脉冲涡流检测技术新进展

2020-12-16殷雪峰刘红军崔建杰

广州化工 2020年23期

殷雪峰，刘红军，崔建杰

(1 中国石化青岛炼油化工有限责任公司，山东青岛 266000；2 北京安泰信科技有限公司，山东淄博 255000；3 天津特米斯科技有限公司，天津 300131)

油气管道、容器、塔等装置在役(在线)工作时，承受着气体或液体的高压，经受着各种腐蚀的破坏，非常容易成为事故隐患，可能给企业和社会造成巨大的损失。长久以来，针对装置内保温层下的高温(或超高温)承压管道、容器、塔壁等腐蚀情况的效、准确的检测与评估，一直是采油、炼化和天然气行业中的科研难题。

作为涡流检测技术的分支，脉冲涡流检测技术(Pulsed Eddy Current Testing，PECT)采用方波或阶跃方式激励，包含丰富的频率成分，如可用于设备上表面缺陷检测的高频成分和用于设备下表面缺陷检测的低频成分，避免了传统涡流只能检测设备上表面缺陷的局限。此外，脉冲涡流的激励能量更强，具有很好的穿透性，能穿透保护层和几十甚至上百毫米的绝热层，可真正实现在不拆除保护层的情况下对承压构件进行不停机检测，因此，脉冲涡流在管道和设备，尤其是带包覆层的管道和设备的检测中有良好的应用前景[1]。

近几年，脉冲涡流检测技术发展较快，在国内外获得了大量应用，本文从脉冲涡流检测技术的基本原理入手，介绍和比较了国外成型产品的技术原理，并对近期理论研究成果进行了分析。

1 铁磁性材料脉冲涡流检测技术的基本原理

脉冲涡流属于涡流检测(Eddy Current，简称ET)的一个分支，其基本原理是通过在探头加载瞬间关断电流，激励出快速衰减的脉冲磁场，该磁场可以穿过一定厚度的保护层和保温层而诱发被检构件表面产生涡流，所诱发的涡流会从上表面向下表面扩散。同时，在涡流扩散过程中又会产生与激励磁场方向相反的二次磁场，在探头的接收传感器中会输出这个感应电压。如果管道上有缺陷，则会影响加载管道上脉冲涡流状况，继而影响接收传感器上的感应电压。二次磁场感应的电压包含了被测构件本身的一些特性，如：厚度、尺寸、电磁特性等综合信息[2]。通过算法解析，可以扫查得到腐蚀缺陷的具体位置及严重程度。由于被测构件的材料多种多样，且工况复杂，如保护层材料和传感器提离多变，因此检测信号复杂。如何从复杂检测信号中提取合适的特征量来评估构件壁厚减薄成为关键。根据现有文献的记载，脉冲涡流检测中常用的特征值主要有：峰值[3-4]、峰值时间[5]、过零点时间[3]、提离交叉点[6]、拐点时间和拐点斜率等[7-9]。图1为脉冲涡流检测技术原理示意图。

图1 脉冲涡流检测技术原理示意图

1.1 铁磁性材料脉冲涡流检测技术的起源

脉冲涡流检测技术应用在非铁磁性材料上的历史可以追溯到20世纪50年代，直到20世纪80年代，美国ARCO石油公司才将脉冲涡流检测技术应用于铁磁性材料的检测中。1989年，ARCO公司的Spies和Lara等申请的美国专利“Transient Electromagnetic Method for Detecting Corrosion on Conductive Containers”获得了授权，该专利将地质勘探行业的瞬变电磁仪(TEM)应用于带包覆层的铁磁性管道的腐蚀检测中，详细介绍了基于瞬变电磁用于检测带包覆层铁磁管道腐蚀的基本原理，包括传感器探头的制作、激励信号的发射、接收信号的采集和处理，并对腐蚀缺陷的判断进行了说明。该专利采用的传感器探头由激励线圈和接收线圈组成，接收信号为感应电压，由于接收到的感应电压值动态范围很大(从几千mV到几十μV)，该专利将信号在双对数坐标系中进行分析，通过比较未腐蚀区域和腐蚀区域的不同曲线特征，以获得检测壁厚值[10]。

1.2 RTD-INCOTEST脉冲涡流检测系统的技术原理

1995年，荷兰RTD公司获得了ARCO公司脉冲涡流检测技术(1989年专利)在全球的独家许可，并投入大量的研究资源，对该系统进行了系统的研究，并从标定点、传感器、算法软件等方面进行了改进，最终成功开发出可用于包覆层管道腐蚀检测的脉冲涡流检测设备，RTD公司将其命名为INCOTEST(Insulated Component TEST)系统，这是首个真正用于铁磁性材料脉冲涡流检测的商业化设备。

从现有文献分析，RTD-INCOTEST脉冲涡流检测系统的主要原理为：脉冲涡流检测过程分为两个阶段，在第一阶段，施加到发射线圈上的电流在探头周围产生一次磁场，一次磁场不受非导电和非磁性材料的影响，可以不受干扰地穿透保温层和涂层到达金属表面，这也就意味着脉冲涡流检测技术可以穿透包覆层而对铁磁性材料的壁厚进行检测；在第二阶段，随着发射线圈中的电流关断，一次磁场迅速衰减，同时产生二次感应磁场，并在探头的接收传感器中会输出感应电压(脉冲涡流信号)；脉冲涡流信号从被测物的近表面逐步向远表面传递，在传递到远表面前，该信号的衰减速度较慢，其衰减律符合逆幂函数关系；而在到达远表面后，该信号会迅速衰减，其衰减率符合指数关系；为了对信号进行分析，分别对检测到的感应电压和时间轴进行对数转换，形成双对数坐标。在双对数坐标系中，前期脉冲涡流信号衰减段(符合逆幂函数关系)显示为直线，后期信号衰减段(符合指数函数关系)显示为曲线，脉冲涡流信号由慢到快的过渡点(在双对数坐标系中即表现为直线段到曲线段的过渡点)称为“拐点”，拐点出现得越早，壁厚越薄，且拐点时间与壁厚呈一定的函数关系，因此，拐点时间可以作为测量被测物体壁厚的特征值[11]。

RTD公司的INCOTEST脉冲涡流检测系统即以拐点时间作为特征值，先通过脉冲涡流信号求得特征值，再利用特征值求得被测物体的壁厚值。除RTD公司的INCOTEST外，MAXWELL公司[12]、德国TÜV(莱茵技术)公司[13]和新加坡INNOSPECTION[14]等公司推出的针对铁磁性材料的脉冲涡流检测设备与RTD-INCOTEST脉冲涡流检测系统的原理基本相同。图2为INNOSPECTION公司脉冲涡流检测系统的原理示意图[14]。

图2 INNOSPECITON公司检测系统的原理示意图

1.3 EDDYFI-Lyft脉冲涡流检测系统的技术原理

除RTD公司的INCOTEST外，加拿大EDDYFI公司的Lyft脉冲涡流检测系统也比较知名。在2016年第19届全球无损检测会议中，EDDYFI公司对其Lyft脉冲涡流检测系统的新进展进行了介绍[15]：他们改变了原有的在双对数坐标系中(图3左图)进行脉冲涡流信号分析的方式，改为在单对数坐标系中进行分析，这是因为脉冲涡流晚期信号的衰减规律符合指数函数关系，而这一关系在单对数坐标系中表现为直线(图3中图)，且晚期信号直线段的斜率与壁厚值呈一定函数关系，可以作为测量壁厚值的特征量。同时，EDDYFI公司提出了利用晚期信号衰减率(或拐点斜率)作为特征值来计算壁厚值的优势：(1)信号特征位置出现得更早，可以获得更好的信噪比和更多的信号值；(2)晚期信号衰减率(拐点斜率)受提离高度或保温层厚度的影响较小。

图3 EDDYFI-Lyft系统的技术原理

2 铁磁性材料脉冲涡流检测技术的理论研究进展

以上提到商业化产品的技术原理由于商业保密等原因，只从应用角度提出了铁磁性材料脉冲涡流检测技术的原理，而近十年在理论研究上也获得了很多进展。

2.1 脉冲涡流感应电压近似式的提出

在RTD公司和EDDYFI公司的技术原理中均将脉冲涡流信号分为两个阶段，其前期信号的衰减规律符合逆幂函数关系，后期信号的衰减规律符合指数衰减规律。但对于两段规律并没有提供解析式或近似式。

文献[16]通过数值模拟，研究了有限厚铁磁性试件中涡流的扩散规律及二次磁场的瞬变规律，分析得出了有限厚铁磁性试件脉冲涡流响应与试件电磁特性和时间的近似函数关系：

(1)

式中，t0为涡流到达试件下底面的时间；F(l,d)为与提离高度和试件厚度相关的参数；ρ为试件的电阻率；μ为试件的磁导率。

文献[17]在已有平板导体脉冲涡流场感应电压时域解析式的基础上，利用铁磁性材料相对磁导率远大于1的条件，比较解析式中各变量的量级大小，结合铁磁平板内脉冲涡流的扩散过程，也得到了脉冲涡流感应电压在前、后期两段的近似表达式。其表达式与文献[16]的表达式基本相同，但对于后期的感应电压表达式其简化为：

Ve(t)≈Uee-t/τd

(2)

其中，τd为涡流扩散时间常量：

τd=μσd2/π2

(3)

这些近似关系式与RTD公司和EDDYFI公司的技术原理相同，且能为涡流检测过程的理论建模和信号解释提供参考，也为检测信号反演提供了依据。

2.2 多涡流环等效模型

在常规的涡流检测技术的等效电路模型中，通常将试件中的涡流等效一定尺寸的假想线圈中流过的电流；将激励线圈和试件之间的耦合关系等效为其与等效线圈之间的耦合关系，从而将复杂的电磁场模型简化为简单的电路模型。但如果只将试件等效为一个线圈，建立的模型阶数过低，对铁磁性材料或壁厚较厚的非铁磁性材料的脉冲涡流信号拟合效果不好。文献[18]在单涡流环等效模型的基础上，将阶跃电流激励下的每一种频率的谐波感应出来的涡流都等效为一个涡流环，而谐波之间相互影响的过程也可以用涡流环间的相互耦合作用来等效，从而建立起多涡流环耦合等效模型，并计算出系统监测到脉冲涡流电压信号的表达式：

(4)