测速对远场涡流管道缺陷检测的影响

张芸 王银丽 蒋天植 黄有骏 孙琦 林超 喻恒 李昱

【摘 要】在基于远场涡流的管道缺陷定量检测中，在距离激励线圈2-8倍管道内径的位置设置了2个物理属性完全相同的接收线圈来实现管道缺陷的检测。当仪器以一定速度进行管道检测时，由于管道作为闭合导体，当产生磁场的激励线圈与管道产生相对速度时，由楞次定律可知，管道会产生阻碍磁场变化的感应电流影响缺陷检测。为了直观分析仪器速度效应给检测带来的影响，利用ANSYS有限元仿真软件建立远场涡流双线圈检测模型进行了仿真，鉴于远场涡流为低频测试以及仪器参数自身等限制，仪器存在最大检测速度，在最大检测速度以内仿真结果表明：随着仪器运行速度的增加两个检测线圈上的感应电压幅值减小，相位也有减小的特征，进一步反应速度对管道缺陷定量检测的影响，将检测的特征相位转化成管道壁厚，经过误差分析确定在最大速度范围内，远场涡流检测中由仪器速度效应带来的误差很小。

【关键词】远场涡流;双接收线圈;速度效应

中图分类号： TE973.6 文献标识码： A文章编号： 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

管道缺陷的定量檢测研究对于管道防护和经济止损具有重要意义[1-3]。为了实现基于远场涡流的管道缺陷定量检测，本文通过在远场区域设置2个参数完全相同的感应线圈获取缺陷的涡流信号。在在基于远场涡流的管道检测中，对检测线圈采集的特征信号的处理及最后的壁厚计算均未考虑仪器移动速度这一因素，而在实际检测中检测装置并非处于静止状态进行测试.因此研究测试中仪器移动带来的速度效应对管道缺陷辨识的影响，对提高检测结果的可靠性具有重要意义.

此外，在实际测试中，测速也会受到仪器实际参数、激励源频率、采集的电路处理速度、可识别缺陷宽度等条件的限制，为了研究远场涡流检测中仪器检测速度对检测结果的影响，本文通过ANSYS有限元仿真软件进行远场涡流检测建模，仿真不同测速下双接收线圈的特征信号（相位、幅值），并通过去噪、去伪峰等数据处理最后转换成管道壁厚进一步分析仪器速度效应带来的测试误差。

论文通过以下部分详述了基于远场涡流的速度效应的仿真分析。第一部分通过ANSYS建模及理论分析速度效应带来的影响;第2部分通过仿真结果进一步分析壁厚误差。

1 远场涡流仪器速度的仿真分析

1.1 远场双线圈检测模型

远场涡流检测模型由低频激励源以及两个物理属性完全一致的接收线圈组成[4-5]，其检测模型如图1所示。

在图1中，在与发射线圈同轴的远场区域（2-8倍的管道内径处）设置具有同材质、同尺寸的双接收线圈（接收线圈1、接收线圈2）实现检测信号的获取。图1中，发射线圈为20Hz的正弦低频信号[4-6];d1为接收线圈2与发射线圈的间距，d2为检测线圈1与发射线圈的间距，d1和d2均属于2.5～8倍管道内直径范围;d3为双接收线圈之间的距离，d3为1～2倍管道内直径范围。

检测过程中激励线圈施加160V，20Hz初相为0的正弦激励信号，仪器从左往右（由激励线圈指向检测线圈）行进测量管道，同一次检测，传感器和两个接收线圈接收由同一个发射线圈激励的涡流信号，设置两个完全相同的检测线圈主要目地的是检测信号的去伪峰[6-7]。

1.2 速度对检测线圈感应电压的影响

即磁通量在n匝检测线圈横截面积上积分之和，当速度增加时，由于楞次定律，会产生相反方向的磁场阻碍磁场变化，因而使得检测线圈的磁场减小从而使感应电压幅值减小。使得本来已经mV级的微弱检测信号更加微弱，对管道检测很不利。

为了研究测试中仪器运行速度对检测结果的具体影响，根据远场检测模型，利用ANSYS有限元仿真软件按照表1所给的仪器参数以及表中的缺陷管道参数建立远场涡流检测的物理仿真模型如图2.

实际检测中仪器由图中从下往上移动进行管道检测，在铁磁性管道上依次添加0m/s，-4m/s，-8m/s的速度，对应的仪器相对于被测管道的速度依次为：0m/s，4m/s，8m/s，仿真得到的检测线圈上感应的涡流信号磁力线如下图3。

比较后不难发现，当传感器以一定速度在管内运动时，管外磁场分布相较于速度为0时向下偏移，且随着速度的增加，磁场的偏移量增大。这是因为管体作为闭合导体在激励源所建立的磁场中运动时，必将产生感生电流，由楞次定律可知，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，因此当仪器从下往上以一定速度移动，激励源下方部分管道中的感应电流所产生的磁场方向也为从下向上，激励源上方部分则相反，因此激励线圈下方磁场得以增强而上方则减弱，从磁力线分布上来看就是磁场向下偏移。

为了模拟仪器在实际中的检测过程，在ANSYS仿真中，对管道添加-2m/s，-1m/s，0m/s的负向速度（检测线圈相对于管道则以正向速度1m/s，2m/s，0m/s测量），仪器初始位置时检测线圈1距离缺陷600mm，每次仿真同时改变发射线圈和检测线圈位置（每次移动20mm）模拟仪器行进检测过程，检测线圈上的感应电压的幅值、相位结果如图4、图5。

图4和图5分别是不同速度下的检测线圈检测电压的幅值和相位，由于检测线圈1和检测线圈2物理属性完全一致，仅由于两个线圈距离发射的距离不同存在很小的差异，所以仿真结果仅是存在由于线圈距离激励源位置引起的时移，在此，仅分析线圈2，可以发现当线圈2移动到offset=10附近宽度大约在200mm左右，即缺陷所在位置处时，幅值和相位都呈现出缺陷特征的突变，其中缺陷处检测信号幅值的增加主要是由于缺陷处管壁变薄信号衰减较小，而对应的相位处则呈现相位滞后减少的特征。随着速度的增加，相较于速度为0的理想情况，检测线圈上的感应电压幅值减小，相位除了减小还有一定的平移;在缺陷过后，由于激励线圈逐渐靠近缺陷区域，引入的伪峰信号导致检测线圈在缺陷之后的无缺陷处的相位和幅值与缺陷前的信号呈现差异。

为了方便观察仪器移动速度对检测信号的影响，利用ANSYS的瞬时分析将检测线圈2处于管道无缺陷位置时在3个周期内的瞬时电压导出如下图6，其中“×”曲线为激励信号，可以看到对于某个位置的检测而言，随着速度的增加检测信号幅值相应减小。仪器的速度效应使检测信号更加微弱，当速度过大就可能出现缺陷处信号的幅值趋近于正常管道处幅值，从而出现错误检测。

1.3 速度对检测结果的影响

由于在远场涡流测试时，测试信号的幅值能级变化较大，且远场检测信号微弱，而信号相位相对稳定[4-6]，因此在实际检测中主要采用检测信号的相位作为测的特征信号。通过检测线圈得到的电压相位与激励线圈的相位差通过式（4）最终确定被测管道的壁厚h。

检测壁厚误差如图8，从图8中可以清晰的看到在无缺陷管道处，速度对壁厚的测量结果影响很小，而从检测线圈进入缺陷区域到检测线圈完全离开缺陷区域，即图中所标识的缺陷区域，两个线圈的误差最大，在进入其缺陷位置时的检测位置处速度为2m/s时两个线圈的误差达到了-0.65mm，而在离开缺陷区域的位置两个线圈的误差也有0.18mm。但整体误差仍在精度要求范围内，最大的相对误差也仅有5.8%。因此在测速小于2m/s的测速内没有校正的必要。

2 总结

本文基于远场涡流检测原理，利用ANSYS有限元仿真软件建立双接收线圈模型，仿真仪器不同测速下的检测结果。仿真结果表明，随着速度的增加管外磁场平移，在仪器测速小于2m/s的范围内，随着速度的增加检测线圈幅值减小，相位整体减小且相较于0速度相位曲线有平移趋势，将检测线圈的相位转换为壁厚后发现速度增大检测的壁厚越小，主要由于闭合管体与仪器产生相对速度，由楞次定律则会产生阻碍的变化的感应磁场致使检测电压偏小。对测试壁厚进行误差分析，更为直观的发现在检测线圈进入和离开缺陷区域时候测量壁厚受仪器速度效应影响最大，误差最大处约为-0.65mm，但仍在检测精度要求范围以内，故而当一起运行速度小于2m/s时速度对测量结果影响不大，无需校正。

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