一种地面钢质管道损伤涡流磁场检测系统设计

党 伟 朱 兵

（1.北京大豪科技股份有限公司，北京 100011；2.北京商业学校，北京 102200）

0 引言

管道是重要的液体、气体运输工具，是国民经济建设的重要基础设施[1]。其中，地面钢质管道由于不受地下因素制约，不影响土壤环境，相对埋地管道清除事故容易、整修方便，因此广泛应用于石化运输等行业[2]。但由于钢质管道使用周期过长致使管壁腐蚀损坏，容易发生管道的泄漏事故，造成严重的后果。因此，为有效避免地面钢质管道泄漏事故的发生，有必要对其进行定期检测[3]。

地面钢质管道为避免管壁的腐蚀、延长使用周期，需要进行防腐，通常情况下，在管道的外部会包裹一层保温和防腐的复合层[4]。因此，针对地面钢质管道的损伤检测需求，还需要满足检测系统具有一定的提离效应，以保证能够在不拆除管道外保护层的前提下，对管道缺陷进行有效检测。

1 涡流磁场检测基本原理

涡流磁场有效检测的前提是在待测管道的管壁感应出感应电流。根据麦克斯韦电磁场理论可知，当交变磁场通入金属内部时，能够在金属内部感应出交变的电场，且该电场的方向垂直于磁场[5]。所以，当交变磁场接近管道时，会在管道的管壁感应出交变的电场，管道为良导体，电场的存在必然产生电流，该电流为感应电流[6]。当感应电流在流动方向上遇到管道缺陷时，电流方向会发生偏移，同时，缺陷处导体电阻率的改变也会使感应电流变化，感应电流分布的变化会致使相应管壁附近的感应磁场发生畸变[7]，所以，在管道缺陷上方就会形成畸变的磁力线分布，即管道缺陷相应位置附近的磁感应强度发生改变。通过检测磁感应强度的变化，就能够定位管道的缺陷位置。

传统的涡流检测方法因为趋肤效应的存在，无法满足检测的深度要求，如果选择低频激励信号则又无法保证检测的精度[8]。因此，为克服趋肤效应问题，同时兼顾检测灵敏度、可靠性等需求，设计的检测系统采用一种特殊的激励方式，低频正弦信号搭载高频正弦信号的波形输出，激励源信号波形如图1所示。低频信号保证了检测的深度，产生的交变磁场能够穿透管道外壁的防腐层，使检测具有一定的提离效应，而高频信号则满足了检测的精度要求。

2 检测探头及系统设计

2.1 检测探头

探头整体结构设计分为检测探头和矫正探头两个部分，检测探头平行于管道轴线纵向放置，激励线圈致密缠绕于硅钢片磁芯，线圈外接激励电源，检测时保持检测探头均匀低速扫描管道，拾取缺陷处的突变磁场信号。矫正探头固定于一块无缺陷铁氧体上方，激励线圈同样致密缠绕于硅钢片磁芯，线圈接入可调精密电阻后与激励电源连接。调节可调精密电阻的阻值，使矫正探头与检测探头的三轴磁场信号在幅值与相位上相一致。因为检测探头在缺陷处拾取到的磁场信号是自身激励线圈产生的磁场和缺陷磁场以及其它影响因素共同作用叠加后的磁场信号，所以，在后期的信号处理中，只需要采用物理方法将检测探头与调节好参数的矫正探头的三轴磁场值分别做差，即可得到管道上对应缺陷处的三轴磁场信号。应用此物理方法提取出的缺陷信号，更加接近真实缺陷处的磁场信号。

检测探头和矫正探头实物图如图2所示。其中，硅钢片磁芯单片厚度0.3mm，检测探头和矫正探头磁芯均为40片硅钢片叠加，厚度约12mm，检测探头尺寸为80×35mm（镂空矩形50×20mm），矫正探头尺寸为60×25mm（镂空矩形40×15mm），铁氧体尺寸为100×50×25mm。

有铁芯的电感器存在磁饱和问题，在实验中，应该保证铁芯在磁饱和范围内工作，而且磁感应强度应该尽量较大保证有理想的实验结果[9]。以现有尺寸的检测探头和矫正探头为计算对象，最终选定激励线圈线径为0.5mm，安全电流值1.178A，检测探头缠绕线圈200匝，矫正探头缠绕线圈150匝。实验时，控制电流值不超过1.178A，探头磁路就不会达到磁饱和的状态。

2.2 系统设计

检测系统包括激励电源、功率放大电路、检测探头、采集卡、计算机等。激励电源外接功率放大电路，调节功率放大器的增益，使实际作用于励磁线圈的电流有效值达到最优检测要求。选用高磁导率的U形硅钢片叠加作为磁芯，在磁芯上致密缠绕计算后的固定匝数的线圈，检测探头和矫正探头的激励线圈并联，同时输入所需频率的激励信号。接收部分选用TMR2309三轴磁电阻线性传感器芯片探头，固定于U形检测探头和矫正探头正下方中心位置，传感器外接采集卡和上位机，记录信号波形，实现人机界面交流，采集数据、设置参数、测量结果显示与存储都可以在上位机端完成[10]。检测中，保持检测探头两个极靴端连线平行于管道轴线纵向放置，在管道正上方均匀低速扫描管道，矫正探头固定于无缺陷铁氧体表面，观察与探头连接的上位机端实时显示的信号波形，对储存的数据进行Matlab分析处理，提取管道上对应不同类型缺陷的磁场信号，实现对缺陷的定性检测[11]。检测系统实验示意图如图3所示。

3 有限元仿真与分析

应用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对检测探头扫描管道的过程进行仿真分析，三维建模包括检测探头和管道两个部分，其中检测探头与实物等比例建模，置于管道正上方10mm提离位置，管道建模尺寸为内径68mm，外径74mm，长600mm，在管道中心位置处，有一个直径12mm的通孔缺陷。对建立的检测模型进行磁场仿真，得到管道产生的相应感应电流分布和检测探头中磁力线的分布情况如图4所示。

由图4可知，激励线圈产生的磁场集中于铁芯内部，这是由于硅钢片铁芯的磁导率远远大于空气，与空气相比铁芯磁阻很小，所以，磁通几乎全部集中在铁芯内部[12]。同时，管壁产生均匀的感应电流，在通孔缺陷处，感应电流发生偏折和扭曲，感应电流分布的变化必然引起感应磁场的改变，所以，在缺陷附近的磁场强度会发生畸变。进一步对检测模型的电势分布计算和分析，得到电势仿真结果如图5所示。

由图5可知，由于探头的激励磁场作用，管道电势在磁轭探头的两脚和缺陷处存在明显电势差，探头两脚间的电势差使管道产生均匀感应电流，缺陷处电势差使感应电流发生畸变，致使缺陷附近磁场发生改变，检测系统的仿真结果与理论研究相一致。

4 实验探究与结果分析

通过开展室内管道检测实验，模拟地面钢质管道的检测工况，对涡流磁场检测技术及设计的检测系统方案进行实验探究和验证。实验钢质管道内径68mm，外径74mm，总长2850mm，实验管道表面预制沿管径裂纹、垂直管径裂纹、刻槽、通孔、盲孔和45°裂纹六种不同类型缺陷，其中，盲孔缺陷直径12mm，深度2mm；通孔缺陷直径12mm；刻槽缺陷尺寸为20×12×2mm；三种裂纹缺陷尺寸均为30×2×2mm，实验管道示意图如图6所示。

实验中，分别对六种不同类型缺陷进行检测，激励信号高频低频20Hz，高频1kHz，输出电压峰峰值14V，将检测探头置于管道正上方，提离值10cm，沿管径方向均速扫描管道，分别通过不同缺陷上方附近，采集对应磁场信号。检测探头测得的磁场信号为感应磁场、缺陷处磁场和其他环境因素共同作用的磁场，而矫正探头测得的磁场信号没有管道缺陷磁场，因此，要得到缺陷的磁场信号，就可以在信号处理中，将调节好幅值和相位的矫正探头三轴磁场信号和检测探头三轴磁场值分别做差，采用物理方法提取缺陷磁场信号，现以磁场的法向分量为分析对象，实验最终得到的六种不同缺陷的磁场信号如图7所示。

分析图7可知，当检测探头保持一定的提离值，扫描通过不同种类的管道缺陷时，在缺陷附近磁场信号的法向分量存在明显的信号突变，提取出的缺陷磁场信号对不同种类的管道缺陷表现为不同的信号特征，通过分析信号特征，可以对管道缺陷进行定位，实现检测需求。通过多组实验数据的验证，认为检测系统设计方案和信号处理方法可以对管道进行损伤检测，定位缺陷位置，且能够保证在一定的提离距离下的检测精度。

5 结语

对于地面钢质管道能够在不拆除防腐层的前提下对管道进行损伤检测的问题，设计了一种基于涡流磁场检测原理对管道进行探伤的检测系统，应用COMSOL仿真和管道模拟缺陷检测实验，验证了检测探头系统设计方案的可行性，观察管道在不同种类缺陷下，缺陷处磁感应强度的变化规律，应用信号处理方法提取出不同缺陷对应的磁场信号，最终实现了管道的损伤检测，能够有效定位缺陷位置。