基于磁傳感器的帶包覆層管道腐蝕脈沖渦流檢測(cè)

嚴(yán)超操，付躍文，蔚道祥

（南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，南昌 330063）

管道廣泛用于電力、石油、天然氣、化工和其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)。大多數(shù)的管道是在高溫和高壓條件下使用，且由保溫層和外部的保護(hù)層（鋁皮）包裹起來(lái)的。在長(zhǎng)期的服役期間，腐蝕可能出現(xiàn)在管道的外側(cè)，或管道內(nèi)側(cè)由于流動(dòng)加速腐蝕，隨之而來(lái)的管壁變薄可能釀成大事故。因此定期監(jiān)測(cè)管道壁厚是非常有必要的。

脈沖渦流檢測(cè)是一種非接觸式檢測(cè)方法，能通過(guò)保溫層和保護(hù)層結(jié)構(gòu)，并達(dá)到測(cè)量管道腐蝕缺陷的要求。目前，很多特種設(shè)備，如壓力容器和壓力管道都帶有包覆層和保護(hù)層，這些包覆層具有保溫和防腐作用。使用常規(guī)方法測(cè)量有包覆層設(shè)備的腐蝕時(shí)，需要停止設(shè)備，去掉保護(hù)層和保溫層，有時(shí)還需要對(duì)檢測(cè)部分進(jìn)行打磨，以滿足檢測(cè)需要。這些工作不僅增加了檢測(cè)成本，而且耗費(fèi)大量時(shí)間，因此對(duì)帶包覆層管道腐蝕檢測(cè)的研究具有重要的實(shí)際價(jià)值［1］。

筆者應(yīng)用脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)70mm包覆層管道腐蝕進(jìn)行檢測(cè)。探頭分別放置于管道正上方、相對(duì)正上方偏轉(zhuǎn)45°及相對(duì)正上方偏轉(zhuǎn)90°進(jìn)行軸向檢測(cè)，用于分析地磁場(chǎng)對(duì)檢測(cè)的影響。

1 基于磁傳感器的包覆層管道脈沖渦流檢測(cè)原理

脈沖渦流（PEC，Pulsed Eddy Current）檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)技術(shù)相比，采用具有一定占空比的脈沖方波信號(hào)作為激勵(lì)，將方波信號(hào)加載在激勵(lì)線圈兩端，當(dāng)瞬間關(guān)斷激勵(lì)線圈兩端的方波激勵(lì)信號(hào)時(shí)，激勵(lì)線圈會(huì)感應(yīng)生成一個(gè)快速衰減的脈沖磁場(chǎng)，快速衰減的脈沖磁場(chǎng)在導(dǎo)體試件中能感應(yīng)出脈沖渦流，最后脈沖渦流又會(huì)感應(yīng)出一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)，脈沖渦流感應(yīng)的二次磁場(chǎng)在隧道磁電阻（TMR）磁傳感器上產(chǎn)生輸出電壓。如果試件上有缺陷，則會(huì)對(duì)試件上的脈沖渦流分布產(chǎn)生影響，渦流的變化從而影響磁場(chǎng)的大小，此渦流磁場(chǎng)又會(huì)在磁傳感器上輸出隨時(shí)間變化的電壓，而此電壓中含有試件的腐蝕和地磁場(chǎng)的信息，通過(guò)分析地磁場(chǎng)對(duì)檢測(cè)的影響，就可以得到試件上的腐蝕信息。管道檢測(cè)示意如圖1所示。

圖1 管道檢測(cè)示意圖

圖2所示的是脈沖渦流檢測(cè)包覆層鐵磁性管道腐蝕時(shí)所采用的激勵(lì)波形及其響應(yīng)檢測(cè)波形。從圖2中可以看出，TMR磁傳感器上的輸出電壓在一段時(shí)間后基本滿足指數(shù)衰減規(guī)律。當(dāng)探頭置于有缺陷腐蝕的地方和無(wú)缺陷腐蝕的地方時(shí)，輸出電壓曲線的衰減是不同的。

圖2 激勵(lì)與檢測(cè)信號(hào)波形

圖3 接收系統(tǒng)原理框圖

接收系統(tǒng)的原理如圖3所示，TMR磁傳感器的V＋和V－分別接入到接收系統(tǒng)的V＋和V－接收端子上，最后通過(guò)掌上電腦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。

對(duì)于輸出數(shù)據(jù)的處理方法，設(shè)檢測(cè)點(diǎn)共有M個(gè)，且N為每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的電壓采樣點(diǎn)數(shù)，則第m個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)就可以表示成行向量Xm＝［xm1，xm2，…，xmN］，把所有M 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)寫成矩陣形式為：

矩陣X的行向量為某個(gè)測(cè)點(diǎn)在所有采樣時(shí)間點(diǎn)的感應(yīng)電壓值，列向量則為從始端至末端的檢測(cè)點(diǎn)在相同采樣時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓值，列向量擬合出來(lái)的曲線稱為測(cè)點(diǎn)的電壓時(shí)間剖面；若某個(gè)測(cè)點(diǎn)處存在缺陷，則該測(cè)點(diǎn)處的感應(yīng)電壓值將發(fā)生變化，電壓剖面會(huì)在某一測(cè)點(diǎn)上出現(xiàn)異常，從而與缺陷的位置對(duì)應(yīng)。

2 檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)與方法

2.1 探頭設(shè)計(jì)

探頭由發(fā)射線圈和TMR磁傳感器組成。在實(shí)際檢測(cè)中，發(fā)射線圈的大小、匝數(shù)、形狀和個(gè)數(shù)都會(huì)對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生很大影響。為了保證電磁場(chǎng)有足夠的穿透能力，對(duì)發(fā)射線圈的形狀、尺寸、匝數(shù)和擺放位置均進(jìn)行了設(shè)計(jì)。檢測(cè)傳感器選用TMR磁傳感器，TMR磁傳感器放置在激勵(lì)線圈內(nèi)部正下方，如圖1所示。

探頭采用圓形骨架作為激勵(lì)線圈的纏繞骨架，骨架內(nèi)徑是30mm，高為27mm。選用的漆包線直徑為1.0mm，共繞制500匝。

TMR磁傳感器有外加磁場(chǎng)作用時(shí)，該磁場(chǎng)沿平行于傳感器敏感方向變化時(shí)，惠斯通全橋提供差分電壓輸出，并且該輸出具有良好的溫度穩(wěn)定性。相比各向異性磁電阻（AMR）和巨磁電阻（GMR）磁傳感器，TMR磁傳感器具有高靈敏度，線性范圍寬，線性度好等優(yōu)點(diǎn)［4］。

圖4 管道剖面示意圖

2.2 脈沖激勵(lì)源與信號(hào)采集

檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)采用正負(fù)雙極性脈沖方波作為激勵(lì)源，脈沖方波的占空比為50%，激勵(lì)頻率為4Hz，激勵(lì)電流大小為2.5A。信號(hào)采集系統(tǒng)將TMR傳感器輸出的信號(hào)濾波、放大，然后以1M采樣率，16位精度進(jìn)行采樣，采樣后再經(jīng)過(guò)數(shù)字均值處理，存儲(chǔ)于掌上電腦。

2.3 檢測(cè)試件設(shè)計(jì)

鐵磁性管道采用的是名義尺寸為φ139.7mm×7.72mm的鐵磁性J55石油鋼管，管道實(shí)際測(cè)量尺寸為φ141.5mm×7.7mm，整根管道長(zhǎng)6 000mm，分別加工了A，B，C三處面積型腐蝕缺陷，缺陷的腐蝕面積和腐蝕深度是不同的，管道的腐蝕加工如圖4所示。缺陷A是一個(gè)周向幅度為360°的小面積型腐蝕缺陷，其軸向長(zhǎng)度為150mm，腐蝕深度為2.5mm；缺陷B是一個(gè)周向幅度為360°的大面積腐蝕缺陷，其軸向長(zhǎng)度為1 000mm，腐蝕深度為2.5mm；缺陷C是一個(gè)周向幅度為360°的大面積腐蝕型缺陷，其軸向長(zhǎng)度為1 000mm，腐蝕深度為1.25mm。

帶包覆層鐵磁性管道由鐵磁性輸送管道，中間的保溫層或絕緣層，最外層的金屬保護(hù)層組合而成。在工程實(shí)際應(yīng)用中，中間包裹的材料采用的是絕緣材料或者保溫材料，這些材料都不會(huì)對(duì)磁場(chǎng)和感應(yīng)渦流有影響；鋁磁導(dǎo)率不大，對(duì)磁場(chǎng)的形狀沒(méi)有影響的，但是電導(dǎo)率會(huì)引起一定的渦流效應(yīng)［5］。該試驗(yàn)選用70mm厚的海綿和0.5mm厚的鋁皮來(lái)模擬帶包覆層。

2.4 檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

在實(shí)際檢測(cè)帶包覆層鐵磁性管道時(shí)，需要對(duì)管道進(jìn)行周向檢測(cè)。由于TMR磁傳感器測(cè)量的是磁場(chǎng)大小，其輸出電壓包含腐蝕信息和地磁場(chǎng)的信息，因此TMR磁傳感器的接收方向與地磁場(chǎng)夾角發(fā)生改變時(shí)，其對(duì)地磁場(chǎng)的輸出值也將發(fā)生改變。為了分析地磁場(chǎng)對(duì)帶包覆層管道檢測(cè)的影響，筆者首先將管道按東西方向擺放，然后將探頭放置在管道的正上方、相對(duì)正上方偏轉(zhuǎn)45°及相對(duì)正上方偏轉(zhuǎn)90°，且在這三個(gè)方向分別進(jìn)行檢測(cè)，目的是研究南北方向的地磁場(chǎng)對(duì)TMR磁傳感器的影響，探頭擺放位置情況如圖1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)式（1），矩陣X的行向量為檢測(cè)點(diǎn)的所有采樣時(shí)間點(diǎn)的電壓值，將所得的行向量進(jìn)行對(duì)數(shù)坐標(biāo)顯示，得出來(lái)的衰減曲線稱為時(shí)間－電壓圖。

圖5為探頭在有無(wú)腐蝕處不同偏轉(zhuǎn)角度下的電壓衰減曲線。從圖5可見，在后期信號(hào)中，管道無(wú)腐蝕處和有腐蝕處之間的輸出電壓值偏差較大，而探頭在有腐蝕處正上方偏轉(zhuǎn)90°、探頭在有腐蝕處正上方偏轉(zhuǎn)45°與探頭在有腐蝕處正上方之間的輸出電壓值偏差小，不易在電壓衰減曲線上觀察，具體觀測(cè)效果如圖6（d）所示。

圖5 探頭在有無(wú)腐蝕處不同偏轉(zhuǎn)角度下的電壓衰減曲線

根據(jù)式（1），矩陣X的列向量為每隔100mm檢測(cè)點(diǎn)的輸出電壓值，將所得的列向量進(jìn)行曲線擬合，得出來(lái)的曲線稱為樁號(hào)－電壓圖。腐蝕A的樁號(hào)是6到8號(hào)，腐蝕B的樁號(hào)是11到21號(hào)，腐蝕C的樁號(hào)是21到31號(hào)，其他檢測(cè)樁號(hào)均為無(wú)腐蝕處。探頭在管道正上方的三個(gè)方向擺放，并分別對(duì)70mm包覆層管道進(jìn)行軸向檢測(cè)，探頭不同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)的樁號(hào)－電壓曲線如圖6。從圖6（a），（b），（c）可見，對(duì)于腐蝕位置的觀察效果都很明顯。從圖6（d）可見，若選取探頭在管道正上方的位置為參考基準(zhǔn)，在相同腐蝕深度處，探頭在管道正上方偏轉(zhuǎn)90°與探頭在管道正上方之間的輸出電壓值偏差大，對(duì)腐蝕的定量影響大；探頭在管道正上方偏轉(zhuǎn)45°與探頭在管道正上方之間的輸出電壓值偏差小，對(duì)腐蝕的定量影響小。因此，對(duì)管道進(jìn)行周向檢測(cè)時(shí)，角度偏轉(zhuǎn)相對(duì)正上方大于45°時(shí)，應(yīng)重新選取參考位置。

圖6 探頭不同偏轉(zhuǎn)角度時(shí)的樁號(hào)－電壓曲線

4 結(jié)論

對(duì)于70mm包覆層管道的較大面積腐蝕和局部小面積腐蝕，探頭都具有很好的檢測(cè)效果。但在檢測(cè)帶包覆層管道腐蝕時(shí)，探頭在管道正上方偏轉(zhuǎn)90°與探頭在管道正上方之間的輸出電壓值偏差大，而探頭在管道正上方偏轉(zhuǎn)45°與探頭在管道正上方之間的輸出電壓值偏差小，所以當(dāng)TMR磁傳感器的接收方向與地磁場(chǎng)方向一致時(shí)，地磁場(chǎng)對(duì)檢測(cè)影響大。因此，當(dāng)探頭相對(duì)管道正上方的偏轉(zhuǎn)角度大于45°時(shí)，TMR磁傳感器輸出電壓值偏差也大，為了能夠更準(zhǔn)確地對(duì)缺陷腐蝕定量，應(yīng)重新選取參考位置。

［1］ 鄭中興，韓志剛.穿透保溫層和防腐層的脈沖渦流檢測(cè)壁厚檢測(cè)［J］.無(wú)損探傷，2008，32（1）：1－4.

［2］ 張斌強(qiáng).脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

［3］ 何赟澤.脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

［4］ 呂華.隧道磁電阻（TMR）磁傳感器的特性與應(yīng)用［J］.磁性材料及儀器，2012，43（3）：1－4.

［5］ 康小偉，付躍文.帶包覆層鐵磁性管道腐蝕脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2011，33（9）：40－42.