金屬管線脈沖渦流陣列無損檢測(cè)仿真研究

摘要：管道作為石油運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的生命線， 需要進(jìn)行不斷地檢測(cè)和維護(hù)。其中脈沖渦流無損檢測(cè)技術(shù)可以利用鐵磁線圈發(fā)出激勵(lì)信號(hào)，在檢測(cè)管道內(nèi)感應(yīng)生成渦流磁場(chǎng)，遇到缺陷時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)變化，從而確定管道缺陷的大小及方位，便于管道維護(hù)和使用。但由于傳統(tǒng)的脈沖電磁渦流檢測(cè)技術(shù)選擇將信號(hào)源與接收裝置放置于管道內(nèi)，導(dǎo)致只有拆除管道，才能進(jìn)行無損檢測(cè)。因此，對(duì)于正在使用的運(yùn)輸管道來說，這種無損檢測(cè)方便性差，使用率低。這里將使用4個(gè)線圈作為發(fā)射源，環(huán)繞在鋼管四周，組成相應(yīng)的脈沖渦流陣列檢測(cè)模型，并利用多功能物理場(chǎng)仿真軟件對(duì)該模型進(jìn)行模擬仿真。結(jié)果證明，使用脈沖渦流陣列無損檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)正在使用的運(yùn)輸管道進(jìn)行無拆除無損檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：金屬管線；無損檢測(cè)；渦流檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TE980" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）07-0132-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

脈沖渦流無損檢測(cè)技術(shù)[1]利用電磁感應(yīng)原理[2-3]，通過向被檢測(cè)物體施加若干脈沖電流，產(chǎn)生瞬態(tài)磁場(chǎng)，物體表面形成相應(yīng)渦流。當(dāng)該脈沖電流在物體表面遇到缺陷時(shí)，會(huì)導(dǎo)致渦流場(chǎng)的相應(yīng)變化，從而產(chǎn)生一個(gè)與缺陷相關(guān)的信號(hào)[4]。通過對(duì)該信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，處理和分析，可以得到該缺陷的位置、大小和形狀等信息。

根據(jù)脈沖渦流無損檢測(cè)技術(shù)，可以為正在使用的金屬管道設(shè)計(jì)一種利用套管本身結(jié)構(gòu)缺陷引發(fā)的渦流磁場(chǎng)的變化的脈沖渦流無損檢測(cè)方法[5]，對(duì)其工作狀況和存在的缺陷進(jìn)行定性判別以及定量評(píng)估，為后續(xù)的修復(fù)工作提供支持，保障金屬管線高效、安全生產(chǎn)。

1 渦流檢測(cè)原理

1.1 電磁感應(yīng)原理

Maxwell[6]總結(jié)了電磁感應(yīng)定律，構(gòu)建了電磁學(xué)研究理論基礎(chǔ)，這就是著名的Maxwell方程組，是電磁學(xué)一切研究工作的理論基礎(chǔ)，方程組如下：

[?×H→=J→+?D→?t] （1）

[?×E→=-?B→?t] （2）

[??B→=0] （3）

[??D→=ρ] （4）

[H—磁場(chǎng)強(qiáng)度Am;J—電流密度Am2]；D—電感強(qiáng)度；E—電場(chǎng)強(qiáng)度；B—磁感應(yīng)強(qiáng)度T。

如圖1所示，給藍(lán)色的激勵(lì)線圈通入一個(gè)脈沖激勵(lì)源，即會(huì)形成一個(gè)脈沖磁場(chǎng)，在遇到一個(gè)磁性導(dǎo)體時(shí)，得到相應(yīng)的脈沖渦流信號(hào)。脈沖激勵(lì)源得到的脈沖磁場(chǎng)和磁傳感器試件作用得到的脈沖渦流磁場(chǎng)相互作用，使磁通量密度發(fā)生改變。根據(jù)電磁渦流檢測(cè)技術(shù)基本理論，對(duì)滲透深度和趨膚效應(yīng)進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬，可以為整體設(shè)計(jì)提供理論支撐。

其中，

[B=NμIR22（x2+R2）32] （5）

如圖2所示，由于趨膚效應(yīng)在，被測(cè)試件表面渦流強(qiáng)度隨著向被測(cè)試件內(nèi)部深入按指數(shù)衰減，根據(jù)[f]，[μ]，[σ]理論分析可知，被測(cè)試件內(nèi)部深x處的渦流強(qiáng)度表達(dá)式為：

[Ix=I0e-πfμσx] （6）

其中，[Ix]表示被測(cè)試件內(nèi)部深度為[x]處的渦流強(qiáng)度；[I0]為被測(cè)試件表面的渦流強(qiáng)度；[f]表示線圈兩端加載的交流電的頻率；[μ]表示被測(cè)試件的磁導(dǎo)率；[σ]表示被測(cè)試件的電導(dǎo)率。

標(biāo)準(zhǔn)滲透深度[7]表達(dá)式為：

[δ=1πfμσ] （7）

由式（7） 可得，激勵(lì)頻率為固定值時(shí)，被測(cè)試件的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率越高，電渦流檢測(cè)時(shí)趨膚效應(yīng)越明顯。當(dāng)被測(cè)材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率為固定值時(shí)，改變激勵(lì)頻率的大小可以使渦流滲透深度發(fā)生變化。鐵磁性材料的磁導(dǎo)率[8]較高，對(duì)鐵磁性材料采用渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，通常選取較低的激勵(lì)頻率獲得較大的渦流滲透深度[9]電渦流檢測(cè)中，當(dāng)被測(cè)試件存在缺陷時(shí)，缺陷位置處的渦流強(qiáng)度與其他區(qū)域相比有極大的變化，區(qū)分渦流強(qiáng)度的變化，檢出缺陷[10]時(shí)，由趨膚效應(yīng)可知，被測(cè)試件表面處的渦流強(qiáng)度最大，那么當(dāng)缺陷位置在被測(cè)試件表面時(shí)，此時(shí)檢測(cè)效果最好；反之，當(dāng)缺陷位置在被測(cè)試件內(nèi)部時(shí)，檢測(cè)效果相對(duì)較差。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1 二級(jí)標(biāo)題

與通常選擇將檢測(cè)系統(tǒng)放置在管道內(nèi)，需將正在使用的管道拆除進(jìn)行檢測(cè)不同，本文提供了一種將整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)放置在管道外側(cè)， 選用直徑為102mm，內(nèi)徑為82mm，壁厚10mm的金屬管道作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)輸入信號(hào)的圓柱形線圈，通入電流以及擺放方式進(jìn)行定量，通以1A電流（選取1A作為初始參考值） ，匝數(shù)為100匝（仿真結(jié)果證明，在只改變線圈匝數(shù)100，1 000，10 000情況下，形成的磁通密度幾乎重合） 。表1為金屬管線和發(fā)射線圈的相關(guān)參數(shù)。

2.2 缺陷參數(shù)設(shè)置

表2根據(jù)缺陷大小種類不同，在金屬管線四周設(shè)置管內(nèi)缺陷、管外缺陷、貫穿缺陷和管里缺陷4種圓形缺陷，并在豎直方向?qū)θ毕荽笮∵M(jìn)行改變。缺陷大小的半徑分別為1mm，3mm，5mm和7mm，并設(shè)有2組無缺陷對(duì)照組。

2.3 提離高度

提離高度：5mm（提離高度極大影響了線圈在鋼管上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，理論上來說，高度越小，磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，測(cè)試檢測(cè)效果越好；但由于設(shè)備制造實(shí)際因素，需要在線圈與鋼管之間留有一定距離，本研究選擇了5mm作為仿真高度） 。

3 探針位置對(duì)無損檢測(cè)的影響

在離中心51mm-67mm范圍內(nèi)，每隔1mm做一條垂直于xy平面的三維切線，每組17條截線，共4組。并選取50 000Hz的頻率作為實(shí)驗(yàn)頻率（根據(jù)趨膚深度公式可知，當(dāng)檢查材料線圈以及被檢測(cè)材料金屬管線確定時(shí)，線圈的通入頻率[f]越大，趨膚深度越小，頻率越高，所得出的曲線圖的缺陷就越明顯，形狀越清晰，判斷缺陷處的干擾就越少。在這里選取20 000Hz作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象） 。其中，將X軸正方向（即缺陷在鋼管外部） 作為研究對(duì)象。

如圖4所示，取距離中心線51mm，55mm，59mm，63mm，67mm結(jié)果圖作為代表。大致得出傳感器安置離鋼管越近，缺陷處磁通量密度變化越大，缺陷位置越容易找到的結(jié)論。

如圖5所示，勵(lì)源輸入頻率為20 000Hz在探針擺放在距圓心51mm，55mm，59mm處不同缺陷大小磁通量密度變化圖。即在圖5的眾多結(jié)果中選取3條作為代表。發(fā)現(xiàn)在離中心51mm處放置探針，其缺陷位置的磁通量變化最明顯。

得出即使激勵(lì)源輸入頻率發(fā)生變化時(shí)，探針擺放在離金屬管線越近，磁通量密度模變化越明顯。因此在實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量將傳感器放在鋼管表面，以便得到缺陷處磁通量密度模變化越大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方便后續(xù)找尋缺陷位置和判斷缺陷大小。

4 激勵(lì)頻率對(duì)無損檢測(cè)的影響

根據(jù)趨膚效應(yīng)公式可知，在被測(cè)試件的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、提離高度確定的條件下，需要選取一個(gè)較為合適的頻率，來完成對(duì)被測(cè)管線的測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)鋼管厚度近似為10mm，提離高度為5mm，要想得到相應(yīng)的信號(hào)，激勵(lì)源發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)至少到達(dá)5mm。要想測(cè)得整根鋼管的缺陷，激勵(lì)源信號(hào)則需要到達(dá)至少15mm深度，因此，我們將集膚深度區(qū)間設(shè)置在5mm至20mm范圍內(nèi)，來確定大致激勵(lì)源頻率。可根據(jù)趨膚深度公式反推一個(gè)較為合適的激勵(lì)頻率：

[f=1δ2πμσ] （8）

其中[μ=μ0μr=4π×10-7H/m]，（[μ0=4π×10-7H/m]，為真空磁導(dǎo)率，因預(yù)先對(duì)鋼管磁化，其相對(duì)磁導(dǎo)率[μr]的值可近似看成1） ，[σ]金屬管線電導(dǎo)率為[2×107S/m]，得出頻率[f]的范圍在5 628.95Hz（趨膚深度為15mm） 到50 660.56Hz（趨膚深度為5mm） 之間，因此將該實(shí)驗(yàn)激勵(lì)源頻率設(shè)置為4 000Hz，5 000Hz，8 000Hz，10 000 Hz，20 000Hz，50 000Hz。

如圖6可以得出，探針擺放位置相同時(shí)，激勵(lì)源輸入頻率越大，當(dāng)遇到較大缺陷時(shí)，探針處磁通量密度變化越大。得出的缺陷大小，深度等信息越清晰。

5 結(jié)論

根據(jù)以上研究，可以得出，使用將檢測(cè)設(shè)備放置在金屬管線外的電磁渦流無損檢測(cè)技術(shù)可以有效地檢測(cè)出金屬管線上的缺陷。其中，將接收裝置放置在距金屬管線越近的位置，其探測(cè)到的金屬磁通密度變化就越清晰。而給激勵(lì)源通入的電流信號(hào)頻率越大，測(cè)出金屬管線較大缺陷的信號(hào)變化就越明顯，但對(duì)于較小的管線缺陷，較大的輸入頻率則失去了檢測(cè)功能。因此，可以折中選擇一個(gè)較為合適的激勵(lì)源輸入頻率，即可以測(cè)出較大的缺陷，又兼顧細(xì)微缺陷。也可以選擇向金屬管線通入低頻與高頻的信號(hào)同時(shí)或間隔的輸入信號(hào)來檢測(cè)金屬管線上的缺陷。但該種檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)難度較大，可以進(jìn)行深入研究。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】