韓 寧，張志杰，尹武良

(1.中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西太原 030051)

0 引言

在流程工業(yè)當(dāng)中管道是一種必不可少的過程裝備，用于傳輸氣、液、固以及多相流體，所輸送的介質(zhì)大多具有高溫、高壓、腐蝕性強(qiáng)等特點[1]。在內(nèi)部流體化學(xué)腐蝕與應(yīng)力沖蝕的綜合作用下，管道壁厚變薄、承壓性能下降、使用壽命減少，嚴(yán)重時造成泄漏乃至爆炸等事故。因而需要對在役管道的內(nèi)壁腐蝕狀況進(jìn)行定時檢測。

電渦流檢測(ECT)技術(shù)是一種基于電磁感應(yīng)原理的無損檢測技術(shù)，具有非接觸、檢測速度快、可靠性高、對所有導(dǎo)電材料都適用等優(yōu)勢[2]?；趥鞲衅餍酒碾姕u流探頭通常在激勵線圈的基礎(chǔ)上再加上一個用于直接測量磁場大小的傳感器芯片，克服了線圈式探頭靈敏度受激勵頻率影響的缺點，從而可以適應(yīng)不同深度缺陷的檢測要求。GMR芯片具有尺寸小，靈敏度高，溫度穩(wěn)定性好，且成本和功耗低等優(yōu)勢[3]，得到了廣泛的應(yīng)用。

在此基礎(chǔ)上，針對管道內(nèi)壁隨機(jī)取向微缺陷的在役檢測，提出了一種新型的基于GMR芯片的陣列式電渦流探頭設(shè)計方法，并通過一系列的數(shù)值仿真驗證了設(shè)計的可行性，分析了影響傳感器探頭檢測結(jié)果的因素，最終確定了最優(yōu)的三相電流激勵頻率和傳感器提離值，結(jié)果表明所設(shè)計的傳感器探頭能夠準(zhǔn)確地識別并定位隨機(jī)取向的管道內(nèi)壁缺陷。

1 電渦流檢測技術(shù)

當(dāng)激勵線圈中通以一定頻率的正弦交變電流I1時，會在空間激發(fā)具有一定波長的周期性交變磁場B1[4]，在這一磁場的作用下被測金屬材料中感應(yīng)出渦流I2，渦流場繼而產(chǎn)生二次磁場B2，如圖1所示。利用GMR傳感器探測管道內(nèi)部缺陷信號的理論依據(jù)在于：裂紋不同的金屬管道在電磁場中產(chǎn)生的渦流大小形狀不同，管道上與該電流方向垂直的裂紋對試件中感應(yīng)電流的影響可以通過傳感器的輸出量變化反映出來。

圖1 渦流檢測原理圖

空間交變磁場激發(fā)的渦流場在管道表面分布密集，而沿縱向深度迅速衰減的現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)[5]。渦流的趨膚效應(yīng)是管道內(nèi)壁缺陷檢測必須考慮的重要因素，趨膚深度(渦流密度衰減為表面的37%，又稱為標(biāo)準(zhǔn)透入深度)直接決定能夠探測的缺陷深度。其計算公式為

(1)

式中：δ為趨膚深度，m；f為探頭激勵頻率，Hz；μ為材料的磁導(dǎo)率，H/m；σ為材料的電導(dǎo)率，S/m。

工程中通常以標(biāo)準(zhǔn)透入深度的2.6倍作為檢測范圍。當(dāng)管道材質(zhì)確定時，渦流能夠達(dá)到的深度，即能夠探測到的缺陷的深度，僅取決于外部勵磁線圈的激勵頻率。以工程中常用的外徑60 mm，壁厚4 mm管道為模型，模擬分析探頭激勵頻率對渦流趨膚深度的影響，結(jié)果如圖2所示，激勵頻率越高趨膚效應(yīng)越明顯。當(dāng)激勵頻率在3 kHz及以上時，渦流密度在管道深度方向上呈指數(shù)衰減。

考慮探測管道內(nèi)壁缺陷，設(shè)計的探頭激勵頻率確定為1 kHz，使其產(chǎn)生的渦流能夠達(dá)到有效的深度[6]。

2 旋轉(zhuǎn)磁場的激勵原理及探頭設(shè)計

2.1 旋轉(zhuǎn)磁場的激勵原理

為檢測隨機(jī)取向的管道缺陷，相對于缺陷產(chǎn)生橫向的渦流是有效的[7]。因此，將旋轉(zhuǎn)磁源作為激勵，以提高探頭對各種缺陷的靈敏度。

在三相異步電動機(jī)中，定子繞組通以三相電流后，將在內(nèi)部產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。與三相異步電機(jī)的定子勵磁原理類似，在3組線圈上通以相位差為120°的AC電源，如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)磁場激勵線圈

通過a，b，c 3個繞組的電流表示為[5]

(2)

(3)

(4)

式中：I為激勵電流；ω為激勵電流角頻率。

3個繞組上產(chǎn)生的磁動勢可以通過以下公式計算：

(5)

式中：F為激勵磁場中總的磁動勢；θ為磁動勢F的方向和繞組的夾角。

(6)

(7)

(8)

這些磁動勢矢量求和后具有恒定的幅度f，如式(8)。該矢量以由激勵源決定的速率沿管道周向旋轉(zhuǎn)，從而在管道中激發(fā)起周向旋轉(zhuǎn)的渦流，使得探頭對所有方向的裂紋都敏感。

2.2 陣列式探頭

GMR傳感器的一個優(yōu)點是在從DC到MHz的廣泛頻率范圍內(nèi)具有較高的靈敏度。在金屬管道的探傷中，檢測探頭采用陣列式結(jié)構(gòu)以適應(yīng)圓柱狀的管道，不同數(shù)量的GMR傳感器在管道周向上構(gòu)成檢測陣列，提高了檢測效率和傳感器的空間分辨率[8-9]，并且能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行精確的定位，如圖4所示。

圖4 陣列式探頭的三維視圖

3組激勵線圈相隔60°，厚度為10 mm，極弧與極距之比為0.5，繞置在外徑150 mm、內(nèi)徑80 mm、長度80 mm的尼龍骨架上，其下端面距離管道10 mm，繞組仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。GMR傳感器貼裝在激勵線圈的中心位置處，敏感軸垂直于激勵線圈產(chǎn)生的一次磁場，使其敏感于受缺陷擾動的渦流場產(chǎn)生的二次磁場[10]。必要的情況下，可以在GMR傳感器附近附加一塊永磁體來給傳感器提供一個偏置場，以使傳感器工作在線性區(qū)。

表1 繞組仿真參數(shù)設(shè)置

所設(shè)計的探頭用于檢測公稱直徑為60 mm，厚度為4 mm的小口徑薄壁管道，采用3組繞組對管道勵磁避免了冗余繞組檢測范圍的重疊，同時降低了成本，減輕了后期數(shù)據(jù)處理的工作量。

3 管道缺陷信號的仿真分析

3.1 靜態(tài)分析

對管道施加激勵后，旋轉(zhuǎn)磁場的磁通密度將會均勻分布在管道外側(cè)，并在管道壁厚上迅速衰減，管道內(nèi)部磁通密度幾乎為0，如圖5所示，雙豎線代表4 mm厚的管壁。

圖5 沿管道徑向磁場強(qiáng)度的衰減

由法拉第電磁感應(yīng)原理，空間中均勻分布的旋轉(zhuǎn)磁場將在管道上感生電渦流。如果管道內(nèi)存在一定的缺陷，則管道上渦流的分布將受到影響，如圖6所示。不同形狀大小的缺陷，對渦流分布的影響不同，渦流產(chǎn)生的二次磁場對傳感器的影響也將不同。通過分析對比標(biāo)準(zhǔn)管道和缺陷管道的傳感器輸出信號，可以得出缺陷的相關(guān)信息。

(a)無缺陷

(b)有缺陷

管道周向距離原點30π mm距離處設(shè)置深度為3 mm的缺陷，長度為20 mm，分布在軸向上。缺陷管道與標(biāo)準(zhǔn)管道的仿真結(jié)果作差，結(jié)果如圖7所示。在缺陷的干擾下，渦流感生的磁場減弱，對激勵磁場的抵消作用也減弱，同一位置處的磁場信號增強(qiáng)。由圖7可知，探頭能夠準(zhǔn)確地將軸向缺陷定位在30π mm處，該處的特征信號可由其上方的GMR傳感器提取得到。結(jié)果證明了所設(shè)計方法的可行性。零線附近的噪聲是由于仿真模型網(wǎng)格密度有限或軟件算法誤差引起的。

圖7 30π mm處缺陷特征信號

在45π mm處增設(shè)長度為20 mm，深度為3 mm的周向缺陷。仿真結(jié)果做同樣的處理，結(jié)果如圖8所示。

圖8 45π mm處缺陷特征信號

由于靜態(tài)分析中信號提取路徑上不同取向的缺陷分布不同，對渦流分布的影響也不同，從而產(chǎn)生了不同形狀的磁場特征信號。圖中2個負(fù)峰之間的距離可以用來表征管道缺陷的長度，能夠判斷其長度在20 mm左右。

3.2 瞬態(tài)分析

Maxwell 3D是業(yè)界高性能的電磁分析平臺，提供了精準(zhǔn)的三維瞬態(tài)求解器，激勵源可以是正弦電壓(電流)、電流密度等，也可以與外電路進(jìn)行耦合。

在Maxwell Circuit Editor中給3組繞組施加激勵電流如圖9所示，其幅值為200 mA，相位分別相差120° ，頻率為1 kHz，用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。仿真的步長設(shè)置為0.05 ms，讀取5個周期的數(shù)據(jù)(5 ms)，檢測范圍內(nèi)管道表面某一點處的磁場變化如圖10所示，呈現(xiàn)正弦的規(guī)律，其頻率與激勵電流的頻率相近，幅值與激勵電流大小、線圈匝數(shù)、檢測試件的磁導(dǎo)率密切相關(guān)。

圖9 三相激勵電流

圖10 管道表面某一點處磁場變化

由此可知，仿真結(jié)果準(zhǔn)確地驗證了旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生機(jī)理，圖11為仿真管道表面周向提取的數(shù)據(jù)，可以看到各個距離處的磁感應(yīng)強(qiáng)度均以正弦的規(guī)律變化，其峰值以一定的頻率出現(xiàn)在周向的不同位置處。

圖11 旋轉(zhuǎn)磁場的仿真實現(xiàn)

在管道不同位置處設(shè)置2條不同取向的缺陷(同靜態(tài)分析)，解算結(jié)果如圖12所示，缺陷處的磁場受到了明顯干擾，提取到的磁場信號增強(qiáng)。旋轉(zhuǎn)磁場能夠識別并準(zhǔn)確定位不同取向的缺陷。

(a)無缺陷

(b)有缺陷

從提取數(shù)據(jù)的等高線圖上可以清晰地看到缺陷對管道表面疊加磁場的擾動，如圖13和圖14所示。

(a)無缺陷

(b)有缺陷圖13 周向缺陷的等高線圖

圖14 200 mA、提離值為2 mm時不同匝數(shù)線圈激勵下的缺陷信號

4 缺陷特征信號強(qiáng)弱的影響因素分析

在一般的基于GMR的渦流缺陷檢測中，影響檢測信號強(qiáng)弱的因素主要有激勵電流幅值、線圈匝數(shù)、線圈半徑以及傳感器芯片的提離高度[11-12]。對于本文所設(shè)計的傳感器探頭，通過瞬態(tài)仿真分析了三相激勵線圈匝數(shù)、提離高度、激勵電流幅值對缺陷信號的影響，并研究了磁感應(yīng)強(qiáng)度在管道徑向的分量受管道不同尺寸缺陷的影響。

4.1 繞組線圈匝數(shù)、提離高度、激勵電流幅值對檢測效果的影響

給三相激勵線圈施加200 mA的正弦電流，相位相差120°，分別提取距離管道表面2 mm一周的解算數(shù)據(jù)，將缺陷與無缺陷的2組數(shù)據(jù)作差得到如圖14所示的結(jié)果。對比3組曲線，可知隨著激勵繞組上線圈匝數(shù)的增加，缺陷信號增強(qiáng)，1 500匝時的磁場強(qiáng)度是500匝時的3倍。

繞組線圈匝數(shù)為1 000匝時，施加200 mA激勵電流，提取缺陷上方不同距離處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，結(jié)果如圖15所示?？芍獋鞲衅餍酒奶犭x值大于2 mm時，缺陷信號明顯減弱，小于0.5 mT。

圖15 200 mA、1 000匝時不同提離值下管道周向缺陷信號

繞組線圈匝數(shù)為1 000匝時，施加不同幅值的激勵電流，管道模型表面的的缺陷信號如圖16所示，其值隨激勵電流的增大而成比例增大。400 mA電流激勵時的缺陷信號幅值約為4 mT，這給GMR傳感器的選用提供了參考。

圖16 1 000匝線圈、不同激勵電流下的管道表面缺陷信號

4.2 缺陷尺寸的定量分析

管道存在缺陷時，會干擾管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)渦流場的分布，從而對其表面的疊加磁場信號產(chǎn)生擾動作用，如圖17所示。

圖17 管道缺陷對其表面磁場信號的擾動

在實際工程應(yīng)用中，不僅要求傳感器能夠探測到一定大小的微損傷，還需要根據(jù)實測信號判斷微損傷的尺寸來分析管道的失效狀況和使用壽命。由此，設(shè)置1組缺陷長度均為20 mm，寬度分別為0.1、0.5、1.0、2.0 mm的管道模型，位置在表面下2 mm處，分析所產(chǎn)生的缺陷信號如圖18所示。

隨著缺陷寬度的增大，缺陷信號強(qiáng)度增加，用高斯函數(shù)擬合的方程如式(9)。模型中設(shè)置最小缺陷寬度為0.1mm時，仍然能夠提取到可識別的磁場信號。

(9)

式中x為缺陷寬度。

圖18 缺陷寬度對缺陷信號的影響

5 結(jié)論

本文基于旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生機(jī)理提出了一種用于在役檢測小口徑薄壁管道內(nèi)壁缺陷的磁渦流傳感器探頭設(shè)計方法，并在有限元模型中仿真實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場。結(jié)果表明，新型傳感器探頭能夠用于檢測和定位管道結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同取向的微損傷，且缺陷信號與三相繞組匝數(shù)、激勵電流幅值成正比。GMR芯片的提離值取1～2 mm，信號可測。通過分析缺陷尺寸與磁場提取信號的量化關(guān)系，同時保證一定的趨膚深度，能夠確保管道缺陷檢測的可靠性。