鐵磁性材料的脈沖渦流測厚與特征量提取

王安泉,陳健飛,楊 勇,韓 慶,宮 昊,閆泰松

(1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測中心, 東營 257000；2.勝利油田檢測評(píng)價(jià)研究有限公司, 東營 257000)

承壓設(shè)備在使用過程中會(huì)因沖刷和腐蝕作用出現(xiàn)壁厚減薄的情況，當(dāng)壁厚減薄到一定程度時(shí)會(huì)突然發(fā)生爆裂，進(jìn)而對(duì)人員和外部環(huán)境造成嚴(yán)重傷害，因此為了保障承壓設(shè)備的安全運(yùn)行，減少爆裂情況的發(fā)生，需定期對(duì)其剩余壁厚進(jìn)行檢測[1-2]。脈沖渦流檢測具有傳統(tǒng)渦流檢測的非接觸、成本低、對(duì)人身和環(huán)境無危害等特點(diǎn)，并且脈沖信號(hào)具有寬頻譜的特性，又使得脈沖渦流檢測具有穿透能力強(qiáng)、檢測速度快、漏檢率低等特點(diǎn)，因此其被廣泛應(yīng)用于金屬的缺陷和厚度的檢測中[3-4]。脈沖渦流檢測中一個(gè)至關(guān)重要的工作是提取檢測信號(hào)中剩余壁厚的特征量，而脈沖渦流檢測信號(hào)中包含著眾多的頻譜信息，特征量提取時(shí)存在一定困難。陳興樂等[5]以有限厚導(dǎo)體與無限大導(dǎo)體之間的感應(yīng)電壓差峰值時(shí)間作為特征量，實(shí)現(xiàn)了鋁板厚度測量；王志春等[6]分別從時(shí)域和頻域提取特征值，針對(duì)不同電導(dǎo)率層，給出了相對(duì)較適合的特征值；劉麗冰等[7]以時(shí)域信號(hào)峰值、過零時(shí)間及上升時(shí)間為特征量實(shí)現(xiàn)了缺陷的分類識(shí)別；GIGURE等[8]指出提離交叉點(diǎn)不受傳感器提離高度的影響，可以用于缺陷定量、裂紋檢測；柯海等[9]的研究表明峰值、峰值時(shí)間、過零點(diǎn)、提離交叉點(diǎn)等特征量難以適用于鐵磁性試件的測厚，并提出了基于信號(hào)斜率的測厚方法。由于鐵磁性材料磁導(dǎo)率的不均一性和非線性，故特征量的提取更加困難且研究較少，因此文章開展了提取鐵磁性材料測厚特征量的研究，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，可以使用差分電壓信號(hào)峰值、差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間及單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下晚期信號(hào)斜率為特征量來測量鐵磁性材料的壁厚。

1 脈沖渦流測厚的基本原理

將激勵(lì)線圈放置在被測試件上方，在其兩端加載一定幅值、頻率和占空比的脈沖信號(hào)，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)脈沖信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)會(huì)在激勵(lì)線圈周圍感生出快速衰減的磁場B1，變化的磁場B1又會(huì)在被測試件中感應(yīng)出變化的渦流(脈沖渦流)，在脈沖渦流向著被測試件內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散衰減時(shí)會(huì)在其周圍產(chǎn)生另一個(gè)變化的磁場B2，通過檢測線圈檢測磁場B2的變化并轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)，當(dāng)試件厚度發(fā)生變化或者存在缺陷時(shí)，對(duì)應(yīng)的檢測信號(hào)也不相同，因此通過對(duì)檢測信號(hào)進(jìn)行分析和特征量提取，找到特征量與被測試件厚度的關(guān)系，就能實(shí)現(xiàn)壁厚的測量[10]，脈沖渦流的測厚原理如圖1所示。

圖1 脈沖渦流測厚原理示意

2 有限元建模與仿真

2.1 有限元仿真模型的建立

根據(jù)脈沖渦流檢測原理并結(jié)合實(shí)際情況，使用COMSOL Multiphysics軟件建立了脈沖渦流測厚的仿真模型，整個(gè)模型包括激勵(lì)線圈、檢測線圈、被測試件(Q235鋼板)及空氣域，激勵(lì)線圈和檢測線圈均為空心圓柱形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)線圈同軸放置，激勵(lì)線圈在內(nèi)，檢測線圈在外。為簡化模型，以厚度均勻的鋼板替代管道作為被測試件，由于模型具有對(duì)稱性，同時(shí)為了減小計(jì)算量，故將三維的仿真模型轉(zhuǎn)化為二維的仿真模型，脈沖渦流測厚的二維仿真模型如圖2所示。

圖2 脈沖渦流測厚的二維仿真模型

2.2 仿真參數(shù)的選取

測厚模型中的激勵(lì)線圈和檢測線圈與被測試件之間無提離，激勵(lì)線圈、檢測線圈及脈沖激勵(lì)的參數(shù)如表1所示，被測試件及線圈導(dǎo)線的參數(shù)如表2所示。

表1 仿真試驗(yàn)參數(shù)

表2 被測試件及線圈導(dǎo)線參數(shù)

模型區(qū)域采用自由網(wǎng)格進(jìn)行劃分，計(jì)算求解時(shí)選用瞬態(tài)求解器，求解步長為0.01 ms，求解終止時(shí)間為500 ms。11 mm厚試件的仿真檢測信號(hào)如圖3所示，只需要找到檢測信號(hào)中特征量與被測試件厚度的關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測試件厚度的測量。

圖3 11 mm厚試件的仿真檢測信號(hào)

3 數(shù)據(jù)處理與特征量提取

3.1 差分電壓信號(hào)

通過仿真試驗(yàn)得到了420 mm厚試件的檢測信號(hào)，將厚度為11，20 mm的檢測信號(hào)繪制在同一直角坐標(biāo)系下(見圖4)，由圖4可以看出厚度越大信號(hào)衰減得越慢。

圖4 11,20 mm厚度試件的仿真檢測信號(hào)

以厚度20 mm處的檢測信號(hào)為參考信號(hào)，用參考信號(hào)減去檢測信號(hào)得到的就是差分電壓信號(hào)[11]，不同厚度所對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)如圖5所示，從圖5中可以看出，差分電壓信號(hào)曲線有兩個(gè)重要的特征，分別差分電壓信號(hào)峰值和差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間。

圖5 不同厚度試件對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)

3.2 基于差分電壓信號(hào)峰值的壁厚測量

從圖5中可以看出，厚度越小則差分電壓信號(hào)峰值越大，不同厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值如表3所示，將表中數(shù)據(jù)繪制在直角坐標(biāo)系中得到差分電壓信號(hào)峰值-厚度曲線(見圖6)，使用MATLAB軟件對(duì)差分電壓信號(hào)峰值和厚度進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)在417 mm厚度內(nèi)差分電壓信號(hào)峰值與厚度呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關(guān)系，二者的關(guān)系式如式(1)所示(式中x1,y1分別為差分信號(hào)峰值與試件厚度)，因此可以得出結(jié)論，以差分電壓信號(hào)峰值為特征量能夠測量的厚度范圍為417 mm，但差分信號(hào)峰值均為毫伏級(jí)，在實(shí)際應(yīng)用中檢測易受噪聲干擾，使得檢測準(zhǔn)確度降低，所以該技術(shù)不適用于工程應(yīng)用。

表3 不同試件厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值

圖6 差分電壓信號(hào)峰值-厚度曲線

(1)

3.3 基于差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間的壁厚測量

從圖5中可以看出，試件厚度越大則差分電壓信號(hào)的峰值時(shí)間越大，不同厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間如表4所示，將表中數(shù)據(jù)繪制在直角坐標(biāo)系中得到差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間-厚度曲線(見圖7)，使用MATLAB軟件對(duì)差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間和厚度進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)在417 mm厚度內(nèi)差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間與厚度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，二者的關(guān)系式如式(2)所示(式中x2,y2分別為差分電壓信號(hào)的峰值時(shí)間與試件厚度)。

y2=0.071 32x2+2.737

(2)

表4 不同試件厚度對(duì)應(yīng)的差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間

圖7 差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間-厚度曲線

因此可以得出結(jié)論,以差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間為特征量能夠測量的厚度范圍為417 mm，但在實(shí)際檢測過程中,該特征量存在提取困難的弊端，亦不適用于工程應(yīng)用。

3.4 基于單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下晚期信號(hào)斜率的壁厚測量

通過仿真試驗(yàn)得到了1.545 mm厚試件的檢測電壓信號(hào)，觀察可以發(fā)現(xiàn)峰值之后的晚期電壓信號(hào)時(shí)域變化規(guī)律不同，使用峰值后的信號(hào)，將不同厚度的檢測電壓信號(hào)繪制在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中(見圖8)，從圖8中可以看出不同厚度所對(duì)應(yīng)的晚期信號(hào)斜率不同，不同厚度所對(duì)應(yīng)晚期信號(hào)斜率如表5所示，結(jié)果顯示，424 mm內(nèi)的厚度與晚期信號(hào)斜率呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，晚期信號(hào)斜率-厚度曲線如圖9所示，使用MATLAB軟件對(duì)晚期信號(hào)斜率(x3)和厚度(y3)進(jìn)行擬合，得到二者的關(guān)系如式(3)所示。

圖8 單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的檢測電壓信號(hào)

圖9 晚期信號(hào)斜率-厚度曲線

表5 不同試件厚度對(duì)應(yīng)的晚期信號(hào)斜率

y3=71.71(-x3)-0.53

(3)

因此可以得出結(jié)論，以晚期信號(hào)斜率為特征量能夠測量的厚度范圍為424 mm，而噪聲導(dǎo)致的局部畸變信號(hào)可以通過信號(hào)處理的方式來剔除，對(duì)斜率特征影響較小，因此晚期信號(hào)斜率這一特征量對(duì)于脈沖渦流測厚技術(shù)具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

使用有限元法建立了鐵磁性材料的脈沖渦流測厚的仿真模型，獲得了不同厚度鐵磁性材料所對(duì)應(yīng)的檢測電壓信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和特征量提取后得知，以差分電壓信號(hào)峰值、差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間和晚期信號(hào)斜率為特征量能測量壁厚，以差分電壓信號(hào)峰值為特征量能夠測量的厚度范圍為417 mm，以差分電壓信號(hào)峰值時(shí)間為特征量能夠測量的厚度范圍為417 mm，以晚期信號(hào)斜率為特征量能夠測量的厚度范圍為424 mm，但由于差分電壓信號(hào)峰值為毫伏量級(jí)，差分電壓信號(hào)峰值和峰值時(shí)間的提取較為困難，故在實(shí)際檢測過程中，多以晚期信號(hào)斜率為特征量來反演壁厚。