用于鍍鋅鐵皮保護(hù)層下檢測(cè)的脈沖渦流技術(shù)研究

南 海, 楊曉雨, 張志明, 李周波

(1.中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003;2.渤海裝備制造公司南京巨龍鋼管有限公司,江蘇 南京 210021;3.中油國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司,陜西 西安 710018)

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)(Pulsed Eddy Current,PEC)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型的非接觸式無(wú)損檢測(cè)技術(shù),由于其可以在不拆除包覆層(保溫層或保護(hù)層)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)承壓管道或設(shè)備的不停機(jī)檢測(cè),已在煉油化工和基礎(chǔ)化工等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

現(xiàn)有帶包覆層管道或設(shè)備使用的保護(hù)層材料主要有不銹鋼皮、鋁皮和鍍鋅鐵皮三種,其中不銹鋼和鋁為導(dǎo)電不導(dǎo)磁材料,鍍鋅鐵皮為鐵磁性材料,具有高磁導(dǎo)率。文獻(xiàn)[2]中指出:由于保護(hù)層厚度遠(yuǎn)小于管壁厚度,渦流在保護(hù)層中衰減速度快,因此其主要對(duì)早期信號(hào)產(chǎn)生影響,對(duì)反映壁厚腐蝕情況的晚期信號(hào)的影響可以忽略。在實(shí)際應(yīng)用中,鋁皮和鍍鋅鐵皮均會(huì)對(duì)脈沖渦流信號(hào)產(chǎn)生影響,而其中鍍鋅鐵皮由于高磁導(dǎo)率產(chǎn)生的電磁屏蔽作用會(huì)影響脈沖渦流的檢測(cè)性能[3]。

本文以鍍鋅鐵皮為研究對(duì)象,分析了在鍍鋅鐵皮保護(hù)層下檢測(cè)時(shí)脈沖渦流信號(hào)的特征變化,對(duì)不同厚度鍍鋅鐵皮、提離高度和鍍鋅鐵皮振動(dòng)對(duì)脈沖渦流信號(hào)的影響進(jìn)行了分析,提出了抑制鍍鋅鐵皮影響的方法,并在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 脈沖渦流的信號(hào)特征及保護(hù)層的影響

脈沖渦流信號(hào)是一組隨時(shí)間衰減的感應(yīng)電壓信號(hào),包括瞬間關(guān)斷電流激發(fā)出的一次磁場(chǎng)信號(hào)和被檢構(gòu)件渦流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)信號(hào)。由文獻(xiàn)資料可知[4-8],鐵磁性材料脈沖渦流早期信號(hào)為一次磁場(chǎng)和二次磁場(chǎng)的疊加信號(hào),難以從中提取出被測(cè)構(gòu)件信息;中期信號(hào)滿(mǎn)足逆冪函數(shù)衰減規(guī)律,是渦流在被測(cè)構(gòu)件中傳輸產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)信號(hào);后期信號(hào)滿(mǎn)足指數(shù)函數(shù)衰減規(guī)律,是渦流在被測(cè)構(gòu)件中擴(kuò)散產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)信號(hào)。由于脈沖渦流早期信號(hào)幅值大、衰減快,中晚期信號(hào)幅值小且衰減相對(duì)較慢,整體信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大,壁厚不同的被測(cè)構(gòu)件的脈沖渦流信號(hào)在直角坐標(biāo)系中無(wú)法進(jìn)行區(qū)分,因此,一般將感應(yīng)電壓信號(hào)或時(shí)間信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系(logV-logT)或單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系(logV-T)中進(jìn)行分析。

圖1是提離高度為50 mm且無(wú)保護(hù)層時(shí)對(duì)壁厚分別為6.30 mm和8.15 mm的20號(hào)鋼管測(cè)試得到的脈沖渦流信號(hào)。從圖1可知,當(dāng)被測(cè)構(gòu)件材質(zhì)相同且提離高度相同時(shí),不同壁厚的脈沖渦流信號(hào)存在較為明顯的差異:在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中表現(xiàn)為信號(hào)中期階段與晚期階段的過(guò)渡點(diǎn)時(shí)間(也被稱(chēng)為拐點(diǎn)時(shí)間)不同,壁厚越薄過(guò)渡點(diǎn)時(shí)間越小,反之亦然;在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中晚期信號(hào)表現(xiàn)為直線(xiàn)段,壁厚越薄晚期信號(hào)直線(xiàn)段斜率的絕對(duì)值越大,反之亦然[9-11]。過(guò)渡點(diǎn)時(shí)間和晚期信號(hào)斜率都可以作為表征壁厚的特征值。

圖1 在無(wú)保護(hù)層情況下的脈沖渦流信號(hào)

圖2是在0.5 mm厚的不銹鋼皮、鋁皮、鍍鋅鐵皮及不帶保護(hù)層情況下,當(dāng)提離高度為50 mm時(shí)對(duì)6.30 mm壁厚的管道進(jìn)行測(cè)試得到的脈沖渦流信號(hào)。從圖2可以看出:(1)不銹鋼皮對(duì)脈沖渦流信號(hào)影響很小,鋁皮增加了脈沖渦流信號(hào)的幅值,鍍鋅鐵皮降低了脈沖渦流的幅值;(2)當(dāng)保護(hù)層為鋁皮或鍍鋅鐵皮時(shí),由于受到保護(hù)層信號(hào)的干擾,表征壁厚的過(guò)渡點(diǎn)時(shí)間變得相對(duì)不清晰且與無(wú)保護(hù)層時(shí)的過(guò)渡點(diǎn)時(shí)間存在差異;(3)雖然鋁皮和鍍鋅鐵皮影響了脈沖渦流信號(hào)的幅值,但是當(dāng)保護(hù)層不同時(shí)的晚期信號(hào)直線(xiàn)段基本平行,晚期信號(hào)斜率受保護(hù)層的影響較小。

圖2 不同保護(hù)層情況下的脈沖渦流信號(hào)

綜上所述,可以利用脈沖渦流晚期信號(hào)斜率作為表征壁厚的特征值,且該特征值受保護(hù)層的影響較小。

2 鍍鋅鐵皮對(duì)脈沖渦流信號(hào)的影響

2.1 鍍鋅鐵皮厚度對(duì)脈沖渦流信號(hào)的影響

為分析鍍鋅鐵皮厚度對(duì)脈沖渦流信號(hào)的影響,分別采用0.5 mm和0.8 mm厚的鍍鋅鐵皮作為保護(hù)層,當(dāng)提離高度為50 mm時(shí)對(duì)6.30 mm壁厚的管道進(jìn)行測(cè)試得到脈沖渦流信號(hào),并將信號(hào)與沒(méi)有保護(hù)層時(shí)的信號(hào)進(jìn)行比較,見(jiàn)圖3(單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系)。從圖3可知:鍍鋅鐵皮對(duì)脈沖渦流的影響主要體現(xiàn)在降低了信號(hào)的幅值上,且鐵皮厚度越厚,對(duì)幅值的影響越大:當(dāng)鍍鋅鐵皮厚度為0.5 mm時(shí),信號(hào)幅值降低至無(wú)保護(hù)層時(shí)幅值的47%左右;當(dāng)鍍鋅鐵皮厚度為0.8 mm時(shí),降低至38%左右。幅值的降低不僅降低了脈沖渦流信號(hào)穿透保溫層厚度(提離高度)的能力,也降低了脈沖渦流信號(hào)穿透被測(cè)鐵磁性材料的能力。因此,在保護(hù)層為鍍鋅鐵皮時(shí)應(yīng)考慮提離高度對(duì)檢測(cè)的影響,且選用穿透能力更強(qiáng)的檢測(cè)探頭,或選擇電流強(qiáng)度更大的電流發(fā)射源。

圖3 鍍鋅鐵皮厚度對(duì)脈沖渦流信號(hào)的影響

2.2 提離高度對(duì)脈沖渦流信號(hào)的影響

為分析鍍鋅鐵皮厚度對(duì)脈沖渦流信號(hào)的影響,采用0.5 mm鍍鋅鐵皮作為保護(hù)層,選用壁厚分別為6.30,8.15和12.28 mm的管道進(jìn)行測(cè)試,提離高度以10～150 mm遞進(jìn)。測(cè)試得到的脈沖渦流信號(hào)繪制于圖4中(單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系),其中圖4(a)為壁厚(T)為12.28 mm管道不同保溫層厚度的脈沖渦流信號(hào),圖4(b)為提離高度(H)分別為20 mm和120 mm時(shí)管道壁厚不同的脈沖渦流信號(hào)。表1為提離高度不同的條件下計(jì)算壁厚與實(shí)際壁厚的比較。

表1 不同提離高度下計(jì)算壁厚與實(shí)際壁厚的比較

圖4 不同提離高度下的脈沖渦流信號(hào)

由圖4(a)可知:提離高度影響了信號(hào)幅值,但晚期信號(hào)呈直線(xiàn)且基本平行,采用晚期信號(hào)斜率作為表征壁厚特征值時(shí)提離高度對(duì)壁厚影響不大。由圖4(b)可知:當(dāng)提離高度相同時(shí),不同壁厚的脈沖渦流晚期信號(hào)差異大,采用晚期信號(hào)斜率可以分辨不同壁厚。表1數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明當(dāng)采用晚期信號(hào)斜率作為表征壁厚的特征值時(shí),提離高度對(duì)壁厚的影響較小。

2.3 鍍鋅鐵皮振動(dòng)引起的信號(hào)波動(dòng)

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中,如檢測(cè)探頭直接與鍍鋅鐵皮接觸,每當(dāng)檢測(cè)探頭發(fā)射電流時(shí)鐵磁性的鍍鋅鐵皮就會(huì)因磁致伸縮而產(chǎn)生振動(dòng),這種強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)使脈沖渦流信號(hào)產(chǎn)生波動(dòng)(見(jiàn)圖5紅色曲線(xiàn)),從而難以提取出有效的特征值。通常情況下這種振動(dòng)和鍍鋅鐵皮的厚度、提離高度和探頭形狀等相關(guān),且與檢測(cè)設(shè)備的脈沖頻率同步,單純依靠增加信號(hào)的疊加次數(shù)很難去除振動(dòng)對(duì)信號(hào)的影響。

圖5 鍍鋅鐵皮振動(dòng)引起的信號(hào)波動(dòng)

由于這一振動(dòng)是由鍍鋅鐵皮鐵磁性造成的,因此在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)盡量避免檢測(cè)探頭與保護(hù)層直接接觸,如在探頭和保護(hù)層之間墊上一層非鐵磁性材料(見(jiàn)圖5黑色曲線(xiàn))。

2.4 鍍鋅鐵皮影響小結(jié)

綜上所述,保護(hù)層為鍍鋅鐵皮時(shí):(1)當(dāng)提離高度相同時(shí),帶鍍鋅鐵皮保護(hù)層的脈沖渦流信號(hào)幅值較不帶保護(hù)層時(shí)的信號(hào)幅值大幅減小,此時(shí)需選擇穿透能力更強(qiáng)的檢測(cè)探頭并提高發(fā)射電流強(qiáng)度;(2)當(dāng)以晚期信號(hào)斜率作為表征壁厚的特征值時(shí),提離高度對(duì)計(jì)算壁厚的影響較小;(3)考慮到磁致伸縮引起的探頭振動(dòng),檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)避免檢測(cè)探頭與鍍鋅鐵皮直接接觸。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

中國(guó)石油遼陽(yáng)石油化纖工程有限公司自2022年6月起使用防爆型脈沖渦流檢測(cè)設(shè)備對(duì)遼陽(yáng)石化廠區(qū)內(nèi)管線(xiàn)進(jìn)行了檢測(cè)。該設(shè)備采用晚期信號(hào)斜率作為表征壁厚的特征值,可穿透厚度為1 mm的鍍鋅鐵皮保護(hù)層和厚度為200 mm的包覆層;設(shè)備配備保溫探頭三個(gè),最大可調(diào)電壓12 V。

針對(duì)該公司共選取2 260個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè),其中保護(hù)層為鍍鋅鐵皮的檢測(cè)位置共1 117個(gè),鍍鋅鐵皮厚度約0.5 mm,保溫層厚度50～100 mm。由于保溫層厚度在100 mm以?xún)?nèi),檢測(cè)時(shí)選擇SJA-P3探頭,檢測(cè)電壓設(shè)置為10 V,檢測(cè)模式為點(diǎn)測(cè)。表2為煉油廠利用脈沖渦流檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),其中保護(hù)層為鍍鋅鐵皮的檢測(cè)位置占整體檢測(cè)位置的49.42%,大部分是在未拆除保溫層的情況下進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題需要在拆除包覆層后用超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 煉油廠脈沖渦流檢測(cè)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

對(duì)SUD30703進(jìn)行脈沖渦流檢測(cè)。在用脈沖渦流設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)管道減薄比較嚴(yán)重,最小壁厚為5.17 mm;拆除包覆層后用超聲波測(cè)厚儀實(shí)測(cè)壁厚最小值為4.89 mm。

4 結(jié) 論

為了研究不同保護(hù)層對(duì)脈沖渦流信號(hào)的影響,以鍍鋅鐵皮為對(duì)象,分析了鍍鋅鐵皮厚度、提離高度和鍍鋅鐵皮振動(dòng)對(duì)脈沖渦流信號(hào)的影響并提出了解決方案:(1)當(dāng)提離高度相同時(shí),帶鍍鋅鐵皮保護(hù)層的脈沖渦流信號(hào)幅值較不帶保護(hù)層時(shí)的信號(hào)幅值大幅減小,此時(shí)需選擇穿透能力更強(qiáng)的檢測(cè)探頭并提高發(fā)射電流強(qiáng)度;(2)當(dāng)以晚期信號(hào)斜率作為表征壁厚的特征值時(shí),提離高度對(duì)計(jì)算壁厚的影響較小;(3)考慮到磁致伸縮引起的探頭振動(dòng),檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)避免檢測(cè)探頭與鍍鋅鐵皮直接接觸。

利用脈沖渦流技術(shù)對(duì)帶鍍鋅鐵皮保護(hù)層的保溫管道檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在實(shí)踐中得到了應(yīng)用,而且應(yīng)用效果良好,從而為不拆除包覆層的檢測(cè)工作提供了新的技術(shù)手段。