金屬管線脈沖渦流陣列無損檢測仿真研究

摘要：管道作為石油運輸產業的生命線， 需要進行不斷地檢測和維護。其中脈沖渦流無損檢測技術可以利用鐵磁線圈發出激勵信號，在檢測管道內感應生成渦流磁場，遇到缺陷時，產生相應的磁場變化，從而確定管道缺陷的大小及方位，便于管道維護和使用。但由于傳統的脈沖電磁渦流檢測技術選擇將信號源與接收裝置放置于管道內，導致只有拆除管道，才能進行無損檢測。因此，對于正在使用的運輸管道來說，這種無損檢測方便性差，使用率低。這里將使用4個線圈作為發射源，環繞在鋼管四周，組成相應的脈沖渦流陣列檢測模型，并利用多功能物理場仿真軟件對該模型進行模擬仿真。結果證明，使用脈沖渦流陣列無損檢測技術可以對正在使用的運輸管道進行無拆除無損檢測。

關鍵詞：金屬管線；無損檢測；渦流檢測

中圖分類號：TE980" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）07-0132-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

脈沖渦流無損檢測技術[1]利用電磁感應原理[2-3]，通過向被檢測物體施加若干脈沖電流，產生瞬態磁場，物體表面形成相應渦流。當該脈沖電流在物體表面遇到缺陷時，會導致渦流場的相應變化，從而產生一個與缺陷相關的信號[4]。通過對該信號進行檢測，處理和分析，可以得到該缺陷的位置、大小和形狀等信息。

根據脈沖渦流無損檢測技術，可以為正在使用的金屬管道設計一種利用套管本身結構缺陷引發的渦流磁場的變化的脈沖渦流無損檢測方法[5]，對其工作狀況和存在的缺陷進行定性判別以及定量評估，為后續的修復工作提供支持，保障金屬管線高效、安全生產。

1 渦流檢測原理

1.1 電磁感應原理

Maxwell[6]總結了電磁感應定律，構建了電磁學研究理論基礎，這就是著名的Maxwell方程組，是電磁學一切研究工作的理論基礎，方程組如下：

[?×H→=J→+?D→?t] （1）

[?×E→=-?B→?t] （2）

[??B→=0] （3）

[??D→=ρ] （4）

[H—磁場強度Am;J—電流密度Am2]；D—電感強度；E—電場強度；B—磁感應強度T。

如圖1所示，給藍色的激勵線圈通入一個脈沖激勵源，即會形成一個脈沖磁場，在遇到一個磁性導體時，得到相應的脈沖渦流信號。脈沖激勵源得到的脈沖磁場和磁傳感器試件作用得到的脈沖渦流磁場相互作用，使磁通量密度發生改變。根據電磁渦流檢測技術基本理論，對滲透深度和趨膚效應進行理論分析和數值模擬，可以為整體設計提供理論支撐。

其中，

[B=NμIR22（x2+R2）32] （5）

如圖2所示，由于趨膚效應在，被測試件表面渦流強度隨著向被測試件內部深入按指數衰減，根據[f]，[μ]，[σ]理論分析可知，被測試件內部深x處的渦流強度表達式為：

[Ix=I0e-πfμσx] （6）

其中，[Ix]表示被測試件內部深度為[x]處的渦流強度；[I0]為被測試件表面的渦流強度；[f]表示線圈兩端加載的交流電的頻率；[μ]表示被測試件的磁導率；[σ]表示被測試件的電導率。

標準滲透深度[7]表達式為：

[δ=1πfμσ] （7）

由式（7） 可得，激勵頻率為固定值時，被測試件的磁導率和電導率越高，電渦流檢測時趨膚效應越明顯。當被測材料的磁導率和電導率為固定值時，改變激勵頻率的大小可以使渦流滲透深度發生變化。鐵磁性材料的磁導率[8]較高，對鐵磁性材料采用渦流檢測技術進行質量評價時，通常選取較低的激勵頻率獲得較大的渦流滲透深度[9]電渦流檢測中，當被測試件存在缺陷時，缺陷位置處的渦流強度與其他區域相比有極大的變化，區分渦流強度的變化，檢出缺陷[10]時，由趨膚效應可知，被測試件表面處的渦流強度最大，那么當缺陷位置在被測試件表面時，此時檢測效果最好；反之，當缺陷位置在被測試件內部時，檢測效果相對較差。

2 實驗設置

2.1 二級標題

與通常選擇將檢測系統放置在管道內，需將正在使用的管道拆除進行檢測不同，本文提供了一種將整個檢測系統放置在管道外側， 選用直徑為102mm，內徑為82mm，壁厚10mm的金屬管道作為實驗對象。

無損檢測實驗對輸入信號的圓柱形線圈，通入電流以及擺放方式進行定量，通以1A電流（選取1A作為初始參考值） ，匝數為100匝（仿真結果證明，在只改變線圈匝數100，1 000，10 000情況下，形成的磁通密度幾乎重合） 。表1為金屬管線和發射線圈的相關參數。

2.2 缺陷參數設置

表2根據缺陷大小種類不同，在金屬管線四周設置管內缺陷、管外缺陷、貫穿缺陷和管里缺陷4種圓形缺陷，并在豎直方向對缺陷大小進行改變。缺陷大小的半徑分別為1mm，3mm，5mm和7mm，并設有2組無缺陷對照組。

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強度，理論上來說，高度越小，磁感應強度越強，測試檢測效果越好；但由于設備制造實際因素，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 探針位置對無損檢測的影響

在離中心51mm-67mm范圍內，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的頻率作為實驗頻率（根據趨膚深度公式可知，當檢查材料線圈以及被檢測材料金屬管線確定時，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作為實驗對象） 。其中，將X軸正方向（即缺陷在鋼管外部） 作為研究對象。

如圖4所示，取距離中心線51mm，55mm，59mm，63mm，67mm結果圖作為代表。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論。

如圖5所示，勵源輸入頻率為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的眾多結果中選取3條作為代表。發現在離中心51mm處放置探針，其缺陷位置的磁通量變化最明顯。

得出即使激勵源輸入頻率發生變化時，探針擺放在離金屬管線越近，磁通量密度模變化越明顯。因此在實現該實驗時，應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驗結果，方便后續找尋缺陷位置和判斷缺陷大小。

4 激勵頻率對無損檢測的影響

根據趨膚效應公式可知，在被測試件的磁導率、電導率、提離高度確定的條件下，需要選取一個較為合適的頻率，來完成對被測管線的測試。

實驗設計鋼管厚度近似為10mm，提離高度為5mm，要想得到相應的信號，激勵源發出的激勵信號至少到達5mm。要想測得整根鋼管的缺陷，激勵源信號則需要到達至少15mm深度，因此，我們將集膚深度區間設置在5mm至20mm范圍內，來確定大致激勵源頻率。可根據趨膚深度公式反推一個較為合適的激勵頻率：

[f=1δ2πμσ] （8）

其中[μ=μ0μr=4π×10-7H/m]，（[μ0=4π×10-7H/m]，為真空磁導率，因預先對鋼管磁化，其相對磁導率[μr]的值可近似看成1） ，[σ]金屬管線電導率為[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，因此將該實驗激勵源頻率設置為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，激勵源輸入頻率越大，當遇到較大缺陷時，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 結論

根據以上研究，可以得出，使用將檢測設備放置在金屬管線外的電磁渦流無損檢測技術可以有效地檢測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，其探測到的金屬磁通密度變化就越清晰。而給激勵源通入的電流信號頻率越大，測出金屬管線較大缺陷的信號變化就越明顯，但對于較小的管線缺陷，較大的輸入頻率則失去了檢測功能。因此，可以折中選擇一個較為合適的激勵源輸入頻率，即可以測出較大的缺陷，又兼顧細微缺陷。也可以選擇向金屬管線通入低頻與高頻的信號同時或間隔的輸入信號來檢測金屬管線上的缺陷。但該種檢測方法的實現難度較大，可以進行深入研究。

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【通聯編輯：李雅琪】