铁磁性套管脉冲远场涡流检测激励参数优化*

张曦郁， 李 勇， 敬好青， 闫 贝

(1.西安交通大学 航天航空学院 机械结构强度与振动国家重点实验室 核能结构安全检测与完整性评价研究中心，陕西 西安 710049； 2.西安军代局，陕西 西安 710043)



研究与探讨

铁磁性套管脉冲远场涡流检测激励参数优化*

张曦郁1,2， 李 勇1， 敬好青1， 闫 贝1

(1.西安交通大学 航天航空学院 机械结构强度与振动国家重点实验室 核能结构安全检测与完整性评价研究中心，陕西 西安 710049； 2.西安军代局，陕西 西安 710043)

利用脉冲远场涡流检测对于铁磁性双层套管腐蚀缺陷的检测优势，针对双层套管内管外壁、外管内壁和外管外壁三处腐蚀缺陷，就激励参数变化对于系统灵敏度影响程度进行了研究，通过仿真和实验手段选择最佳激励参数，实现了脉冲远场涡流检测系统的参数优化，并弥补了前期缺少相关研究的不足。

脉冲远场涡流； 铁磁性双层套管； 亚表面腐蚀缺陷； 解析模型； 灵敏度分析

0 引 言

铁磁性双层套管作为很多大型机械的关键结构,广泛应用于石油、化工等领域。由于长期服役于高湿、高压等恶劣环境,套管管壁极易产生腐蚀性缺陷,管道结构遭到破坏,在影响使用的同时存在极大的安全隐患[1,2]。为了规避风险,对服役管道定期进行在线无损检测和安全评估就显得尤为重要。目前,常用的无损检测方法主要有：超声检测、射线检测、漏磁检测、涡流检测等。每种检测方法在不同情况下都有其优势,但对服役管道在线检测时均存在一定弊端。如，超声检测需要耦合剂,试件表面需一定的光洁度,这在管道实际的工业检测中较难实现[3]；射线检测存在放射源,对工作人员及环境均会造成一定的不良影响,因而不适用于外场检测[4,5]；常规涡流检测受到集肤效应的影响,对铁磁性管道检测能力有限[6,7]。脉冲远场涡流(pulsed remote field eddy current,PRFEC)检测是一种新兴的电磁无损检测技术,检测探头由间隔一定距离的激励线圈与检测机构组成,激励线圈施加脉冲信号,检测机构接收二次穿过管壁的涡流信号,对管壁缺陷进行判定,由于进行了2次穿过管壁,该方法对于管道腐蚀缺陷的检测具有明显的优势[8～10]。

随着无损检测的发展,PRFEC检测技术越来越受到重视,Sun Y等人将远场涡流检测技术的应用扩展到飞机多层结构的检测之中,通过对传感器的改进设计,实现了对多层结构中深层缺陷的检测[11]。吴德会等人借助有限元方法分析了检测信号相位与缺陷几何参数之间的对应关系[12]。王亚午等人研究了探头运行速度对远场涡流检测缺陷响应信号的影响[13]。

本文检测对象为铁磁性双层套管,缺陷类型为管壁全周腐蚀缺陷,缺陷位置分别设置在内管外壁(CEI)、外管内壁(CIO)和外管外壁(CEO)处。通过改变缺陷深度,分析系统检测灵敏度,选择使系统灵敏度最高时的激励周期和占空比,实现激励参数的优化。文中所述腐蚀缺陷检测均针对亚表面腐蚀(subsurface corrosion,SSC)缺陷。

1 铁磁性双层套管PRFEC检测解析模型

图1为铁磁性多层套管PRFEC二维轴对称模型,其中,检测探头包括与被测套管同轴放置的激励线圈(内半径为r1,外半径为r2,高度为H,匝数为N)和贴近套管内壁且与激励线圈相距一定距离放置的磁场传感器组成。鉴于本文着重研究的缺陷为全周大面积腐蚀缺陷(其长度远大于检测探头高度)且激励线圈磁场具有对称性,所建立模型为偶对称模型(z=0处磁场r分量为0),模型中仅涉及原探头的1/2(zc=H/2,匝数为N/2)。基于截断区特征函数展开法(extended truncated region eigenfunction expansion,ETREE)[14～16],磁场传感器输出信号的解析表达式为

(1)

图1 套管脉冲远场涡流检测二维轴对称模型

(2)

(3)

式中 A,T,υ和τ分别为激励电流信号的最大幅值、周期、占空比和上升/下降时常数。an和bn写为

(4)

(5)

对于铁磁性双层套管PRFEC检测,可将图1所示区域l(l=2,4,5,6,…,L)的材料电气参数设置为导电率σl=0,相对磁导率μl=1,结合式(1)和式(3),即可对在不同激励参数条件下的磁场传感器(轴向位置zs≥4d4)输出信号进行快速计算。

2 仿真与讨论

为了研究激励占空比υ和周期T对系统检测灵敏度的影响,建立仿真模型,分析检测信号的变化情况。具体仿真模型参数如表1所示,选取检测信号峰值PV为特征量,检测传感器放置于rs=15.0mm,zs=92mm,内层、外层套管壁厚均为3mm,缺陷位置分别设置CEI,CIO和CEO共3处,缺陷深度D在0～2mm范围内变化。

表1 管道和激励线圈参数

2.1 激励周期优化

首先寻找最佳激励周期T。设定激励占空比为20 %[7],使激励周期T在10～50 ms范围内变化,在不同参数激励下,检测存在缺陷的套管,分别提取检测信号峰值PV,将PV与对应D拟合得到关联曲线,如图2。从图中可以看出:无论缺陷所处何位置,峰值PV均随着缺陷深度D的增大而增大,而周期T增大时,峰值PV同样随之增大,这是由于激励周期越大,系统所能提供的能量也就会越大。

图2 不同激励周期下检测信号峰值PV与缺陷深度D关联曲线

为了直观地显示周期T对系统检测的影响,将图2中各关联曲线分别线性化处理,并提取斜率K,K值大小一定程度上能够反映系统检测灵敏度。将周期T与其相对应的斜率K逐一拟合得到关联曲线,如图3所示,3条曲线分别代表缺陷所处管壁不同位置的3种情况。观察可知：检测CEI,CIO,CEO缺陷,激励周期T分别在31,28,29 ms时,各关联曲线分别取得峰值Kmax,即系统灵敏度达到最高。由此可见,激励周期T的改变确实可以影响系统的检测灵敏度,而该仿真模型系统在T∈(28，31) ms时，系统灵敏度相对较高。选定T=28.5 ms,即激励频率f=1/T=35 Hz用于后续选取最佳激励占空比。

图3 激励周期T对PRFEC检测SSC灵敏度的影响

2.2 激励信号占空比优化

选择最佳占空比的思路和仿真数据处理方法与上述相同。设定激励周期T=28.5 ms,使激励占空比υ在0.1～0.5范围内变化,在不同占空比υ激励下获得峰值PV与缺陷深度D的关联曲线,如图4所示。

图4 不同激励信号占空比下检测信号峰值PV与缺陷深度D关联曲线

观察图4可知,检测信号峰值PV随着缺陷深度D的增大而增大,同样当占空比逐渐变大时,峰值PV也会逐渐增大,这与改变激励周期情况的原理相同,占空比越大,系统激励所提供的能量也就相对更大,峰值相应也会增大。将图4中各关联曲线线性化,分别提取斜率K,将K与其对应占空比υ拟合,得到关联曲线如图5所示。

图5 占空比υ对PRFEC检测SSC灵敏度的影响

由图5可以看出:检测CEI,CIO,CEO缺陷,占空比分别在0.34,0.29,0.30时,各关联曲线分别取得峰值Kmax,即系统对于SSC的检测灵敏度达到最佳。综上,选择υ=0.30作为PRFEC系统的最佳占空比参数。

3 实验验证

为了进一步验证仿真结果,根据上述模型参数,搭建实验系统,如图6。

图6 PRFEC实验系统

实验选用试件为铁磁性无缝钢管,探头由激励线圈和隧道磁电阻(TMR)传感器组成,激励线圈和管道尺寸与仿真参数相同,管道长度为500 mm。激励线圈中添加铁芯,用来增强磁场强度,铁芯内外径分别为6,12 mm,高度为15 mm。实验时,激励方波信号经过功率放大器后施加于激励线圈,TMR传感器位置rs=15.0 mm,zs=90 mm,拾取到的远场检测信号经过差分放大和低通滤波后,由数据采集卡实时采集。

缺陷位置选择最容易被腐蚀的CEO,在管壁加工整管全周缺陷,深度D为0～2 mm。将检测探头放置于管道中央位置,提取检测信号峰值,实验数据处理与仿真相同。针对不同的T和v,提取K并拟合,系统灵敏度变化如图7所示。

图7 激励周期和占空比对检测系统灵敏度的影响

可以看出：1)当T=30 ms时,系统灵敏度达到最大；2)当υ=0.33时,系统灵敏度达到最大。实验结果在仿真结果范围内,但是具体针对外管外壁缺陷,两个结果之间仍存在差异,这是由于实验中采用无缝钢管的电导率和相对磁导率与仿真参数不同,同时探头结构存在一定差异,实验探头中包含磁芯,导致远场区域的距离发生变化。

4 结 论

通过仿真研究和实验验证,针对铁磁性双层套管管壁腐蚀缺陷,对PRFEC系统中激励周期和占空比两个参数进行优化研究。在ETREE解析法的基础上,开发了针对铁磁性双层套管腐蚀缺陷的PRFEC解析模型,对不同周期T和占空比υ激励下系统灵敏度变化进行仿真,并通过实验进一步验证仿真结果。通过仿真与实验研究,实现了对PRFEC系统激励参数的优化,为下一步实现缺陷识别和分类打下基础。

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Optimization of excitation parameters for PRFEC inspection on FDP*

ZHANG Xi-yu1,2, LI Yong1, JING Hao-qing1, YAN Bei1

(1.Research Centre for Inspection and Evaluation of Nuclear Structural Integrity,State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures,School of Aerospace,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China；2.Xi’an Military Representative Bureau,Xi’an 710043,China)

Take advantage of pulsed remote field eddy current (PRFEC) test on corrosion defects of ferromagnetic double-casing pipe(FDP), aiming at defects of three subsurface corrosion(SSC) of external surface of inner casing pipe , internal surface of outer casing pipe, and external surface of outer casing pipe of FDP, study on effect of excitation parameters change on system sensitivity. The optimal excitation parameters are selected by simulation and experiment. Realize optimization of parameters of PRFEC test system, and make up for deficiency of related research.

pulsed remote field eddy current (PRFEC); ferromagnetic double-casing pipe (FDP); subsurface corrosion(SSC) defects; analytical modelling; sensitivity analysis

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0007—04

2017—06—01

国家自然科学基金资助项目(51477127/E070104)

TG 115.28

A

1000—9787(2017)08—0007—04

张曦郁(1989-),男,硕士研究生,研究方向为电磁无损检测理论和试验研究。

李 勇(1978-),男,通讯作者,博士,副教授,从事结构完整性和装备安全理论与技术研究工作,E-mail:yong.li@mail.xjtu.edu.cn。