曹愛松，付躍文，楊 浩

(無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)， 南昌 330063)

小徑管周向裂紋脈沖渦流檢測仿真和試驗研究

曹愛松，付躍文*，楊 浩

(無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)， 南昌 330063)

針對小徑管周向裂紋缺陷，通過有限元仿真及試驗，研究了利用磁導體環(huán)形激勵脈沖渦流檢測技術檢測小徑管周向裂紋缺陷的問題。仿真給出了管道在有缺陷和無缺陷狀態(tài)下磁場分布、渦流分布以及接收線圈的電壓值。從仿真結果可以觀察出，周向裂紋端頭處的磁場分布以及渦流分布會發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生沿管壁法向的磁場，檢測線圈位于裂紋端頭處正上方時檢測靈敏度最高。實際檢測結果與仿真結果一致，表明磁導體環(huán)形激勵軸向渦流對小徑管周向缺陷具有顯著的檢測效果。

小徑管；脈沖渦流；周向裂紋；有限元

0 引言

小徑管廣泛應用于鍋爐設備以及航空器輸油管路中。由于長期處于高溫、高壓環(huán)境下，小徑管是最常見的失效部件，極易產(chǎn)生蠕變、疲勞和腐蝕，引起嚴重的工程事故[1]。管材在惡劣環(huán)境下產(chǎn)生的周向裂紋極易引起管子爆裂以及爆炸，對小徑管的正常使用構成極大威脅。因此，為了保證設備安全運行，對小徑管周向裂紋缺陷檢測尤為重要[2]。

目前，國內外針對小徑管的無損檢測方法有很多種，各種檢測方法依據(jù)的物理原理各不相同，因此在對小徑管進行檢測時也都具有相應的局限性。在實際檢測中通常有漏磁法、遠場渦流法、超聲導波法等。漏磁檢測對傳感器與檢測表面的間隙非常敏感，間隙變化會引起較大的檢測誤差。遠場渦流法對于小體積缺陷、周向裂紋缺陷檢測靈敏度較低。超聲導波法檢測效果受缺陷的深度影響較大；對于深度小于1 mm的缺陷，超聲導波法的檢測能力較差[3]。

幾十年來，國外大量研究機構和科研院所利用渦流檢測技術對小徑管等工件的周向缺陷進行了廣泛深入的研究，目前主要的檢測技術為機械旋轉掃描技術、陣列技術。GE Inspection Technologies針對熱交換器薄壁管的檢測，開發(fā)了Apollo多通道/多頻率渦流檢測系統(tǒng)，除傳統(tǒng)的標準渦流探頭和遠場渦流探頭外，使用了多達1 024個通道支持多通道與陣列技術，解決管道缺陷的全面檢測問題。Olympus開發(fā)了TXE系列渦流陣列探頭(部分技術為原R&D Tech公司所有)用于針對管道的周向裂紋的檢測。由于陣列的使用，加快了檢測速度，所以可以取代旋轉掃描的扁平探頭技術。Zetec公司在熱交換器管道的檢測中投入了研發(fā)力量。其電動旋轉扁平探頭(Motorized Rotating Pancake Coil，MRPC ) 針對周向裂紋使用了扁平探頭機械掃描技術，X-Probe探頭使用了陣列探頭技術[4]。Eddyfi公司也推出了自己的陣列渦流探頭DefHi，該探頭使用了陣列探頭的結構，其中一個子探頭出現(xiàn)垂直于周向缺陷的渦流，專用于檢測周向缺陷，從而可以全面檢測缺陷。近年來，J. Xin等給出了應用旋轉磁場激勵和內穿線圈，接收的組合探頭進行管道缺陷高速檢測的一種方法[5-8]。Kim Y J等應用傾斜繞制的穿過式探頭對小徑管的周向缺陷進行了研究[9]。

本研究采用磁導體環(huán)形線圈產(chǎn)生軸向渦流場激勵的探頭，對小徑管的周向裂紋進行仿真及試驗研究，論證檢測方法的可行性，對比傳感器TMR放置在小徑管缺陷不同位置時的檢測靈敏度。這種基于磁導體線圈小徑管周向裂紋缺陷的脈沖渦流檢測技術將為渦流檢測儀器研究和開發(fā)提供新方法。

1 檢測原理

脈沖渦流檢測是通過對激勵線圈兩端施加電流脈沖激勵，在金屬試件內部感應出渦流，測量渦流感應磁場和線圈產(chǎn)生磁場的疊加磁場大小來獲得金屬試件內部信息[10]。圖1為傳統(tǒng)穿過式渦流檢測方法檢測小徑管缺陷時的探頭布置示意圖。探頭與小徑管同軸，激勵線圈沿小徑管周向繞制，施加激勵后在小徑管表面感應出周向渦流。這種檢測方法可以有效檢出小徑管的軸向缺陷，但是對周向裂紋的檢測沒有明顯效果。

為了有效解決小徑管周向裂紋檢測問題，改變激勵線圈的繞制方向，將激勵線圈沿小徑管的軸向繞制，施加激勵后小徑管表面感應出軸向渦流。周向裂紋將阻礙渦流走向，在裂紋的2個端頭處感應出垂直于小徑管表面的二次磁場，通過接收裝置可有效地檢測小徑管的周向裂紋缺陷。圖2為激勵線圈沿小徑管軸向繞制時探頭布置示意圖。為了將激勵線圈產(chǎn)生的一次磁場聚集在小徑管周圍，激勵線圈纏繞在鐵氧體磁芯上，鐵氧體磁芯與小徑管同軸放置。

圖1 穿過式探頭與小徑管位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of through probe and the small diameter pipe

圖2 激勵線圈沿小徑管軸向繞制時探頭布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of probe when excitation coil wounded along the axial direction of small diameter tube

2 小徑管脈沖渦流檢測仿真試驗及結果分析

2.1 仿真模型構建及網(wǎng)格劃分

應用有限元軟件ANSYS15.0進行仿真計算。圖3為小徑管脈沖渦流檢測仿真模型示意圖。激勵線圈沿軸向纏繞在鐵氧體磁芯上，為簡化仿真模型，鐵氧體分6片建立成環(huán)狀模型。由于管道周向裂紋長度為1/6管道周長，因此采用三維有限元模型進行仿真。被檢小徑管外徑為26 mm，內徑為22 mm，長度為200 mm。裂紋缺陷位于管道正中央，缺陷長度為1/6管道周長，寬度為1 mm，深度為1 mm。為了簡化仿真模型，鐵氧體建立為正六面筒狀模型，長度為150 mm，內寬為30 mm，厚度為5 mm；檢測線圈外徑為12 mm，內徑為8 mm，線圈厚為2 mm；激勵線圈沿小徑管軸向纏繞于每塊鐵氧體的正中央處，每個激勵線圈寬均為20 mm，厚均為5 mm，共6個激勵線圈；管內外以空氣填充，鐵氧體外的自由區(qū)域建模時設置了圓柱狀空氣層，整體空氣層的直徑為120 mm；模型整體長度為200 mm。查閱相關文獻可知，激勵線圈施加脈沖電流激勵后，鐵氧體內形成的是一個較穩(wěn)定磁場，因此,鐵氧體的相對磁導率選取其初始磁導率3 000，電阻率ρ=9 Ω·m；激勵線圈和接收線圈的相對磁導率為1，電阻率ρ=1.724×10-8Ω·m；激勵線圈線徑為1 mm，每個激勵線圈匝數(shù)均為130匝；接收線圈線徑為0.1 mm，匝數(shù)為500匝。

圖3 小徑管脈沖渦流檢測仿真模型Fig.3 Simulation model of small diameter pipe in pulsed eddy current testing

進行網(wǎng)格劃分時，對小徑管周向裂紋缺陷附近區(qū)域(磁場或者渦流場主要影響區(qū)域)網(wǎng)格加密處理。同時為排除因網(wǎng)格劃分不同而導致的仿真結果差異，完好管道和有周向裂紋缺陷管道在劃分網(wǎng)格時，具有相同的網(wǎng)格形狀和單元數(shù)。建模時將預設為缺陷的體單獨建模，再統(tǒng)一進行映射網(wǎng)格劃分。對預設為缺陷的體進行屬性設置時，賦予空氣屬性表示缺陷，賦予管道材質屬性表示管道。圖4為管道部分有限元網(wǎng)格劃分示意圖。

2.2 激勵加載

仿真計算時，有限元模型激勵加載通過耦合外接電路的方式實現(xiàn)，使用CIRCU124單元外接獨立電流源對激勵線圈施加載荷。CIRCU124單元脈沖加載實常數(shù)設置如表1。圖5為激勵電流波形示意圖。

圖4 管道部分網(wǎng)格劃分模型Fig.4 Mesh model of pipe表1 脈沖電流激勵實常數(shù)設置Table 1 Parameter settings of excitation pulse current source

ParameterValueFrequencyf/Hz100PulseCurrentIH/A1RiseTimeTR/μs1PulseWidthTW/ms4．999ParameterValueInitialCurrentIL/A0DelayTimeTD/s0FallTimeTF/μs1PeriodTimeT/s0．010

圖5 激勵電流波形圖Fig.5 Waveform of excitation current

2.3 仿真試驗結果與分析

仿真試驗共建立2個模型，分為檢測線圈位于缺陷設置位置正上方模型和檢測線圈位于缺陷設置位置端頭正上方模型，通過賦予仿真模型體不同屬性來區(qū)分完好和缺陷兩種情況。由于2個模型中激勵線圈與小徑管周向裂紋缺陷的相對位置是一樣的，在相同管道模型狀態(tài)下磁場和渦流場分布是相同的，而檢測線圈上的感應電壓不同。因此，分別對完好和有缺損情況下小徑管磁場分布，渦流場分布以及檢測線圈感應電壓進行分析。

1)渦流分布及分析。

圖6分別為完好管材和有損管材在t=3 ms時刻小徑管渦流分布主視圖?？梢钥闯?，當小徑管存在周向裂紋時，裂紋處的渦流分布存在明顯的畸變。周向裂紋改變了渦流的正常走向，管道表面的渦流向缺陷底部聚集，經(jīng)過缺陷底部的管道通過缺陷；因此，缺陷底部的渦流密度最大，而缺陷頂部2個上角處的渦流密度最小，而且兩個區(qū)域的渦流密度存在顯著差異。完好管和有損管在完好管道處的渦流密度大致相同，而缺陷處和無缺陷處的渦流密度有較大不同，前者約為后者的兩倍。同時，由于渦流特定走向，在缺陷底部會產(chǎn)生一個沿裂紋延伸方向的二次磁場，磁場方向與管道中原有的二次磁場方向相同，因此不易測得這一變化。進一步比較可知，渦流在裂紋的2個端頭處存在半環(huán)形的偏折聚集，渦流密度大于完好處的數(shù)值，而在端頭周向兩側不會發(fā)生這樣的畸變，這一變化會在端頭處產(chǎn)生垂直于小徑管表面的法向二次磁場。

圖6 管道渦流分布主視圖Fig.6 Eddy current distribution of pipe in the main view

2)磁場分布及分析。

圖7分別給出了t=3 ms時刻完好管道和有損管道磁場強度矢量圖正視圖。觀察圖7a可以看出，當小徑管處于完好狀態(tài)時，磁場的傳播方向沿管道方向，與管壁的切向相同。由于渦流趨膚效應的影響，管道外表面的磁場強度遠遠大于內表面的磁場強度，二者有數(shù)量級的差異。比較圖7a、圖7b可以看出，當管壁上有周向裂紋時，裂紋2個端頭處的磁場會發(fā)生畸變，分別產(chǎn)生沿管壁法向和與管壁法向相反的磁場分量。畸變磁場的分布和變化特點與渦流的變化是類同的，這也就為檢測線圈的形狀設計以及檢測線圈放置位置的選擇提供了依據(jù)。

圖8給出了t=3 ms時刻完好管道和有損管道磁通量密度Bz分布圖。由圖8可知，在缺陷管的2個端頭處，分別對稱存在著Bz的最大值和最小值，并且2個端頭處的磁通量密度Bz對稱分布。這一現(xiàn)象與交流電磁場(ACFM)的相關理論相吻合[11-12]。由于空氣場網(wǎng)格劃分采取了自由網(wǎng)格劃分的方式，因此在計算時管道部個別區(qū)域的計算結果會產(chǎn)生一些偏差，這也為下一步的工作提出來更高的要求。

圖7 管道磁場分布正視圖Fig.7 Magnetic field distribution of pipe in the front view

圖8 磁通量密度Bz分布圖Fig.8 Distribution of magnetic flux density Bz

3)檢測線圈電壓分析。

仿真計算時，建立了檢測線圈位于缺陷端頭處正上方和缺陷中心正上方兩種模型，分別分析小徑管在完整和有損狀態(tài)下檢測線圈電壓值。設小徑管完好處的檢測線圈電壓值為u，缺陷處檢測線圈電壓值為u0，令Δu=u-u0，因此，檢測靈敏度為

圖9a為接收線圈位于缺陷設置位置端頭處正上方的檢測電壓值，圖9b為接收線圈位于缺陷設置位置中心正上方的檢測電壓值。圖10為接收線圈檢測靈敏度示意圖。對比圖9a、圖9b可以看出，當接收線圈位于缺陷位置端頭處正上方時，有損時和完好檢測電壓有明顯的區(qū)分，有損時感應電壓峰值遠大于完好時檢測電壓峰值，兩者有數(shù)量級差異；當接收線圈位于缺陷設置位置中心正上方時，有損時和完好時檢測電壓幾乎重合，峰值均不到1 mV。圖10進一步顯示了接收線圈放置位置對檢測靈敏度產(chǎn)生的影響。當接收線圈位于缺陷端頭處時，檢測靈敏度約為39；當接收線圈位于缺陷中心正上方時，檢測靈敏度約為0，對小徑管周向裂紋缺陷幾乎沒有檢測能力。當管道完好時，管道內的磁場沿管道周向，不會產(chǎn)生沿管道徑向的的二次磁場，接收線圈檢測不到管道內的磁場，微弱的感應電壓是由模型誤差產(chǎn)生的；

圖9 接收線圈感應電壓曲線Fig.9 Induced voltage curve of receiving coil

當管道上存在周向裂紋缺陷時，缺陷端頭處會產(chǎn)生沿管道徑向的二次磁場，而缺陷中心處不會產(chǎn)生這樣的二次磁場。因此接收線圈位于缺陷端頭處時能有效檢測出缺陷，并且有損時檢測電壓遠大于完好時檢測電壓。這一結果與渦流分布以及磁場分布結果相吻合。

圖10 接收線圈檢測靈敏度曲線Fig.10 Sensitivity curve of receiving coil

3 實際檢測結果及分析

3.1 試驗裝置設計

為驗證所建立有限元模型的效果，制作了與仿真模型相類似的激勵裝置。磁傳感器對于磁場的測量更加靈敏，因此試驗采用TMR隧道磁阻傳感器作為接受裝置。為了方便測量、減小管道的提離效應，采用雙線圈同向激勵，激勵線圈與管道緊密貼合，TMR垂直放置于2個激勵線圈中間，檢測裝置如圖11所示。實際檢測試驗中的激勵參數(shù)與仿真時的激勵參數(shù)相同，采用1 V、100 Hz脈沖方波做為激勵信號。

圖11 雙磁導體線圈激勵裝置Fig.11 Detection device

3.2 試驗結果分析

圖12為TMR位于管道完好處時的電壓信號，圖13為TMR位于管道缺陷端頭處時的電壓差分信號。

圖12 TMR位于管道完好處時的電壓信號Fig.12 Voltage signal of TMR sensor without defect

圖13 TMR位于管道裂紋端頭處時的電壓差分信號Fig.13 Differential voltage signal of TMR sensor located at the end of crack

由圖12可知，TMR磁阻傳感器在管道完好處接收到一個脈沖方波型電壓信號。這是因為在激勵磁環(huán)裝置上纏繞線圈時，由于不能保證線圈嚴格均等的纏繞在磁環(huán)上，同時TMR磁阻傳感器放置在2個磁環(huán)傳感器中間時可能存在角度偏差，因此當激勵裝置位于管道完好區(qū)域時，TMR傳感器也會接收到背景磁場信號，接收到的背景磁場約為3 Gs，地球磁場約為0.5～0.6 Gs，對比其他磁材料傳感器產(chǎn)生的背景磁場約為15～20 Gs，因此背景磁場相對很小，管道上產(chǎn)生的法向二次磁場是管道表面軸向渦流作用的結果。由圖13可知，在缺陷端頭處電壓差分信號的峰值約為3.5 mV，對比其他檢測情況下的電壓差分信號，此種檢測方法對小徑管的周向裂紋缺陷有較高的檢測靈敏度。因此，建立的磁導體線圈檢測模型與驗證結果良好吻合，能有效反映實際小徑管檢測結果，證明應用基于磁導體線圈結構的傳感器能有效檢測小徑管周向裂紋缺陷。

4 結論

1)仿真結果表明，當小徑管存在周向裂紋時，渦流分布發(fā)生顯著改變，缺陷底部管道表面渦流密度最大，裂紋2個端頭處以半環(huán)形繞缺陷流過。磁場分布及其變化規(guī)律與渦流場類似。磁通量密度Bx分量在缺陷處最大，約為完好時的2倍；磁通量密度Bz分量最大值分布在缺陷2個端頭處。管道完好時磁場沿周向環(huán)繞分布，在缺陷的2個端頭處磁場發(fā)生畸變，產(chǎn)生沿管道軸向的二次磁場。由于周向裂紋對管道渦流分布和磁場分布的特定改變，當接收線圈位于缺陷端頭處正上方時，有損時和完好時感應電壓區(qū)分顯著，檢測靈敏度很高；當接收線圈位于缺陷中心正上方時，感應電壓曲線近似重合，幾乎沒有檢測靈敏度。

2)實際檢測結果與仿真結果一致，檢測傳感器TMR可以有效檢測出裂紋端角效應引起的二次感應磁場，顯示了磁導體線圈結構傳感器對小徑管周向裂紋缺陷有較好的檢測效果。研究結果對于探頭和檢測工藝設計具有指導意義和參考價值。

[1] 馬延會,蘇德瑞,劉建屏,等. 鍋爐受熱面小徑管周向缺陷磁致伸縮導波檢測試驗研究[J]. 華北電力技術,2014(9):39-43.

[2] 金南輝,成德芳,牟彥春. 電站鍋爐水冷壁管遠場渦流檢測[J]. 無損檢測,2008,30(7):404-406.

[3] 齊向前. 導波檢測技術在小徑管檢測中的應用[J]. 無損檢測,2014,36(8):54-56.

[4] Obrutsky L, Lepine B, Lu J, et al. Eddy current technology for heat exchanger and steam generator tube inspection[C]. 16th WCNDT 2004-World Conference on NDT, 2004:441-447.

[5] Grimberg R, Udpa L, Savin A, et al. Inner-eddy-current transducer with rotating magnetic field experimental results: application to nondestructive examination of pressure tubes in PHWR nuclear power plants[J]. Research in Nondestructive Evaluation,2005,16(2):65-77.

[6] Xin J, Lei N, Udpa L, et al. Nondestructive inspection using rotating magnetic field eddy current probe[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2011,47(5):1070-1073.

[7] Xin J, Lei N, Udpa L, et al. Rotating field eddy current probe with bobbin pickup coil for steam generator tubes inspection[J]. NDT & E International,2013,54(3): 45-55.

[8] Ye C F, Huang Y, Udpa L, et al. Novel rotating current probe with GMR array sensors for steam generate tube inspection[J]. IEEE Sensors Journal,2016,16(12): 4995-5002.

[9] Kim Y J, Lee S S. Eddy current probes of inclined coils for increased detectability of circumferential cracks in tubing[J]. NDT & E International,2012,49(7):77-82.

[10] 任吉林,林俊明,徐可北. 渦流檢測[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2013:174-176.

[11] Li W, Yuan X, Chen G, et al. Induced circumferential current for transverse crack detection on a pipe string[J]. Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring,2015,57(9):528-533.

[12] 李偉. 基于交流電磁場的缺陷智能可視化檢測技術研究[D]. 北京:中國石油大學,2007:26-29.

Simulation of Circumferential Crack Pulsed Eddy CurrentTesting in Small Diameter Tube

CAO Ai-song，F(xiàn)U Yue-wen*，YANG Hao

(KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

For small diameter pipe circumferential crack detection problem, do the finite element simulation. Utilize an magnetic conductor coil axial eddy current test to detect small diameter tube circumferential crack defect.The simulation shows magnetic field distributions eddy current distribution and the receiving coil voltage,when pipeline in the case of defects and defect-free state. From the simulation results can be observed that the magnetic field and eddy currents distribution of circumferential cracks at the ends changed significantly, and generating a magnetic field along the normal to the wall. The induced voltage reaches the maximum value when the detection coil just above the ends of the crack. The actual testing results are in accordance with the simulation results,showing that magnetic conductor coil axial eddy current technique for small diameter pipe circumferential defect detection effect is remarkable.

small diameter pipe; pulsed eddy current; circumferential crack; FEM

2017年1月4日

2017年3月28日

國家自然科學基金(51267016)；國家自然科學基金(51667016)；國家重大儀器設備開發(fā)專項(2013YQ140505)

付躍文(1967年-)，男，博士，教授，主要從事電磁無損檢測技術等方面的研究。

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.02.002

1673-6214(2017)02-0071-07