(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710300)

瞬變電磁法通過激勵(lì)源向空間激發(fā)穩(wěn)定的一次磁場(chǎng)，磁場(chǎng)會(huì)擴(kuò)散到地下的金屬體，再瞬間關(guān)斷激勵(lì)源后，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，在地下金屬體表面會(huì)形成與一次磁場(chǎng)方向相同的渦流場(chǎng)來阻礙一次磁場(chǎng)的消失，形成的渦流場(chǎng)稱為二次磁場(chǎng)。由于金屬體和周圍土壤存在電阻，二次磁場(chǎng)會(huì)逐漸衰減直至為零，其衰減速率與金屬體有關(guān)，也與金屬體外形結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)和體積有關(guān)。形成的二次磁場(chǎng)被探頭接收，以電壓形式顯示，通過處理電壓信號(hào)可以得到被檢金屬體的特征參數(shù)[1-2]。

國外對(duì)埋地金屬管道外檢測(cè)技術(shù)有“NoPig”檢測(cè)技術(shù)，但是該方法適用范圍狹窄，檢測(cè)結(jié)束后需要對(duì)管道進(jìn)行退磁處理。國內(nèi)采用的外檢測(cè)方法主要是瞬變電磁法，該方法操作方便，檢測(cè)成本低且精度滿足要求。目前，李永年教授科研團(tuán)隊(duì)推導(dǎo)出瞬變電磁法接收信號(hào)的理論公式，建立了信號(hào)衰減斜率與金屬壁厚的數(shù)學(xué)模型。南昌航空大學(xué)于潤橋教授團(tuán)隊(duì)通過施加磁芯的方法提高一次磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高了局部缺陷的檢出率。針對(duì)瞬變電磁檢測(cè)方法的影響因素的研究較少，筆者主要研究了探頭和管道之間的提離高度的變化規(guī)律，為提高瞬變電磁法檢測(cè)精度提供參考[3]。

1 瞬變電磁法檢測(cè)模型

瞬變電磁系統(tǒng)主要有瞬變電磁儀、探頭和控制單元，探頭包括激勵(lì)線圈和接收線圈兩部分。瞬變電磁儀激發(fā)階躍型電流信號(hào)傳輸?shù)教筋^，探頭分為激勵(lì)線圈和接收線圈兩部分。激勵(lì)線圈通過施加的階躍型電流信號(hào),在空間形成穩(wěn)定的一次磁場(chǎng),擴(kuò)散到地下的金屬管道上，在金屬管道上表面形成渦流場(chǎng),埋地金屬管道電磁響應(yīng)過程模型如圖1所示。渦流場(chǎng)被管體的電阻消耗，根據(jù)電磁感應(yīng)定律知渦流場(chǎng)衰減會(huì)在空間形成阻礙其自身衰減的二次磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)被接收線圈接收并以電壓的形式顯示?？刂茊卧饕獙?shí)施指令和數(shù)據(jù)傳輸[4]。影響瞬變電磁法檢測(cè)信號(hào)的重要因素之一是提離高度，提離高度直接關(guān)系到信號(hào)提取及有效覆蓋范圍，圖2為埋地金屬管道檢測(cè)模型。

圖1 埋地金屬管道電磁響應(yīng)過程模型

圖2 埋地金屬管道檢測(cè)模型

2 瞬變電磁法檢測(cè)理論

2.1 瞬變電磁法檢測(cè)一次磁場(chǎng)擴(kuò)散規(guī)律

圖3 t<0時(shí)激發(fā)電流產(chǎn)生的磁力線示意

圖4 t>0時(shí)等效的渦流環(huán)示意

通過瞬變電磁儀給激勵(lì)線圈施加階躍型電流信號(hào)I(t)，在t<0時(shí)，I(t)=I，t>0時(shí)，I(t)=0。t<0時(shí)稱為前期階段，激勵(lì)線圈在空間形成一次磁場(chǎng)，往周圍擴(kuò)散，電磁場(chǎng)方向通過右手定則判定，此時(shí)任意時(shí)刻的一次磁場(chǎng)可以等效為簡(jiǎn)單的渦流環(huán)；t>0時(shí)稱為后期階段，激勵(lì)源處于斷開狀態(tài)，渦流環(huán)會(huì)向地下擴(kuò)散(見圖3，4)。每一個(gè)渦流環(huán)仿佛從激勵(lì)線圈里面吹出來的“煙圈”，這種現(xiàn)象稱為“煙圈效應(yīng)”。等效渦流環(huán)的電流為

(1)

式中：c為常數(shù)；t為渦流環(huán)擴(kuò)散時(shí)間；s0為大地的電導(dǎo)率；m0為大地的磁導(dǎo)率。

2.2 埋地金屬管道的響應(yīng)范圍

瞬變電磁法檢測(cè)金屬管道的響應(yīng)范圍是渦流環(huán)覆蓋的有效區(qū)域，在現(xiàn)場(chǎng)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)的信號(hào)代表整個(gè)有效區(qū)域內(nèi)的管道平均壁厚，而不是探頭正下方測(cè)點(diǎn)的管道壁厚，整個(gè)有效區(qū)域長度稱為響應(yīng)范圍(見圖5)。根據(jù)一次磁場(chǎng)擴(kuò)散規(guī)律可知渦流環(huán)是從激勵(lì)線圈中心出發(fā),呈47°錐角的方式向地下擴(kuò)散，檢測(cè)時(shí)管道埋深為已知量，進(jìn)而可計(jì)算出管道的響應(yīng)范圍

S=L+2·h·cot47°≈L+2h

(2)

式中：S為響應(yīng)范圍；L為激勵(lì)線圈長度；h為激勵(lì)線圈和管道軸線的垂直距離。

圖5 埋地金屬管道響應(yīng)范圍示意

3 試驗(yàn)過程

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備由信號(hào)發(fā)生器部分、傳感器部分、管道試件和信號(hào)采集部分等組成[6]，瞬變電磁檢測(cè)設(shè)備框圖如圖6所示，瞬變電磁檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖6 瞬變電磁檢測(cè)設(shè)備框圖

圖7 瞬變電磁檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.2 瞬變電磁法信號(hào)發(fā)生器

瞬變電磁儀產(chǎn)生頻率為1/16～32 Hz的階躍型信號(hào)，信號(hào)占空比可調(diào)，信號(hào)放大后幅值可以達(dá)到20 V。

3.3 傳感器和試件部分

傳感器為激勵(lì)線圈和接收線圈兩部分，激勵(lì)線圈由直徑為1 mm的漆包線纏繞而成，直徑為200 mm，有效高度為20 mm，匝數(shù)為150匝；接收線圈由直徑為0.25 mm的漆包線纏繞而成，直徑為100 mm，有效高度為20 mm，匝數(shù)為450匝，激勵(lì)線圈和接收線圈保證同心。為了提高試驗(yàn)的可信度和重復(fù)性，試件選擇4塊鋼板，尺寸為400 mm×400 mm(長×寬)，厚度分別為5，10，15，20 mm，保證試件長度遠(yuǎn)大于線圈有效覆蓋長度，確保試驗(yàn)的有效性。

3.4 試驗(yàn)步驟及結(jié)果分析

3.4.1 試驗(yàn)步驟

瞬變電磁儀激發(fā)階躍型電流為1 A，占空比為50%，頻率為1 Hz，在4塊鋼板試件上進(jìn)行提離高度分別為0，50，100，150，200 mm的試驗(yàn)，每一種提離高度測(cè)量次數(shù)不少于10次，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，提取有效數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 4塊鋼板試件的提離高度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4.2 數(shù)據(jù)處理

圖9 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果

通過對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行變化，可以清楚地看到檢測(cè)信號(hào)前期是沿著直線衰減的，后期是沿著冪指數(shù)衰減的[7]，確定檢測(cè)信號(hào)的衰減拐點(diǎn)，選擇合適的時(shí)窗范圍對(duì)每組檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合選擇試件厚度為5 mm，提離高度為50 mm時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖9所示，擬合公式為y=Aexp(Bx)(y為檢測(cè)數(shù)據(jù)，A為信號(hào)幅值，B為衰減曲率)，擬合結(jié)果P<0.05，R2=0.999 9,說明該數(shù)據(jù)具有相關(guān)性且擬合程度高，每組數(shù)據(jù)擬合后得到的信號(hào)幅值A(chǔ)和衰減曲率B如表1所示。

表1 不同提離高度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的衰減率處理結(jié)果

3.4.3 結(jié)果分析

對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)采用y=Aexp(Bx)的擬合結(jié)果表明，信號(hào)幅值A(chǔ)隨著提離高度的增加而減小，厚度分別為5,10,15 mm的鋼板試件在提離高度為0 mm100 mm時(shí)，接收信號(hào)發(fā)生了畸變，原因在于該激勵(lì)線圈磁場(chǎng)響應(yīng)范圍過大，超出試件的尺寸，導(dǎo)致在試件表面產(chǎn)生的渦流不均勻。厚度為20 mm的鋼板試件的檢測(cè)信號(hào)曲線發(fā)生嚴(yán)重畸變，進(jìn)一步說明該傳感器對(duì)厚度大于20 mm的試件不適用。根據(jù)調(diào)研資料可知，目前對(duì)金屬管道腐蝕量的評(píng)價(jià)都是利用檢測(cè)的衰減曲率，因此在有效提離高度范圍內(nèi)，瞬變電磁法傳感器位置的上下變動(dòng)對(duì)腐蝕評(píng)價(jià)結(jié)果無影響。

4 結(jié)論

(1) 隨著提離高度的增加,信號(hào)幅值逐漸減小，衰減曲率基本不變，對(duì)于厚度分別為5,10,15 mm的鋼板試件的提離高度有效范圍為100 mm，衰減曲率不變。

(2) 當(dāng)提離高度超過有效范圍100 mm時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)生相交，無規(guī)律可言，驗(yàn)證該傳感器理論有效覆蓋范圍為400 mm。

(3) 對(duì)于厚度為20 mm的鋼板試件，信號(hào)曲線發(fā)生嚴(yán)重的畸變，表明該傳感器的應(yīng)用范圍對(duì)厚度大于20 mm的試件不適用。

(4) 通過試驗(yàn)表明，在有效提離高度范圍內(nèi)，提離高度只影響接收信號(hào)的幅值，而對(duì)信號(hào)衰減曲率無影響，在實(shí)際檢測(cè)工況中，說明傳感器位置的上下變動(dòng)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果無影響，也為后續(xù)瞬變電磁法傳感器的制作提供了有力參考。