鄭文學(xué)，楊理踐，李佳音，高松巍，劉 斌

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870)

0 引言

隨著石油與天然氣需求的日益增加，作為存儲(chǔ)和運(yùn)輸油氣能源的主要媒介，管道的運(yùn)行里程呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。隨著在役時(shí)長(zhǎng)的增加，由于運(yùn)輸介質(zhì)腐蝕、材料疲勞、應(yīng)力集中等原因?qū)е鹿艿喇a(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致管道使用壽命下降甚至引發(fā)油氣泄漏或爆炸等危害，對(duì)油氣管道裂紋的有效檢測(cè)能夠定期評(píng)價(jià)管道狀態(tài)，避免災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)保障管道安全平穩(wěn)運(yùn)行有重要意義[2-3]。

目前，針對(duì)管道裂紋缺陷的檢測(cè)主要有漏磁裂紋檢測(cè)方法與交流電磁裂紋檢測(cè)方法。針對(duì)管道的周向裂紋，楊理踐等[4-6]利用有限元數(shù)值分析軟件，建立了漏磁檢測(cè)三維有限元裂紋缺陷仿真模型，分析了永磁體的長(zhǎng)度、厚度和寬度對(duì)管道表面裂紋缺陷的漏磁場(chǎng)的影響，研究了裂紋缺陷的方向性對(duì)表面裂紋缺陷漏磁場(chǎng)的影響。但是漏磁檢測(cè)方法只能對(duì)有一定開(kāi)口寬度的裂紋進(jìn)行檢測(cè)。針對(duì)管道的軸向裂紋，J.M.Zhao等[7]設(shè)計(jì)了一種新型柔性交流電磁技術(shù)傳感器陣列探頭，采用有限元仿真及實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了該方法對(duì)管道裂紋的檢測(cè)能力。X.Yuan等[8]分析了交流電磁檢測(cè)技術(shù)勵(lì)磁頻率與電磁場(chǎng)在鋁管的滲透深度的關(guān)系，提出了采用2個(gè)勵(lì)磁頻率來(lái)提取鋁管內(nèi)外裂紋特征信號(hào)的有限元仿真模型，研制了陣列式傳感器，實(shí)現(xiàn)了雙頻交流電磁檢測(cè)一次掃描可識(shí)別和評(píng)價(jià)鋁管內(nèi)外裂紋。管道平衡電磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)結(jié)合漏磁檢測(cè)技術(shù)與交流電磁檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)管道表面裂紋缺陷，可以實(shí)現(xiàn)一次掃描同時(shí)檢測(cè)周向、軸向的裂紋缺陷，并且可以有效區(qū)分2個(gè)方向的裂紋缺陷[9]。為了實(shí)現(xiàn)更微小裂紋的檢測(cè)，需要提升平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器的靈敏度。交流激勵(lì)形式傳感器的檢測(cè)靈敏度隨激勵(lì)電流的增大單調(diào)增大[10]，這一規(guī)律同樣適用于交流激勵(lì)的平衡電磁技術(shù)。

建立了平衡電磁技術(shù)管道內(nèi)表面裂紋檢測(cè)的互感模型，研究了激勵(lì)電流對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，采用有限元仿真的方式計(jì)算了不同激勵(lì)電流下的檢測(cè)信號(hào)幅值，采用串聯(lián)諧振電路減小激勵(lì)線(xiàn)圈阻抗，增大激勵(lì)電流，設(shè)計(jì)了基于串聯(lián)諧振的平衡電磁技術(shù)激勵(lì)電路，以實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證了該方法對(duì)檢測(cè)信號(hào)靈敏度的提升。

1 平衡電磁技術(shù)靈敏度提升原理

介紹了基于平衡電磁技術(shù)的管道裂紋缺陷檢測(cè)原理，分析了激勵(lì)電流對(duì)管道表面感應(yīng)電流的作用，以激勵(lì)線(xiàn)圈、檢測(cè)線(xiàn)圈與管道表面的互感模型研究了激勵(lì)電流對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響。

1.1 平衡電磁技術(shù)管道裂紋檢測(cè)原理

平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器采用與被檢管道垂直的線(xiàn)圈作為激勵(lì)，與被檢管道平行的線(xiàn)圈作為接收，以高磁導(dǎo)率鐵氧體磁芯將激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)至管道表面，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)

在與被檢管道表面垂直的線(xiàn)圈兩端施加正弦交流電壓，產(chǎn)生電磁場(chǎng)，通過(guò)高導(dǎo)磁鐵氧體將磁場(chǎng)導(dǎo)至管道表面，管道表面感應(yīng)出電磁場(chǎng)。在管道表面沒(méi)有裂紋缺陷時(shí)，管道表面是電磁平衡狀態(tài)，檢測(cè)線(xiàn)圈內(nèi)沒(méi)有感應(yīng)電壓；當(dāng)管道表面存在裂紋缺陷時(shí)，裂紋缺陷使得管道表面電磁平衡狀態(tài)被破壞，產(chǎn)生漏磁通與感應(yīng)電流畸變，檢測(cè)線(xiàn)圈內(nèi)有感應(yīng)電壓產(chǎn)生。

1.2 平衡電磁技術(shù)裂紋檢測(cè)互感模型

當(dāng)平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器的激勵(lì)線(xiàn)圈通以交變電流，在激勵(lì)線(xiàn)圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，假設(shè)激勵(lì)電流為

i(t)=Isin(ωt)

(1)

式中I為交變電流的幅值。

激勵(lì)電流產(chǎn)生的磁通密度在各向同性、線(xiàn)性且均勻的鐵氧體磁芯中傳播，激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通密度為[11]

B(t)=μni(t)=μnIsin(ωt)

(2)

式中μ為鐵氧體磁芯的磁導(dǎo)率。

由式(2)可知，隨著激勵(lì)電流的增加，激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通密度變大，由高磁導(dǎo)率鐵氧體磁芯按照一定比例導(dǎo)入到管道內(nèi)部的初級(jí)磁場(chǎng)強(qiáng)度也相應(yīng)變大。結(jié)合磁場(chǎng)強(qiáng)度和麥克斯韋方程，激勵(lì)線(xiàn)圈在管道內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電流密度為[12]

(3)

式中：z為交變電磁場(chǎng)在管道內(nèi)部的傳播深度；d為交變電磁場(chǎng)的滲透深度；H0為初級(jí)磁場(chǎng)強(qiáng)度；k為初級(jí)磁場(chǎng)導(dǎo)入到管道內(nèi)部磁場(chǎng)的比例系數(shù)。

由式(3)可知，隨著激勵(lì)電流的增加，管道表面感應(yīng)電流密度變大。為了分析檢測(cè)信號(hào)與感應(yīng)電流的關(guān)系，建立被檢管道與平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器激勵(lì)、檢測(cè)線(xiàn)圈的耦合關(guān)系，采用阻抗分析法[13]研究激勵(lì)線(xiàn)圈、檢測(cè)線(xiàn)圈與被檢管道的互感模型。平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器互感模型如圖2所示。

圖2 平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器互感模型

激勵(lì)線(xiàn)圈與檢測(cè)線(xiàn)圈均采用銅材料漆包線(xiàn)纏繞而成，可以將激勵(lì)線(xiàn)圈、檢測(cè)線(xiàn)圈、被檢管道等效成電阻與電感串聯(lián)的形式。將激勵(lì)線(xiàn)圈等效成電路1，將檢測(cè)線(xiàn)圈等效成電路2，將被檢管道等效成電路3。其中，M12為激勵(lì)線(xiàn)圈與檢測(cè)線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)，M13為激勵(lì)線(xiàn)圈與被檢管道之間的互感系數(shù)，M23為檢測(cè)線(xiàn)圈與被檢管道之間的互感系數(shù)。將激勵(lì)線(xiàn)圈等效成電阻R1與電感L1相串聯(lián)，將檢測(cè)線(xiàn)圈等效成電阻R2與電感L2相串聯(lián)，將被檢管道等效成電阻R3與電感L3相串聯(lián)。激勵(lì)線(xiàn)圈電流為I1，檢測(cè)線(xiàn)圈電流為I2，被檢管道表面感應(yīng)電流I3，在激勵(lì)線(xiàn)圈兩端施加的電壓為Ui，檢測(cè)線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓為Uo，則激勵(lì)電壓與感應(yīng)電壓的關(guān)系為

Uo=jωM21I1+Z2I2+jωM23I3

(4)

由于激勵(lì)線(xiàn)圈與檢測(cè)線(xiàn)圈的空間結(jié)構(gòu)，可以得到激勵(lì)線(xiàn)圈與檢測(cè)線(xiàn)圈之間的互感系數(shù)M12為0，在傳感器結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化時(shí)，檢測(cè)線(xiàn)圈與管道的互感系數(shù)也沒(méi)有變化。根據(jù)激勵(lì)電流增大，管道表面感應(yīng)電流增大，以及檢測(cè)線(xiàn)圈與管道互感系數(shù)M23不變的現(xiàn)象，由式(4)可以得到檢測(cè)線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓隨激勵(lì)電流增大相應(yīng)增大的規(guī)律。

2 平衡電磁技術(shù)激勵(lì)電流仿真分析

為分析激勵(lì)電流與管道表面裂紋檢測(cè)信號(hào)的關(guān)系，采用Comsol有限元仿真軟件對(duì)不同激勵(lì)電流下管道表面周、軸向裂紋的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行仿真計(jì)算，由于采用交流激勵(lì)，所以對(duì)仿真模型進(jìn)行頻域分析。建立含有U形鐵氧體磁芯激勵(lì)線(xiàn)圈的有限元數(shù)值仿真模型，分析不同激勵(lì)電流下檢測(cè)線(xiàn)圈電壓的變化規(guī)律。激勵(lì)線(xiàn)圈與檢測(cè)線(xiàn)圈均為銅材質(zhì)，激勵(lì)線(xiàn)圈匝數(shù)為400匝，均勻纏繞在激勵(lì)磁芯的中間部位，檢測(cè)線(xiàn)圈匝數(shù)為1000匝。對(duì)管道表面周向、軸向6 mm長(zhǎng)，1 mm寬，3 mm深的裂紋缺陷仿真模擬。對(duì)平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器激勵(lì)線(xiàn)圈施加頻率為1 kHz，大小為10～50 mA，步進(jìn)為10 mA的交流電流，建立仿真模型如圖3所示。

圖3 平衡電磁技術(shù)管道裂紋檢測(cè)模型

以管道中點(diǎn)為原點(diǎn)，左右各20 mm為起始和終止點(diǎn)，傳感器從左至右以1 mm的步進(jìn)掃描計(jì)算，提取平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器的檢測(cè)信號(hào)，周向裂紋檢測(cè)電壓如圖4所示。

圖4 周向裂紋仿真信號(hào)

從圖4可以看出，管道表面周向裂紋的檢測(cè)信號(hào)特征為先峰后谷，且周向裂紋檢測(cè)信號(hào)隨著激勵(lì)電流的增大而增大。提取平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器的軸向檢測(cè)信號(hào)，軸向裂紋檢測(cè)電壓如圖5所示。

圖5 軸向裂紋仿真信號(hào)

從圖5可以看出，管道表面軸向裂紋的檢測(cè)信號(hào)特征為先谷后峰，且軸向裂紋檢測(cè)信號(hào)隨著激勵(lì)電流的增大而增大。提取管道表面周向、軸向裂紋檢測(cè)信號(hào)的幅值，并繪制管道表面周向、軸向裂紋檢測(cè)仿真信號(hào)幅值隨激勵(lì)電流變化曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 仿真信號(hào)幅值與激勵(lì)電流關(guān)系

從圖6可以看出，管道表面周向、軸向裂紋的仿真信號(hào)幅值隨激勵(lì)電流呈線(xiàn)性變化，且周向裂紋的仿真信號(hào)幅值大于軸向裂紋仿真信號(hào)幅值。

3 平衡電磁技術(shù)激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

分析了串聯(lián)諧振電路增加檢測(cè)靈敏度的機(jī)理，并基于串聯(lián)諧振設(shè)計(jì)了平衡電磁技術(shù)激勵(lì)電路。

3.1 串聯(lián)諧振電路分析

根據(jù)檢測(cè)信號(hào)隨激勵(lì)電流增大而線(xiàn)性變大的規(guī)律，增大激勵(lì)電流可以提升平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器靈敏度。安培定律為

(5)

由式(5)可知，增大激勵(lì)電流可通過(guò)增大激勵(lì)電壓或減小激勵(lì)線(xiàn)圈阻抗實(shí)現(xiàn)。由于管道內(nèi)檢測(cè)器以電池供電，且攜帶電池?cái)?shù)量有限，不能通過(guò)增加電池串聯(lián)的數(shù)量提升電壓；以升壓電路的形式提升電壓會(huì)產(chǎn)生額外的損耗，減少檢測(cè)器運(yùn)行時(shí)間，所以一般不采取提升電壓的方法。由于線(xiàn)圈可以看成是電感與純電阻的串聯(lián)，根據(jù)串聯(lián)諧振電路特性可以得到，電感與電容串聯(lián)發(fā)生諧振的情況下可以減小激勵(lì)線(xiàn)圈阻抗，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)電流的增大，并提升檢測(cè)靈敏度。串聯(lián)諧振電路模型如圖7所示，線(xiàn)圈為電感L與電阻R的串聯(lián)，計(jì)算電阻R兩端的電壓即可得到諧振回路電流。

圖7 串聯(lián)諧振電路模型

串聯(lián)諧振電路的傳遞函數(shù)為

(6)

令：

(7)

(8)

將式(7)與式(8)帶入到式(6)，得到：

(9)

式(9)表示輸出電壓的幅值與相位均隨激勵(lì)頻率發(fā)生改變，幅頻特性與相頻特性分別為：

(10)

(11)

當(dāng)輸入電壓頻率ω為ω0時(shí)，A(ω)為1，φ(ω)為0，表示此時(shí)輸入電壓與輸出電壓的幅值相等，相位相同。根據(jù)串聯(lián)諧振電路的輸入阻抗：

(12)

3.2 激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

由于平衡電磁技術(shù)采用交流激勵(lì)，可以利用DDS原理來(lái)產(chǎn)生正弦信號(hào)，但此信號(hào)沒(méi)有帶載能力，需接一個(gè)功率放大電路以驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線(xiàn)圈。激勵(lì)電路組成框圖如圖8所示。

圖8 激勵(lì)電路組成

基于DDS原理產(chǎn)生一路參數(shù)可調(diào)節(jié)的正弦信號(hào)，參數(shù)包含信號(hào)幅度、初始相位和頻率。DDS信號(hào)發(fā)生器采用DDS芯片AD9833，該芯片是采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)推出的高精度、性能穩(wěn)定的DDS頻率合成器。AD9833是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波和方波。AD9833輸出頻率和相位可通過(guò)軟件進(jìn)行編程，調(diào)整簡(jiǎn)單。原理圖如9所示。

圖9 DDS信號(hào)發(fā)生電路

其中，L1與C4、C5構(gòu)成濾波電路，對(duì)AD9833輸入的電源降噪處理，使得其產(chǎn)生的正弦信號(hào)更純凈。AD9833頻率寄存器為28位，X1晶振頻率為25 MHz，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)0.1 Hz的分辨率。AD9833通過(guò)1個(gè)三線(xiàn)式串行接口寫(xiě)入數(shù)據(jù)，該串行接口能夠以最高40 MHz的時(shí)鐘速率工作，可以與FPGA兼容。

由于平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器工作在1 kHz頻率，在此頻率下音頻功率放大器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率的放大功能。采用AB類(lèi)音頻放大器LM4871，該芯片供電電壓低，輸出噪聲小。由于是AB類(lèi)音頻功率放大器，可以實(shí)現(xiàn)雙倍于電源電壓的激勵(lì)信號(hào)，使得激勵(lì)電壓變大，根據(jù)安培定律，隨著激勵(lì)電壓的變大，激勵(lì)電流也相應(yīng)變大，可以獲得更高的靈敏度。LM4871還有工作使能引腳，在不需要檢測(cè)時(shí)可以控制其停止工作，以降低系統(tǒng)功耗。功率放大電路如圖10所示。

圖10 功率放大電路

通過(guò)調(diào)節(jié)R25與R26的比值，可以對(duì)激勵(lì)信號(hào)的放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的線(xiàn)性工作范圍。C20與激勵(lì)線(xiàn)圈構(gòu)成諧振回路，降低回路阻抗，增加激勵(lì)電流，提高靈敏度。

4 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

為驗(yàn)證基于串聯(lián)諧振的激勵(lì)電路對(duì)平衡電磁技術(shù)檢測(cè)靈敏度的提升，設(shè)計(jì)并搭建了平衡電磁技術(shù)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平衡電磁技術(shù)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由三軸滑動(dòng)平臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、編碼器、采集控制模塊、平衡電磁技術(shù)檢測(cè)傳感器、包括激勵(lì)電路在內(nèi)的信號(hào)發(fā)生處理模塊、PC機(jī)組成。工作原理如圖11所示。

圖11 同步數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

采集控制模塊向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出勻速運(yùn)動(dòng)的控制指令，驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)三軸滑動(dòng)平臺(tái)勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，安裝在主軸上的檢測(cè)傳感器對(duì)裂紋進(jìn)行勻速檢測(cè)。三軸滑動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，三軸滑動(dòng)平臺(tái)每運(yùn)動(dòng)0.1 mm編碼器旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，采集控制模塊接收到此脈沖信號(hào)后，采集處理后的傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與信號(hào)采集的同步。采集的數(shù)字信號(hào)再傳輸至PC機(jī)顯示、存儲(chǔ)。限位器1和限位器2起到對(duì)檢測(cè)傳感器位置標(biāo)定的作用，其中限位器1為檢測(cè)起始點(diǎn)，限位器2位檢測(cè)終止點(diǎn)。

在2段管道上分別沿周向與軸向刻制2個(gè)裂紋缺陷，裂紋缺陷尺寸如表1所示。

表1 管道裂紋尺寸表 mm

將管道沿檢測(cè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向擺放進(jìn)行檢測(cè)，激勵(lì)電路諧振前后裂紋缺陷檢測(cè)信號(hào)如圖12所示。

圖12 裂紋缺陷檢測(cè)信號(hào)

采用萬(wàn)用表測(cè)試激勵(lì)電路諧振前后激勵(lì)電流分別為9 mA和37 mA，可以計(jì)算得到激勵(lì)電流提升了311.1%。提取管道表面裂紋缺陷檢測(cè)信號(hào)的幅值，繪制激勵(lì)電路諧振前后檢測(cè)電壓表格，并計(jì)算提升的檢測(cè)靈敏度。

由表2可以看出激勵(lì)電路在發(fā)生諧振后裂紋檢測(cè)電壓有明顯增大，檢測(cè)靈敏度有較大提升，且靈敏度提升與激勵(lì)電流的提升一致。采用串聯(lián)諧振的激勵(lì)電路可以實(shí)現(xiàn)平衡電磁技術(shù)裂紋檢測(cè)靈敏度的提升。

表2 有無(wú)諧振檢測(cè)電壓幅值表

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)平衡電磁技術(shù)管道表面裂紋檢測(cè)靈敏度問(wèn)題，提出了采用串聯(lián)諧振激勵(lì)電路增大激勵(lì)電流，提升檢測(cè)靈敏度的方法。采用理論分析，仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究的方式，實(shí)現(xiàn)了平衡電磁技術(shù)檢測(cè)靈敏度的提升。研究結(jié)果表明：采用串聯(lián)諧振電路可以增大311.1%平衡電磁技術(shù)激勵(lì)電流，對(duì)管道表面周向裂紋的檢測(cè)靈敏度提升了317.8%，對(duì)管道表面軸向裂紋的檢測(cè)靈敏度提升了307.7%。