大功率脈沖渦流技術(shù)在帶包覆層壓力管道檢測中的應(yīng)用

李繼承 左嘉琦 陳英紅 楊寧祥 楊新健

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院珠海檢測院 珠海 519002）

（2.廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢測研究院梧州分院 梧州 543000）

現(xiàn)代無損檢測技術(shù)向著不停機(jī)快速檢測方向發(fā)展，在不破壞承壓設(shè)備外部涂層、保溫層和保護(hù)層前提下，實現(xiàn)快速、大面積壁厚檢測技術(shù)并對其建立一個有效完善的評價體系具有十分重要的意義[1，2]。

脈沖渦流（Pulsed Eddy Current，簡稱PEC）檢測技術(shù)利用電磁感應(yīng)原理在管道金屬壁中發(fā)射和接收渦流信號。PEC接收信號的衰減規(guī)律與金屬壁厚之間存在函數(shù)關(guān)系，通過比較檢測區(qū)域和參考區(qū)域之間PEC信號的波形差別，可以實現(xiàn)管道損傷的檢測。由于采用低頻方波作為激勵信號，PEC技術(shù)可以穿透金屬管道外部的包覆層，在不破壞管道外部保溫層的情況下實現(xiàn)檢測[3，4]。

PEC技術(shù)最早在二十世紀(jì)50年代由美國阿貢國家實驗室提出[5]，經(jīng)過近年來的不斷發(fā)展，在國外已經(jīng)出現(xiàn)比較成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，如荷蘭RTD公司的Incrotest[6]和加拿大Eddyfi公司的Lyft[7]。國內(nèi)中國特種設(shè)備檢測研究院和華中科技大學(xué)對PEC技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定開展了大量工作[8-10]。

由于產(chǎn)生感應(yīng)磁場的渦流分布于被檢測構(gòu)件中一定區(qū)域之內(nèi)，因而PEC技術(shù)要求被檢測缺陷具有一定的體積范圍，如對于腐蝕造成的壁厚減薄，PEC適用于均勻壁厚減薄的檢測，而對于帶有溝槽、點腐蝕或裂紋的被檢件，PEC存在較大的漏檢可能。

本研究針對PEC技術(shù)存在的上述不足，自行搭建了一套大功率PEC檢測系統(tǒng)，采用小尺寸檢測探頭對帶包覆層壓力管道焊縫進(jìn)行定位研究，探討了PEC技術(shù)對于小體積特征檢測的可能性，為PEC技術(shù)推廣奠定基礎(chǔ)。

1 檢測系統(tǒng)及檢測樣品

1.1 檢測系統(tǒng)搭建

本研究所用試驗裝置原理圖如圖1所示，實物圖如圖2所示?？刂茊卧诂F(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）技術(shù)構(gòu)建，采用直接數(shù)字合成技術(shù)（Direct Digital Synthesuzer，DDS）的原理實現(xiàn)方波脈沖信號發(fā)射，信號發(fā)射單元負(fù)責(zé)發(fā)射信號的D/A轉(zhuǎn)換，完成數(shù)字到模擬的變化，最終得到頻率10Hz，峰值電壓5V的方波信號。

通過功率放大單元實現(xiàn)激勵信號的放大，本研究所選用功率放大器的最大輸出功率為810W，輸出峰值電壓±45V，輸出電流18A。借助該功率放大器，將信號發(fā)射單元輸出的方波信號放大為峰值電壓±30V，輸出電流10A。

通過數(shù)字示波器顯示和采集接收線圈感應(yīng)到的電壓信號，根據(jù)得到的試驗曲線變化對管道損傷進(jìn)行檢測。檢測探頭為圓柱形，骨架為聚四氟乙烯材料，發(fā)射線圈直徑為20mm，采用線徑為1mm的漆包線繞制。接收線圈的直徑為40mm，線徑為0.25mm。

1.2 檢測樣品

本研究選用2種不同規(guī)格的鋼質(zhì)管道作為檢測對象。管道上的焊縫相對于大面積壁厚減薄來說是一類典型的小尺寸特征，在不拆除包覆層情況下利用PEC技術(shù)實現(xiàn)焊縫定位是驗證PEC系統(tǒng)檢測靈敏度的有效手段。

本研究的1#檢測試樣為Q235鋼管，壁厚7.5mm，絕熱層材料為巖棉，厚度為55mm，保護(hù)層材料為鋁，厚度為0.6mm。環(huán)焊縫位于試樣中部，余高2.5mm，寬度6mm。2#檢測對象為Q235鋼管，壁厚為6.5mm，絕熱層材料為巖棉，厚度為50mm，保護(hù)層材料為鋁，厚度為1.0mm，焊縫余高1.5mm，寬度4.5mm。

圖1 脈沖渦流檢測系統(tǒng)原理圖

圖2 帶包覆層壓力管道檢測現(xiàn)場

2 結(jié)果與討論

圖3所示為1#試樣PEC信號測量結(jié)果。圖3（a)為全部測量信號，其中01-05號和11-15號為帶包覆層管道焊縫兩側(cè)本體上的測量結(jié)果，06-10號為焊縫部位的測量結(jié)果。圖3（b)為本體上01-05號測量結(jié)果的對比顯示，觀察發(fā)現(xiàn)隨著測試時間的延長，02-05號信號相對于01號信號的幅度整體上降低。原因是本研究所用放大器輸出功率大，隨著測試時間的延長，檢測探頭中發(fā)射線圈出現(xiàn)發(fā)熱，導(dǎo)致電磁感應(yīng)效率降低。圖3（c)為管道本體和焊縫部位測量信號的對比，觀察發(fā)現(xiàn)從01到02 和11到12都會出現(xiàn)接收信號幅度整體降低的現(xiàn)象，而在06-10號焊縫部位獲得的接收信號會出現(xiàn)幅度整體增大的現(xiàn)象，其中06號信號的幅度大于05號信號，08號信號的幅度甚至超過01號信號。這是由于焊縫位置處存在余高，相當(dāng)于管道本體厚度增大，沈功田等[8]在研究中也發(fā)現(xiàn)隨著被檢件壁厚的增大，脈沖渦流信號的衰減率變小，會引起接收信號幅度增大。同時，在探頭離開焊縫部位時，10信號與11信號之間的幅度差別也要明顯大于12信號與11信號之間的幅度差別。

為了對焊縫位置進(jìn)行定量指示，引入均方差RMSD，其定義式如下：

式中：

N——采樣信號中的數(shù)據(jù)點數(shù)；

xi和yi（i=1，2，3…）——相鄰兩個采樣信號中對應(yīng)數(shù)據(jù)點的數(shù)值。

圖4所示為1#試樣不同采樣位置RMSD值的計算結(jié)果，各采樣位置對應(yīng)的RMSD值均為相對于前一采樣點的計算結(jié)果。觀察發(fā)現(xiàn)，在焊縫對應(yīng)的6-10號采樣位置，RMSD值出現(xiàn)了一個明顯的下降谷值，之后又出現(xiàn)一個明顯的上升峰值。將圖3所得到的脈沖渦流測量信號和圖4計算出的RMSD值結(jié)合起來，可以準(zhǔn)確識別出1#試樣上的焊縫位置。

圖3 1#試樣PEC信號測量結(jié)果

圖4 1#試樣不同位置RMSD值計算結(jié)果

圖5所示為2#試樣PEC信號測量結(jié)果。觀察圖5（b)同樣可以發(fā)現(xiàn)隨著測試時間的延長，02-05號信號相對于01號信號的幅度整體上降低。圖5（c)中在焊縫位置08號信號的幅度略高于05號信號，10號信號的幅度低于05號信號，但11號信號相比于10號信號的幅度降低遠(yuǎn)大于12號信號相對于11號信號的降低量。表明在焊縫位置處由于焊縫余高導(dǎo)致的管道壁厚增大同樣引起接收線圈感應(yīng)到的脈沖渦流信號幅度增大，但由于2#試樣焊縫余高和寬度都小于1#試樣，這種由于管道壁厚增大引起的幅度增大不能完全抵消由于發(fā)射線圈發(fā)熱導(dǎo)致的幅度降低。

圖6所示為2#試樣不同采樣位置RMSD值的計算結(jié)果，在焊縫對應(yīng)的6-10號采樣位置，同樣可以觀察到RMSD值先出現(xiàn)了一個明顯的下降谷值，之后又出現(xiàn)一個明顯的上升峰值。

圖5 2#試樣PEC信號測量結(jié)果

圖6 2#試樣不同位置RMSD值計算結(jié)果

3 結(jié)論

1）通過提高脈沖渦流檢測系統(tǒng)中發(fā)射信號的放大功率，可以達(dá)到進(jìn)一步提升其檢測靈敏度的目的。

2）采用±30V峰值電壓，10A輸出電流和10Hz頻率的方波發(fā)射信號，可以檢測出0.6mm厚鋁保護(hù)層和55mm厚絕熱層下Q235鋼管上余高2.5mm，寬度6mm的焊縫，對于1.0mm厚鋁保護(hù)層和50mm厚絕熱層下Q235鋼管上余高1.5mm，寬度4.5mm的焊縫也可以進(jìn)行有效識別。

3）當(dāng)采用較大功率的發(fā)射信號進(jìn)行長時間檢測時，由于發(fā)射線圈的發(fā)熱會導(dǎo)致接收線圈所獲得的脈沖渦流信號整體幅度降低，在實際應(yīng)用中需要對這種由于發(fā)熱引起的幅度降低進(jìn)行修正。