黨 偉 朱 兵

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0 引言

管道是重要的液體、氣體運輸工具，是國民經(jīng)濟建設的重要基礎設施[1]。其中，地面鋼質(zhì)管道由于不受地下因素制約，不影響土壤環(huán)境，相對埋地管道清除事故容易、整修方便，因此廣泛應用于石化運輸?shù)刃袠I(yè)[2]。但由于鋼質(zhì)管道使用周期過長致使管壁腐蝕損壞，容易發(fā)生管道的泄漏事故，造成嚴重的后果。因此，為有效避免地面鋼質(zhì)管道泄漏事故的發(fā)生，有必要對其進行定期檢測[3]。

地面鋼質(zhì)管道為避免管壁的腐蝕、延長使用周期，需要進行防腐，通常情況下，在管道的外部會包裹一層保溫和防腐的復合層[4]。因此，針對地面鋼質(zhì)管道的損傷檢測需求，還需要滿足檢測系統(tǒng)具有一定的提離效應，以保證能夠在不拆除管道外保護層的前提下，對管道缺陷進行有效檢測。

1 渦流磁場檢測基本原理

渦流磁場有效檢測的前提是在待測管道的管壁感應出感應電流。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論可知，當交變磁場通入金屬內(nèi)部時，能夠在金屬內(nèi)部感應出交變的電場，且該電場的方向垂直于磁場[5]。所以，當交變磁場接近管道時，會在管道的管壁感應出交變的電場，管道為良導體，電場的存在必然產(chǎn)生電流，該電流為感應電流[6]。當感應電流在流動方向上遇到管道缺陷時，電流方向會發(fā)生偏移，同時，缺陷處導體電阻率的改變也會使感應電流變化，感應電流分布的變化會致使相應管壁附近的感應磁場發(fā)生畸變[7]，所以，在管道缺陷上方就會形成畸變的磁力線分布，即管道缺陷相應位置附近的磁感應強度發(fā)生改變。通過檢測磁感應強度的變化，就能夠定位管道的缺陷位置。

傳統(tǒng)的渦流檢測方法因為趨膚效應的存在，無法滿足檢測的深度要求，如果選擇低頻激勵信號則又無法保證檢測的精度[8]。因此，為克服趨膚效應問題，同時兼顧檢測靈敏度、可靠性等需求，設計的檢測系統(tǒng)采用一種特殊的激勵方式，低頻正弦信號搭載高頻正弦信號的波形輸出，激勵源信號波形如圖1所示。低頻信號保證了檢測的深度，產(chǎn)生的交變磁場能夠穿透管道外壁的防腐層，使檢測具有一定的提離效應，而高頻信號則滿足了檢測的精度要求。

2 檢測探頭及系統(tǒng)設計

2.1 檢測探頭

探頭整體結構設計分為檢測探頭和矯正探頭兩個部分，檢測探頭平行于管道軸線縱向放置，激勵線圈致密纏繞于硅鋼片磁芯，線圈外接激勵電源，檢測時保持檢測探頭均勻低速掃描管道，拾取缺陷處的突變磁場信號。矯正探頭固定于一塊無缺陷鐵氧體上方，激勵線圈同樣致密纏繞于硅鋼片磁芯，線圈接入可調(diào)精密電阻后與激勵電源連接。調(diào)節(jié)可調(diào)精密電阻的阻值，使矯正探頭與檢測探頭的三軸磁場信號在幅值與相位上相一致。因為檢測探頭在缺陷處拾取到的磁場信號是自身激勵線圈產(chǎn)生的磁場和缺陷磁場以及其它影響因素共同作用疊加后的磁場信號，所以，在后期的信號處理中，只需要采用物理方法將檢測探頭與調(diào)節(jié)好參數(shù)的矯正探頭的三軸磁場值分別做差，即可得到管道上對應缺陷處的三軸磁場信號。應用此物理方法提取出的缺陷信號，更加接近真實缺陷處的磁場信號。

檢測探頭和矯正探頭實物圖如圖2所示。其中，硅鋼片磁芯單片厚度0.3mm，檢測探頭和矯正探頭磁芯均為40片硅鋼片疊加，厚度約12mm，檢測探頭尺寸為80×35mm（鏤空矩形50×20mm），矯正探頭尺寸為60×25mm（鏤空矩形40×15mm），鐵氧體尺寸為100×50×25mm。

有鐵芯的電感器存在磁飽和問題，在實驗中，應該保證鐵芯在磁飽和范圍內(nèi)工作，而且磁感應強度應該盡量較大保證有理想的實驗結果[9]。以現(xiàn)有尺寸的檢測探頭和矯正探頭為計算對象，最終選定激勵線圈線徑為0.5mm，安全電流值1.178A，檢測探頭纏繞線圈200匝，矯正探頭纏繞線圈150匝。實驗時，控制電流值不超過1.178A，探頭磁路就不會達到磁飽和的狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)設計

檢測系統(tǒng)包括激勵電源、功率放大電路、檢測探頭、采集卡、計算機等。激勵電源外接功率放大電路，調(diào)節(jié)功率放大器的增益，使實際作用于勵磁線圈的電流有效值達到最優(yōu)檢測要求。選用高磁導率的U形硅鋼片疊加作為磁芯，在磁芯上致密纏繞計算后的固定匝數(shù)的線圈，檢測探頭和矯正探頭的激勵線圈并聯(lián)，同時輸入所需頻率的激勵信號。接收部分選用TMR2309三軸磁電阻線性傳感器芯片探頭，固定于U形檢測探頭和矯正探頭正下方中心位置，傳感器外接采集卡和上位機，記錄信號波形，實現(xiàn)人機界面交流，采集數(shù)據(jù)、設置參數(shù)、測量結果顯示與存儲都可以在上位機端完成[10]。檢測中，保持檢測探頭兩個極靴端連線平行于管道軸線縱向放置，在管道正上方均勻低速掃描管道，矯正探頭固定于無缺陷鐵氧體表面，觀察與探頭連接的上位機端實時顯示的信號波形，對儲存的數(shù)據(jù)進行Matlab分析處理，提取管道上對應不同類型缺陷的磁場信號，實現(xiàn)對缺陷的定性檢測[11]。檢測系統(tǒng)實驗示意圖如圖3所示。

3 有限元仿真與分析

應用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件對檢測探頭掃描管道的過程進行仿真分析，三維建模包括檢測探頭和管道兩個部分，其中檢測探頭與實物等比例建模，置于管道正上方10mm提離位置，管道建模尺寸為內(nèi)徑68mm，外徑74mm，長600mm，在管道中心位置處，有一個直徑12mm的通孔缺陷。對建立的檢測模型進行磁場仿真，得到管道產(chǎn)生的相應感應電流分布和檢測探頭中磁力線的分布情況如圖4所示。

由圖4可知，激勵線圈產(chǎn)生的磁場集中于鐵芯內(nèi)部，這是由于硅鋼片鐵芯的磁導率遠遠大于空氣，與空氣相比鐵芯磁阻很小，所以，磁通幾乎全部集中在鐵芯內(nèi)部[12]。同時，管壁產(chǎn)生均勻的感應電流，在通孔缺陷處，感應電流發(fā)生偏折和扭曲，感應電流分布的變化必然引起感應磁場的改變，所以，在缺陷附近的磁場強度會發(fā)生畸變。進一步對檢測模型的電勢分布計算和分析，得到電勢仿真結果如圖5所示。

由圖5可知，由于探頭的激勵磁場作用，管道電勢在磁軛探頭的兩腳和缺陷處存在明顯電勢差，探頭兩腳間的電勢差使管道產(chǎn)生均勻感應電流，缺陷處電勢差使感應電流發(fā)生畸變，致使缺陷附近磁場發(fā)生改變，檢測系統(tǒng)的仿真結果與理論研究相一致。

4 實驗探究與結果分析

通過開展室內(nèi)管道檢測實驗，模擬地面鋼質(zhì)管道的檢測工況，對渦流磁場檢測技術及設計的檢測系統(tǒng)方案進行實驗探究和驗證。實驗鋼質(zhì)管道內(nèi)徑68mm，外徑74mm，總長2850mm，實驗管道表面預制沿管徑裂紋、垂直管徑裂紋、刻槽、通孔、盲孔和45°裂紋六種不同類型缺陷，其中，盲孔缺陷直徑12mm，深度2mm；通孔缺陷直徑12mm；刻槽缺陷尺寸為20×12×2mm；三種裂紋缺陷尺寸均為30×2×2mm，實驗管道示意圖如圖6所示。

實驗中，分別對六種不同類型缺陷進行檢測，激勵信號高頻低頻20Hz，高頻1kHz，輸出電壓峰峰值14V，將檢測探頭置于管道正上方，提離值10cm，沿管徑方向均速掃描管道，分別通過不同缺陷上方附近，采集對應磁場信號。檢測探頭測得的磁場信號為感應磁場、缺陷處磁場和其他環(huán)境因素共同作用的磁場，而矯正探頭測得的磁場信號沒有管道缺陷磁場，因此，要得到缺陷的磁場信號，就可以在信號處理中，將調(diào)節(jié)好幅值和相位的矯正探頭三軸磁場信號和檢測探頭三軸磁場值分別做差，采用物理方法提取缺陷磁場信號，現(xiàn)以磁場的法向分量為分析對象，實驗最終得到的六種不同缺陷的磁場信號如圖7所示。

分析圖7可知，當檢測探頭保持一定的提離值，掃描通過不同種類的管道缺陷時，在缺陷附近磁場信號的法向分量存在明顯的信號突變，提取出的缺陷磁場信號對不同種類的管道缺陷表現(xiàn)為不同的信號特征，通過分析信號特征，可以對管道缺陷進行定位，實現(xiàn)檢測需求。通過多組實驗數(shù)據(jù)的驗證，認為檢測系統(tǒng)設計方案和信號處理方法可以對管道進行損傷檢測，定位缺陷位置，且能夠保證在一定的提離距離下的檢測精度。

5 結語

對于地面鋼質(zhì)管道能夠在不拆除防腐層的前提下對管道進行損傷檢測的問題，設計了一種基于渦流磁場檢測原理對管道進行探傷的檢測系統(tǒng)，應用COMSOL仿真和管道模擬缺陷檢測實驗，驗證了檢測探頭系統(tǒng)設計方案的可行性，觀察管道在不同種類缺陷下，缺陷處磁感應強度的變化規(guī)律，應用信號處理方法提取出不同缺陷對應的磁場信號，最終實現(xiàn)了管道的損傷檢測，能夠有效定位缺陷位置。