保溫管道脈沖渦流檢測U型探頭的試驗研究

(1. 廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528251；2.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學)，江西 南昌 330063)

鐵磁性管道廣泛應(yīng)用于石油化工、大型電力和制冷等行業(yè),出于對管道輸送介質(zhì)所含能量保護的原因，在管道表面上捆扎包覆層[1]。包覆層由保溫層與金屬保護層共同組成,由于現(xiàn)場安裝不善等一系列問題，導致包覆層外圍的金屬保護層出現(xiàn)較大間隙，易造成帶包覆層管道的外壁部位長期處于潮濕環(huán)境而產(chǎn)生腐蝕缺陷。帶包覆層鐵磁性管道內(nèi)部輸送的介質(zhì)往往具有高溫、高壓、顆粒大和有腐蝕性等特征,長期運行易造成管道內(nèi)壁出現(xiàn)局部減薄缺陷。

帶包覆層管道的內(nèi)、外壁腐蝕缺陷是導致管道失效的主要原因。當前針對帶包覆層管道的腐蝕缺陷檢測有X射線成像、超聲導波和低頻漏磁等,上述幾種手段均需停機后進行檢測，檢測成本高，并且作業(yè)效率較低。近些年推出的脈沖渦流檢測技術(shù)具有無須拆卸保溫層、在線檢測和作業(yè)效率高等優(yōu)點，正逐步推廣應(yīng)用于國內(nèi)外石化和電力等工業(yè)現(xiàn)場。

脈沖渦流檢測(PECT)起源于1958年，采用晶閘管技術(shù)研制出了脈沖渦流檢測系統(tǒng)[2]。國外脈沖渦流檢測技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，理論體系已基本建成，多家公司已推出實用化的PECT檢測設(shè)備，重點用于飛行器多層金屬工件的局部減薄[3-7]、油氣管道、核電站或常規(guī)化工廠區(qū)內(nèi)帶包覆層管道腐蝕檢測等領(lǐng)域。國內(nèi)該技術(shù)應(yīng)用起步較晚，目前仍以圓形探頭為主。南昌航空大學研究表明，對于帶包覆層管道局部壁厚減薄缺陷檢測，采用U形結(jié)構(gòu)的脈沖渦流探頭，其檢測靈敏度較圓形及雙激勵線圈聚焦形探頭更高。因此，利用U形傳感器針對管道局部腐蝕檢測效果最佳。

研究基于脈沖渦流檢測技術(shù)，自主搭建起一套有包覆層管道的脈沖渦流檢測裝置。加工1條外部帶有大面積壁厚減薄缺陷的管道試件以及1條內(nèi)部帶有3種不同深度的局部壁厚減薄缺陷管道試件。制作半圓形、直角形兩種不同激勵線圈結(jié)構(gòu)型式的U形脈沖渦流檢測探頭。通過對帶有外壁腐蝕及內(nèi)壁腐蝕缺陷的管道試件進行試驗，對比兩種不同結(jié)構(gòu)的U形探頭的檢測能力。

1 PECT檢測技術(shù)原理

傳統(tǒng)的渦流探傷是利用導電性工件中渦流的電磁感應(yīng)效應(yīng)來評估構(gòu)件的完整性，其激勵源通常為單一周期的正弦信號。PECT是傳統(tǒng)渦流檢測技術(shù)的一種，早期被稱為瞬變電磁檢測技術(shù)；與脈沖渦流技術(shù)(ECT)有所區(qū)別，PECT技術(shù)采用了信息量更大的脈沖矩形方波作為發(fā)射源。

PECT檢測技術(shù)的基本原理見圖1。信號發(fā)射機產(chǎn)生一個矩形方波激勵，激勵源被加載到PECT探頭的發(fā)射線圈部位，當探頭靠近待檢工件，將會在工件本體上產(chǎn)生一個穩(wěn)定渦流場。激勵源被斷開時，探頭周邊將產(chǎn)生一個快速衰減的磁場，該磁場由發(fā)射線圈產(chǎn)生的一次磁場及被檢工件感應(yīng)出的二次磁場共同組成，其中，二次磁場包含了工件的完整性信息。因此，通過獲取二次磁場引起探頭接收線圈部分變化的規(guī)律，即可了解被檢工件的結(jié)構(gòu)完整情況。

圖1 脈沖渦流檢測原理示意

2 管道PECT檢測試驗平臺

該研究采用自主研制的一套帶包覆層管道脈沖渦流檢測試驗系統(tǒng)，主要組成部分為：PECT信號發(fā)射機、自研PECT檢測傳感器、專用阻尼防爆盒、便攜式系統(tǒng)供電電源、數(shù)據(jù)處理專用軟件和自行制作的保溫層。該試驗系統(tǒng)實物如圖2所示。

圖2 脈沖渦流檢測試驗系統(tǒng)實物

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 管道壁厚減薄缺陷檢測

3.1.1 兩種U型探頭檢測

其他檢測參數(shù)不變條件下，將檢測探頭置于厚度分別為30 mm和80 mm的包覆層上，探頭始發(fā)位置距離管體外壁局部缺陷試件端頭處為300 mm，共設(shè)置13個檢測點，各個檢測點間距為100 mm。最后，探頭運動至距離管道右端頭300 mm處時即停止檢測，對比兩種探頭對腐蝕缺陷的檢測靈敏度，此處檢測靈敏度的物理意義為損傷處的檢測電壓幅值與完好處電壓幅值百分比。

檢測結(jié)果如圖3至圖5所示。由圖3至圖5可知：包覆層厚度為30 mm時，半圓形U型PECT傳感器對于帶包覆層管道外壁局部壁厚減薄缺陷的最大檢測靈敏度為21.49%，而直角形U型PECT傳感器靈敏度達13.63%。當包覆層厚度為80 mm時，半圓形U型PECT傳感器最大檢測靈敏度為10.34%，直角形U型PECT傳感器靈敏度達8.89%。因此，在包覆層厚度不同的檢測條件下，采用半圓形U型傳感器優(yōu)于直角形U型傳感器。

圖3 半圓形U型探頭檢測電壓幅值

圖4 直角形U型探頭檢測電壓幅值

圖5 兩種結(jié)構(gòu)U型傳感器檢測靈敏度

3.1.2 兩種激勵頻率U探頭檢測

其他檢測參數(shù)不變，系統(tǒng)的激勵頻率分別設(shè)置為8 Hz和16 Hz，檢測結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種激勵頻率U型傳感器檢測靈敏度

由圖6可知，激勵頻率為8 Hz時，半圓形U型PECT傳感器對于帶包覆層管道外壁局部壁厚減薄缺陷的最大檢測靈敏度為21.49%，而直角形U型PECT傳感器靈敏度則為17.67%。同時，當激勵頻率為16 Hz時，半圓形U型PECT傳感器最大檢測靈敏度為24.54%，直角形U型PECT傳感器靈敏度則為8.89%。即在系統(tǒng)激勵頻率不同的檢測條件下，采用半圓形U型傳感器優(yōu)于直角形U型傳感器。

3.1.3 兩種保護層U型探頭檢測靈敏度

分別采用包覆層的保護層為白鐵皮和鋁皮進行試驗，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，保護層材質(zhì)為白鐵皮時，半圓形U型PECT傳感器對于帶包覆層管道外壁局部壁厚減薄缺陷的最大檢測靈敏度為20.32%，而直角形U型PECT傳感器靈敏度則為8.61%。保護層材質(zhì)為鋁皮時，半圓形U型PECT傳感器最大檢測靈敏度為28.19%，直角形U型PECT傳感器靈敏度則為24.15%。得出在保護層材質(zhì)為白鐵皮或鋁皮條件下時，采用半圓形U型傳感器優(yōu)于直角形U型傳感器。

圖7 兩種保護層U型傳感器檢測靈敏度

3.2 管道內(nèi)壁減薄缺陷檢測

3.2.1 兩種包覆層厚度U探頭檢測

將檢測探頭置于厚度分別為30 mm和80 mm的不同規(guī)格包覆層上，探頭始發(fā)位置距離管體內(nèi)壁局部缺陷試件端頭處為300 mm，共設(shè)置15個檢測點，各個檢測點間距設(shè)置為100 mm。探頭運動至距離管道右端頭300 mm處時即停止檢測，對比兩種探頭對于局部腐蝕缺陷的檢測靈敏度。檢測結(jié)果如圖8所示。

由圖8(a)可知：包覆層厚度為30 mm時，半圓形U型PECT傳感器對于帶包覆層管道內(nèi)壁局部壁厚減薄的A,B和C缺陷最大檢測靈敏度分別為29.35%，16.27%和8.78%；當包覆層厚度為80 mm時，對3個缺陷的最大檢測靈敏度分別為15.33%,6.76%和4.71%。由圖8(b)可知：包覆層厚度為30 mm時，直角形U型PECT傳感器對于帶包覆層管道內(nèi)壁局部壁厚減薄的A,B和C號缺陷最大檢測靈敏度為36.82%,27.36%和13.08%；包覆層厚度為80 mm時，A,B和C號缺陷最大檢測靈敏度為19.66%,14.90%和3.91%。

兩種不同厚度包覆層條件下，對于A,B和C內(nèi)部腐蝕缺陷檢測靈敏度可知：當保溫層厚度為30 mm時，采用直角形U型傳感器優(yōu)于半圓形U型傳感器；保溫層厚度為80 mm，對于A，B號缺陷，直角形U型傳感器檢測靈敏度優(yōu)于半圓形U型傳感器，而對于C缺陷則半圓形傳感器檢測靈敏度稍優(yōu)于直角形U型傳感器。

圖8 不同包覆層厚度的檢測靈敏度

3.2.2 兩種激勵頻率U探頭檢測

將系統(tǒng)激勵頻率分別設(shè)置為8 Hz和16 Hz，試驗結(jié)果如圖9所示。由圖9(a)可知：激勵頻率為8 Hz時，半圓形U型PECT傳感器對于帶包覆層管道內(nèi)壁局部壁厚減薄的缺陷最大檢測靈敏度分別為29.35%,16.27%和8.78%；當激勵頻率為16 Hz時，則缺陷最大檢測靈敏度分別為23.22%,9.09%和4.04%。由圖9(b)可知：激勵頻率為 8 Hz時，直角形U型PECT傳感器對于帶包覆層管道內(nèi)壁局部壁厚減薄的A,B和C號缺陷最大檢測靈敏度分別為36.82%,27.36%和13.08%。當激勵頻率為16 Hz時，則對于帶包覆層管道內(nèi)壁局部壁厚減薄的A,B和C號缺陷最大檢測靈敏度為27.98%，12.41%和4.80%。

兩種不同激勵頻率條件下，由A,B和C不同規(guī)格的內(nèi)部腐蝕缺陷檢測靈敏度可知，采用直角形U型傳感器優(yōu)于半圓形U型傳感器。

圖9 不同激勵頻率的檢測靈敏度

3.2.3 兩種材質(zhì)保護層U型探頭檢測

分別在有包覆層的保護層為白鐵皮/鋁皮兩種材質(zhì)條件下進行檢測試驗，試驗結(jié)果如圖10所示。由圖10(a)可知，保護層材質(zhì)為鍍鋅鐵皮時，半圓形U型PECT傳感器對于帶包覆層管道內(nèi)壁局部壁厚減薄的3個缺陷最大檢測靈敏度分別為29.35%,16.27%和8.78%。保護層材質(zhì)為鋁皮時，則最大檢測靈敏度分別為38.97%,30.80%和16.27%。由圖10(b)可知，保護層材質(zhì)為鍍鋅鐵皮時，直角形U型PECT傳感器對于帶包覆層管道內(nèi)壁局部壁厚減薄的A,B和C號缺陷最大檢測靈敏度分別為36.82%,27.36%和13.08%。保護層材質(zhì)為鋁皮時，則最大檢測靈敏度分別為55.27%,41.56%和23.16%。

在兩種不同材質(zhì)保護層條件下，由A,B和C不同規(guī)格的內(nèi)部腐蝕缺陷檢測靈敏度可知，采用直角形U型傳感器優(yōu)于半圓形U型傳感器。

圖10 不同保護層的檢測靈敏度

以上試驗結(jié)果表明:在不同包覆層厚度、不同發(fā)射頻率和不同材質(zhì)保護層的3種條件下，采用本研究提出的兩種不同結(jié)構(gòu)形式的U型脈沖渦流檢測探頭，分別對管道外壁帶有局部壁厚減薄缺陷、管道內(nèi)壁局部腐蝕缺陷的鋼管試件進行檢測：對帶包覆層管道外壁壁厚減薄缺陷的檢測，采用半圓形U型探頭的缺陷檢測靈敏度高于采用直角形U型探頭的缺陷檢測靈敏度；對帶包覆層管道的管體內(nèi)壁局部壁厚減薄缺陷的檢測，則要根據(jù)不同條件選用不同形式的U型脈沖渦流檢測探頭。

研究提出了兩種不同結(jié)構(gòu)形式的U型聚焦式脈沖渦流檢測探頭，僅采用了試驗手段對兩種不同結(jié)構(gòu)形式的U型脈沖渦流檢測探頭進行了初步對比研究，研究結(jié)果對于帶包覆層特種設(shè)備脈沖渦流檢測工藝及探頭設(shè)計具有一定的指導及參考意義。

4 結(jié) 論

(1)針對帶包覆層管道外壁壁厚減薄缺陷的脈沖渦流檢測，在不同包覆層厚度、發(fā)射頻率和材質(zhì)保護層條件下，應(yīng)優(yōu)選使用半圓形U型探頭。

(2)針對帶包覆層管道內(nèi)壁局部壁厚減薄缺陷的脈沖渦流檢測結(jié)果表明：在不同發(fā)射頻率、材質(zhì)保護層條件下，應(yīng)優(yōu)選使用直角形U型探頭；包覆層厚度為30 mm時優(yōu)選使用直角形U型探頭，包覆層厚度為80 mm時，對于腐蝕深度大于2 mm的缺陷建議采用半圓形U型探頭，而對于腐蝕深度小于2 mm的局部缺陷則建議采用直角形U型探頭。