測速對遠場渦流管道缺陷檢測的影響

張蕓 王銀麗 蔣天植 黃有駿 孫琦 林超 喻恒 李昱

【摘 要】在基于遠場渦流的管道缺陷定量檢測中，在距離激勵線圈2-8倍管道內徑的位置設置了2個物理屬性完全相同的接收線圈來實現管道缺陷的檢測。當儀器以一定速度進行管道檢測時，由于管道作為閉合導體，當產生磁場的激勵線圈與管道產生相對速度時，由楞次定律可知，管道會產生阻礙磁場變化的感應電流影響缺陷檢測。為了直觀分析儀器速度效應給檢測帶來的影響，利用ANSYS有限元仿真軟件建立遠場渦流雙線圈檢測模型進行了仿真，鑒于遠場渦流為低頻測試以及儀器參數自身等限制，儀器存在最大檢測速度，在最大檢測速度以內仿真結果表明：隨著儀器運行速度的增加兩個檢測線圈上的感應電壓幅值減小，相位也有減小的特征，進一步反應速度對管道缺陷定量檢測的影響，將檢測的特征相位轉化成管道壁厚，經過誤差分析確定在最大速度范圍內，遠場渦流檢測中由儀器速度效應帶來的誤差很小。

【關鍵詞】遠場渦流;雙接收線圈;速度效應

中圖分類號： TE973.6 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）08-0011-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.004

【Abstract】In the quantitative detection of Pipeline Defects based on remote field eddy current（RFEC），setting 12 uniformly distributed sensors to realize pipeline defection. However， sensor reception signals involved in the spurious peak when the transmitting coil is in the position right of the pipeline defects， which affects the accuracy of the quantitative analysis of pipeline defect. For removing spurious peak， the two coaxial receiving coils are applied to get two time shifting feature signals. After removing spurious peak f.

【Key words】RFEC testing; Sensor; Spurious peaks; Wavelet threshold de-noising; Defects evaluation

0 引言

管道缺陷的定量檢測研究對于管道防護和經濟止損具有重要意義[1-3]。為了實現基于遠場渦流的管道缺陷定量檢測，本文通過在遠場區(qū)域設置2個參數完全相同的感應線圈獲取缺陷的渦流信號。在在基于遠場渦流的管道檢測中，對檢測線圈采集的特征信號的處理及最后的壁厚計算均未考慮儀器移動速度這一因素，而在實際檢測中檢測裝置并非處于靜止狀態(tài)進行測試.因此研究測試中儀器移動帶來的速度效應對管道缺陷辨識的影響，對提高檢測結果的可靠性具有重要意義.

此外，在實際測試中，測速也會受到儀器實際參數、激勵源頻率、采集的電路處理速度、可識別缺陷寬度等條件的限制，為了研究遠場渦流檢測中儀器檢測速度對檢測結果的影響，本文通過ANSYS有限元仿真軟件進行遠場渦流檢測建模，仿真不同測速下雙接收線圈的特征信號（相位、幅值），并通過去噪、去偽峰等數據處理最后轉換成管道壁厚進一步分析儀器速度效應帶來的測試誤差。

論文通過以下部分詳述了基于遠場渦流的速度效應的仿真分析。第一部分通過ANSYS建模及理論分析速度效應帶來的影響;第2部分通過仿真結果進一步分析壁厚誤差。

1 遠場渦流儀器速度的仿真分析

1.1 遠場雙線圈檢測模型

遠場渦流檢測模型由低頻激勵源以及兩個物理屬性完全一致的接收線圈組成[4-5]，其檢測模型如圖1所示。

在圖1中，在與發(fā)射線圈同軸的遠場區(qū)域（2-8倍的管道內徑處）設置具有同材質、同尺寸的雙接收線圈（接收線圈1、接收線圈2）實現檢測信號的獲取。圖1中，發(fā)射線圈為20Hz的正弦低頻信號[4-6];d1為接收線圈2與發(fā)射線圈的間距，d2為檢測線圈1與發(fā)射線圈的間距，d1和d2均屬于2.5～8倍管道內直徑范圍;d3為雙接收線圈之間的距離，d3為1～2倍管道內直徑范圍。

檢測過程中激勵線圈施加160V，20Hz初相為0的正弦激勵信號，儀器從左往右（由激勵線圈指向檢測線圈）行進測量管道，同一次檢測，傳感器和兩個接收線圈接收由同一個發(fā)射線圈激勵的渦流信號，設置兩個完全相同的檢測線圈主要目地的是檢測信號的去偽峰[6-7]。

1.2 速度對檢測線圈感應電壓的影響

即磁通量在n匝檢測線圈橫截面積上積分之和，當速度增加時，由于楞次定律，會產生相反方向的磁場阻礙磁場變化，因而使得檢測線圈的磁場減小從而使感應電壓幅值減小。使得本來已經mV級的微弱檢測信號更加微弱，對管道檢測很不利。

為了研究測試中儀器運行速度對檢測結果的具體影響，根據遠場檢測模型，利用ANSYS有限元仿真軟件按照表1所給的儀器參數以及表中的缺陷管道參數建立遠場渦流檢測的物理仿真模型如圖2.

實際檢測中儀器由圖中從下往上移動進行管道檢測，在鐵磁性管道上依次添加0m/s，-4m/s，-8m/s的速度，對應的儀器相對于被測管道的速度依次為：0m/s，4m/s，8m/s，仿真得到的檢測線圈上感應的渦流信號磁力線如下圖3。

比較后不難發(fā)現，當傳感器以一定速度在管內運動時，管外磁場分布相較于速度為0時向下偏移，且隨著速度的增加，磁場的偏移量增大。這是因為管體作為閉合導體在激勵源所建立的磁場中運動時，必將產生感生電流，由楞次定律可知，感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，因此當儀器從下往上以一定速度移動，激勵源下方部分管道中的感應電流所產生的磁場方向也為從下向上，激勵源上方部分則相反，因此激勵線圈下方磁場得以增強而上方則減弱，從磁力線分布上來看就是磁場向下偏移。

為了模擬儀器在實際中的檢測過程，在ANSYS仿真中，對管道添加-2m/s，-1m/s，0m/s的負向速度（檢測線圈相對于管道則以正向速度1m/s，2m/s，0m/s測量），儀器初始位置時檢測線圈1距離缺陷600mm，每次仿真同時改變發(fā)射線圈和檢測線圈位置（每次移動20mm）模擬儀器行進檢測過程，檢測線圈上的感應電壓的幅值、相位結果如圖4、圖5。

圖4和圖5分別是不同速度下的檢測線圈檢測電壓的幅值和相位，由于檢測線圈1和檢測線圈2物理屬性完全一致，僅由于兩個線圈距離發(fā)射的距離不同存在很小的差異，所以仿真結果僅是存在由于線圈距離激勵源位置引起的時移，在此，僅分析線圈2，可以發(fā)現當線圈2移動到offset=10附近寬度大約在200mm左右，即缺陷所在位置處時，幅值和相位都呈現出缺陷特征的突變，其中缺陷處檢測信號幅值的增加主要是由于缺陷處管壁變薄信號衰減較小，而對應的相位處則呈現相位滯后減少的特征。隨著速度的增加，相較于速度為0的理想情況，檢測線圈上的感應電壓幅值減小，相位除了減小還有一定的平移;在缺陷過后，由于激勵線圈逐漸靠近缺陷區(qū)域，引入的偽峰信號導致檢測線圈在缺陷之后的無缺陷處的相位和幅值與缺陷前的信號呈現差異。

為了方便觀察儀器移動速度對檢測信號的影響，利用ANSYS的瞬時分析將檢測線圈2處于管道無缺陷位置時在3個周期內的瞬時電壓導出如下圖6，其中“×”曲線為激勵信號，可以看到對于某個位置的檢測而言，隨著速度的增加檢測信號幅值相應減小。儀器的速度效應使檢測信號更加微弱，當速度過大就可能出現缺陷處信號的幅值趨近于正常管道處幅值，從而出現錯誤檢測。

1.3 速度對檢測結果的影響

由于在遠場渦流測試時，測試信號的幅值能級變化較大，且遠場檢測信號微弱，而信號相位相對穩(wěn)定[4-6]，因此在實際檢測中主要采用檢測信號的相位作為測的特征信號。通過檢測線圈得到的電壓相位與激勵線圈的相位差通過式（4）最終確定被測管道的壁厚h。

檢測壁厚誤差如圖8，從圖8中可以清晰的看到在無缺陷管道處，速度對壁厚的測量結果影響很小，而從檢測線圈進入缺陷區(qū)域到檢測線圈完全離開缺陷區(qū)域，即圖中所標識的缺陷區(qū)域，兩個線圈的誤差最大，在進入其缺陷位置時的檢測位置處速度為2m/s時兩個線圈的誤差達到了-0.65mm，而在離開缺陷區(qū)域的位置兩個線圈的誤差也有0.18mm。但整體誤差仍在精度要求范圍內，最大的相對誤差也僅有5.8%。因此在測速小于2m/s的測速內沒有校正的必要。

2 總結

本文基于遠場渦流檢測原理，利用ANSYS有限元仿真軟件建立雙接收線圈模型，仿真儀器不同測速下的檢測結果。仿真結果表明，隨著速度的增加管外磁場平移，在儀器測速小于2m/s的范圍內，隨著速度的增加檢測線圈幅值減小，相位整體減小且相較于0速度相位曲線有平移趨勢，將檢測線圈的相位轉換為壁厚后發(fā)現速度增大檢測的壁厚越小，主要由于閉合管體與儀器產生相對速度，由楞次定律則會產生阻礙的變化的感應磁場致使檢測電壓偏小。對測試壁厚進行誤差分析，更為直觀的發(fā)現在檢測線圈進入和離開缺陷區(qū)域時候測量壁厚受儀器速度效應影響最大，誤差最大處約為-0.65mm，但仍在檢測精度要求范圍以內，故而當一起運行速度小于2m/s時速度對測量結果影響不大，無需校正。

【參考文獻】

[1]廖達偉.管道無損檢測技術的新進展[J].電子測量與儀器學報，2012，S1：4-7.LIAO D W.Advances of the nondestructive examination Technology of buried pipelines[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument，2012，S1：4-7.

[2]李育忠，鄭宏麗，賈世民，劉全利，鄧凱夫，張金權.國內外油氣管道檢測檢測技術發(fā)展現狀[J].石油科技論壇，2012， No. 2. pp：30-35.LI Y Z， ZHENG H L， JIA S M， LIU Q L， DENG K F.ZHANG J Q. The Research Status of Pipe Detecting in Domestic and Overseas[J].Oil Forum， 2012， Vol.2， pp：30-35.

[3]徐小杰.管道遠場渦流無損檢測技術綜述[J].管道技術與設備，2015， No. 3. pp：21-23.XU X J. Remote Field Eddy Current Non-destructive Testing for Pipes and Tubes[J]. Pipeline Technique and Equipment， 2015， vol.3， pp：21-23.

[4]CHEN Y B， ZHENG J， LUO W J. Remote Field Eddy Current Testing Technology for Ferromagnetic Heat Exchanger Tubes[J]. ASME Pressure Vessels and Piping Conference， 2012， Vol.5，pp：237-239.

[5]劉亮，師奕兵，王志剛.遠場渦流法套損測試儀中檢測系統(tǒng)的研制[J].測控技術，2012， Vol.31（3）：40-43.

LIU L， SHI Y B， WANG Z G. Development of Signal Detection in Casing Damage Tester Based on Remote Field Eddy Current Method[J]. Measurerment and Control Technology， 2012， Vol.3， pp：40-43.

[6]張偉，師奕兵，王志剛，敖永才.管道裂紋遠場渦流檢測的缺陷反演方法研究[J].儀器儀表學報，2013， Vol.34（8）： 1681-1689.ZHANG W， SHI Y B， WANG Z G， AO Y C. Research on The Quantitative Inverse Model of RFEC Inspection for Pipe Cracks[J].Chinese Journal of Scientific Instrument， 2013， Vol.34（8），pp：1681-1689.

[7]羅清旺，師奕兵，王志剛，張偉，馬東.一種基于遠場渦流的管道大面積缺陷定位檢測方法[J].儀器儀表學報，2015，Vol.36（12），pp：2790-2797.LUO QW， SHI Y B， WANG Z G， ZHANG W， MA D. Location and Inspection Method For Large Area Pipe Defect Based On RFEC Testing[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument， 2015，Vol.36（12），pp： 2790-2797.