承壓類管道內壁損傷缺陷的低頻電磁檢測

沈常宇，汪永其，劉 洋，張智超，丁澤宜,，李光海，陸新元，朱周洪

(1.中國計量大學 光學與電子科技學院， 杭州 310018；2.中國特種設備檢測研究院, 北京 100029)

承壓類管道是重要的氣體、液體運輸工具。截止目前，我國現有的原油管道長度達到6.5萬千米，天然氣管道總長度達到10.4萬千米。按照國家相關部門發布的文件顯示，到2025年底，國內的油氣管道總長度將達到約24萬千米，形成一個龐大的管道運輸網[1]。管道系統的可靠性和有效性常常受到腐蝕、磨蝕、沉積、阻塞等降解因素的影響[2]。為了能夠確保管道的安全運行，對管道進行檢測是最基本的要求，檢測方法包括低頻電磁漏磁檢測、射線檢測、渦流檢測、超聲檢測等[3-7]。汪磊等[8]研究了常規超聲使用的單晶探頭，發現其聲束發射角度單一，不能有效識別出壓力容器內表面的點腐蝕缺陷，且只能從波形中識別出較深點腐蝕缺陷的位置，不能確定缺陷類型，容易導致漏檢。黃學斌[9]采用紅外熱像檢測技術檢測氨制冷壓力管道缺陷，根據管道內部溫度場的不同來檢測內腐蝕缺陷，然而，影響溫度場的因素眾多，且該檢測要求苛刻，實際應用范圍不大。唐飛陽亮等[10]在檢測鍋爐水冷壁管結構件時，為提高點腐蝕型缺陷的檢測成功率，采用了數字射線檢測方法，但該方法對于腐蝕面積型缺陷的檢測靈敏度較低，適用范圍有一定的限制。岳庚新[11]采用放置式渦流傳感器來檢測表面有涂層的管道內部缺陷，發現無法對涂層厚度大于2.5 mm的內部缺陷進行有效檢測。可以看出，上述檢測方法都有其自身的檢測優點，但也有明顯的局限性，尤其對于表面存在涂層的管道類設備的缺陷檢測還存在不足。因此，研制一種使用方便，穿透性強的高精度檢測儀，實現對表面存在涂層的管道類設備缺陷的檢測，具有十分重要的意義[12]。

文章基于低頻電磁檢測基本原理，通過優化傳感器結構，實現了對信號的控制、數據放大及濾波處理等功能。研制的承壓類管道缺陷低頻電磁檢測系統，在低磁導率、檢測頻率為100～200 Hz的情況下，實現了對直徑為152 mm，厚度為16 mm，埋深為12.8 mm的304不銹鋼材料承壓管道缺陷的有效檢測。

1 低頻電磁檢測原理

低頻電磁檢測原理為使用強磁場磁化待測試件直至試件磁飽和，當試件內部存在缺陷時，試件內部磁場會發生泄漏，對拾取的漏磁場強度及相位進行分析，可以得到缺陷的相關特征，再進一步對拾取數據進行分析，即可實現對缺陷的量化。

低頻電磁傳感器如圖1所示，傳感器采用磁芯及纏繞在磁芯上的激勵線圈作為勵磁裝置，纏繞在銜芯上的多匝線圈作為漏磁場拾取裝置，高磁導率的拱形金屬材料作為磁屏蔽裝置。激勵線圈在低頻率正弦激勵激發下產生一個交變的原電磁場，原電磁場穿透待測試件，磁屏蔽層將磁芯下方的原電磁場屏蔽，使得檢測線圈可以拾取到更為精準的漏磁場信號，以便后續進行缺陷特征提取。

圖1 低頻電磁傳感器

2 試樣制備與試驗方法

影響傳感器檢測靈敏度的因素主要包括磁芯形狀、磁芯尺寸(內外半徑、厚度等)、檢測線圈參數(銜芯尺寸、線圈匝數等),而要實現高靈敏度的低頻電磁檢測，需要對傳感器結構進行分析并進行參數優化。

基于 COMSOL 仿真軟件，利用電磁場模塊，建立了交流電磁場檢測模型(見圖2)。通過參數化掃描功能改變參數并控制變量唯一，對上述影響傳感器檢測靈敏度的因素逐個進行分析，以此為后續的低頻電磁檢測傳感器的設計提供參數指導。

圖2 COMSOL交流電磁場檢測模型

2.1 磁芯參數仿真及優化

2.1.1 磁芯形狀

要想有效地磁化被測試件，磁芯必須能與被測試件形成磁回路，文章采用的磁芯材料為鐵基納米晶體，常用的磁芯形狀有U型和C型兩種。圖3所示為兩種磁芯的仿真模型，兩磁芯的尺寸相同，繞線匝數為360匝，激勵線圈繞線位置為磁芯兩極。

圖3 兩種磁芯的仿真模型

對兩模型施加2 A的激勵電流，得到檢測信號的仿真結果如圖4所示。由圖4(a)可知，對于相同的缺陷深度，C型磁芯的檢測幅值稍高于U型磁芯的；由圖4(b)可知，缺陷深度對兩種磁芯的檢測靈敏度都有較大影響，但其影響趨勢相似，在缺陷深度為2.4～8.4 mm時，C型磁芯傳感器的靈敏度稍高于U型磁芯傳感器的靈敏度。

圖4 U型和C型磁芯的檢測信號仿真結果

2.1.2 磁芯尺寸

進一步研究了C型磁芯尺寸(主要包括磁芯內徑弧度θ、磁芯半徑R和磁芯厚度W等)對產生磁場的影響，C型磁芯關鍵尺寸參數如圖5所示。

圖5 C型磁芯關鍵尺寸參數示意

控制磁芯半徑R為45 mm，磁芯厚度W為15 mm不變，在磁芯內徑弧度為180°～260°，變化步長為 20°情況下，提取不同磁芯內徑弧度產生的磁感應強度(見圖6)。由圖6可見，磁芯內徑弧度的變化對檢測信號的影響較大，在內徑弧度為180°時磁感應強度最大。

圖6 磁感應強度隨磁芯內徑弧度變化的曲線

提取掃描基準值、缺陷檢測峰值和基線最大偏離量3個特征參數，分別獲得了如圖7(a)所示的缺陷檢測峰值隨磁芯內徑弧度變化的曲線，以及如圖7(b)所示的掃描基準值及基準線最大偏離值隨磁芯內徑弧度變化的曲線。

從圖7(a)可以看出，當缺陷深度一定時，磁芯內徑弧度越大，缺陷檢測峰值越小，即較小的磁芯內徑弧度有利于缺陷檢測，但從圖7(b)可以看到此時掃描基準值和基準線最大偏離值均較大，即此時的掃描結果受背景磁場影響較大，基準線水平較高，且基線平穩度較差，不利于缺陷檢測。3個參量之間相互矛盾，無法直接給出最優的磁芯內徑弧度。因此，文章將采用遺傳算法對磁芯內徑弧度進行優化，在算法中找出最優解。

圖7 缺陷檢測峰值與掃描基準值隨磁芯弧度變化的曲線

進一步，研究了磁芯半徑對磁化裝置磁化性能的影響。設置磁芯內徑弧度固定為220°，厚度為15 mm，磁芯半徑以10 mm的步長在20～60 mm 間變化，得到了不同磁芯半徑下仿真磁感應強度的空間分布(見圖8)。由圖8可以看出，不同磁芯半徑下磁感應強度的空間分布曲線幾乎重疊，即磁芯半徑對磁感應強度的空間分布無明顯影響。因此，在實際制作傳感器中，磁芯半徑可以根據成本等其他因素設定。

圖8 不同磁芯半徑下磁感應強度的空間分布曲線

對磁芯厚度對傳感器檢測性能的影響進行了研究。控制磁芯內徑弧度為220°，半徑為 45 mm不變，磁芯厚度以2 mm的步長在4～12 mm間變化，獲得了其磁感應強度隨磁芯厚度變化的分布曲線(見圖9)。由圖9可以看出，磁芯厚度從4 mm增加到12 mm的過程中，磁感應強度也增大。

圖9 磁感應強度隨磁芯厚度變化的分布曲線

缺陷檢測峰值與掃描基準值隨磁芯厚度變化的曲線如圖10所示。從圖10可以看出，磁極寬度增加，缺陷檢測峰值與無缺陷處的基準值同步上升，二者同時制約著磁芯厚度的選擇。文章也采用遺傳算法對磁芯厚度進行計算求取最優解。

圖10 缺陷檢測峰值與掃描基準值隨磁芯厚度變化的曲線

利用遺傳算法優化磁芯內徑弧度和磁芯厚度兩個參數，遺傳算法重實數變量的可行域為[10,130]，二進制編碼的精度為 0.096 34。當閾值小于10-3時，優化過程結束。達到該條件的遺傳算法優化收斂圖如圖11所示。由于適應度值達到0.000 019 5時滿足收斂條件，根據優化結果，該系統的最佳磁芯內徑弧度為220°，磁芯厚度為12 mm。

圖11 遺傳算法優化收斂圖

2.2 檢測線圈優化

除了激勵磁芯的優化設計，檢測線圈的優化設計也是傳感器優化的重要部分。根據法拉第電磁感應定律，對于一個匝數為N匝的線圈，不考慮線圈間存在間隙，假設每匝穿過的磁通量相同，則線圈的感應電動勢E為

(1)

式中：dΦ/dt為磁通量變化率；L為電感系數，di/dt為電流關于時間的導數。

由式(1)可以看出線圈的感應電動勢和電感及匝數呈線性關系，線圈匝數決定了線圈感應電動勢的大小，但并不能一味地增加線圈匝數來獲得高阻抗，相較于增加線圈匝數，改變線圈電感更易提升檢測線圈的阻抗值，電感為

(2)

式中：u0為自由空間磁導率；ur為鎳鐵合金銜芯的相對磁導率；A為檢測銜芯橫斷面積；lm為對應的磁路長度。

由式(2)可見，影響檢測線圈檢測靈敏度的主要因素為銜芯尺寸(主要指銜芯直徑)及檢測線圈匝數。

2.2.1 檢測線圈銜芯直徑優化

檢測銜芯的直徑影響接收線圈的電感值，從而影響到傳感器的接收能力。在繞制匝數相同的80%Ni+20%Fe鎳鐵合金條件下，試驗采用直徑(D)為3.15 mm，3.65 mm，4.15 mm的檢測銜芯，對12 mm厚的304不銹鋼管道表面孔型缺陷進行檢測，檢測結果如圖12所示。

圖12 不同直徑檢測銜芯下缺陷的檢測結果

由圖12可以看出，檢測銜芯直徑不變，缺陷處檢測幅值與相位信號強度都隨著缺陷深度的增大而逐漸增強；在同一缺陷深度下，檢測信號強度隨檢測銜芯直徑的增加呈現一定程度的衰減，且當直徑為3.15 mm時，檢測靈敏度最高。

2.2.2 檢測線圈匝數優化

增加檢測線圈匝數可以有效提高線圈感應電動勢的大小，但同時也易增加檢測線圈的阻抗值。為確定最優的檢測線圈匝數，選取線徑為0.06 mm的漆包線在直徑為3.15 mm的檢測銜芯上分別繞制8層(480匝)，10層(600匝)，12層(720匝)，再對12 mm厚的304不銹鋼管道表面孔型缺陷進行檢測，檢測結果如圖13所示。

由圖13可以看出，在相同檢測線圈匝數情況下，缺陷處檢測幅值與相位信號強度隨著缺陷深度的增大而逐漸增強，在同一缺陷深度下，檢測信號強度并不隨著檢測線圈匝數的增加對應增強；在繞滿10層(600匝)時檢測信號較強，考慮到線圈高度等因素，應選擇10層(600匝)的檢測線圈。

圖13 不同檢測線圈匝數下缺陷的檢測結果

3 電磁檢測系統設計及試驗

3.1 電磁檢測系統設計

研制的承壓類管道低頻電磁檢測系統主要由電磁傳感器、信號發生模塊、功率放大模塊與信號調理模塊構成。

3.1.1 電磁傳感器設計

電磁傳感器由激勵模塊、檢測模塊及外殼體組成。前文已經通過COMSOL仿真確定了磁芯及檢測線圈的相關參數，具體為采用C型鐵基納米晶體材料作為勵磁磁芯，磁芯內徑弧度為220°，磁芯厚度為12 mm，激勵線圈纏繞在整個勵磁磁芯上，磁屏蔽層采用高磁導率的坡莫合金，檢測線圈銜芯采用內徑為3.15 mm的80%Ni+20%Fe配比鎳鐵合金，采用600匝的多匝線圈纏繞在銜芯上。

3.1.2 外圍模塊設計

在低頻電磁檢測系統中，激勵線圈由正弦信號進行激勵，信號發生器工作流程如圖14所示，具體為：單片機主控電路輸出一個高頻采樣脈沖，分頻芯片對高頻脈沖信號進行分頻，產生低頻脈沖；低頻脈沖信號經過低通濾波器后產生一個正弦信號，作為激勵源；然后在低頻信號中插入高頻脈沖，對低頻信號進行采樣。

圖14 信號發生器工作流程圖

功率放大模塊采用PA60EU功放芯片和OP07運放芯片來放大單片機主控電路輸出的正弦信號，使正弦信號能夠作用于激勵線圈，從而產生強磁場；信號調理模塊主要通過反向低通濾波來放大電路，濾除檢測線圈受環境干擾而產生的雜波。

3.2 試驗結果與分析

按照承壓類管道構件電磁檢測國家標準，設計并加工了管道構件檢測試塊，試塊材料為304不銹鋼，用于模擬承壓類管道構件，管道直徑為152 mm，厚度為16 mm。在管道中心位置處加工直徑為5 mm，上下表面深度分別為管道厚度的20%，50%，60%，80%，100%的5個缺陷(見圖15，T為厚度)。調整電磁傳感器的提離高度，開展檢測試驗，檢測現場如圖16所示。

圖15 管道腐蝕缺陷設計示意

圖16 管道的電磁檢測現場

3.2.1 表面缺陷檢測試驗

檢測系統激勵頻率為100～1 000 Hz，步進為100 Hz，驅動電流為5 A，對厚度為16 mm管道構件表面腐蝕缺陷進行檢測，勻速滑動傳感器對管道進行掃查，進一步提取檢測信號，檢測結果如圖17所示。

圖17 16 mm厚不銹鋼表面缺陷的檢測結果

由圖17可知，檢測幅值及相位信號均隨著缺陷深度增大整體呈現遞增趨勢；對于直徑為5 mm的缺陷，隨頻率增大其相位信號減小，激勵頻率為100～500 Hz均可實現對缺陷的有效檢測，且頻率約為100 Hz時，幅值響應及缺陷信號響應最強，檢測效果最好。

3.2.2 埋深缺陷檢測試驗

檢測系統的激勵頻率為100～400 Hz，步進為100 Hz，驅動電流為5 A，對16 mm厚的管道構件內部腐蝕缺陷進行檢測，勻速滑動傳感器對管道進行掃查，提取檢測信號，檢測結果如圖18所示。

圖18 16 mm厚不銹鋼埋深缺陷的檢測結果

由圖18可知，當管道厚度為16 mm時，隨著缺陷埋深增加，檢測電壓幅值與相位均呈下降趨勢；采用100～300 Hz輸入信號激勵時，埋深為9.6 mm以下缺陷的幅值與相位均有明顯變化，說明該系統可以實現對埋深為9.6 mm以下缺陷的檢出，但對于埋深為12.8 mm左右的缺陷，僅在頻率為100～200 Hz時，采集到的幅值與相位差明顯，可以實現缺陷檢出。

3.3 檢測結果

采用研制的承壓類管道低頻電磁檢測系統，對不同參數的缺陷開展了試驗研究，分析了激勵頻率對低頻電磁檢測信號的影響，獲得了如下結果。

(1) 對304不銹鋼管道而言，增大激勵頻率，檢測信號幅值整體上呈現遞增趨勢，檢測相位信號呈現先遞減再遞增趨勢，激勵頻率為500～600 Hz時，檢測信號無法有效表征缺陷，最佳檢測頻率為100～200 Hz。

(2) 分析了裂紋缺陷的檢測信息，發現缺陷處檢測幅值及相位信號強度隨著缺陷深度的增加而增強；隨著缺陷埋深的增大，檢測信號強度嚴重衰減，不利于缺陷的有效表征。

(3) 研制的檢測系統對304不銹鋼的穿透深度可達16 mm，對5 mm寬圓形缺陷的有效檢測深度達管道厚度的60%，系統功能完整，性能良好。

4 結語

設計研制了承壓類管道低頻電磁檢測系統，利用仿真對比試驗完善了低頻電磁傳感器的內部結構。試驗表明，該系統對于管道的最佳檢測頻率為100～200 Hz，可實現對直徑為152 mm，厚度為16 mm，埋深為12.8 mm的304不銹鋼管道內部缺陷的有效檢測。該系統靈敏度高、穿透性強，體積小，在承壓管道內部損傷無損檢測領域具有較好的應用前景。