摘 要:通過仿真優(yōu)化與試驗,研制了一套用于承壓類管道內(nèi)壁損傷檢測的系統(tǒng),系統(tǒng)由低頻 電磁傳感器模塊、信號發(fā)生模塊、功率放大模塊以及信號調(diào)理模塊構(gòu)成。通過低頻電磁傳感器磁化 管道并采集管道的電磁信號,由信號發(fā)生和功率放大模塊完成對激勵線圈的勵磁,信號調(diào)理模塊完 成數(shù)據(jù)放大和濾波,最終實現(xiàn)管道內(nèi)部缺陷檢測。試驗結(jié)果表明,該低頻電磁檢測系統(tǒng)靈敏度高, 可以實現(xiàn)對直徑為152mm,厚度為16mm,埋深為12.8mm 的304不銹鋼承壓管道內(nèi)部缺陷的有 效檢測,且其最佳檢測頻率為100Hz~200Hz。
關(guān)鍵詞:多通道檢測系統(tǒng);管道缺陷;低頻電磁;內(nèi)外壁損傷
中圖分類號:TH878;TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1000-6656(2022)09-0045-07
承壓類管道是重要的氣體、液體運(yùn)輸工具。截 止目前,我國現(xiàn)有的原油管道長度達(dá)到6.5萬千米, 天然氣管道總長度達(dá)到10.4萬千米。按照國家相 關(guān)部門發(fā)布的文件顯示,到2025年底,國內(nèi)的油氣 管道總長度將達(dá)到約24萬千米,形成一個龐大的管 道運(yùn)輸網(wǎng)[1]。管道系統(tǒng)的可靠性和有效性常常受到 腐蝕、磨蝕、沉積、阻塞等降解因素的影響[2]。為了 能夠確保管道的安全運(yùn)行,對管道進(jìn)行檢測是最基 本的要求,檢測方法包括低頻電磁漏磁檢測、射線檢 測、渦流檢測、超聲檢測等[3-7]。汪磊等[8]研究了常 規(guī)超聲使用的單晶探頭,發(fā)現(xiàn)其聲束發(fā)射角度單一, 不能有效識別出壓力容器內(nèi)表面的點(diǎn)腐蝕缺陷,且 只能從波形中識別出較深點(diǎn)腐蝕缺陷的位置,不能 確定缺陷類型,容易導(dǎo)致漏檢。黃學(xué)斌[9]采用紅外熱像檢測技術(shù)檢測氨制冷壓力管道缺陷,根據(jù)管道 內(nèi)部溫度場的不同來檢測內(nèi)腐蝕缺陷,然而,影響溫 度場的因素眾多,且該檢測要求苛刻,實際應(yīng)用范圍 不大。唐飛陽亮等[10]在檢測鍋爐水冷壁管結(jié)構(gòu)件 時,為提高點(diǎn)腐蝕型缺陷的檢測成功率,采用了數(shù)字 射線檢測方法,但該方法對于腐蝕面積型缺陷的檢 測靈敏度較低,適用范圍有一定的限制。岳庚新[11] 采用放置式渦流傳感器來檢測表面有涂層的管道內(nèi) 部缺陷,發(fā)現(xiàn)無法對涂層厚度大于2.5 mm 的內(nèi)部 缺陷進(jìn)行有效檢測?？梢钥闯?上述檢測方法都有 其自身的檢測優(yōu)點(diǎn),但也有明顯的局限性,尤其對于 表面存在涂層的管道類設(shè)備的缺陷檢測還存在不 足。因此,研制一種使用方便,穿透性強(qiáng)的高精度檢 測儀,實現(xiàn)對表面存在涂層的管道類設(shè)備缺陷的檢 測,具有十分重要的意義[12]。
文章基于低頻電磁檢測基本原理,通過優(yōu)化傳 感器結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了對信號的控制、數(shù)據(jù)放大及濾波處 理等功能。研制的承壓類管道缺陷低頻電磁檢測系 統(tǒng),在低磁導(dǎo)率、檢測頻率為100~200 Hz的情況 下,實現(xiàn)了對直徑為152mm,厚度為16mm,埋深 為12.8mm 的304不銹鋼材料承壓管道缺陷的有 效檢測。
1 低頻電磁檢測原理
低頻電磁檢測原理為使用強(qiáng)磁場磁化待測試件 直至試件磁飽和,當(dāng)試件內(nèi)部存在缺陷時,試件內(nèi)部 磁場會發(fā)生泄漏,對拾取的漏磁場強(qiáng)度及相位進(jìn)行 分析,可以得到缺陷的相關(guān)特征,再進(jìn)一步對拾取數(shù) 據(jù)進(jìn)行分析,即可實現(xiàn)對缺陷的量化。 低
頻電磁傳感器如圖1所示,傳感器采用磁芯 及纏繞在磁芯上的激勵線圈作為勵磁裝置,纏繞在 銜芯上的多匝線圈作為漏磁場拾取裝置,高磁導(dǎo)率 的拱形金屬材料作為磁屏蔽裝置。激勵線圈在低頻 率正弦激勵激發(fā)下產(chǎn)生一個交變的原電磁場,原電 磁場穿透待測試件,磁屏蔽層將磁芯下方的原電磁 場屏蔽,使得檢測線圈可以拾取到更為精準(zhǔn)的漏磁 場信號,以便后續(xù)進(jìn)行缺陷特征提取。
2 試樣制備與試驗方法
影響傳感器檢測靈敏度的因素主要包括磁芯形 狀、磁芯尺寸(內(nèi)外半徑、厚度等)、檢測線圈參數(shù)(銜 芯尺寸、線圈匝數(shù)等),而要實現(xiàn)高靈敏度的低頻電 磁檢測,需 要 對 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 分 析 并 進(jìn) 行 參 數(shù)優(yōu)化。
基于 COMSOL 仿真軟件,利用電磁場模塊,建 立了交流電磁場檢測模型(見圖2)。通過參數(shù)化掃 描功能改變參數(shù)并控制變量唯一,對上述影響傳感 器檢測靈敏度的因素逐個進(jìn)行分析,以此為后續(xù)的 低頻電磁檢測傳感器的設(shè)計提供參數(shù)指導(dǎo)。
2.1 磁芯參數(shù)仿真及優(yōu)化
2.1.1 磁芯形狀
要想有效地磁化被測試件,磁芯必須能與被測 試件形成磁回路,文章采用的磁芯材料為鐵基納米 晶體,常用的磁芯形狀有 U 型和 C型兩種。圖3所 示為兩種磁芯的仿真模型,兩磁芯的尺寸相同,繞線 匝數(shù)為360匝,激勵線圈繞線位置為磁芯兩極。
對兩模型施加2A 的激勵電流,得到檢測信號 的仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可知,對于相同 的缺陷深度,C型磁芯的檢測幅值稍高于 U 型磁芯 的;由圖4(b)可知,缺陷深度對兩種磁芯的檢測靈 敏度都有較大影響,但其影響趨勢相似,在缺陷深度 為2.4~8.4mm 時,C 型磁芯傳感器的靈敏度稍高 于 U 型磁芯傳感器的靈敏度。
2.1.2 磁芯尺寸
進(jìn)一步研究了 C型磁芯尺寸(主要包括磁芯內(nèi) 徑弧度θ、磁芯半徑 R 和磁芯厚度 W 等)對產(chǎn)生磁 場的影響,C型磁芯關(guān)鍵尺寸參數(shù)如圖5所示。
控制 磁 芯 半 徑 R 為 45 mm,磁 芯 厚 度 W 為 15mm 不變,在磁芯內(nèi)徑弧度為180°~260°,變化 步長為 20°情況下,提取不同磁芯內(nèi)徑弧度產(chǎn)生的 磁感應(yīng)強(qiáng)度(見圖6)。由圖6可見,磁芯內(nèi)徑弧度 的變化對檢測信號的影響較大,在內(nèi)徑弧度為180° 時磁感應(yīng)強(qiáng)度最大。
提取掃描基準(zhǔn)值、缺陷檢測峰值和基線最大偏 離量3個特征參數(shù),分別獲得了如圖7(a)所示的缺 陷檢測峰值隨磁芯內(nèi)徑弧度變化的曲線,以及如圖7(b)所示的掃描基準(zhǔn)值及基準(zhǔn)線最大偏離值隨磁 芯內(nèi)徑弧度變化的曲線。
從圖7(a)可以看出,當(dāng)缺陷深度一定時,磁芯 內(nèi)徑弧度越大,缺陷檢測峰值越小,即較小的磁芯內(nèi) 徑弧度有利于缺陷檢測,但從圖7(b)可以看到此時 掃描基準(zhǔn)值和基準(zhǔn)線最大偏離值均較大,即此時的 掃描結(jié)果受背景磁場影響較大,基準(zhǔn)線水平較高,且 基線平穩(wěn)度較差,不利于缺陷檢測。3個參量之間 相互矛盾,無法直接給出最優(yōu)的磁芯內(nèi)徑弧度。因 此,文章將采用遺傳算法對磁芯內(nèi)徑弧度進(jìn)行優(yōu)化, 在算法中找出最優(yōu)解。
進(jìn)一步,研究了磁芯半徑對磁化裝置磁化性能 的影響。設(shè) 置 磁 芯 內(nèi) 徑 弧 度 固 定 為 220°,厚 度 為 15mm,磁芯半徑以10 mm 的步長在20~60 mm 間變化,得到了不同磁芯半徑下仿真磁感應(yīng)強(qiáng)度的 空間分布(見圖8)。由圖8可以看出,不同磁芯半 徑下磁感應(yīng)強(qiáng)度的空間分布曲線幾乎重疊,即磁芯 半徑對磁感應(yīng)強(qiáng)度的空間分布無明顯影響。因此, 在實際制作傳感器中,磁芯半徑可以根據(jù)成本等其 他因素設(shè)定。
對磁芯厚度對傳感器檢測性能的影響進(jìn)行了研 究?？刂拼判緝?nèi)徑弧度為220°,半徑為 45 mm 不 變,磁芯厚度以2mm 的步長在4~12mm 間變化, 獲得了其磁感應(yīng)強(qiáng)度隨磁芯厚度變化的分布曲線 (見圖9)。由圖9可以看出,磁芯厚度從4 mm 增 加到12mm 的過程中,磁感應(yīng)強(qiáng)度也增大。
缺陷檢測峰值與掃描基準(zhǔn)值隨磁芯厚度變化的 曲線如圖10所示。從圖10可以看出,磁極寬度增 加,缺陷檢測峰值與無缺陷處的基準(zhǔn)值同步上升,二 者同時制約著磁芯厚度的選擇。文章也采用遺傳算 法對磁芯厚度進(jìn)行計算求取最優(yōu)解。
利用遺傳算法優(yōu)化磁芯內(nèi)徑弧度和磁芯厚度兩個參數(shù),遺傳算法重實數(shù)變量的可行域為[10,130], 二進(jìn)制編碼的精度為 0.09634。當(dāng)閾值小于10 -3 時,優(yōu)化過程結(jié)束。達(dá)到該條件的遺傳算法優(yōu)化收 斂圖如圖11所示。由于適應(yīng)度值達(dá)到0.0000195 時滿足收斂條件,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,該系統(tǒng)的最佳磁芯 內(nèi)徑弧度為220°,磁芯厚度為12mm。
2.2 檢測線圈優(yōu)化
除了激勵磁芯的優(yōu)化設(shè)計,檢測線圈的優(yōu)化設(shè) 計也是傳感器優(yōu)化的重要部分。根據(jù)法拉第電磁感 應(yīng)定律,對于一個匝數(shù)為 N 匝的線圈,不考慮線圈 間存在間隙,假設(shè)每匝穿過的磁通量相同,則線圈的 感應(yīng)電動勢E 為
式中:dΦ/dt為磁通量變化率;L 為電感系數(shù),di/dt 為電流關(guān)于時間的導(dǎo)數(shù)。
由式(1)可以看出線圈的感應(yīng)電動勢和電感及 匝數(shù)呈線性關(guān)系,線圈匝數(shù)決定了線圈感應(yīng)電動勢 的大小,但并不能一味地增加線圈匝數(shù)來獲得高阻 抗,相較于增加線圈匝數(shù),改變線圈電感更易提升檢 測線圈的阻抗值,電感為
式中:u0 為自由空間磁導(dǎo)率;ur 為鎳鐵合金銜芯的 相對磁導(dǎo)率;A 為檢測銜芯橫斷面積;lm 為對應(yīng)的 磁路長度。
由式(2)可見,影響檢測線圈檢測靈敏度的主要 因素為 銜 芯 尺 寸 (主 要 指 銜 芯 直 徑)及 檢 測 線 圈 匝數(shù)。
2.2.1 檢測線圈銜芯直徑優(yōu)化
檢測銜芯的直徑影響接收線圈的電感值,從而 影響到 傳 感 器 的 接 收 能 力。 在 繞 制 匝 數(shù) 相 同 的 80%Ni+20%Fe鎳鐵合金條件下,試驗采用直徑 (D)為3.15 mm,3.65 mm,4.15 mm 的檢測銜芯, 對12mm 厚的304不銹鋼管道表面孔型缺陷進(jìn)行 檢測,檢測結(jié)果如圖12所示。
由圖12可以看出,檢測銜芯直徑不變,缺陷處檢測幅值與相位信號強(qiáng)度都隨著缺陷深度的增大而 逐漸增強(qiáng);在同一缺陷深度下,檢測信號強(qiáng)度隨檢測 銜芯直徑的增加呈現(xiàn)一定程度的衰減,且當(dāng)直徑為 3.15mm 時,檢測靈敏度最高。
2.2.2 檢測線圈匝數(shù)優(yōu)化
增加檢測線圈匝數(shù)可以有效提高線圈感應(yīng)電動 勢的大小,但同時也易增加檢測線圈的阻抗值。為 確定最優(yōu)的檢測線圈匝數(shù),選取線徑為0.06mm 的 漆包線在直徑為3.15mm 的檢測銜芯上分別繞制8 層(480 匝),10 層 (600 匝),12 層 (720 匝),再 對 12mm 厚的304不銹鋼管道表面孔型缺陷進(jìn)行檢 測,檢測結(jié)果如圖13所示。
由圖13可以看出,在相同檢測線圈匝數(shù)情況 下,缺陷處檢測幅值與相位信號強(qiáng)度隨著缺陷深度 的增大而逐漸增強(qiáng),在同一缺陷深度下,檢測信號強(qiáng) 度并不隨著檢測線圈匝數(shù)的增加對應(yīng)增強(qiáng);在繞滿 10層(600匝)時檢測信號較強(qiáng),考慮到線圈高度等 因素,應(yīng)選擇10層(600匝)的檢測線圈。
3 電磁檢測系統(tǒng)設(shè)計及試驗
3.1 電磁檢測系統(tǒng)設(shè)計
研制的承壓類管道低頻電磁檢測系統(tǒng)主要由電 磁傳感器、信號發(fā)生模塊、功率放大模塊與信號調(diào)理 模塊構(gòu)成。
3.1.1 電磁傳感器設(shè)計
電磁傳感器由激勵模塊、檢測模塊及外殼體組 成。前文已經(jīng)通過 COMSOL仿真確定了磁芯及檢 測線圈的相關(guān)參數(shù),具體為采用 C 型鐵基納米晶體材料作為勵磁磁芯,磁芯內(nèi)徑弧度為220°,磁芯厚 度為12mm,激勵線圈纏繞在整個勵磁磁芯上,磁 屏蔽層采用高磁導(dǎo)率的坡莫合金,檢測線圈銜芯采 用內(nèi)徑為3.15mm 的80%Ni+20%Fe配比鎳鐵合 金,采用600匝的多匝線圈纏繞在銜芯上。
3.1.2 外圍模塊設(shè)計
在低頻電磁檢測系統(tǒng)中,激勵線圈由正弦信號 進(jìn)行激勵,信號發(fā)生器工作流程如圖14所示,具體 為:單片機(jī)主控電路輸出一個高頻采樣脈沖,分頻芯 片對高頻脈沖信號進(jìn)行分頻,產(chǎn)生低頻脈沖;低頻脈 沖信號經(jīng)過低通濾波器后產(chǎn)生一個正弦信號,作為 激勵源;然后在低頻信號中插入高頻脈沖,對低頻信 號進(jìn)行采樣。
功率放大模塊采用 PA60EU 功放芯片和 OP07 運(yùn)放芯片來放大單片機(jī)主控電路輸出的正弦信號, 使正弦信號能夠作用于激勵線圈,從而產(chǎn)生強(qiáng)磁場; 信號調(diào)理模塊主要通過反向低通濾波來放大電路, 濾除檢測線圈受環(huán)境干擾而產(chǎn)生的雜波。
3.2 試驗結(jié)果與分析
按照承壓類管道構(gòu)件電磁檢測國家標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計 并加工了管道構(gòu)件檢測試塊,試塊材料為304不銹鋼,用 于 模 擬 承 壓 類 管 道 構(gòu) 件,管 道 直 徑 為 152mm,厚度為16 mm。在管道中心位置處加工 直徑 為 5 mm,上 下 表 面 深 度 分 別 為 管 道 厚 度 的 20%,50%,60%,80%,100%的5個缺陷(見圖15, T 為厚度)。調(diào)整電磁傳感器的提離高度,開展檢 測試驗,檢測現(xiàn)場如圖16所示。
3.2.1 表面缺陷檢測試驗
檢測系統(tǒng)激勵頻率為100~1000 Hz,步進(jìn)為
100Hz,驅(qū)動電流為5A,對厚度為16mm 管道構(gòu)
件表面腐蝕缺陷進(jìn)行檢測,勻速滑動傳感器對管道
進(jìn)行掃查,進(jìn)一步提取檢測信號,檢測結(jié)果如圖17
所示。
由圖17可知,檢測幅值及相位信號均隨著缺陷 深度增大整體呈現(xiàn)遞增趨勢;對于直徑為5mm 的 缺陷,隨 頻 率 增 大 其 相 位 信 號 減 小,激 勵 頻 率 為100~500 Hz均可實現(xiàn)對缺陷的有效檢測,且頻率 約為100Hz時,幅值響應(yīng)及缺陷信號響應(yīng)最強(qiáng),檢 測效果最好。
3.2.2 埋深缺陷檢測試驗
檢測系統(tǒng)的激勵頻率為100~400 Hz,步進(jìn)為
100Hz,驅(qū)動電流為5A,對16mm 厚的管道構(gòu)件
內(nèi)部腐蝕缺陷進(jìn)行檢測,勻速滑動傳感器對管道進(jìn)
行掃查,提取檢測信號,檢測結(jié)果如圖18所示。
由圖18可知,當(dāng)管道厚度為16mm 時,隨著缺
陷埋深增加,檢測電壓幅值與相位均呈下降趨勢;采
用100~300 Hz輸入信號激勵時,埋深為9.6mm
以下缺陷的幅值與相位均有明顯變化,說明該系統(tǒng)
可以實現(xiàn)對埋深為9.6mm 以下缺陷的檢出,但對
于埋 深 為 12.8 mm 左 右 的 缺 陷,僅 在 頻 率 為
100~200Hz時,采集到的幅值與相位差明顯,可以
實現(xiàn)缺陷檢出。
3.3 檢測結(jié)果
采用研制的承壓類管道低頻電磁檢測系統(tǒng),對 不同參數(shù)的缺陷開展了試驗研究,分析了激勵頻率 對低頻電磁檢測信號的影響,獲得了如下結(jié)果。
(1)對304不銹鋼管道而言,增大激勵頻率,檢 測信號幅值整體上呈現(xiàn)遞增趨勢,檢測相位信號呈 現(xiàn)先遞減再遞增趨勢,激勵頻率為500~600Hz時, 檢測信 號 無 法 有 效 表 征 缺 陷,最 佳 檢 測 頻 率 為 100~200Hz。
(2)分析了裂紋缺陷的檢測信息,發(fā)現(xiàn)缺陷處
檢測幅值及相位信號強(qiáng)度隨著缺陷深度的增加而增
強(qiáng);隨著缺陷埋深的增大,檢測信號強(qiáng)度嚴(yán)重衰減,
不利于缺陷的有效表征。
(3)研制的檢測系統(tǒng)對304不銹鋼的穿透深度 可達(dá)16mm,對5mm 寬圓形缺陷的有效檢測深度 達(dá)管道厚度的60%,系統(tǒng)功能完整,性能良好。
4 結(jié)語
設(shè)計研制了承壓類管道低頻電磁檢測系統(tǒng),利 用仿真對比試驗完善了低頻電磁傳感器的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)。試驗表明,該系統(tǒng)對于管道的最佳檢測頻率為 100~200 Hz,可 實 現(xiàn) 對 直 徑 為 152mm,厚 度 為 16mm,埋深為12.8mm 的304不銹鋼管道內(nèi)部缺 陷的有效檢測。該系統(tǒng)靈敏度高、穿透性強(qiáng),體積 小,在承壓管道內(nèi)部損傷無損檢測領(lǐng)域具有較好的 應(yīng)用前景。
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