工業(yè)管道腐蝕沖渦流檢測(cè)傳感器仿真分析

楊國(guó) 敖春芳

摘 要：針對(duì)管道缺陷檢測(cè)的現(xiàn)狀，研制了一種適用于輸油、輸氣管道的渦流無(wú)損檢測(cè)傳感器，該傳感器由磁敏器件、勵(lì)磁模塊 、導(dǎo)輪等部分組成，具有靈敏度高、可用性強(qiáng)的特點(diǎn)， 能滿足不同管徑和工況的管道缺陷檢測(cè)， 內(nèi)容涉及渦流檢測(cè)、磁敏器件的選擇、永磁體的優(yōu)化以及導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞：工業(yè)管道;腐蝕沖渦流檢測(cè);傳感器;仿真

引言

輸油 、輸氣管道在長(zhǎng)期使用中 ，由于表層地基不穩(wěn)定、介質(zhì)腐蝕、意外事故等原因 ，管道易發(fā)生位貌變化 ，并產(chǎn)生腐蝕與裂紋等缺陷和損傷 ，發(fā)生油氣泄漏現(xiàn)象，將對(duì)環(huán)境造成極大的污染和危害，并帶來(lái)經(jīng)濟(jì)和人身安全上的巨大損失， 所以必須對(duì)工業(yè)管道進(jìn)行定期無(wú)損檢測(cè)。

一、渦流檢測(cè)原理

在大直徑鐵磁性管道的在線渦流檢測(cè)中， 為達(dá)到較好的渦流效果 ，常使用沿周向陣列磁鐵的方法來(lái)獲得所需的勵(lì)磁源 .然而換熱器管空間過(guò)于狹小 ， 無(wú)法容納足夠體積的永磁鐵來(lái)達(dá)到理想的渦流效果，無(wú)法應(yīng)用周向陣列磁鐵的方法 .為了改善渦流傳感器的渦流能力 ，傳感器部分主體由永磁體 、銜鐵 、磁敏元件等組成， 2 塊磁極相對(duì)且方向與管道軸線相同的圓柱形永磁鐵通過(guò)中間銜鐵相連， 銜鐵的中間部分比兩端要窄， 用來(lái)提供磁敏元件和信號(hào)電路安裝的空間.端部銜鐵將軸向的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為較均勻的周向磁場(chǎng)導(dǎo)入管壁中， 使管道得到渦流從而構(gòu)成整個(gè)渦流回路 .為使渦流器對(duì)整個(gè)管壁具有均勻的渦流能力以及避免傳感器震動(dòng)產(chǎn)生噪聲干擾， 檢測(cè)過(guò)程中保證傳感器與管道的同軸是必要的。

（一）渦流方式選擇

可選用的渦流方式有線圈渦流、永磁體渦流等. 線圈渦流為常用的渦流方式之一， 其優(yōu)點(diǎn)在于渦流強(qiáng)度可調(diào)，渦流能力較強(qiáng)， 不足之處在于發(fā)熱較大， 而且在這里受換熱器管內(nèi)部空間狹小的限制 ，渦流效果不夠理想.永磁渦流用永磁鐵作為激勵(lì)源， 稀土永磁磁鐵， 特別是銣鐵硼磁鐵具有磁能積高 ， 體積小 ，無(wú)需電源 ，使用方便的優(yōu)點(diǎn)， 在磁性檢測(cè)中得到 廣泛的應(yīng)用 .雖然永磁渦流的渦流強(qiáng)度不能調(diào)節(jié) ，但通過(guò)適當(dāng)?shù)拇怕吩O(shè)計(jì)也可以達(dá)到較理想的渦流效果 .因此， 對(duì)小管徑鐵磁性換熱器管進(jìn)行的渦流檢測(cè)是在管壁磁 化欠飽和的情況下進(jìn)行的， 這大大影響了檢測(cè)的靈敏度實(shí)際上，這也是小管徑鐵磁性換熱器管渦流檢測(cè)主要的困難之一.

（二）磁敏傳感器選擇

霍爾元件可測(cè)量絕對(duì)磁場(chǎng)大小 ，并與速度無(wú)關(guān) . 但為保證換熱管的整個(gè)周向無(wú)漏檢 ，需要布置一整 圈霍爾元件，然而在如此狹小的空間內(nèi)霍爾元件的布置比較困難， 電路處理復(fù)雜 .霍爾元件的另一個(gè)缺 點(diǎn)是線性范圍有限 ，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較大時(shí)容易飽和 而喪失其靈敏度 . 感應(yīng)線圈通過(guò)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電壓， 感應(yīng)電壓的大小和線圈的匝數(shù)以及穿過(guò)線圈的磁通量變 化率相關(guān) ，因此線圈存在速度效應(yīng) ，所得檢測(cè)信號(hào)的大小和傳感器移動(dòng)的速度相關(guān) ， 傳感器移動(dòng)速度的 變化也將產(chǎn)生干擾信號(hào).在檢測(cè)中 ，保持傳感器移動(dòng)速度的均勻性是非常重要的.感應(yīng)線圈測(cè)量的是磁場(chǎng)的相對(duì)變化量 ，并在空間域上對(duì)高頻率磁場(chǎng)信號(hào) 更敏感.根據(jù)測(cè)量目的不同，感應(yīng)線圈可以做成多種 形式 ，絕對(duì)式線圈可用來(lái)測(cè)量壁厚的損失，差分線圈 可以降低噪聲同時(shí)增加靈敏度 ， 陣列貼片線圈對(duì)管道相對(duì)應(yīng)的局部區(qū)域腐蝕敏感且具有空間分辨率 .

（三）線圈方式設(shè)計(jì)

渦流檢測(cè)磁敏元件采用差分線圈和陣列貼片線 圈兩種形式，線圈均布置于中間銜鐵的直徑較小部 分并處于銜鐵的中心或者與銜鐵中心對(duì)稱分布 .由 于管道內(nèi)部的輕微腐蝕和傳感器運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)性 ， 加上傳感器吸附管道內(nèi)的鐵屑在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中造成的 干擾 ，絕對(duì)式線圈在檢測(cè)過(guò)程中噪聲非常大， 缺陷信 號(hào)很容易被淹沒(méi) ，而差分線圈可以有效減少這些噪 聲的影響 .下面對(duì)差分線圈和陣列貼片線圈在渦流 檢測(cè)中的不同特點(diǎn)進(jìn)行研究.采用兩個(gè)特性一致的 線圈反向連接的差分方式， 兩個(gè)線圈都為 60 匝 ， 采 用 0 .1 mm 漆包銅線繞制 ，中間相隔 2 mm ， 單個(gè)線圈寬約 2 mm . 1 脈沖渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立 基于脈沖交流渦流的脈沖渦流檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括 4 個(gè)部分：脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路、 脈沖渦流傳感器、 被測(cè)試件 和信號(hào)處理部分。

二、工業(yè)管道腐蝕沖渦流檢測(cè)傳感器仿真運(yùn)用

電力管道的渦流檢測(cè)方法和應(yīng)用 電力行業(yè)中常用的無(wú)損檢測(cè)方法包括： 射線探傷、 超聲波探傷和磁粉探傷。與其他無(wú)損檢測(cè)法相比，渦 流法因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而更多地應(yīng)用于管道檢測(cè)中。通 常，火電廠的主設(shè)備大多由換熱管構(gòu)成，包括凝汽器、 鍋爐受熱面和高、低壓加熱器等。這些設(shè)備在安裝前 或使用中都必須進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。然而，根據(jù)高、低壓加 熱器的鐵磁特性，其磁導(dǎo)率比非鐵磁性材料高很多，很 難通過(guò)常規(guī)渦流法進(jìn)行檢測(cè)。因此，考慮采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流法和磁飽和法。核電站設(shè)備中的焊縫應(yīng)力腐蝕裂紋很危險(xiǎn)，已經(jīng) 成為威脅核電站安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。國(guó)外已有研究表明，渦流法對(duì)于壓水核反應(yīng)堆管道焊縫裂紋的 檢測(cè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。一般而言，焊縫中的裂紋位于 近表面處，而焊縫內(nèi)部材質(zhì)的不均勻和各向異性等特 點(diǎn)，使其在超聲波檢測(cè)時(shí)具有很差的信噪比，這給實(shí)際 應(yīng)用帶來(lái)局限性; 而渦流檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)正好得以體現(xiàn)。 現(xiàn)階段管壁減薄檢測(cè)常用的方法是射線檢測(cè)法和 超聲檢測(cè)法，但國(guó)外已有學(xué)者研究將渦流檢測(cè)法用于 發(fā)電廠設(shè)備的管壁減薄檢測(cè)中。因管壁減薄不同于結(jié) 構(gòu)裂紋，檢測(cè)管道減薄主要可以使用脈沖渦流測(cè)厚法和遠(yuǎn)場(chǎng)渦流法。脈沖渦流測(cè)厚的基本原理是： 隨著基 底材料厚度的變化，探頭的過(guò)零時(shí)間、峰值時(shí)間以及峰 值等特征參數(shù)會(huì)以一定規(guī)律變化，通過(guò)觀察探頭信號(hào) 的時(shí)域曲線，就能得到材料的厚度分布情況。脈沖測(cè) 厚用于管道減薄需要借助脈沖探頭移動(dòng)得到線圈響應(yīng) 信號(hào)，根據(jù)信號(hào)分析管道周向及長(zhǎng)度方向的壁厚分布 情況，確定局部減薄的位置。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流最早用于小口 徑管道缺陷內(nèi)檢測(cè)，其典型裝置由激勵(lì)和檢測(cè)兩個(gè)線 圈組成，低頻激勵(lì)線圈和同軸檢測(cè)線圈之間的間距為 待檢測(cè)管件直徑的 2 ～ 3 倍。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流是鐵磁性管道 材料中特有的現(xiàn)象，與管道同軸的低頻激勵(lì)線圈產(chǎn)生 磁場(chǎng)能量，穿過(guò)管壁向外擴(kuò)散，并沿管道傳播，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域穿越管壁到達(dá)檢測(cè)線圈。此時(shí)，檢測(cè)信號(hào)包含了 被檢管道整個(gè)管壁結(jié)構(gòu)的信息。

結(jié)語(yǔ)

本文論述了鐵磁性換熱器管無(wú)損檢測(cè)裝置開發(fā)的必要性 ，重點(diǎn)研究了換熱器管渦流內(nèi)檢測(cè)傳感器 的設(shè)計(jì).對(duì)渦流檢測(cè)傳感器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)初步試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明， 磁性檢測(cè)傳感器能夠檢出 1 .6 通孔 和 20 %壁厚深度圓錐盲孔 ， 達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo) ， 能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的要求 。

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