連續油管分層缺陷磁導率擾動電磁檢測方法與檢測系統

邱公喆，康宜華，程 偲，姜 春

（華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074）

0 前 言

連續油管（coiled tubing, CT）廣泛應用于油田鉆井、完井、壓裂、酸化、排液、試油、采油采氣、修井、集輸管線解堵等領域，其失效形式主要包括腐蝕、機械損傷和制造缺陷[1]。在CT的制造過程中，需對原材料鋼板、產品CT進行嚴格的無損檢測，分層缺陷是無損檢測的內容之一。

應用較為廣泛的金屬板材和管材分層檢測方法是超聲法，主要包括Lamb波法[2-3]和測厚法[4-5]等。Lamb波與板內缺陷相互作用時會發生反射、透射、模式轉換、振幅減小和飛行時間變化等現象[6-8]，在回波檢測信號中攜帶與缺陷相關的信息[9-10]，其檢測分層的能力與選用的模態、缺陷在板厚方向的位置等因素密切相關，但信號解釋較為困難[11-12]。測厚法對分層缺陷具有很高的檢測靈敏度，由于始波和界面波的干擾，在被檢材料近表面存在檢測盲區，因而難以發現外折、重皮等缺陷，此外，激勵聲波的重復頻率限制了檢測的速度[13-14]。

隨著研究的深入，越來越多的學者注意到直流磁化下鐵磁性材料缺陷處的磁導率畸變現象。宋凱等[15]利用磁飽和渦流法檢測鋼管時，檢出了鋼管內壁缺陷，這與趨膚效應原理相矛盾，隨后開展深入研究發現，內壁缺陷在鋼管外壁引起的磁導率畸變是檢測信號形成的真正根源。李二龍等[16]也提出，直流磁化下埋藏缺陷在鋼板表面和近表面引起的磁導率分布異常是磁化渦流技術檢出埋藏缺陷的機理。鄧志揚等提出基于磁導率測量的漏磁法（P-MFL），實現了對大埋深缺陷的檢測[17]，并基于等效源法揭示了該方法的檢測機理[18]。伍劍波等基于磁導率擾動機理建立熱響應和缺陷參數之間的物理聯系[19]，利用感應加熱成像技術測量鋼板表面開口裂紋深度[20]，并成功檢出鋼板亞表面缺陷[21]。馮搏等[22]討論了磁化強度對鋼板分層缺陷的磁導率擾動信號的影響。

磁導率已成為內、外部缺陷與檢測信號之間聯系的物理媒介和特征參量。本研究提出一種連續油管等薄壁管板材分層缺陷的磁導率擾動（magnetic permeability perturbation, MPP）電磁檢測新方法（以下簡稱MPPT）。當沿管、板法向施加磁力時，分層缺陷的分層面將垂直于磁場方向，在分層的交界部位產生內部磁場的擾動，從而在開口附近引發磁導率的擾動，這一擾動可以從內部傳遞到表層[17-18]。利用差動渦流傳感器檢測表層磁導率擾動，即可獲得內部分層缺陷的檢測信號。與Lamb波法相比，MPPT形成缺陷信號的機理簡單，類似于漏磁檢測方法，便于快速建立信號與缺陷的對應關系；與超聲測厚法相比，MPPT在原理上避免了始波和界面波的干擾，能對近表面分層實施檢測，更能適應高速度的檢測應用。

1 檢測方法

鋼板分層缺陷MPPT 探頭如圖1 所示，永磁體沿法向放置在管、板上，確保磁化區內的鐵磁體工作在磁特性曲線中最大磁導率點以遠的近飽和磁化狀態，使得相對磁導率隨磁化強度增大而單調減小。類似于電磁超聲測厚原理[23]，檢測過程中，永磁體和檢測探頭相對于管、板移動，渦流激勵和檢測線圈由FPCB 制成，放置在永磁體磁極端面的正下方且貼近管板表面，采用差動渦流檢測技術測量管、板不同空間位置上的表層磁導率差異。

圖1 鋼板分層缺陷MPPT探頭

2 仿真分析

2.1 仿真模型

建立鋼板分層缺陷MPPT 探頭的2D 仿真模型，如圖2 所示，相關物理參數見表1。將永磁體正下方的鋼板（藍色虛線框所示）區域定義為檢測區。以檢測區的右邊緣為y軸、鋼板底邊為x軸建立坐標系。鋼板相對磁鐵沿x軸負方向移動。分層缺陷位于起始位置時，其左邊沿到坐標系原點的水平距離s為5 mm，永磁體寬度W為10 mm。鋼板的磁特性通過非線性B-H曲線求取。利用參數化掃描，改變分層缺陷的水平位置，基于穩態求解器計算測點處的相對磁導率。

表1 仿真模型的相關物理參數

圖2 鋼板分層缺陷MPPT探頭有限元仿真模型

2.2 分層缺陷測點處磁導率分布

圖3 所示為分層缺陷引起的鋼板內部磁導率分布云圖，在永磁體正下方、鋼板內部、距上表面0.01 mm 處設置測點，觀察分層缺陷相對于永磁體、在不同軸向（板長方向）位置時測點處的相對磁導率μr。黑色實線表示磁力線走向。當分層缺陷進入檢測區后，缺陷的上表面聚集正磁荷、下表面聚集負磁荷，在缺陷附近形成白色實線所示的畸變場Bdis。將檢測區等分為I、II 兩個片區，定性分析缺陷進入不同片區的狀況。如圖3（b）所示，分層缺陷左端頭進入I 號片區后，測點處Bdis方向與磁化場方向呈銳角，測點處的磁感應強度‖B‖增大；如圖3（c）所示，分層缺陷左端頭進入II 號片區后，測點處Bdis方向與磁化場方向呈鈍角，因此‖B‖減小；如圖3（d）所示，分層缺陷左端頭離開II 號片區后，測點處Bdis的豎直分量保持不變，因此‖B‖恒定。綜上所述，分層缺陷進入檢測區的過程中，測點處‖B‖先增大，再減小，最后保持不變；相應地，測點處μr會先減小，再增大，最后保持不變。

圖3 分層缺陷引起的鋼板內部磁導率分布云圖

圖3 還顯示了分層缺陷位于不同水平位置時，鋼板內部相對磁導率的分布云圖，圖例表示相對磁導率的大小。磁導率擾動從缺陷傳遞到鋼板表層的過程中存在明顯的擴散現象，因此測得的磁導率擾動影響范圍要大于缺陷的實際延伸范圍。

2.3 分層缺陷對磁導率的擾動

提取圖3 中測點處的相對磁導率隨分層缺陷移動的變化曲線，得到分層缺陷對磁導率的擾動結果，如圖4 所示，橫軸表示分層缺陷向左平移的距離，縱軸為測點的相對磁導率μr。μr曲線呈關于紅色虛線左右對稱的倒雙峰結構。在a點之前，測點的μr值定義為基值μrf；在a、c兩點之間，分層缺陷逐漸進入檢測區，測點μr值隨分層缺陷的移動發生變化；在c、d兩點之間，分層缺陷完全進入檢測區；在d、f兩點之間，分層缺陷逐漸離開檢測區；在h點之后，分層缺陷完全離開檢測區，測點的μr值回到μrf。

圖4 分層缺陷對磁導率的擾動

提取圖4中兩個特征值來表征μr曲線的變化特點。峰-峰值Spp為a、b兩點間的豎直距離，表征分層缺陷在測點處引起的最大磁導率擾動，與缺陷埋深D和層厚T有關；峰寬值Sw為b、e兩點之間的水平距離，表征分層缺陷從開始進入到完全離開檢測區所需要平移的距離，與缺陷長度L有關。

2.4 分層的幾何參數與磁導率擾動特征

2.4.1 分層沿掃查方向的長度

隨掃查方向長度L的特征變化如圖5 所示。圖5（a）中給出了L-μr曲線，提取圖中的一些特征參數可以得到圖5（b）。L分別取10 mm、15 mm、20 mm 和25 mm，其余參數同表1。如圖5 所示，Spp對分層缺陷的長度變化并不敏感，Sw隨缺陷長度的增大單調增大，說明Sw可以作為衡量分層缺陷長度的重要參考指標。

圖5 隨掃查方向長度L的特征變化

選取b、e兩點間的水平距離作為Sw的值，主要基于以下兩點考慮：①b、e兩點為極小值點，相對于a、f兩點而言，更容易確定其實際位置；②分層缺陷引起的磁導率擾動傳遞到鋼板表面的過程中存在明顯的擴散現象，這導致了a、f兩點間的水平距離顯著大于分層缺陷的實際長度，為了補償這一誤差，應當選取b、e兩點間的水平距離作為Sw的值。

2.4.2 分層的埋深

缺陷埋深的影響如圖6所示。圖6（a）給出了D-μr曲線，提取圖中特征參數可得圖6（b）。D分別取3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm和6.0 mm，其余參數同表1。如圖6 所示，Sw隨D增大略微增大，這與磁導率擾動在傳遞過程中的擴散現象有關，D越大，磁導率擾動的擴散范圍越廣。SPP隨D增大迅速減小，這表明系統的檢測靈敏度也隨D增大而降低，原因在于，D越大，從缺陷傳遞到鋼板表層的磁導率擾動越弱。

圖6 缺陷埋深D的影響

2.4.3 分層的厚度

缺陷層厚的影響如圖7所示。圖7（a）給出了T-μr曲線，提取圖中特征參數可得圖7（b）。層厚T分別取0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm 和0.25 mm，其余參數同表1。從圖7 可以看出，Sw對D的變化不敏感。SPP隨D增大單調增大，但變化較小且趨于平緩，說明分層缺陷引入的磁阻對主磁通量變化的影響有限，產生磁導率擾動的主導因素不是分層缺陷引入的磁阻導致的主磁通量的變化，而是分層缺陷端頭產生的內部擾動場引起的測點處磁通量密度的變化。由于缺陷端頭附近的空間磁場擾動量要遠大于缺陷中部，因此該檢測方法只對分層的邊界敏感。

圖7 缺陷層厚的影響

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺

鋼板分層缺陷檢測試驗平臺如圖8所示，試驗平臺包括信號發生器、永磁體、渦流線圈、檢波電路、放大電路和示波器。檢測樣本為厚度10 mm的45鋼板，其上用線切割法加工出平行于上下表面的人工通槽，通槽參數見表2。永磁體沿10 mm厚度方向磁化鋼板。同軸渦流線圈位于永磁體正下方，其位置相對永磁體固定。信號發生器在激勵線圈兩端加載幅值5 V、頻率200 kHz的正弦交變電壓。檢測過程中，鋼板相對永磁體水平向左移動。接收線圈兩端感應電壓的變化ΔV經過檢波電路和放大電路處理后顯示在示波器上。分層缺陷位于鐵磁性材料內部，受壁厚磁屏蔽效應的影響，其產生的漏磁場較弱，因此，忽略空氣中的漏磁場對ΔV的影響。

表2 試驗樣本（人工通槽）參數

圖8 鋼板分層缺陷檢測試驗平臺

3.2 試驗結果

勵磁電流對檢測信號的影響如圖9 所示，由于渦流線圈感應電壓與被測鋼板表面的相對磁導率正相關，因此ΔV與圖4 所示的磁導率擾動曲線波形相似，均為左右對稱的倒雙峰結構。分層缺陷進入檢測區后，ΔV均為負值，說明缺陷使材料表層相對磁導率降低，感應電壓幅值減小，這與前述理論分析相符。隨L增大，ΔV雙峰間距增大；隨D增大，ΔV幅值迅速減小；隨T增大，ΔV幅值增大，上述現象均與仿真結果吻合。

圖9 勵磁電流對檢測信號的影響

4 連續油管板材檢測系統

4.1 系統組成

連續油管板材檢測系統的組成如圖10 所示，檢測系統主要由傳送裝置、氣動伸縮裝置、分選裝置、PLC 控制系統和檢測主機構成。傳動裝置將板材移入、移出檢測主機；氣動伸縮裝置在檢測完成后將探頭抬離板材表面；分選裝置根據上位機的判斷結果篩選合格件；PLC 控制系統協調各運動構件的動作時序；檢測主機由正弦波發生電路、檢波放大電路、A/D 采集電路和上位機等部分組成，用于獲取、記錄探傷信號。

圖10 連續油管板材檢測系統的組成

4.2 陣列探頭

單個分層檢測探頭主要由激勵線圈、接收線圈和永磁體組成。如圖11所示，由于單個探頭的檢測范圍有限，將四個“品”字形排列的探頭安裝在帶滾輪的夾持機構上，構成一個探頭組。檢測過程中，夾持機構利用永磁體的吸附力貼附于板材表面，保證探頭到板材表面的距離恒定；檢測完成后，夾持機構在氣動伸縮裝置的牽引下與板材表面脫離。如圖12所示，為實現全覆蓋掃查，在板材上下表面均布置有邊緣探頭組和中部探頭組。邊緣探頭組安裝有跟蹤靠輪，可自動感知板邊位置，用于板材左右兩側邊緣區域的檢測。中部探頭組垂直于板材前進方向呈品字形陣列布置，用于掃查板材表面除左右邊緣外的中間區域。

圖11 探頭組夾持機構

圖12 探頭布置簡圖

4.3 設備布置

連續油管板材檢測設備布置如圖13 所示，檢測設備為龍門結構，被檢鋼板由拖輪組帶動直線穿過檢測設備。輸入輥道上的鋼板通過設備時，設備能通過光電傳感器檢測鋼板的板頭信號、板尾信號、前進速度等信息，并跟蹤鋼板邊緣。安裝在1#、2#、3#、4#橫梁上的探頭組呈梳狀布置，完成對鋼板上下表面的全覆蓋掃查。1#、2#立柱橫梁位于傳輸輥道上方，在橫梁的前、后側安裝有直線導軌。1#橫梁前部安裝上表面邊緣探頭組，后部安裝上表面中部探頭組1；2#橫梁后部安裝上表面中部探頭組2；3#、4#立柱橫梁位于傳輸輥道下方，在橫梁的前、后側同樣安裝有直線導軌；3#橫梁前部安裝下表面邊緣探頭組，后部安裝下表面中部探頭組1；4#橫梁后部安裝下表面中部探頭組2。邊緣探頭組對鋼板邊部進行分層檢測，中部探頭組對鋼板中部區域進行分層檢測。在設備前、中、后部，還配置有1#、2#、3#壓緊輥裝置，防止鋼板在檢測過程中跳動。3 個壓緊輥裝置的結構基本相同，主要由安裝支架、壓輪、升降裝置和導向裝置等組成。

圖13 檢測設備布置簡圖

4.4 檢測流程

利用PLC 實現檢測系統各運動構件的協同控制是實現自動化檢測的重要一環，檢測工藝流程如圖14 所示。檢測系統可實現以下主要功能：①自動上下料；②自動高精度探傷，并記錄缺陷位置；③自動標記缺陷；④自動根據探傷信號分選合格件、降級件和判廢件。

圖14 檢測流程圖

5 連續油管管材檢測系統

連續油管管材檢測系統與板材檢測系統在系統組成、檢測流程等方面相似，因此不作贅述。兩者的主要區別在于陣列探頭的布置方式。如圖15 所示，為實現對連續油管表面的全覆蓋掃查，沿管材周向布置一圈MPPT 探頭。檢測過程中，管材在對輥的帶動下沿軸向前進。為保證不低于10%的重疊率，根據單個MPPT探頭的周向有效檢測長度和管徑布置需要的探頭數目。

圖15 探頭布置簡圖

6 結束語

本研究提出一種連續油管用薄壁板材和成品管材分層缺陷的磁導率擾動電磁檢測方法與系統。其信號成因類似于漏磁檢測方法，但磁化場方向沿法向；其探頭結構類似于電磁超聲測厚探頭，但線圈的激勵為低頻連續電流。試驗證明了該方法的有效性，在薄壁鐵磁性管、板件的分層檢測應用上具有一定的優勢。