張 超,李 勇,2,劉正帥,閆 貝,任淑廷,陳振茂,2

(1.西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院，西安，710049； 2.陜西省無損檢測與結(jié)構(gòu)完整性評價工程技術(shù)研究中心，西安，710049)

脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)相比于常見的渦流、超聲、射線和漏磁檢測等無損檢測方法，其獨特的遠(yuǎn)場效應(yīng)使之具有受提離效應(yīng)影響小、內(nèi)外管檢測靈敏度相同等優(yōu)點，在航空金屬管道無損檢測方面具有天然的技術(shù)優(yōu)勢[1]。在脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)應(yīng)用過程中，探頭適用范圍與其尺寸即探頭長度緊密相關(guān)，因此，脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測探頭的優(yōu)化十分重要[2]，需在明晰脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測機制的基礎(chǔ)上，優(yōu)化探頭結(jié)構(gòu)以縮短探頭尺寸并提高檢測靈敏度，對被測構(gòu)件存在的缺陷實施精確有效的識別與定量評估[3]。目前國內(nèi)外已有一些對脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測機制及探頭優(yōu)化方面的研究。一方面通過磁屏蔽技術(shù)抑制磁場直接耦合分量的傳播，進(jìn)而增強間接耦合分量，以提高探頭對缺陷的的響應(yīng)能力；也可設(shè)置多層屏蔽結(jié)構(gòu)，以增強探頭對鐵磁性材料的檢測能力[4]。另一方面以坡印廷矢量在導(dǎo)體域和空氣域中的分布規(guī)律為基礎(chǔ)，分析和解釋多層屏蔽結(jié)構(gòu)的作用原理，可以得出使用高磁導(dǎo)率和高電導(dǎo)率材料作為屏蔽結(jié)構(gòu)，同時在探頭中設(shè)置磁芯的情況下，不僅能夠降低噪聲影響，而且能夠提高檢測靈敏度的結(jié)論[5-10]，但是目前針對雙層異質(zhì)航空金屬套管遠(yuǎn)場檢測中的響應(yīng)機理探究和技術(shù)優(yōu)化尚存不足?；诖?，本文針對不銹鋼-碳鋼雙層航空金屬套管，探究脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測機制及檢測探頭的優(yōu)化。

1 脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測機制

本文所提脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)原理如圖1所示。在對被測航空金屬套管進(jìn)行檢測時，向激勵線圈中通入一定頻率和占空比的脈沖方波信號，激勵線圈產(chǎn)生的線圈磁場以直接耦合和間接耦合分量的形式向外傳播。線圈場的直接耦合分量在管內(nèi)沿軸線方向傳播，由于金屬管壁對磁場的屏蔽作用，導(dǎo)致其以直接耦合方式傳播的磁場大幅衰減，這一范圍內(nèi)為近場區(qū)；線圈場的間接耦合分量在激勵線圈附近穿越管壁傳到套管外部，在空氣中傳播2～3倍管徑的距離后，此處管內(nèi)磁場小于管外磁場，以間接耦合方式傳播的磁場分量二次穿越管壁回到管內(nèi)被磁場傳感器拾取到檢測信號，這一位置起為遠(yuǎn)場區(qū)。以間接耦合方式傳播的線圈場，在2次穿越管壁的過程中均在管壁表面激發(fā)感應(yīng)渦流產(chǎn)生二次磁場，抑制原線圈場的變化，因此傳感器所拾取的磁場檢測信號中含有大量管壁厚度等信息，可對航空金屬套管存在的缺陷進(jìn)行分類識別以及定量評估，故采用脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)對航空金屬套管結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。

圖1 脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測原理

1.1 電磁場理論

在針對航空金屬套管結(jié)構(gòu)的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測中，需要明晰激勵電流加載與加載后的這一時間周期內(nèi)，求解域內(nèi)的磁場分布及變化規(guī)律。本研究中所涉及的區(qū)域分為導(dǎo)體域和空氣域，其各自求解域內(nèi)渦流問題的控制微分方程見式(1)～(3)。

導(dǎo)體域：

(1)

(2)

空氣域：

(3)

式中：μ為磁導(dǎo)率；A為矢量磁位，單位Wb/m；σ為電導(dǎo)率，單位S/m；φ為標(biāo)量電位，V；Ф是標(biāo)量電位φ的時域積分，由離散方程對稱導(dǎo)入；J0為源電流密度，單位A/m2。

根據(jù)矢量磁位A和標(biāo)量電位φ的公式可得：

B=×A

(4)

(5)

因此可求得任一點處的電場強度E、磁感應(yīng)強度B，根據(jù)空間任一點處電磁場的能流密度S公式：

(6)

式中：S為坡印廷矢量，單位W/m2。進(jìn)一步獲得求解域中任一點處的坡印廷矢量S，本文主要提取Sr和Bz進(jìn)行研究。

1.2 快速有限元的建模

針對不銹鋼-碳鋼雙層航空金屬管道的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測方法，利用快速有限元進(jìn)行建模計算[11-12]，根據(jù)被測航空金屬套管和檢測探頭在結(jié)構(gòu)上的空間對稱性，將模型由三維簡化為二維以減小計算量和提高運行效率。航空金屬套管的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測模型如圖2所示，模型各部參數(shù)如表1所列。探頭中線圈匝數(shù)為1 350匝，激勵電流為頻率33 Hz、占空比33%的方波信號，其周期內(nèi)電流幅值為1 A，激勵電流信號如圖3所示。

圖2 脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測模型示意圖

表1 脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測探頭及被測航空金屬套管參數(shù)

圖3 激勵電流信號

1.3 屏蔽效應(yīng)

電磁屏蔽材料優(yōu)先選擇高導(dǎo)電率與高導(dǎo)磁率的材料[4，6]，本文選取銅質(zhì)與鐵質(zhì)材料分別進(jìn)行研究。為明晰屏蔽材料對遠(yuǎn)場區(qū)范圍的影響，在仿真中設(shè)置2組模型，第1組為不同材料的單層屏蔽模型，第2組為不同排列方式的雙層組合屏蔽模型，將2組模型的屏蔽效果與無磁芯無屏蔽(no magnetic core and no shield，NMC&NS)模型和有磁芯無屏蔽(magnetic core and no shield，MC&NS)模型的屏蔽效果作對比，以探究屏蔽結(jié)構(gòu)是否有利于遠(yuǎn)場區(qū)的提前，同時為脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測探頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支撐。

提取各組模型中求解域內(nèi)的坡印廷矢量，獲取其在內(nèi)管內(nèi)壁(r=15 mm)上的坡印廷矢量r分量過零點(zero crossing point，ZCP)位置，該位置即為遠(yuǎn)場區(qū)開始位置，由此位置對比可知各組屏蔽結(jié)構(gòu)對遠(yuǎn)場區(qū)的影響。圖4為無磁芯無屏蔽時求解域內(nèi)的坡印廷矢量r分量分布圖，由圖4可知，坡印廷矢量r分量在線圈附近穿出管壁，在管外傳播一段距離后再次穿越管壁回到管內(nèi)，該現(xiàn)象與遠(yuǎn)場效應(yīng)一致，即磁場穿出管壁后二次穿透管壁回到管內(nèi)。圖5為無磁芯無屏蔽模型中坡印廷矢量r分量過零點截面上沿徑向的坡印廷矢量r分量值，由圖5可知該截面上功率流r分量在管內(nèi)為正，管外為負(fù)，再次表明管壁上該點即為坡印廷矢量r分量過零點，即磁場的二次穿透位置，可用于表示遠(yuǎn)場區(qū)開始位置。

圖4 無磁芯無屏蔽模型坡印廷矢量r分量分布

從各組模型計算結(jié)果中提取相對應(yīng)坡印廷矢量r分量過零點處的磁通密度Z分量進(jìn)行比對，其不同屏蔽類型過零點處磁通密度Z分量曲線如圖6所示。由圖6可知，無磁芯無屏蔽模型的磁通密度Z分量整體數(shù)值遠(yuǎn)小于其他類別，在此基礎(chǔ)上設(shè)置單層與雙層屏蔽片，由圖6可知，屏蔽結(jié)構(gòu)由一層增加為雙層，最終為銅和鐵均2.5 mm且鐵質(zhì)屏蔽片靠近線圈(Cu 2.5 mm & Fe 2.5 mm)時，在以上模型中有最大的磁通密度Z分量，表明屏蔽裝置起到抑制磁場直接耦合分量作用的同時，通過聚磁作用增強了遠(yuǎn)場磁場強度，證明所提屏蔽裝置對遠(yuǎn)場磁場強度增強的有效性。

圖6 不同屏蔽類型過零點處磁通密度Z分量

各屏蔽結(jié)構(gòu)模型中內(nèi)管內(nèi)壁上過零點位置與磁通量密度Z分量如圖7所示，相比于無磁芯無屏蔽模型，同一模型在添加磁芯以后其坡印廷矢量r分量在內(nèi)管內(nèi)壁上的過零點位置由89.85 mm縮短到80.30 mm，表明探頭可縮短10.6%，對應(yīng)磁通密度Z分量從7.6×10-6T提升到7.3×10-5T，得到大幅提升，分析其原因在于磁芯起聚磁作用，收攏了整體分散的磁場，使得遠(yuǎn)場區(qū)管外的磁場得到增強，進(jìn)而遠(yuǎn)場區(qū)管外磁場大于管內(nèi)磁場的位置提前，即磁場二次穿透位置提前。

圖7 各模型中過零點位置與磁通密度Z分量

在添加磁芯的基礎(chǔ)上設(shè)置屏蔽結(jié)構(gòu)，第一組帶屏蔽結(jié)構(gòu)的模型為單層銅片和單層鐵片模型，相比于無磁芯無屏蔽模型，兩種材料屏蔽片模型所對應(yīng)坡印廷矢量r分量在內(nèi)管內(nèi)壁上的過零點位置均得到提前，在單層屏蔽片下遠(yuǎn)場區(qū)的提前效果中銅片(74.27 mm)的作用大于鐵片(77.54 mm)，此為銅質(zhì)屏蔽材料的高電導(dǎo)率特性所起抑制磁場直接耦合分量的屏蔽作用；但觀察磁通密度Z分量的變化時可知，設(shè)置鐵質(zhì)屏蔽時的磁通密度Z分量大于設(shè)置銅質(zhì)屏蔽時的磁通密度Z分量，其原因在于鐵材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于銅材料，鐵質(zhì)屏蔽結(jié)構(gòu)在此處起聚磁作用，增強遠(yuǎn)場區(qū)管外的磁場強度使得二次穿透位置提前，此為高磁導(dǎo)率材料所起的聚磁作用。第二組模型設(shè)置了組合銅和鐵質(zhì)材料的屏蔽模型，不同之處在于兩種材料相對于線圈的位置，由圖7可知，對比銅質(zhì)和鐵質(zhì)材料不同位置下的二次穿透位置與磁通密度Z分量，鐵質(zhì)材料更靠近線圈時有更小的二次穿透位置和遠(yuǎn)場區(qū)磁場強度，原因在于鐵越靠近線圈時其聚磁作用越強，對遠(yuǎn)場區(qū)磁場的增強作用越大，同時考慮到銅對原磁場直接耦合分量的抑制作用，共同使得該模型中有更近的二次穿透位置和更大的遠(yuǎn)場區(qū)磁通密度Z分量。

1.4 探頭靈敏度

由圖7可知，雙層屏蔽中鐵質(zhì)材料靠近線圈的組合有更近的二次穿透位置和更大的遠(yuǎn)場區(qū)磁場強度，故在實際探頭設(shè)置中需考慮將高電導(dǎo)率與高磁導(dǎo)率材料組合使用，以獲得最佳的屏蔽效果，以此為基礎(chǔ)設(shè)計了帶有雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的探頭，在快速有限元仿真中對被測航空金屬套管進(jìn)行檢測，以探究設(shè)置屏蔽結(jié)構(gòu)是否提高探頭檢測靈敏度。在被測航空金屬套管的外管外壁設(shè)置了深度0.5、1.0、1.5、2.0 mm(12.5%、25.0%、37.5%、50.0%)的全周外壁減薄腐蝕缺陷，該金屬套管結(jié)構(gòu)中不銹鋼內(nèi)管的內(nèi)徑30 mm、外徑38 mm、壁厚為4 mm，其碳鋼外管的內(nèi)徑40 mm、外徑48 mm、壁厚為4 mm。在該模型對應(yīng)的磁場二次穿透位置處取磁通密度Z分量為檢測信號，保證激勵信號不變的條件下，以外管和內(nèi)管壁厚均為4 mm即未發(fā)生腐蝕減薄時的金屬套管作為標(biāo)準(zhǔn)試件，其檢測信號為參考信號。

將不同深度缺陷下對應(yīng)檢測信號與參考信號作差分處理，提取差分信號峰值，與減薄量d關(guān)聯(lián)后作圖，差分信號峰值與減薄量關(guān)聯(lián)規(guī)律如圖8所示。

圖8 差分信號峰值與減薄量關(guān)聯(lián)規(guī)律

由圖8可知，具有雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的探頭對不同深度缺陷的響應(yīng)均大于無屏蔽結(jié)構(gòu)時的探頭，且具有雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的探頭對應(yīng)關(guān)聯(lián)曲線的斜率大于無屏蔽結(jié)構(gòu)的探頭，此斜率為探頭檢測靈敏度，表明設(shè)置雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的探頭對全周外壁減薄腐蝕缺陷的檢測靈敏度優(yōu)于無屏蔽結(jié)構(gòu)探頭。

2 脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測機制及探頭優(yōu)化

2.1 脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測實驗平臺

圖9所示為搭建的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測實驗平臺，包括信號發(fā)生器、功率放大器、帶有磁芯和雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測專用探頭、濾波放大器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成整體的檢測系統(tǒng)。圖10所示為脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測專用探頭結(jié)構(gòu)示意圖，由探頭骨架、激勵線圈、鐵芯、組合屏蔽裝置和磁場傳感器組成，探頭中磁場傳感器位置可調(diào)，可根據(jù)不同屏蔽結(jié)構(gòu)下的二次穿透位置進(jìn)行適當(dāng)位置調(diào)整。檢測時將探頭居中放置于被測航空金屬套管中，激勵線圈通入預(yù)設(shè)的方波信號，磁場傳感器拾取到檢測信號后經(jīng)過濾波放大輸入到計算機中成像。

圖9 脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測實驗平臺

圖10 脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測專用探頭結(jié)構(gòu)示意

2.2 實驗及討論

實驗時，首先使用有磁芯有屏蔽結(jié)構(gòu)(MC&S)且尺寸參數(shù)與仿真一致的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測探頭，屏蔽結(jié)構(gòu)為仿真最優(yōu)屏蔽結(jié)構(gòu)即銅和鐵均2.5 mm且鐵質(zhì)屏蔽片靠近線圈(Cu 2.5 mm & Fe 2.5 mm)，對航空金屬套管的外管外壁全周減薄腐蝕缺陷進(jìn)行檢測。被測金屬套管中不銹鋼內(nèi)管內(nèi)徑30 mm、外徑38 mm、壁厚為4 mm，其碳鋼外管內(nèi)徑40 mm、外徑50 mm、壁厚為5 mm。在其外管外壁上設(shè)置深度0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm的全周外壁減薄腐蝕缺陷，獲取無缺陷與不同深度缺陷下的遠(yuǎn)場檢測信號。其次將探頭中屏蔽裝置去除，對上述同樣的全周外壁減薄腐蝕缺陷進(jìn)行檢測，獲取無屏蔽裝置下的遠(yuǎn)場檢測信號。在兩組遠(yuǎn)場脈沖渦流檢測中，保證激勵信號不變，以外管壁厚5 mm、內(nèi)管壁厚4 mm即未發(fā)生腐蝕減薄時的金屬套管作為標(biāo)準(zhǔn)試件，其檢測信號為參考信號(REF)。

作有無屏蔽裝置時的遠(yuǎn)場區(qū)檢測信號如圖11所示，由圖11可知，在外管外壁的不同減薄量缺陷檢測信號中，有屏蔽結(jié)構(gòu)探頭的檢測信號幅值均高于無屏蔽結(jié)構(gòu)探頭對應(yīng)檢測信號，表明設(shè)置屏蔽結(jié)構(gòu)有利于提高遠(yuǎn)場區(qū)磁場強度。

圖11 有無屏蔽裝置時的遠(yuǎn)場區(qū)檢測信號

為明晰不同深度缺陷對檢測信號的影響程度，將各檢測信號作差分處理，獲得有無屏蔽裝置時的遠(yuǎn)場區(qū)檢測差分信號如圖12所示。

圖12 有無屏蔽裝置時的遠(yuǎn)場區(qū)檢測差分信號

由圖12可知，不同探頭檢測信號中相同深度缺陷對遠(yuǎn)場檢測信號的影響中，有屏蔽結(jié)構(gòu)時的信號響應(yīng)幅度均大于無屏蔽結(jié)構(gòu)時，表明屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)置，能夠提高探頭對缺陷的響應(yīng)能力。即雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的使用，有利于對線圈磁場以直接耦合方式傳播分量的抑制，同時能夠通過聚磁效應(yīng)提高遠(yuǎn)場區(qū)磁場強度，進(jìn)而將磁場二次穿透位置提前且增強遠(yuǎn)場區(qū)磁場強度。

由于遠(yuǎn)場檢測中磁場二次穿透管壁的特性，使得遠(yuǎn)場檢測信號中含有豐富的管壁厚度信息，故僅需提取遠(yuǎn)場檢測信號峰值，將該峰值與航空金屬套管外管外壁全周減薄量關(guān)聯(lián)以探究檢測效果。有無屏蔽結(jié)構(gòu)時檢測信號峰值與減薄量關(guān)聯(lián)規(guī)律如圖13所示，由圖13可知，在探頭設(shè)置屏蔽結(jié)構(gòu)以后，相同深度的減薄量對應(yīng)有更大的檢測信號峰值，更有利于提高缺陷的檢出率。

圖13 有無屏蔽結(jié)構(gòu)時檢測信號峰值與減薄量關(guān)聯(lián)規(guī)律

綜合考慮有無屏蔽結(jié)構(gòu)時對遠(yuǎn)場磁場強度和探頭對缺陷響應(yīng)能力的影響，可知本文所提雙層屏蔽結(jié)構(gòu)相比于其他結(jié)構(gòu)，有最優(yōu)的遠(yuǎn)場區(qū)磁通密度Z分量，且該情況下探頭中遠(yuǎn)場區(qū)磁場傳感器放置位置最靠近線圈，即探頭長度最短。表明使用本文雙層屏蔽結(jié)構(gòu)可獲得幅值更大的檢測信號以及對缺陷更強的響應(yīng)能力，確保無損檢測順利進(jìn)行。

3 結(jié)語

本文圍繞不銹鋼-碳鋼雙層航空金屬套管的無損定量檢測，以探究脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測的機制及檢測探頭的優(yōu)化。通過快速有限元仿真研究，明晰坡印廷矢量在求解域中的分布規(guī)律，并通過坡印廷矢量r分量過零點識別遠(yuǎn)場區(qū)開始位置，探究電磁屏蔽結(jié)構(gòu)在檢測中的有效性。通過實驗平臺對航空金屬套管腐蝕減薄缺陷檢測進(jìn)行了實驗研究，以對屏蔽結(jié)構(gòu)能力進(jìn)行進(jìn)一步驗證，獲取有無屏蔽結(jié)構(gòu)下的檢測信號進(jìn)行對比，結(jié)果表明，屏蔽結(jié)構(gòu)的使用有利于提高探頭對缺陷的響應(yīng)能力，同時提高遠(yuǎn)場區(qū)磁場強度，并縮短探頭尺寸。實驗結(jié)果與仿真結(jié)論一致，表明所提航空金屬套管脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測遠(yuǎn)場區(qū)識別方法的有效性，以及基于電磁屏蔽的探頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段的可行性。