測(cè)速對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流管道缺陷檢測(cè)的影響

張蕓 王銀麗 蔣天植 黃有駿 孫琦 林超 喻恒 李昱

【摘 要】在基于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的管道缺陷定量檢測(cè)中，在距離激勵(lì)線圈2-8倍管道內(nèi)徑的位置設(shè)置了2個(gè)物理屬性完全相同的接收線圈來實(shí)現(xiàn)管道缺陷的檢測(cè)。當(dāng)儀器以一定速度進(jìn)行管道檢測(cè)時(shí)，由于管道作為閉合導(dǎo)體，當(dāng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的激勵(lì)線圈與管道產(chǎn)生相對(duì)速度時(shí)，由楞次定律可知，管道會(huì)產(chǎn)生阻礙磁場(chǎng)變化的感應(yīng)電流影響缺陷檢測(cè)。為了直觀分析儀器速度效應(yīng)給檢測(cè)帶來的影響，利用ANSYS有限元仿真軟件建立遠(yuǎn)場(chǎng)渦流雙線圈檢測(cè)模型進(jìn)行了仿真，鑒于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流為低頻測(cè)試以及儀器參數(shù)自身等限制，儀器存在最大檢測(cè)速度，在最大檢測(cè)速度以內(nèi)仿真結(jié)果表明：隨著儀器運(yùn)行速度的增加兩個(gè)檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓幅值減小，相位也有減小的特征，進(jìn)一步反應(yīng)速度對(duì)管道缺陷定量檢測(cè)的影響，將檢測(cè)的特征相位轉(zhuǎn)化成管道壁厚，經(jīng)過誤差分析確定在最大速度范圍內(nèi)，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)中由儀器速度效應(yīng)帶來的誤差很小。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)場(chǎng)渦流;雙接收線圈;速度效應(yīng)

中圖分類號(hào)： TE973.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）08-0011-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.004

【Abstract】In the quantitative detection of Pipeline Defects based on remote field eddy current（RFEC），setting 12 uniformly distributed sensors to realize pipeline defection. However， sensor reception signals involved in the spurious peak when the transmitting coil is in the position right of the pipeline defects， which affects the accuracy of the quantitative analysis of pipeline defect. For removing spurious peak， the two coaxial receiving coils are applied to get two time shifting feature signals. After removing spurious peak f.

【Key words】RFEC testing; Sensor; Spurious peaks; Wavelet threshold de-noising; Defects evaluation

0 引言

管道缺陷的定量檢測(cè)研究對(duì)于管道防護(hù)和經(jīng)濟(jì)止損具有重要意義[1-3]。為了實(shí)現(xiàn)基于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的管道缺陷定量檢測(cè)，本文通過在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域設(shè)置2個(gè)參數(shù)完全相同的感應(yīng)線圈獲取缺陷的渦流信號(hào)。在在基于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的管道檢測(cè)中，對(duì)檢測(cè)線圈采集的特征信號(hào)的處理及最后的壁厚計(jì)算均未考慮儀器移動(dòng)速度這一因素，而在實(shí)際檢測(cè)中檢測(cè)裝置并非處于靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行測(cè)試.因此研究測(cè)試中儀器移動(dòng)帶來的速度效應(yīng)對(duì)管道缺陷辨識(shí)的影響，對(duì)提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性具有重要意義.

此外，在實(shí)際測(cè)試中，測(cè)速也會(huì)受到儀器實(shí)際參數(shù)、激勵(lì)源頻率、采集的電路處理速度、可識(shí)別缺陷寬度等條件的限制，為了研究遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)中儀器檢測(cè)速度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，本文通過ANSYS有限元仿真軟件進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)建模，仿真不同測(cè)速下雙接收線圈的特征信號(hào)（相位、幅值），并通過去噪、去偽峰等數(shù)據(jù)處理最后轉(zhuǎn)換成管道壁厚進(jìn)一步分析儀器速度效應(yīng)帶來的測(cè)試誤差。

論文通過以下部分詳述了基于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的速度效應(yīng)的仿真分析。第一部分通過ANSYS建模及理論分析速度效應(yīng)帶來的影響;第2部分通過仿真結(jié)果進(jìn)一步分析壁厚誤差。

1 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流儀器速度的仿真分析

1.1 遠(yuǎn)場(chǎng)雙線圈檢測(cè)模型

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)模型由低頻激勵(lì)源以及兩個(gè)物理屬性完全一致的接收線圈組成[4-5]，其檢測(cè)模型如圖1所示。

在圖1中，在與發(fā)射線圈同軸的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域（2-8倍的管道內(nèi)徑處）設(shè)置具有同材質(zhì)、同尺寸的雙接收線圈（接收線圈1、接收線圈2）實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的獲取。圖1中，發(fā)射線圈為20Hz的正弦低頻信號(hào)[4-6];d1為接收線圈2與發(fā)射線圈的間距，d2為檢測(cè)線圈1與發(fā)射線圈的間距，d1和d2均屬于2.5～8倍管道內(nèi)直徑范圍;d3為雙接收線圈之間的距離，d3為1～2倍管道內(nèi)直徑范圍。

檢測(cè)過程中激勵(lì)線圈施加160V，20Hz初相為0的正弦激勵(lì)信號(hào)，儀器從左往右（由激勵(lì)線圈指向檢測(cè)線圈）行進(jìn)測(cè)量管道，同一次檢測(cè)，傳感器和兩個(gè)接收線圈接收由同一個(gè)發(fā)射線圈激勵(lì)的渦流信號(hào)，設(shè)置兩個(gè)完全相同的檢測(cè)線圈主要目地的是檢測(cè)信號(hào)的去偽峰[6-7]。

1.2 速度對(duì)檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的影響

即磁通量在n匝檢測(cè)線圈橫截面積上積分之和，當(dāng)速度增加時(shí)，由于楞次定律，會(huì)產(chǎn)生相反方向的磁場(chǎng)阻礙磁場(chǎng)變化，因而使得檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)減小從而使感應(yīng)電壓幅值減小。使得本來已經(jīng)mV級(jí)的微弱檢測(cè)信號(hào)更加微弱，對(duì)管道檢測(cè)很不利。

為了研究測(cè)試中儀器運(yùn)行速度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的具體影響，根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)模型，利用ANSYS有限元仿真軟件按照表1所給的儀器參數(shù)以及表中的缺陷管道參數(shù)建立遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的物理仿真模型如圖2.

實(shí)際檢測(cè)中儀器由圖中從下往上移動(dòng)進(jìn)行管道檢測(cè)，在鐵磁性管道上依次添加0m/s，-4m/s，-8m/s的速度，對(duì)應(yīng)的儀器相對(duì)于被測(cè)管道的速度依次為：0m/s，4m/s，8m/s，仿真得到的檢測(cè)線圈上感應(yīng)的渦流信號(hào)磁力線如下圖3。

比較后不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器以一定速度在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，管外磁場(chǎng)分布相較于速度為0時(shí)向下偏移，且隨著速度的增加，磁場(chǎng)的偏移量增大。這是因?yàn)楣荏w作為閉合導(dǎo)體在激勵(lì)源所建立的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，必將產(chǎn)生感生電流，由楞次定律可知，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，因此當(dāng)儀器從下往上以一定速度移動(dòng)，激勵(lì)源下方部分管道中的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也為從下向上，激勵(lì)源上方部分則相反，因此激勵(lì)線圈下方磁場(chǎng)得以增強(qiáng)而上方則減弱，從磁力線分布上來看就是磁場(chǎng)向下偏移。

為了模擬儀器在實(shí)際中的檢測(cè)過程，在ANSYS仿真中，對(duì)管道添加-2m/s，-1m/s，0m/s的負(fù)向速度（檢測(cè)線圈相對(duì)于管道則以正向速度1m/s，2m/s，0m/s測(cè)量），儀器初始位置時(shí)檢測(cè)線圈1距離缺陷600mm，每次仿真同時(shí)改變發(fā)射線圈和檢測(cè)線圈位置（每次移動(dòng)20mm）模擬儀器行進(jìn)檢測(cè)過程，檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓的幅值、相位結(jié)果如圖4、圖5。

圖4和圖5分別是不同速度下的檢測(cè)線圈檢測(cè)電壓的幅值和相位，由于檢測(cè)線圈1和檢測(cè)線圈2物理屬性完全一致，僅由于兩個(gè)線圈距離發(fā)射的距離不同存在很小的差異，所以仿真結(jié)果僅是存在由于線圈距離激勵(lì)源位置引起的時(shí)移，在此，僅分析線圈2，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)線圈2移動(dòng)到offset=10附近寬度大約在200mm左右，即缺陷所在位置處時(shí)，幅值和相位都呈現(xiàn)出缺陷特征的突變，其中缺陷處檢測(cè)信號(hào)幅值的增加主要是由于缺陷處管壁變薄信號(hào)衰減較小，而對(duì)應(yīng)的相位處則呈現(xiàn)相位滯后減少的特征。隨著速度的增加，相較于速度為0的理想情況，檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓幅值減小，相位除了減小還有一定的平移;在缺陷過后，由于激勵(lì)線圈逐漸靠近缺陷區(qū)域，引入的偽峰信號(hào)導(dǎo)致檢測(cè)線圈在缺陷之后的無缺陷處的相位和幅值與缺陷前的信號(hào)呈現(xiàn)差異。

為了方便觀察儀器移動(dòng)速度對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，利用ANSYS的瞬時(shí)分析將檢測(cè)線圈2處于管道無缺陷位置時(shí)在3個(gè)周期內(nèi)的瞬時(shí)電壓導(dǎo)出如下圖6，其中“×”曲線為激勵(lì)信號(hào)，可以看到對(duì)于某個(gè)位置的檢測(cè)而言，隨著速度的增加檢測(cè)信號(hào)幅值相應(yīng)減小。儀器的速度效應(yīng)使檢測(cè)信號(hào)更加微弱，當(dāng)速度過大就可能出現(xiàn)缺陷處信號(hào)的幅值趨近于正常管道處幅值，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)。

1.3 速度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

由于在遠(yuǎn)場(chǎng)渦流測(cè)試時(shí)，測(cè)試信號(hào)的幅值能級(jí)變化較大，且遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)微弱，而信號(hào)相位相對(duì)穩(wěn)定[4-6]，因此在實(shí)際檢測(cè)中主要采用檢測(cè)信號(hào)的相位作為測(cè)的特征信號(hào)。通過檢測(cè)線圈得到的電壓相位與激勵(lì)線圈的相位差通過式（4）最終確定被測(cè)管道的壁厚h。

檢測(cè)壁厚誤差如圖8，從圖8中可以清晰的看到在無缺陷管道處，速度對(duì)壁厚的測(cè)量結(jié)果影響很小，而從檢測(cè)線圈進(jìn)入缺陷區(qū)域到檢測(cè)線圈完全離開缺陷區(qū)域，即圖中所標(biāo)識(shí)的缺陷區(qū)域，兩個(gè)線圈的誤差最大，在進(jìn)入其缺陷位置時(shí)的檢測(cè)位置處速度為2m/s時(shí)兩個(gè)線圈的誤差達(dá)到了-0.65mm，而在離開缺陷區(qū)域的位置兩個(gè)線圈的誤差也有0.18mm。但整體誤差仍在精度要求范圍內(nèi)，最大的相對(duì)誤差也僅有5.8%。因此在測(cè)速小于2m/s的測(cè)速內(nèi)沒有校正的必要。

2 總結(jié)

本文基于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理，利用ANSYS有限元仿真軟件建立雙接收線圈模型，仿真儀器不同測(cè)速下的檢測(cè)結(jié)果。仿真結(jié)果表明，隨著速度的增加管外磁場(chǎng)平移，在儀器測(cè)速小于2m/s的范圍內(nèi)，隨著速度的增加檢測(cè)線圈幅值減小，相位整體減小且相較于0速度相位曲線有平移趨勢(shì)，將檢測(cè)線圈的相位轉(zhuǎn)換為壁厚后發(fā)現(xiàn)速度增大檢測(cè)的壁厚越小，主要由于閉合管體與儀器產(chǎn)生相對(duì)速度，由楞次定律則會(huì)產(chǎn)生阻礙的變化的感應(yīng)磁場(chǎng)致使檢測(cè)電壓偏小。對(duì)測(cè)試壁厚進(jìn)行誤差分析，更為直觀的發(fā)現(xiàn)在檢測(cè)線圈進(jìn)入和離開缺陷區(qū)域時(shí)候測(cè)量壁厚受儀器速度效應(yīng)影響最大，誤差最大處約為-0.65mm，但仍在檢測(cè)精度要求范圍以內(nèi)，故而當(dāng)一起運(yùn)行速度小于2m/s時(shí)速度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大，無需校正。

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