邱公喆，康宜華，程 偲，姜 春

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

0 前 言

連續(xù)油管（coiled tubing, CT）廣泛應(yīng)用于油田鉆井、完井、壓裂、酸化、排液、試油、采油采氣、修井、集輸管線解堵等領(lǐng)域，其失效形式主要包括腐蝕、機(jī)械損傷和制造缺陷[1]。在CT的制造過(guò)程中，需對(duì)原材料鋼板、產(chǎn)品CT進(jìn)行嚴(yán)格的無(wú)損檢測(cè)，分層缺陷是無(wú)損檢測(cè)的內(nèi)容之一。

應(yīng)用較為廣泛的金屬板材和管材分層檢測(cè)方法是超聲法，主要包括Lamb波法[2-3]和測(cè)厚法[4-5]等。Lamb波與板內(nèi)缺陷相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生反射、透射、模式轉(zhuǎn)換、振幅減小和飛行時(shí)間變化等現(xiàn)象[6-8]，在回波檢測(cè)信號(hào)中攜帶與缺陷相關(guān)的信息[9-10]，其檢測(cè)分層的能力與選用的模態(tài)、缺陷在板厚方向的位置等因素密切相關(guān)，但信號(hào)解釋較為困難[11-12]。測(cè)厚法對(duì)分層缺陷具有很高的檢測(cè)靈敏度，由于始波和界面波的干擾，在被檢材料近表面存在檢測(cè)盲區(qū)，因而難以發(fā)現(xiàn)外折、重皮等缺陷，此外，激勵(lì)聲波的重復(fù)頻率限制了檢測(cè)的速度[13-14]。

隨著研究的深入，越來(lái)越多的學(xué)者注意到直流磁化下鐵磁性材料缺陷處的磁導(dǎo)率畸變現(xiàn)象。宋凱等[15]利用磁飽和渦流法檢測(cè)鋼管時(shí)，檢出了鋼管內(nèi)壁缺陷，這與趨膚效應(yīng)原理相矛盾，隨后開(kāi)展深入研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁缺陷在鋼管外壁引起的磁導(dǎo)率畸變是檢測(cè)信號(hào)形成的真正根源。李二龍等[16]也提出，直流磁化下埋藏缺陷在鋼板表面和近表面引起的磁導(dǎo)率分布異常是磁化渦流技術(shù)檢出埋藏缺陷的機(jī)理。鄧志揚(yáng)等提出基于磁導(dǎo)率測(cè)量的漏磁法（P-MFL），實(shí)現(xiàn)了對(duì)大埋深缺陷的檢測(cè)[17]，并基于等效源法揭示了該方法的檢測(cè)機(jī)理[18]。伍劍波等基于磁導(dǎo)率擾動(dòng)機(jī)理建立熱響應(yīng)和缺陷參數(shù)之間的物理聯(lián)系[19]，利用感應(yīng)加熱成像技術(shù)測(cè)量鋼板表面開(kāi)口裂紋深度[20]，并成功檢出鋼板亞表面缺陷[21]。馮搏等[22]討論了磁化強(qiáng)度對(duì)鋼板分層缺陷的磁導(dǎo)率擾動(dòng)信號(hào)的影響。

磁導(dǎo)率已成為內(nèi)、外部缺陷與檢測(cè)信號(hào)之間聯(lián)系的物理媒介和特征參量。本研究提出一種連續(xù)油管等薄壁管板材分層缺陷的磁導(dǎo)率擾動(dòng)（magnetic permeability perturbation, MPP）電磁檢測(cè)新方法（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MPPT）。當(dāng)沿管、板法向施加磁力時(shí)，分層缺陷的分層面將垂直于磁場(chǎng)方向，在分層的交界部位產(chǎn)生內(nèi)部磁場(chǎng)的擾動(dòng)，從而在開(kāi)口附近引發(fā)磁導(dǎo)率的擾動(dòng)，這一擾動(dòng)可以從內(nèi)部傳遞到表層[17-18]。利用差動(dòng)渦流傳感器檢測(cè)表層磁導(dǎo)率擾動(dòng)，即可獲得內(nèi)部分層缺陷的檢測(cè)信號(hào)。與Lamb波法相比，MPPT形成缺陷信號(hào)的機(jī)理簡(jiǎn)單，類(lèi)似于漏磁檢測(cè)方法，便于快速建立信號(hào)與缺陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系；與超聲測(cè)厚法相比，MPPT在原理上避免了始波和界面波的干擾，能對(duì)近表面分層實(shí)施檢測(cè)，更能適應(yīng)高速度的檢測(cè)應(yīng)用。

1 檢測(cè)方法

鋼板分層缺陷MPPT 探頭如圖1 所示，永磁體沿法向放置在管、板上，確保磁化區(qū)內(nèi)的鐵磁體工作在磁特性曲線中最大磁導(dǎo)率點(diǎn)以遠(yuǎn)的近飽和磁化狀態(tài)，使得相對(duì)磁導(dǎo)率隨磁化強(qiáng)度增大而單調(diào)減小。類(lèi)似于電磁超聲測(cè)厚原理[23]，檢測(cè)過(guò)程中，永磁體和檢測(cè)探頭相對(duì)于管、板移動(dòng)，渦流激勵(lì)和檢測(cè)線圈由FPCB 制成，放置在永磁體磁極端面的正下方且貼近管板表面，采用差動(dòng)渦流檢測(cè)技術(shù)測(cè)量管、板不同空間位置上的表層磁導(dǎo)率差異。

圖1 鋼板分層缺陷MPPT探頭

2 仿真分析

2.1 仿真模型

建立鋼板分層缺陷MPPT 探頭的2D 仿真模型，如圖2 所示，相關(guān)物理參數(shù)見(jiàn)表1。將永磁體正下方的鋼板（藍(lán)色虛線框所示）區(qū)域定義為檢測(cè)區(qū)。以檢測(cè)區(qū)的右邊緣為y軸、鋼板底邊為x軸建立坐標(biāo)系。鋼板相對(duì)磁鐵沿x軸負(fù)方向移動(dòng)。分層缺陷位于起始位置時(shí)，其左邊沿到坐標(biāo)系原點(diǎn)的水平距離s為5 mm，永磁體寬度W為10 mm。鋼板的磁特性通過(guò)非線性B-H曲線求取。利用參數(shù)化掃描，改變分層缺陷的水平位置，基于穩(wěn)態(tài)求解器計(jì)算測(cè)點(diǎn)處的相對(duì)磁導(dǎo)率。

表1 仿真模型的相關(guān)物理參數(shù)

圖2 鋼板分層缺陷MPPT探頭有限元仿真模型

2.2 分層缺陷測(cè)點(diǎn)處磁導(dǎo)率分布

圖3 所示為分層缺陷引起的鋼板內(nèi)部磁導(dǎo)率分布云圖，在永磁體正下方、鋼板內(nèi)部、距上表面0.01 mm 處設(shè)置測(cè)點(diǎn)，觀察分層缺陷相對(duì)于永磁體、在不同軸向（板長(zhǎng)方向）位置時(shí)測(cè)點(diǎn)處的相對(duì)磁導(dǎo)率μr。黑色實(shí)線表示磁力線走向。當(dāng)分層缺陷進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后，缺陷的上表面聚集正磁荷、下表面聚集負(fù)磁荷，在缺陷附近形成白色實(shí)線所示的畸變場(chǎng)Bdis。將檢測(cè)區(qū)等分為I、II 兩個(gè)片區(qū)，定性分析缺陷進(jìn)入不同片區(qū)的狀況。如圖3（b）所示，分層缺陷左端頭進(jìn)入I 號(hào)片區(qū)后，測(cè)點(diǎn)處Bdis方向與磁化場(chǎng)方向呈銳角，測(cè)點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度‖B‖增大；如圖3（c）所示，分層缺陷左端頭進(jìn)入II 號(hào)片區(qū)后，測(cè)點(diǎn)處Bdis方向與磁化場(chǎng)方向呈鈍角，因此‖B‖減??；如圖3（d）所示，分層缺陷左端頭離開(kāi)II 號(hào)片區(qū)后，測(cè)點(diǎn)處Bdis的豎直分量保持不變，因此‖B‖恒定。綜上所述，分層缺陷進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)處‖B‖先增大，再減小，最后保持不變；相應(yīng)地，測(cè)點(diǎn)處μr會(huì)先減小，再增大，最后保持不變。

圖3 分層缺陷引起的鋼板內(nèi)部磁導(dǎo)率分布云圖

圖3 還顯示了分層缺陷位于不同水平位置時(shí)，鋼板內(nèi)部相對(duì)磁導(dǎo)率的分布云圖，圖例表示相對(duì)磁導(dǎo)率的大小。磁導(dǎo)率擾動(dòng)從缺陷傳遞到鋼板表層的過(guò)程中存在明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，因此測(cè)得的磁導(dǎo)率擾動(dòng)影響范圍要大于缺陷的實(shí)際延伸范圍。

2.3 分層缺陷對(duì)磁導(dǎo)率的擾動(dòng)

提取圖3 中測(cè)點(diǎn)處的相對(duì)磁導(dǎo)率隨分層缺陷移動(dòng)的變化曲線，得到分層缺陷對(duì)磁導(dǎo)率的擾動(dòng)結(jié)果，如圖4 所示，橫軸表示分層缺陷向左平移的距離，縱軸為測(cè)點(diǎn)的相對(duì)磁導(dǎo)率μr。μr曲線呈關(guān)于紅色虛線左右對(duì)稱(chēng)的倒雙峰結(jié)構(gòu)。在a點(diǎn)之前，測(cè)點(diǎn)的μr值定義為基值μrf；在a、c兩點(diǎn)之間，分層缺陷逐漸進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，測(cè)點(diǎn)μr值隨分層缺陷的移動(dòng)發(fā)生變化；在c、d兩點(diǎn)之間，分層缺陷完全進(jìn)入檢測(cè)區(qū)；在d、f兩點(diǎn)之間，分層缺陷逐漸離開(kāi)檢測(cè)區(qū)；在h點(diǎn)之后，分層缺陷完全離開(kāi)檢測(cè)區(qū)，測(cè)點(diǎn)的μr值回到μrf。

圖4 分層缺陷對(duì)磁導(dǎo)率的擾動(dòng)

提取圖4中兩個(gè)特征值來(lái)表征μr曲線的變化特點(diǎn)。峰-峰值Spp為a、b兩點(diǎn)間的豎直距離，表征分層缺陷在測(cè)點(diǎn)處引起的最大磁導(dǎo)率擾動(dòng)，與缺陷埋深D和層厚T有關(guān)；峰寬值Sw為b、e兩點(diǎn)之間的水平距離，表征分層缺陷從開(kāi)始進(jìn)入到完全離開(kāi)檢測(cè)區(qū)所需要平移的距離，與缺陷長(zhǎng)度L有關(guān)。

2.4 分層的幾何參數(shù)與磁導(dǎo)率擾動(dòng)特征

2.4.1 分層沿掃查方向的長(zhǎng)度

隨掃查方向長(zhǎng)度L的特征變化如圖5 所示。圖5（a）中給出了L-μr曲線，提取圖中的一些特征參數(shù)可以得到圖5（b）。L分別取10 mm、15 mm、20 mm 和25 mm，其余參數(shù)同表1。如圖5 所示，Spp對(duì)分層缺陷的長(zhǎng)度變化并不敏感，Sw隨缺陷長(zhǎng)度的增大單調(diào)增大，說(shuō)明Sw可以作為衡量分層缺陷長(zhǎng)度的重要參考指標(biāo)。

圖5 隨掃查方向長(zhǎng)度L的特征變化

選取b、e兩點(diǎn)間的水平距離作為Sw的值，主要基于以下兩點(diǎn)考慮：①b、e兩點(diǎn)為極小值點(diǎn)，相對(duì)于a、f兩點(diǎn)而言，更容易確定其實(shí)際位置；②分層缺陷引起的磁導(dǎo)率擾動(dòng)傳遞到鋼板表面的過(guò)程中存在明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，這導(dǎo)致了a、f兩點(diǎn)間的水平距離顯著大于分層缺陷的實(shí)際長(zhǎng)度，為了補(bǔ)償這一誤差，應(yīng)當(dāng)選取b、e兩點(diǎn)間的水平距離作為Sw的值。

2.4.2 分層的埋深

缺陷埋深的影響如圖6所示。圖6（a）給出了D-μr曲線，提取圖中特征參數(shù)可得圖6（b）。D分別取3.0 mm、4.0 mm、5.0 mm和6.0 mm，其余參數(shù)同表1。如圖6 所示，Sw隨D增大略微增大，這與磁導(dǎo)率擾動(dòng)在傳遞過(guò)程中的擴(kuò)散現(xiàn)象有關(guān)，D越大，磁導(dǎo)率擾動(dòng)的擴(kuò)散范圍越廣。SPP隨D增大迅速減小，這表明系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度也隨D增大而降低，原因在于，D越大，從缺陷傳遞到鋼板表層的磁導(dǎo)率擾動(dòng)越弱。

圖6 缺陷埋深D的影響

2.4.3 分層的厚度

缺陷層厚的影響如圖7所示。圖7（a）給出了T-μr曲線，提取圖中特征參數(shù)可得圖7（b）。層厚T分別取0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm 和0.25 mm，其余參數(shù)同表1。從圖7 可以看出，Sw對(duì)D的變化不敏感。SPP隨D增大單調(diào)增大，但變化較小且趨于平緩，說(shuō)明分層缺陷引入的磁阻對(duì)主磁通量變化的影響有限，產(chǎn)生磁導(dǎo)率擾動(dòng)的主導(dǎo)因素不是分層缺陷引入的磁阻導(dǎo)致的主磁通量的變化，而是分層缺陷端頭產(chǎn)生的內(nèi)部擾動(dòng)場(chǎng)引起的測(cè)點(diǎn)處磁通量密度的變化。由于缺陷端頭附近的空間磁場(chǎng)擾動(dòng)量要遠(yuǎn)大于缺陷中部，因此該檢測(cè)方法只對(duì)分層的邊界敏感。

圖7 缺陷層厚的影響

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

鋼板分層缺陷檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示，試驗(yàn)平臺(tái)包括信號(hào)發(fā)生器、永磁體、渦流線圈、檢波電路、放大電路和示波器。檢測(cè)樣本為厚度10 mm的45鋼板，其上用線切割法加工出平行于上下表面的人工通槽，通槽參數(shù)見(jiàn)表2。永磁體沿10 mm厚度方向磁化鋼板。同軸渦流線圈位于永磁體正下方，其位置相對(duì)永磁體固定。信號(hào)發(fā)生器在激勵(lì)線圈兩端加載幅值5 V、頻率200 kHz的正弦交變電壓。檢測(cè)過(guò)程中，鋼板相對(duì)永磁體水平向左移動(dòng)。接收線圈兩端感應(yīng)電壓的變化ΔV經(jīng)過(guò)檢波電路和放大電路處理后顯示在示波器上。分層缺陷位于鐵磁性材料內(nèi)部，受壁厚磁屏蔽效應(yīng)的影響，其產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)較弱，因此，忽略空氣中的漏磁場(chǎng)對(duì)ΔV的影響。

表2 試驗(yàn)樣本（人工通槽）參數(shù)

圖8 鋼板分層缺陷檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

勵(lì)磁電流對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響如圖9 所示，由于渦流線圈感應(yīng)電壓與被測(cè)鋼板表面的相對(duì)磁導(dǎo)率正相關(guān)，因此ΔV與圖4 所示的磁導(dǎo)率擾動(dòng)曲線波形相似，均為左右對(duì)稱(chēng)的倒雙峰結(jié)構(gòu)。分層缺陷進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后，ΔV均為負(fù)值，說(shuō)明缺陷使材料表層相對(duì)磁導(dǎo)率降低，感應(yīng)電壓幅值減小，這與前述理論分析相符。隨L增大，ΔV雙峰間距增大；隨D增大，ΔV幅值迅速減?。浑ST增大，ΔV幅值增大，上述現(xiàn)象均與仿真結(jié)果吻合。

圖9 勵(lì)磁電流對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

4 連續(xù)油管板材檢測(cè)系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)組成

連續(xù)油管板材檢測(cè)系統(tǒng)的組成如圖10 所示，檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳送裝置、氣動(dòng)伸縮裝置、分選裝置、PLC 控制系統(tǒng)和檢測(cè)主機(jī)構(gòu)成。傳動(dòng)裝置將板材移入、移出檢測(cè)主機(jī)；氣動(dòng)伸縮裝置在檢測(cè)完成后將探頭抬離板材表面；分選裝置根據(jù)上位機(jī)的判斷結(jié)果篩選合格件；PLC 控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的動(dòng)作時(shí)序；檢測(cè)主機(jī)由正弦波發(fā)生電路、檢波放大電路、A/D 采集電路和上位機(jī)等部分組成，用于獲取、記錄探傷信號(hào)。

圖10 連續(xù)油管板材檢測(cè)系統(tǒng)的組成

4.2 陣列探頭

單個(gè)分層檢測(cè)探頭主要由激勵(lì)線圈、接收線圈和永磁體組成。如圖11所示，由于單個(gè)探頭的檢測(cè)范圍有限，將四個(gè)“品”字形排列的探頭安裝在帶滾輪的夾持機(jī)構(gòu)上，構(gòu)成一個(gè)探頭組。檢測(cè)過(guò)程中，夾持機(jī)構(gòu)利用永磁體的吸附力貼附于板材表面，保證探頭到板材表面的距離恒定；檢測(cè)完成后，夾持機(jī)構(gòu)在氣動(dòng)伸縮裝置的牽引下與板材表面脫離。如圖12所示，為實(shí)現(xiàn)全覆蓋掃查，在板材上下表面均布置有邊緣探頭組和中部探頭組。邊緣探頭組安裝有跟蹤靠輪，可自動(dòng)感知板邊位置，用于板材左右兩側(cè)邊緣區(qū)域的檢測(cè)。中部探頭組垂直于板材前進(jìn)方向呈品字形陣列布置，用于掃查板材表面除左右邊緣外的中間區(qū)域。

圖11 探頭組夾持機(jī)構(gòu)

圖12 探頭布置簡(jiǎn)圖

4.3 設(shè)備布置

連續(xù)油管板材檢測(cè)設(shè)備布置如圖13 所示，檢測(cè)設(shè)備為龍門(mén)結(jié)構(gòu)，被檢鋼板由拖輪組帶動(dòng)直線穿過(guò)檢測(cè)設(shè)備。輸入輥道上的鋼板通過(guò)設(shè)備時(shí)，設(shè)備能通過(guò)光電傳感器檢測(cè)鋼板的板頭信號(hào)、板尾信號(hào)、前進(jìn)速度等信息，并跟蹤鋼板邊緣。安裝在1#、2#、3#、4#橫梁上的探頭組呈梳狀布置，完成對(duì)鋼板上下表面的全覆蓋掃查。1#、2#立柱橫梁位于傳輸輥道上方，在橫梁的前、后側(cè)安裝有直線導(dǎo)軌。1#橫梁前部安裝上表面邊緣探頭組，后部安裝上表面中部探頭組1；2#橫梁后部安裝上表面中部探頭組2；3#、4#立柱橫梁位于傳輸輥道下方，在橫梁的前、后側(cè)同樣安裝有直線導(dǎo)軌；3#橫梁前部安裝下表面邊緣探頭組，后部安裝下表面中部探頭組1；4#橫梁后部安裝下表面中部探頭組2。邊緣探頭組對(duì)鋼板邊部進(jìn)行分層檢測(cè)，中部探頭組對(duì)鋼板中部區(qū)域進(jìn)行分層檢測(cè)。在設(shè)備前、中、后部，還配置有1#、2#、3#壓緊輥裝置，防止鋼板在檢測(cè)過(guò)程中跳動(dòng)。3 個(gè)壓緊輥裝置的結(jié)構(gòu)基本相同，主要由安裝支架、壓輪、升降裝置和導(dǎo)向裝置等組成。

圖13 檢測(cè)設(shè)備布置簡(jiǎn)圖

4.4 檢測(cè)流程

利用PLC 實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的協(xié)同控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)的重要一環(huán)，檢測(cè)工藝流程如圖14 所示。檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下主要功能：①自動(dòng)上下料；②自動(dòng)高精度探傷，并記錄缺陷位置；③自動(dòng)標(biāo)記缺陷；④自動(dòng)根據(jù)探傷信號(hào)分選合格件、降級(jí)件和判廢件。

圖14 檢測(cè)流程圖

5 連續(xù)油管管材檢測(cè)系統(tǒng)

連續(xù)油管管材檢測(cè)系統(tǒng)與板材檢測(cè)系統(tǒng)在系統(tǒng)組成、檢測(cè)流程等方面相似，因此不作贅述。兩者的主要區(qū)別在于陣列探頭的布置方式。如圖15 所示，為實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)油管表面的全覆蓋掃查，沿管材周向布置一圈MPPT 探頭。檢測(cè)過(guò)程中，管材在對(duì)輥的帶動(dòng)下沿軸向前進(jìn)。為保證不低于10%的重疊率，根據(jù)單個(gè)MPPT探頭的周向有效檢測(cè)長(zhǎng)度和管徑布置需要的探頭數(shù)目。

圖15 探頭布置簡(jiǎn)圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出一種連續(xù)油管用薄壁板材和成品管材分層缺陷的磁導(dǎo)率擾動(dòng)電磁檢測(cè)方法與系統(tǒng)。其信號(hào)成因類(lèi)似于漏磁檢測(cè)方法，但磁化場(chǎng)方向沿法向；其探頭結(jié)構(gòu)類(lèi)似于電磁超聲測(cè)厚探頭，但線圈的激勵(lì)為低頻連續(xù)電流。試驗(yàn)證明了該方法的有效性，在薄壁鐵磁性管、板件的分層檢測(cè)應(yīng)用上具有一定的優(yōu)勢(shì)。