀重構(gòu)結(jié)果如圖8所示。

圖8　缺陷形狀重構(gòu)結(jié)果

圖8(a)表示的是對(duì)管道中一條實(shí)際裂紋缺陷的截面形狀重構(gòu)結(jié)果。從圖8(a)可以看出，該裂紋的最大深度約為2～3 mm，這與裂紋斷面分析得到的裂紋實(shí)際截面形狀基本吻合。從圖8(b)可以看出，仿真計(jì)算具有很高的精度。

通過(guò)開(kāi)發(fā)快速算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形狀反演技術(shù)，能在合理的CPU時(shí)間內(nèi)完成一次缺陷重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)反演技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能完成復(fù)雜的運(yùn)算，具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)、記憶、聯(lián)想和識(shí)別功能。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需解決好輸入?yún)⒘刻卣魈崛?wèn)題，使模式識(shí)別的算法簡(jiǎn)單、操作時(shí)間短。傅里葉變換、小波變換和主分量分析法是常用的特征信號(hào)提取法[16]，其中，小波變換是時(shí)間和頻率的局部變換。通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的多尺度細(xì)化分析，能夠有效地提取有用特征信息，具有很高的信噪比。

5結(jié)束語(yǔ)

渦流檢測(cè)技術(shù)在電力管道缺陷檢測(cè)中具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在局限性。渦流檢測(cè)只能根據(jù)探頭的檢出信號(hào)判斷出缺陷的位置和大致長(zhǎng)度，想要精確地得到缺陷的深度和截面形狀較為困難，難以實(shí)現(xiàn)缺陷的定量分析。為了對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和定量分析，需要深入地研究缺陷的信號(hào)處理技術(shù)和渦流成像技術(shù)?，F(xiàn)有的電磁場(chǎng)仿真和缺陷形狀反演算法仍然效率不高，開(kāi)發(fā)快速有效的渦流場(chǎng)有限元仿真和缺陷形狀反演技術(shù)，將為渦流檢測(cè)走向?qū)嵱没於ㄖ匾幕A(chǔ)。

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Eddy Current Testing Technology Used in Quantitative Analysis of Defects for Electric Power Piping

Abstract：According to the common defects and the inspection requirement of electrical power piping,the eddy current testing(ECT) system and quantitative analysis technology of defects are introduced in detail.Firstly,the implementing principle of ECT is explained,then the common types of defects in electrical power piping and their characteristics are analyzed,and some application cases of EC method are listed,finally,the eddy current defect positioning and quantitative analysis technology are described,mainly focusing the array probe based eddy current imaging technique and the electromagnetic simulation and optimization algorithm based on defect shape reconstruction technique.The simalation result shows that along with the deepening of the research and the development of instrument technology,the role of ECT method in defect detection and quantitative analysis of electrical power piping will become more and more important.

Keywords:Electric power pipingEddy current testing(ECT)Nondestructive testingDefects assessmentDefects locationElectromagnetic field simulationFinite element simulationSignal processing

中圖分類號(hào)：TH86;TP216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605002

國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技基金資助項(xiàng)目；

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(編號(hào)：NE2015101&NE2015001)；

中國(guó)博士后特別基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2014T70514)；

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)目(編號(hào)：BY2014003-01)。

修改稿收到日期：2015-07-08。

第一作者郭銳(1978-)，男，2007年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事電力機(jī)器人技術(shù)、輸變電設(shè)備無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、輸變電設(shè)備帶電作業(yè)技術(shù)等方向的研究。