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(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

圖1 傳統(tǒng)外穿式渦流探頭檢測結果示例

直徑小于89 mm,壁厚相對較薄的管道廣泛用作發(fā)電廠的受熱管,如過熱器、省煤器、再熱器、水冷壁等。如圖1所示，在采用傳統(tǒng)外穿式渦流探頭對小徑管檢測的過程中，發(fā)現(xiàn)在檢測尺寸為5 mm×0.1 mm×0.1 mm(長×寬×深)周向缺陷時，探頭的輕微信號幾乎將檢測信號淹沒，在檢測尺寸為2 mm×0.1 mm×0.1 mm(長×寬×深)缺陷時幾乎沒有檢測信號，即在檢測該類管道上的周向裂紋缺陷時，常規(guī)差分式渦流探頭的檢測能力差，筆式探頭耗時較長、陣列探頭價格昂貴。

渦流檢測中,當裂紋方向與渦流方向垂直時，裂紋具有較強的切斷渦流能力，對渦流場產生的擾動較大，對渦流產生的二次磁場的影響更大，根據此原理筆者設計了一款針對小徑管周向缺陷的渦流傳感器，并針對該傳感器的相關參數進行優(yōu)化，以達到較高的檢測靈敏度。

YOUNG等[1]針對熱交換管中出現(xiàn)的周向缺陷設計了傾斜繞制的穿過式探頭，結果表明，該探頭對周向缺陷的檢測比傳統(tǒng)Bobbin探頭有更高的靈敏度。XIN[2]針對核電熱交換管中任意方向的缺陷設計了新型旋轉磁場渦流探頭。YE[3]研究了兩款旋轉磁場渦流探頭，采用三相繞組作為激勵，接收裝置分別為線圈和GMR(巨磁阻傳感器)，設計了相關的放大電路及接收信號處理。MACHADO等[4]針對任意方向的缺陷(包括周向缺陷)設計了5款新型探頭,用于檢測核反應堆中的奧氏體鋼管，這些探頭均采用平面梯形繞制激勵線圈，結果顯示其比傳統(tǒng)的探頭對周向缺陷有更高的靈敏度。于亞婷等[5]在文章中指出了線圈的匝數、厚度、截面形狀對傳感器靈敏度的影響。郭麗霞[6]設計了脈沖渦流探頭，分析了鐵芯的半徑、高度對磁場變化的影響。周德強[7]針對脈沖渦流矩形傳感器參數進行了仿真優(yōu)化和試驗驗證。

以上研究人員對渦流傳感器參數優(yōu)化所做的工作，為筆者的探頭優(yōu)化工作提供了參考。

1 仿真模型的建立

建立該傳感器的有限元模型,并進行仿真分析，整體建模結構如圖2所示。

圖2 渦流探頭有限元3D模型

對仿真模型進行參數設置，具體如下：銅管尺寸(內徑×壁厚×長度)為10.5 mm×1 mm×200 mm，相對磁導率為0.999 991，電導率為5.8×107S·m-1。磁性材料尺寸(內徑×壁厚×長度)為12.5 mm×2.5 mm×8 mm，由于磁性材料磁感應強度B會隨著磁場H的變化而變化，故導入其對應的B-H曲線來設定材料的相對磁導率。激勵電流設置為1 A，線圈匝數為100。在管道上設置周向裂紋缺陷尺寸(長×寬×深)為10 mm×0.9 mm×1 mm。

圖3 仿真模型幾何參數示意

2 磁場分布分析

通過有限元分析試件在渦流探頭作用下的磁感應強度分布和渦流分布，如圖4，5所示。在該渦流探頭的激勵下，線圈部分和裸露的磁導體部分分別在管道上感生出沿管道周向流動的磁場，該磁場產生的渦流沿管道軸向流動(見圖5)，通過仿真可看出該渦流探頭在管道上激勵出一個均勻的軸向渦流場。

圖4 管道磁感應強度分布圖

圖5 管道渦流分布圖

當管道上存在缺陷時，如圖6所示，缺陷處的渦流場發(fā)生畸變，缺陷位置的渦流強度也發(fā)生了變化，該渦流場的畸變是由裂紋引起的，故可以利用渦流在缺陷處的變化來檢測缺陷。

圖6 缺陷處渦流分布云圖

3 參數優(yōu)化與結果分析

3.1 接收裝置優(yōu)化

磁傳感器作為渦流探頭的檢測裝置，其放置位置的合理性對檢測能力有關鍵作用，如圖6所示，在裂紋的兩個端口產生渦流場擾動，此處磁場變化量最大，作為檢測裝置的磁傳感器應布置在磁場強度最大的位置。通過仿真分析，提取缺陷尖端處上方的磁感應強度作為研究對象，以完好管道相同位置的磁感應強度作為參考信號，用缺陷處的磁感應強度減去參考信號得到差分信號，差分信號越大，對于表征缺陷越有利，該位置越適合放置接收裝置。如圖7所示，無論在完好管道還是在缺陷管道，磁感應強度均隨著距離的增加逐漸減小，通過兩者的差分信號看出試件上方0 mm(管壁)處的磁感應強度的差分值最大，因此在確定接收裝置時應緊靠試件表面放置。

圖7 缺陷處y方向的磁感應強度變化

3.2 激勵裝置優(yōu)化

3.2.1 磁環(huán)幾何參數

首先采用單一變量法對磁環(huán)的幾何參數進行優(yōu)化，由于管壁的外徑是定值，故磁環(huán)的內徑為定值，此小節(jié)通過有限元仿真的方法討論磁環(huán)的厚度和寬度對傳感器檢測靈敏度的影響，為避免單一點帶來的試驗偶然性，在缺陷處分別選point1、point2、point3三個點，并測量其磁場強度，若三點表現(xiàn)出相同的規(guī)律性，則證明結果可信性較高。控制磁環(huán)的厚度不變，磁芯的寬度從1 mm增加到10 mm，每次增加1 mm；第二組試驗控制磁芯寬度不變，磁芯厚度從1 mm增加到6.5 mm，每次增加0.5 mm。根據3.1節(jié)得出的結論，在缺陷上方0 mm處提取磁感應強度值，以在完好管測得的磁感應強度作為參考信號，用在缺陷管的相同位置測得的磁感應強度減去參考信號獲得差分信號。在檢測同一缺陷時，差分信號峰值的大小反映了傳感器的檢測靈敏度，峰值越大，表示傳感器檢測能力越強，靈敏度越高。

point1處磁環(huán)厚度變化時的差分信號如圖8所示，3個測量點處磁環(huán)厚度變化時的差分信號峰值如圖9所示。由圖8，9可見，磁環(huán)厚度在1～2.5 mm間時，磁環(huán)厚度對磁場的影響不大；當磁環(huán)厚度大于2.5 mm時，磁場強度隨著磁環(huán)厚度的增大而不斷增強，在4 mm處達到最大值，約1.1 mT左右；當磁環(huán)厚度大于4 mm后，磁場強度逐漸變小。

圖8 point1處磁環(huán)厚度變化時的差分信號

圖9 3個測量點處磁環(huán)厚度變化時的差分信號峰值

圖10 point1處磁環(huán)寬度變化時的差分信號

圖11 3個測量點處磁環(huán)寬度變化時的差分信號峰值

point1處磁環(huán)寬度變化時的差分信號如圖10所示，3個測量點處磁環(huán)寬度變化時的差分信號峰值如圖11所示?？梢姶怒h(huán)寬度在1～7 mm時，差分信號峰值隨著磁環(huán)寬度的不斷增大而增大，然后開始減小。從圖11可以看出，當磁環(huán)的寬度在7 mm時，差分信號的峰值最大，渦流傳感器的靈敏度最高。

3.2.2 磁環(huán)的間距

通過有限元仿真的方式，其他參數不變，分別將磁環(huán)間距從1～4 mm，每次增加0.5 mm，采用差分信號的方式得到隨間距變化的差分信號峰值的變化曲線，point1處磁環(huán)間距變化時的差分信號如圖12所示，3個測量點處磁環(huán)間距變化時的差分信號峰值如圖13所示。由圖12，13可見，兩磁環(huán)的間距在2 mm以內時磁場強度均約為0.6 mT，磁環(huán)間距對磁場的影響不大；當兩磁環(huán)的間距大于2 mm后，磁場強度隨著磁環(huán)間距的變大而減小，因此兩磁環(huán)的間距要控制在2 mm以內。

圖12 point1處磁環(huán)間距變化時的差分信號

圖13 3個測量點處磁環(huán)間距變化時的差分信號峰值

3.2.3 激勵線圈匝數

采用試驗的方式，對激勵線圈的匝數進行優(yōu)化，匝數與激勵磁場強度有著直接關系，激勵磁場越大，感生出的渦流場也就越大，檢測靈敏度才有保證，但是過多的匝數會導致方波上升沿相應變慢，阻礙線圈中電流變化，使方波信號發(fā)生畸變，從而影響檢測靈敏度。針對該探頭施加100 Hz，4 A的脈沖波電流源激勵，匝數分別為20，30，40，50，60，70，80，均選擇線徑(直徑)0.41 mm漆包線制作7個探頭，其余參數保持不變，針對試樣上①、④、⑦號缺陷(見表1)進行檢測，提取差分信號的峰值，結果如圖14所示。由圖14可見，隨著匝數的增多，差分值成線性增大，表現(xiàn)出很好的線性度，因此目前匝數產生的磁場并未造成磁環(huán)過飽和，靈敏度還有很好的提升空間。

圖14 激勵線圈不同匝數時的差分信號峰值

3.2.4 激勵線圈線徑

通過試驗的方式，對激勵線圈的線徑進行優(yōu)化，通常激勵線圈是由一定線徑的漆包線繞制而成的，其線徑越大，線圈的電抗越小，從而產生的焦耳熱就會越少，在線圈上的損耗也會越少，但是線徑過大會導致線圈的匝數變少，從而使得激勵線圈產生的磁場變弱，不利于提高探頭的檢測能力。

在探頭上施加100 Hz，4 A的脈沖波電流源，線徑分別選擇0.21，0.31，0.41，0.57，0.62 mm，匝數均為50，制作5個探頭，其余參數保持不變，針對試樣上①、④、⑦號缺陷進行檢測，提取差分信號的峰值，結果如圖15所示。通過圖15可以看出，在相同的激勵條件下，線徑為0.3 mm時的檢測靈敏度最高，因此在探頭設計過程中線徑確定為0.3 mm。

圖15 激勵線圈不同線徑時的差分信號峰值

4 與常規(guī)探頭的對比試驗

檢測系統(tǒng)由上位機、脈沖信號發(fā)生器、數據采集卡、渦流探頭、缺陷試塊等構成，試驗平臺如圖16所示。將漆包線沿磁性材料周向方向進行繞制構成激勵線圈，如圖16(b)所示，將TMR(高性能隧道磁電阻)傳感器垂直放置在兩激勵線圈中間。接收裝置采用TMR傳感器，該傳感器對微弱磁場具有較高的靈敏度，可以有效采集微弱磁場信號。

在黃銅管上加工8個缺陷，其加工示意如圖17所示，缺陷具體尺寸如表1所示。

圖16 檢測系統(tǒng)試驗平臺及檢測線圈實物

圖17 試件缺陷加工示意

表1 試件缺陷尺寸mm

根據有限元分析結果制作新型渦流探頭，同時繞制傳統(tǒng)周向繞制線圈的常規(guī)渦流探頭，采用4 A，100 Hz的脈沖方波激勵，對檢測試件上的缺陷進行檢測。對于脈沖渦流檢測來說，通常采用時域信號差分的方法來表征缺陷大小，峰值的大小代表缺陷的大小，故對差分信號提取峰值，試驗結果如圖18所示，試驗結果顯示設計的線圈軸向繞制的渦流探頭在各個缺陷處檢測得到的差分信號峰值都比常規(guī)渦流探頭檢測得到的峰值要大，因此設計的渦流探頭對周向裂紋具有更強的檢測能力。

圖18 新型探頭與常規(guī)探頭檢測缺陷的差分信號峰值對比

5 結論

通過有限元仿真和試驗的方式研究了針對小徑管周向缺陷設計的渦流探頭的幾何參數對檢測靈敏度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在文章所述激勵條件下，寬度為7 mm，厚度為4 mm，兩磁環(huán)間距控制在2 mm以內，采用直徑0.31 mm漆包線繞制，可以使探頭的檢測能力最好。在同一試驗平臺下，通過與常規(guī)探頭的檢測結果對比發(fā)現(xiàn)，該探頭對小徑管周向缺陷具有更強的檢測能力。