不锈钢管道脉冲涡流检测传感器特性分析

欧阳顺

（中石化天津液化天然气有限责任公司，天津 300280）

0 引言

液化天然气（LNG）作为一种清洁、高效的能源，其燃烧后产生的温室气体只有煤炭的1/2，石油的2/3，对环境造成的污染远远小于石油和煤炭。2019 年，我国进口LNG 已经超过6000万吨，成为仅次于日本的第二大LNG 进口国。随之与LNG 配套的存储、运输、使用等环节的设备也在加速发展中，促使能源结构不断优化，符合我国双碳战略目标。

1 研究背景

国内越来越多的LNG 站投入运营，对LNG 站的维护与检验检测需求逐渐增多。若进行在线不停工检验检测，常规检测方法是先将管道外的保温层拆除，但由于LNG 的特殊性是管道内介质温度特别低，介质吸热膨胀管内压力升高会产生安全隐患；另一方面，介质吸热管道外表面会形成结冰层不利于超声等常规检测检测[1]。采用射线检测时可不拆除保温层，但射线检测对检测人员安全健康的有一定的危害。因此对带有保冷保温层的低温管道腐蚀在线检测成为了一个重要的研究课题。

由涡流检测技术发展而来的脉冲涡流检测技术，利用脉冲方波作为激励信号，可穿透保温层实现低温管道的在线腐蚀检测，同时脉冲涡流检测技术具有无需耦合剂、检测效率高及检测稳定等优势，利用该技术对LNG 站低温管道检测具有广阔的应用前景，因此脉冲涡流检测技术在带有包覆层不锈钢管道影响因素研究中具有重要意义。

国内一些学者开展了脉冲涡流检测技术在不锈钢构件中的应用研究。李威[2]进行了阶梯厚度的304 不锈钢平板试件在不同提离高度的实验研究，在定性分析不锈钢厚度和提离高度变化的检测信号特性的基础上，采用计算信号衰减段斜率的方法对脉冲涡流信号进行了定量分析。沈立龙[3]在液氮低温环境下，得出脉冲涡流技术检测不锈钢管壁厚有96.43%的值与超声检测数值的相对误差在±10%以内。宋韵[4]针对不锈钢小径管的非铁磁性导致其自身无法聚焦磁场，提出采用跑道型测厚传感器，减少检测中的电磁能量耗散，通过实验验证跑道型脉冲涡流传感器更适合不锈钢小径管测厚。曹腾飞[5]仿真发现脉冲涡流检测的探测区域会随时间变大且涡流在奥氏体不锈钢中比在铁磁性材料中扩散得更快，提出通过加入罐型磁芯来聚焦一次磁场和提高信号幅值。还得出在激励线圈匝密度保持不变的情况下，线圈宽度对检测灵敏度的影响最大，在激励线圈匝数保持不变的情况下，线圈内径对检测灵敏度的影响最大等结论。

以上学者的研究确定了脉冲涡流技术在不锈钢构件中检测应用的可行性。本文为解决LNG 接收站中在线状态下对保冷不锈钢管道腐蚀减薄检测困难的问题，通过在定制的不锈钢包覆层管道中进行脉冲涡流传感器特性影响因素分析，改变传感器参数包括高度、内径、匝数等，掌握其性能特点，以提高对不锈钢管道的检测能力。

2 实验原理和平台

脉冲检测原理如图1 所示[6]：采用正负方波信号作为激励信号，经过功率放大器放大后，传输至激励线圈，当信号处于下降沿时激励信号将会从最大值变为最小值，激励线圈中电流大小发生改变，因此激励线圈周围产生的一次磁场会发生快速变化。同时在试件中产生连续变化的感应涡流及脉冲涡流，连续变化的涡流在试件中快速衰减产生连续变化的二次磁场。此时检测线圈将接收到变化一次磁场与二次磁场的叠加值转化为电压信号。通过采集接收线圈中的电压信号，对其进行预处理、提取特征值，即可分析被测试件的厚度。

图1 脉冲涡流检测原理

根据脉冲涡流检测原理设计脉冲涡流检测系统实验平台，主要包括信号发生器、功率放大器、NI 采集卡、PC、电源、被测试件、保温层、金属保护层等。

根据实验需求定制一批不锈钢管道，材料为304 不锈钢，管道参数和提离高度见表1。

表1 实验管道参数

实验中传感器与试件放置相应厚度的塑料板模拟提离。设置5 种规格传感器，将其编号为A、B、C、D、E，传感器模型如图2所示，主要包括线圈骨架、激励线圈、接收线圈。

图2 传感器模型（剖面）

每个传感器在尺寸和匝数不同，具体参数见表2。

表2 传感器参数

激励方波脉冲信号激励频率为2 Hz，占空比为50%，激励电压为12 V。接收的瞬态响应信号，经过中值滤波，从直角坐标系转换到单对数坐标系，再对其斜率特征量做信号分析。

3 数据分析

本实验主要用晚期信号衰减斜率作为特征量，对不同传感器信号对比分析。图3 为每个传感器在0 mm 提离下不同厚度试件检测信号，图4 为每个传感器在80 mm 提离下不同厚度试件检测信号。随着传感器提离高度的增加，信号幅值逐渐降低，在0 mm 提离和80 mm 提离两个极值处的数据能够反映传感器特性变化规律，因此略去中间提离变化图。

由图3 可知，在没有提离情况下，由于各个传感器的参数差异，在相同厚度试件下，信号衰减时间不同。为了方便观察，只看每个传感器在15 mm 厚度试件下信号衰减到水平线的时间，传感器A 和传感器B 相比较，在增大线圈内径（激励和接收线圈尺寸增加），激励信号增强，接收信号也随之增强；传感器B和传感器C 相比较，在内径和线圈匝数相同的情况下，降低线圈高度，有利于检测信号幅度提升；传感器C、D、E相比较，增加接激励或接收线圈匝数，信号幅值有一定提升。

图3 不同传感器在0 mm提离下厚度信号

由图4 可知，在大提离情况下（80 mm），接收信号幅值快速下降，传感器A 无法区分不同厚度信号，超出其检测能力范围；B 传感器区分2～8 mm 厚度试件明显；E 传感器 区 分8～15 mm厚度试件明显；传感 器C、D、E 相 比较，C 传感器信号幅值较低，D、E 传感器信号幅值增大，即增加线圈匝数，有利于在大提离下增加检测信号幅值。

图4 不同传感器在80 mm提离下厚度信号

4 结论

通过五组不同规格传感器在设置实验条件下数据对比分析可知，提离高度增加，检测信号幅值降低；增加线圈内径、线圈匝数，有利于检测信号幅值增加；在相同内径和匝数情况下，降低线圈高度，有利于信号幅度提升。每个传感器有其最佳适用范围，在大提离、较厚试件条件下应选用内径较大、线圈匝数较多的传感器。

通过实验得出的结果，可为应用脉冲涡流技术现场检测不锈钢管道提供理论支撑。