(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安 710300)
瞬變電磁法又稱時(shí)域電磁法,其在管道缺陷檢測(cè)時(shí),主要運(yùn)用電磁感應(yīng)原理,通過給激勵(lì)線圈施加階躍電流信號(hào),待激勵(lì)線圈周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場(chǎng)后瞬間關(guān)斷電流信號(hào),在管道上表面產(chǎn)生渦流效應(yīng)。由于管體和周圍介質(zhì)的電阻消耗,渦流逐漸衰減至零,在衰減的整個(gè)過程中又會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)來阻礙一次磁場(chǎng)的消失;接收線圈接收二次磁場(chǎng)信息并以電壓的形式顯示出來,電壓的變化包含了金屬管道本體的特征信息,且與缺陷的位置、傳感器提離高度及激發(fā)功率有著密切關(guān)系[1]。
目前,李永年和李曉松推導(dǎo)出了接收信號(hào)的計(jì)算公式,通過接收信號(hào)和壁厚之間的數(shù)學(xué)模型確定了管道的剩余壁厚;南昌航空大學(xué)于潤(rùn)橋教授采用施加磁芯的方式提高了激發(fā)功率。但是對(duì)于瞬變電磁檢測(cè)對(duì)象影響因素的分析卻很少,筆者試驗(yàn)的目的主要是了解缺陷的不同位置對(duì)瞬變電磁檢測(cè)信號(hào)的影響規(guī)律[2]。
瞬變電磁法檢測(cè)系統(tǒng)主要由3部分組成:瞬變電磁儀、傳感器和控制單元。瞬變電磁儀主要用來發(fā)射階躍型脈沖信號(hào);傳感器分為激勵(lì)線圈和接收線圈,激勵(lì)線圈通過被施加的階躍型信號(hào)產(chǎn)生一次磁場(chǎng),接收線圈采集二次磁場(chǎng)的變化信息,把電磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào);控制單元主要是前面兩者的連接件,用于數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)出指令。由于缺陷在管道橫截面的分布位置不同,檢測(cè)信號(hào)的幅值也不一樣,根據(jù)幅值的差異關(guān)系分析缺陷的具體位置。圖1為管道瞬變電磁檢測(cè)模型示意[3-4]。
圖1 管道瞬變電磁檢測(cè)模型示意
根據(jù)電磁感應(yīng)原理,瞬間關(guān)斷的階躍型信號(hào)使得管道表面產(chǎn)生渦流效應(yīng),階躍信號(hào)滿足的條件是
(1)
當(dāng)t<0時(shí),激勵(lì)線圈與周圍介質(zhì)產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場(chǎng);當(dāng)t≥0時(shí),階躍信號(hào)瞬間關(guān)斷,管道上表面產(chǎn)生渦流。由于周圍介質(zhì)的歐姆消耗,隨時(shí)間變化的渦流在空間形成二次磁場(chǎng)并被接收線圈接收。瞬變電磁法檢測(cè)原理示意如圖2所示。
圖2 瞬變電磁法檢測(cè)原理示意
假設(shè)接收線圈的磁通量為φ,接收線圈的有效面積和匝數(shù)分別為S,N。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理可知,接收線圈與管道上渦流效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)如式(2)所示[5]。
(2)
由式(2)可以看出,影響接收信號(hào)變化的只是磁感應(yīng)強(qiáng)度,缺陷的位置不同導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度有所差異。因此,通過在管道上進(jìn)行不同缺陷位置的試驗(yàn)分析,可以為后續(xù)通過信號(hào)判斷缺陷的精準(zhǔn)位置提供指導(dǎo)。
試驗(yàn)裝置主要由激勵(lì)信號(hào)發(fā)生部分、探頭檢測(cè)部分、管道試件和數(shù)據(jù)采集及處理等4個(gè)部分組成,瞬變電磁檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,瞬變電磁檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。
圖3 管道瞬變電磁檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖
圖4 管道瞬變電磁檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
瞬變電磁儀的函數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生頻率范圍為1/16~32 Hz的方波信號(hào),頻率和信號(hào)占空比可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況調(diào)節(jié),信號(hào)輸出的有效幅值可達(dá)±20 V。
探頭為圓形線圈,激勵(lì)線圈有效直徑為200 mm,由線徑為1 mm的漆包線纏繞而成,匝數(shù)為130匝。接收線圈直徑為100 mm,線徑為0.25 mm,匝數(shù)為400匝。管道試件尺寸(外徑×壁厚)為φ108 mm×6 mm,在中間位置制作人工缺陷,缺陷尺寸(長(zhǎng)×寬×深)為120 mm×120 mm×2 mm。
首次檢測(cè)時(shí)將人工缺陷置于傳感器的正下方,然后將管道分別旋轉(zhuǎn)90°,180°,270°進(jìn)行檢測(cè),在每個(gè)方向上至少檢測(cè)3次,3次檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的差值不大于5%,則檢測(cè)數(shù)據(jù)有效。采集設(shè)置激發(fā)頻率為1 Hz,采樣頻率為32 Hz,共31個(gè)時(shí)窗。
通過笛卡爾坐標(biāo)系無法分辨出檢測(cè)信號(hào)之間的差異,經(jīng)過坐標(biāo)變換為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系后(周向檢測(cè)信號(hào)幅值曲線如圖5所示),可以清楚地看到前期數(shù)據(jù)基本重合,在t>5 ms時(shí)出現(xiàn)了明顯的幅值差異??梢钥闯?,缺陷在0°位置信號(hào)幅值最小且衰減速率最快;缺陷在90°和270°位置信號(hào)幅值和衰減速率相同;缺陷在180°位置信號(hào)幅值最大且衰減速率最小。周向檢測(cè)數(shù)據(jù)和無缺陷處信號(hào)對(duì)比如圖6所示,可見前期信號(hào)幅值一致,中期無缺陷處的信號(hào)幅值和有缺陷處的信號(hào)幅值出現(xiàn)明顯差異。
圖5 管道缺陷周向檢測(cè)信號(hào)幅值曲線
圖6 管道缺陷周向檢測(cè)數(shù)據(jù)和無缺陷處信號(hào)對(duì)比
通過在每個(gè)方向上左移50 mm,右移20 mm進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)(軸向檢測(cè)),結(jié)果表明在每個(gè)方向上信號(hào)幅值基本不變,軸向檢測(cè)信號(hào)幅值曲線如圖7所示。
在圖5中選擇合適的時(shí)窗值(t=12 ms)進(jìn)行一次線性函數(shù)擬合,確定了角度與信號(hào)幅值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,擬合度均為0.992 82,說明擬合程度高。當(dāng)?shù)玫綑z測(cè)數(shù)據(jù)后,代入擬合公式(3)可以確定出兩個(gè)角度,再通過其他方法進(jìn)一步確定缺陷的準(zhǔn)確位置。
圖7 管道軸向檢測(cè)信號(hào)幅值曲線
(3)
(1) 檢測(cè)信號(hào)在線性坐標(biāo)系中無法分辨出信號(hào)幅值差異,經(jīng)過坐標(biāo)變換后,在對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中檢測(cè)信號(hào)在前期一致,后期出現(xiàn)了明顯的分叉。
(2) 缺陷在管道橫截面的不同位置處,信號(hào)幅值會(huì)不同,當(dāng)缺陷處于傳感器正下方時(shí)信號(hào)幅值最小,當(dāng)缺陷背離傳感器時(shí)信號(hào)幅值最大,但是不會(huì)超過無缺陷處的信號(hào)幅值,也就是說,只要存在缺陷,就可檢測(cè)出來。
(3) 在傳感器覆蓋范圍內(nèi),缺陷在周向上對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值影響較大,在軸向上對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值基本上無影響。
(4) 通過擬合方法確定了檢測(cè)信號(hào)幅值與管道橫截面角度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,對(duì)以后更精確地定位缺陷位置提供了參考。