金屬套管腐蝕缺陷的脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測

(西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動國家重點實驗室 陜西省無損檢測與結(jié)構(gòu)完整性評價工程技術(shù)研究中心，西安 710049)

作為管道結(jié)構(gòu)的一種典型形式，金屬套管具有強(qiáng)度高、承受內(nèi)壓力大、內(nèi)表面光滑、水力線性條件好等優(yōu)點，其作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件被廣泛應(yīng)用于石油、化工、航空航天等工程領(lǐng)域，其中，由金屬內(nèi)、外管組成的雙層金屬套管在工程中最為常見。由于在高溫、高壓、應(yīng)力復(fù)雜的環(huán)境下服役，雙層金屬套管極易出現(xiàn)腐蝕和疲勞裂紋等缺陷，而嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)完整性，造成套管失效[1-2]，因此對雙層金屬套管進(jìn)行有效原位無損定量評估十分重要。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對金屬管道無損檢測進(jìn)行了大量研究。鑒于傳統(tǒng)渦流檢測技術(shù)在管道檢測中易受集膚效應(yīng)、提離噪聲的影響[3]，脈沖渦流檢測(Pulsed Eddy Current，PEC)和脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測(Pulsed Remote Filed Eddy Current，PRFEC)技術(shù)逐步受到關(guān)注，相比于常用的超聲檢測[4]、漏磁檢測[5]等無損檢測技術(shù)，PEC和PRFEC具有頻譜豐富、操作簡單、檢測深度大、分辨率高等優(yōu)點，在多層金屬的缺陷定量評估中占據(jù)優(yōu)勢地位[6-7]。YANG等[8]通過仿真和試驗，證實了PRFEC在鐵磁性管道缺陷檢測中的可行性。XU等[9]針對管道結(jié)構(gòu)在開發(fā)管道PEC檢測探頭的基礎(chǔ)上，對差分信號特征(峰值和峰值時間)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)所提信號特征與管壁厚度存在線性關(guān)系，可用于評估管道壁厚減薄。付躍文等[10]對雙層結(jié)構(gòu)鐵磁性鋼管橫向裂縫的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測進(jìn)行了有限元仿真，結(jié)果表明采用脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)可分別檢出內(nèi)、外套管管壁裂紋。張曦郁等[3]將脈沖遠(yuǎn)場渦流和脈沖渦流技術(shù)相結(jié)合,提出了基于堆疊自編碼器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類方法，可對鐵磁性雙層套管腐蝕缺陷實施高效、高精度的分類識別?；谝验_展的研究，筆者著重針對不銹鋼內(nèi)管-碳鋼外管的雙層金屬套管外壁減薄缺陷，結(jié)合PEC和PRFEC在管道檢測中的優(yōu)勢，探究集成兩種檢測方法的復(fù)合檢測技術(shù)，即雙層金屬套管脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測技術(shù)，研究了檢測信號特征提取方法，利用多種信號特征以實現(xiàn)雙層金屬套管內(nèi)、外管外壁減薄缺陷的分類識別和量化評估。

1 脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測的數(shù)值仿真分析

圖1 脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測原理示意

雙層金屬套管脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測的原理如圖1所示。檢測中，以具有一定占空比的方波加載到激勵線圈上，線圈磁場通過直接耦合和間接耦合兩種方式沿被測套管軸向方向傳播，以直接耦合方式傳播的磁場因管壁屏蔽作用沿軸向迅速衰減，因此可使用放置于近場區(qū)的磁場傳感器拾取直接耦合路徑上的磁場強(qiáng)度信號，來實現(xiàn)脈沖渦流近場檢測，近場檢測信號將蘊(yùn)含更多的內(nèi)管壁厚信息；基于遠(yuǎn)場效應(yīng)，通過間接耦合方式傳播的磁場在線圈附近向管外傳播，在管外緩慢衰減后于遠(yuǎn)場區(qū)二次穿透管壁進(jìn)入套管內(nèi)部，因此可使用放置于遠(yuǎn)場區(qū)的磁場傳感器拾取帶有套管壁厚缺陷信息的遠(yuǎn)場信號，實現(xiàn)脈沖渦流遠(yuǎn)場檢測。通過對脈沖渦流近、遠(yuǎn)場檢測信號的綜合分析，可對不銹鋼內(nèi)管-碳鋼外管的雙層金屬套管外壁減薄缺陷實施復(fù)合檢測、分類識別及定量評估。

1.1 仿真模型及激勵加載

針對雙層金屬套管脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測，采用有限元仿真進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]到套管管壁腐蝕缺陷為內(nèi)、外管全周外壁減薄，三維模型具有對稱性，因此在仿真中建立脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測二維軸對稱模型，模型結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，模型參數(shù)如表1所示。為分析內(nèi)管厚度、外管厚度各自從外壁減薄時對近、遠(yuǎn)場區(qū)的磁場傳感器所拾取磁場信號的影響及關(guān)聯(lián)規(guī)律，將仿真模型中的缺陷分為兩組：第一組模擬外管壁厚d1減薄(r6取24.0～22.0 mm)；第二組模擬內(nèi)管壁厚d2減薄(r4取19.0～17.0 mm)。激勵線圈匝數(shù)為1350，線圈中所加載的激勵電流頻率為33 Hz、最大幅值為1 A、占空比為33%，激勵電流信號波形如圖3所示(圖中σ表示各材料的電導(dǎo)率，μ表示各材料的相對磁導(dǎo)率)。

圖2 雙層金屬套管脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測 二維軸對稱模型

圖3 激勵電流信號

表1 脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測探頭及被測套管的參數(shù)

r1/mmr2/mmr3/mmr4/mmr5/mmr6/mmr7/mmz1/mmz2/mmz3 / mm8.9141519202413.5912.515z4/mmz5/mmσ1/(MS·m-1)σ2/(MS·m-1)σ3/(MS·m-1)μ1μ1μ3d1/mmd2/mm885001.16011501 80044

1.2 磁場傳感器放置位置的確定

以表1所示的雙層金屬套管參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)試件(指無缺陷即壁厚未減薄的試件)的尺寸及材料參數(shù)(d1=d2=4 mm)，其磁通密度z分量(Bz)信號為參考信號，在標(biāo)準(zhǔn)試件的仿真模型遠(yuǎn)場區(qū)z=80～95 mm的各測點上提取Bz信號，如圖4所示。由圖4可知，在距離激勵線圈2～3倍外管內(nèi)徑的遠(yuǎn)場區(qū)域中，磁場傳感器與激勵線圈的間隔增大，磁場二次穿透管壁后的剩余能量減小，傳感器所拾取的磁場信號減弱。

圖4 不同測點處的遠(yuǎn)場區(qū)Bz信號

圖5 內(nèi)、外管厚度變化時不同z處的檢測靈敏度

為確定磁場傳感器具體放置位置，基于檢測信號靈敏度進(jìn)行分析，在兩組仿真模型中提取Bz信號，并計算各測點處的檢測靈敏度，寫為：K=[max(ΔBz)/max(Bz)]/Δd，其中Δd為內(nèi)/外管外壁減薄量，Bz為各測點處的參考信號，ΔBz為各測點處檢測信號與參考信號的差值，即差分信號。兩組模型上不同測點處的檢測靈敏度曲線如圖5所示。由圖5可見，磁場傳感器所拾取的磁場信號對內(nèi)/外管外壁減薄缺陷的靈敏度存在顯著差異。相比于內(nèi)管壁厚變化時所對應(yīng)的檢測靈敏度，對于外管壁厚變化，檢測靈敏度較高，這一現(xiàn)象表明遠(yuǎn)場區(qū)Bz對內(nèi)管壁厚變化存在較弱的靈敏度。其原因在于：磁場二次穿過管壁所感應(yīng)的渦流將生成與原磁場/線圈磁場方向相反的感應(yīng)磁場以抵抗原磁場變化，減弱原磁場穿過管壁過程中的能量。當(dāng)壁厚減薄時，渦流對原磁場的抑制作用減弱，磁場更易穿過管壁且能量較強(qiáng)，從而表現(xiàn)出檢測信號幅值的提升，因此，檢測靈敏度隨著壁厚減薄而增加。遠(yuǎn)場區(qū)Bz信號對內(nèi)管外壁減薄不敏感，同時對外管外壁減薄敏感，說明脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測技術(shù)中采用遠(yuǎn)場信號可對外管外壁減薄缺陷進(jìn)行識別及定量評估。

圖6 外管不同壁厚時，檢測靈敏度隨磁場傳感器位置 變化的曲線

外管不同壁厚時，檢測靈敏度隨磁場傳感器位置變化的曲線如圖6所示。由圖6可見：當(dāng)外管壁厚為3.0 mm時，靈敏度隨磁場傳感器與激勵線圈間距的增加而升高，在88 mm處(靈敏度達(dá)最大值)后下降;外管壁厚為3.5 mm時，檢測靈敏度在z=90 mm前逐步升高，在z>90 mm時趨于穩(wěn)定;在外管壁厚2.0 mm和2.5 mm對應(yīng)的檢測靈敏度曲線中，靈敏度隨著z的增加始終下降，但其均大于壁厚3.0 mm和3.5 mm時所對應(yīng)的檢測靈敏度值。綜合考慮，最終選取r=13.5 mm，z=880 mm處為遠(yuǎn)場區(qū)磁場傳感器放置位置?？紤]實際探頭在加工制作中可能存在的限制，近場區(qū)磁場傳感器放置位置的坐標(biāo)最終確定為：r=13.5 mm，z=15.0 mm。

1.3 脈沖渦流遠(yuǎn)場信號特征

提取兩組仿真模型中遠(yuǎn)場Bz信號，如圖7所示。由于管壁減薄使渦流減弱，渦流磁場對原磁場的抑制效應(yīng)減弱，磁場在穿過管壁過程中損失的能量減少，導(dǎo)致Bz信號幅值增大，圖7中具體表現(xiàn)為：電流關(guān)斷后(t≥0.01 s)，Bz信號峰值增加，峰值對應(yīng)時間(即峰值時間)也隨之減小。相比之下，內(nèi)管壁厚變化對遠(yuǎn)場Bz信號的影響微弱。由上述分析可知，采用脈沖渦流遠(yuǎn)場信號特征可有效針對外管外壁減薄缺陷實施集中檢測。

圖7 兩組模型的遠(yuǎn)場Bz檢測信號

為進(jìn)一步分析遠(yuǎn)場Bz檢測信號對套管壁厚變化的響應(yīng)，作兩組模型對應(yīng)的壁厚減薄差分信號，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，當(dāng)內(nèi)管外壁減薄時，相比外管外壁減薄的差分信號，內(nèi)管外壁減薄導(dǎo)致的Bz信號幅值變化甚微，再次說明遠(yuǎn)場Bz檢測信號對外管外壁減薄缺陷更為靈敏，有利于外管外壁減薄缺陷的識別及定量評估。

圖8 兩組模型的遠(yuǎn)場ΔBz信號

提取兩組模型中內(nèi)/外管不同壁厚下各ΔBz信號的峰峰值(PPV)，其與內(nèi)/外管壁厚間的關(guān)聯(lián)規(guī)律如圖9所示。由圖9所見，PPV隨套管壁厚減薄而增加，這是因為：磁場在穿過管壁的過程中，受到管壁表面渦流激發(fā)磁場的抑制，在渦流作用下衰減速率更快，因此壁厚相對于標(biāo)準(zhǔn)試件厚度的改變量Δd與ΔBz呈正相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)減薄量增大時PPV增大。

圖9 各ΔBz信號的峰峰值PPV與內(nèi)/外管壁厚的關(guān)聯(lián)規(guī)律

1.4 脈沖渦流近場信號特征

圖10 兩組模型的近場Bz檢測信號

提取兩組仿真模型中的近場Bz信號,如圖10所示。由于在脈沖激勵加載的前期，高頻成分多，滲透深度小，受表面渦流的影響大，檢測信號中含有內(nèi)管壁厚信息的同時也包含外管壁厚信息，具體表現(xiàn)為：圖10中的激勵電流加載的上升階段，內(nèi)/外管外壁壁厚不同時的上升速率不同，且在電流關(guān)斷前幅值存在較大差異。

為探究外壁減薄對脈沖渦流檢測信號中在電流關(guān)斷前Bz與時間軸所圍成的面積S的影響，提取兩組模型中0～0.01 s內(nèi)的Bz信號與時間并進(jìn)行積分，分析圍成面積與內(nèi)、外管減薄后厚度的關(guān)系。將內(nèi)、外管檢測信號對應(yīng)的圍成面積與管壁厚度關(guān)聯(lián)后作圖11。由圖11可見，隨著外壁減薄量的減少，外管各厚度對應(yīng)的圍成面積在逐漸增大，內(nèi)管各厚度對應(yīng)的圍成面積在逐漸減小。內(nèi)、外管對應(yīng)曲線的不同變化方式，有利于對內(nèi)、外管外壁減薄缺陷進(jìn)行分類識別。并且內(nèi)、外管對應(yīng)曲線圍成，面積均與壁厚存在一定的映射關(guān)系，有利于對缺陷進(jìn)行定量評估。

圖11 內(nèi)、外管不同壁厚下對應(yīng)的圍成面積

為分別探究內(nèi)、外管外壁減薄對近場區(qū)信號Bz造成的影響，以內(nèi)、外管均未減薄標(biāo)準(zhǔn)試件的信號為參照，作近場區(qū)ΔBz曲線如圖12所示。由圖12可見，脈沖電流加載上升期間，磁場強(qiáng)度增加，而在管道內(nèi)壁表面激發(fā)的感應(yīng)渦流所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場會抑制原磁場的增強(qiáng)，該抑制作用與管道厚度有關(guān)，管壁越厚其抑制作用越強(qiáng)，原磁場正峰值越小。在電流加載和關(guān)斷期間，內(nèi)管各厚度對應(yīng)的差分峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外管各厚度對應(yīng)的差分峰值，表明近場區(qū)磁場強(qiáng)度變化量這一特征對于內(nèi)管的檢測靈敏度更高。

圖12 內(nèi)、外管近場ΔBz信號

將內(nèi)、外管不同壁厚對應(yīng)的ΔBz正峰值(PV)與各自壁厚進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到的曲線如圖13所示。由圖13可見，當(dāng)內(nèi)管外壁減薄時，其PV呈正相關(guān)關(guān)系逐漸上升，由此可通過內(nèi)管壁厚與PV的映射關(guān)系對內(nèi)管壁厚進(jìn)行定量評估;當(dāng)外管外壁減薄時，其PV值逐步降低，但整體接近于0，表明脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測中，采用脈沖渦流近場信號特征可有效針對內(nèi)管外壁減薄缺陷實施集中檢測。

圖13 內(nèi)、外管壁厚與近場ΔBz峰值PV的關(guān)系曲線

1.5 內(nèi)、外管外壁減薄的識別及定量評估

缺陷分類識別的精度基于所采用的信號特征的種類及數(shù)量。當(dāng)用于對缺陷進(jìn)行分類的特征數(shù)增加時，將有利于提升識別準(zhǔn)確度[3]。鑒于脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測信號中含有豐富的內(nèi)、外管壁厚減薄信息，基于上述仿真結(jié)論，提取遠(yuǎn)場ΔBz峰峰值(PPV)、電流關(guān)斷前近場Bz對時間的積分(即信號面積S)、近場ΔBz峰值(PV)以對內(nèi)、外管外壁減薄缺陷進(jìn)行識別分類,缺陷分類識別結(jié)果如圖14所示。

圖16 試驗系統(tǒng)框圖

圖14 PPV-S-PV識別空間

由圖14可見，在內(nèi)、外管外壁減薄缺陷檢測信號中提取的3種特征存在一定聚類效應(yīng)，不同類別缺陷的特征分布范圍具有顯著邊界，且隨著內(nèi)、外管外壁厚度減薄量的變化，所選取的信號特征均呈現(xiàn)單調(diào)遞增或單調(diào)遞減的趨勢，表明所提取的3類信號特征中均含有外壁減薄缺陷參數(shù)信息，有利于缺陷類別的精確研判。

在實現(xiàn)缺陷分類識別后，對所識別缺陷參數(shù)進(jìn)行量化評估非常重要?；谏鲜龇抡婺Ｐ椭兴崛〉男盘柼卣?，在對內(nèi)、外管壁厚進(jìn)行定量評估時，采用遠(yuǎn)場ΔBz峰峰值(PPV)對外管外壁減薄缺陷進(jìn)行評估，以近場ΔBz峰值(PV)作為信號特征對內(nèi)管外壁減薄缺陷實施評估。PPV和PV與套管壁厚間的映射曲線如圖15所示，在實際定量評估中，采用所建立的映射關(guān)系曲線可對內(nèi)、外管外壁減薄缺陷參數(shù)(如減薄量等)實現(xiàn)量化。

圖15 內(nèi)、外管外壁減薄缺陷與信號特征的映射關(guān)系

2 雙層金屬套管的脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測試驗

2.1 試驗平臺

所搭建的雙層金屬套管脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測系統(tǒng)框圖如圖16所示。其中，信號發(fā)生器產(chǎn)生占空比為33.3%，幅值為400 mV的激勵電壓信號，信號頻率為33 Hz；功率放大器將電壓信號放大后加載于探頭的激勵線圈(內(nèi)徑9 mm，外徑12.2 mm，高度18 mm，匝數(shù)1 435)中。磁場信號拾取單元使用TMR 2701線性磁場傳感器，近場區(qū)傳感器放置于r=14 mm，z=14 mm處，遠(yuǎn)場區(qū)磁場傳感器置于r=14 mm，z=89 mm處。磁場傳感器輸出信號經(jīng)信號放大器放大、濾波器濾波后輸入到計算機(jī)中。被測套管由內(nèi)徑29.3 mm，外徑范圍為35～38 mm的不銹鋼內(nèi)管和內(nèi)徑范圍為38.8 mm，外徑范圍為45～48 mm的碳鋼外管組成。

2.2 試驗結(jié)果與分析

圖17 實測Bz檢測信號

試驗時，首先在保證不銹鋼內(nèi)管參數(shù)不變的情況下(內(nèi)徑29.3 mm,外徑38 mm)，置換不同外徑的碳鋼外管，模擬外管外壁的減薄缺陷情況，在套管結(jié)構(gòu)中放入檢測探頭，同時采集近、遠(yuǎn)場檢測信號。其次，在確保碳鋼外管參數(shù)不變的情況下(內(nèi)徑38.8 mm，外徑48 mm)，置換不同外徑的不銹鋼內(nèi)管，模擬內(nèi)管外壁的減薄缺陷情況，放入檢測探頭同時采集近、遠(yuǎn)場磁場信號。以內(nèi)管壁厚4.35 mm、外管壁厚4.6 mm的雙層金屬套管為標(biāo)準(zhǔn)試件。試驗實測信號如圖17所示?？梢姡鼒鲂盘栐陔娏麝P(guān)斷前，內(nèi)管外壁減薄時Bz幅值高于標(biāo)準(zhǔn)試件的信號幅值，外管外壁減薄時Bz幅值小于標(biāo)準(zhǔn)試件的幅值，該特點有利于套管外壁減薄缺陷的分類識別；在遠(yuǎn)場信號中，外管壁厚發(fā)生變化時的差分信號幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)管壁厚變化時的差分信號幅值，表明探頭對外管外壁減薄缺陷存在較高的靈敏度。另外，實際套管磁導(dǎo)率分布不均勻、磁滯現(xiàn)象等因素會導(dǎo)致實測檢測信號與仿真檢測信號存在差異。

基于仿真研究，提取遠(yuǎn)場ΔBz峰峰值(PPV)、電流關(guān)斷前近場Bz對時間的積分(即信號面積S)、近場ΔBz峰值(PV)，以對內(nèi)、外管外壁減薄缺陷進(jìn)行識別分類，結(jié)果如圖18所示。由圖18可見，從實測信號中提取出的3種特征，在識別空間中的分布存在一定的規(guī)律，不同類別缺陷所對應(yīng)的信號特征間存在一定的差異，3種特征存在一定的聚類效應(yīng)，不同類別缺陷的特征分布范圍具有顯著邊界，表明所提取的3類信號特征中均含有外壁減薄缺陷參數(shù)信息，與仿真結(jié)果一致，有利于缺陷的精確分類識別。

圖18 PPV-S-PV識別空間(實測信號)

在完成缺陷分類識別后，對所識別缺陷參數(shù)進(jìn)行量化評估十分重要?；趯崪y信號中所提取的信號特征，在對內(nèi)、外管壁厚進(jìn)行定量評估時，PPV和PV與套管壁厚間的映射曲線如圖19所示。由圖19可見，采用所建立的映射關(guān)系曲線可對內(nèi)、外管外壁減薄缺陷參數(shù)(如減薄量等)實現(xiàn)量化。表明在雙層金屬套管脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測技術(shù)中，采用遠(yuǎn)場ΔBz峰峰值(PPV)對外管外壁減薄缺陷進(jìn)行評估、近場ΔBz峰值(PV)對內(nèi)管外壁減薄缺陷實施評估的可行性。

圖19 內(nèi)、外管外壁減薄與實測信號特征的映射關(guān)系

3 結(jié)語

探究了不銹鋼內(nèi)管-碳鋼外管的雙層金屬套管全周外壁減薄缺陷的脈沖渦流近-遠(yuǎn)場復(fù)合檢測方法。通過數(shù)值仿真分析，研究了復(fù)合檢測信號特性及其特征提取手段，建立了檢測信號及其特征與套管外壁減薄損傷參數(shù)間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，探究了套管外壁減薄缺陷的分類識別及定量評估方法。搭建了相關(guān)試驗平臺，試驗驗證了缺陷分類識別方法的有效性。此外，在內(nèi)/外管外壁減薄條件下，可根據(jù)遠(yuǎn)場檢測差分信號峰峰值與被測雙層金屬套管外管壁厚之間的對應(yīng)關(guān)系，以及近場檢測差分信號峰值與內(nèi)管壁厚之間的對應(yīng)關(guān)系，建立相應(yīng)映射關(guān)系，實現(xiàn)對雙層金屬套管外壁減薄缺陷的定量評估。