用于镀锌铁皮保护层下检测的脉冲涡流技术研究

南 海, 杨晓雨, 张志明, 李周波

(1.中国石油辽阳石化公司,辽宁 辽阳 111003;2.渤海装备制造公司南京巨龙钢管有限公司,江苏 南京 210021;3.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司,陕西 西安 710018)

脉冲涡流检测技术(Pulsed Eddy Current,PEC)是近几年发展起来的一种新型的非接触式无损检测技术,由于其可以在不拆除包覆层(保温层或保护层)的情况下实现对承压管道或设备的不停机检测,已在炼油化工和基础化工等行业中得到了广泛的应用[1]。

现有带包覆层管道或设备使用的保护层材料主要有不锈钢皮、铝皮和镀锌铁皮三种,其中不锈钢和铝为导电不导磁材料,镀锌铁皮为铁磁性材料,具有高磁导率。文献[2]中指出:由于保护层厚度远小于管壁厚度,涡流在保护层中衰减速度快,因此其主要对早期信号产生影响,对反映壁厚腐蚀情况的晚期信号的影响可以忽略。在实际应用中,铝皮和镀锌铁皮均会对脉冲涡流信号产生影响,而其中镀锌铁皮由于高磁导率产生的电磁屏蔽作用会影响脉冲涡流的检测性能[3]。

本文以镀锌铁皮为研究对象,分析了在镀锌铁皮保护层下检测时脉冲涡流信号的特征变化,对不同厚度镀锌铁皮、提离高度和镀锌铁皮振动对脉冲涡流信号的影响进行了分析,提出了抑制镀锌铁皮影响的方法,并在实际应用中进行了验证。

1 脉冲涡流的信号特征及保护层的影响

脉冲涡流信号是一组随时间衰减的感应电压信号,包括瞬间关断电流激发出的一次磁场信号和被检构件涡流产生的二次磁场信号。由文献资料可知[4-8],铁磁性材料脉冲涡流早期信号为一次磁场和二次磁场的叠加信号,难以从中提取出被测构件信息;中期信号满足逆幂函数衰减规律,是涡流在被测构件中传输产生的二次磁场信号;后期信号满足指数函数衰减规律,是涡流在被测构件中扩散产生的二次磁场信号。由于脉冲涡流早期信号幅值大、衰减快,中晚期信号幅值小且衰减相对较慢,整体信号动态范围大,壁厚不同的被测构件的脉冲涡流信号在直角坐标系中无法进行区分,因此,一般将感应电压信号或时间信号进行对数转换,在双对数坐标系(logV-logT)或单对数坐标系(logV-T)中进行分析。

图1是提离高度为50 mm且无保护层时对壁厚分别为6.30 mm和8.15 mm的20号钢管测试得到的脉冲涡流信号。从图1可知,当被测构件材质相同且提离高度相同时,不同壁厚的脉冲涡流信号存在较为明显的差异:在双对数坐标系中表现为信号中期阶段与晚期阶段的过渡点时间(也被称为拐点时间)不同,壁厚越薄过渡点时间越小,反之亦然;在单对数坐标系中晚期信号表现为直线段,壁厚越薄晚期信号直线段斜率的绝对值越大,反之亦然[9-11]。过渡点时间和晚期信号斜率都可以作为表征壁厚的特征值。

图1 在无保护层情况下的脉冲涡流信号

图2是在0.5 mm厚的不锈钢皮、铝皮、镀锌铁皮及不带保护层情况下,当提离高度为50 mm时对6.30 mm壁厚的管道进行测试得到的脉冲涡流信号。从图2可以看出:(1)不锈钢皮对脉冲涡流信号影响很小,铝皮增加了脉冲涡流信号的幅值,镀锌铁皮降低了脉冲涡流的幅值;(2)当保护层为铝皮或镀锌铁皮时,由于受到保护层信号的干扰,表征壁厚的过渡点时间变得相对不清晰且与无保护层时的过渡点时间存在差异;(3)虽然铝皮和镀锌铁皮影响了脉冲涡流信号的幅值,但是当保护层不同时的晚期信号直线段基本平行,晚期信号斜率受保护层的影响较小。

图2 不同保护层情况下的脉冲涡流信号

综上所述,可以利用脉冲涡流晚期信号斜率作为表征壁厚的特征值,且该特征值受保护层的影响较小。

2 镀锌铁皮对脉冲涡流信号的影响

2.1 镀锌铁皮厚度对脉冲涡流信号的影响

为分析镀锌铁皮厚度对脉冲涡流信号的影响,分别采用0.5 mm和0.8 mm厚的镀锌铁皮作为保护层,当提离高度为50 mm时对6.30 mm壁厚的管道进行测试得到脉冲涡流信号,并将信号与没有保护层时的信号进行比较,见图3(单对数坐标系)。从图3可知:镀锌铁皮对脉冲涡流的影响主要体现在降低了信号的幅值上,且铁皮厚度越厚,对幅值的影响越大:当镀锌铁皮厚度为0.5 mm时,信号幅值降低至无保护层时幅值的47%左右;当镀锌铁皮厚度为0.8 mm时,降低至38%左右。幅值的降低不仅降低了脉冲涡流信号穿透保温层厚度(提离高度)的能力,也降低了脉冲涡流信号穿透被测铁磁性材料的能力。因此,在保护层为镀锌铁皮时应考虑提离高度对检测的影响,且选用穿透能力更强的检测探头,或选择电流强度更大的电流发射源。

图3 镀锌铁皮厚度对脉冲涡流信号的影响

2.2 提离高度对脉冲涡流信号的影响

为分析镀锌铁皮厚度对脉冲涡流信号的影响,采用0.5 mm镀锌铁皮作为保护层,选用壁厚分别为6.30,8.15和12.28 mm的管道进行测试,提离高度以10～150 mm递进。测试得到的脉冲涡流信号绘制于图4中(单对数坐标系),其中图4(a)为壁厚(T)为12.28 mm管道不同保温层厚度的脉冲涡流信号,图4(b)为提离高度(H)分别为20 mm和120 mm时管道壁厚不同的脉冲涡流信号。表1为提离高度不同的条件下计算壁厚与实际壁厚的比较。

表1 不同提离高度下计算壁厚与实际壁厚的比较

图4 不同提离高度下的脉冲涡流信号

由图4(a)可知:提离高度影响了信号幅值,但晚期信号呈直线且基本平行,采用晚期信号斜率作为表征壁厚特征值时提离高度对壁厚影响不大。由图4(b)可知:当提离高度相同时,不同壁厚的脉冲涡流晚期信号差异大,采用晚期信号斜率可以分辨不同壁厚。表1数据进一步证明当采用晚期信号斜率作为表征壁厚的特征值时,提离高度对壁厚的影响较小。

2.3 镀锌铁皮振动引起的信号波动

在现场检测过程中,如检测探头直接与镀锌铁皮接触,每当检测探头发射电流时铁磁性的镀锌铁皮就会因磁致伸缩而产生振动,这种强烈的振动会使脉冲涡流信号产生波动(见图5红色曲线),从而难以提取出有效的特征值。通常情况下这种振动和镀锌铁皮的厚度、提离高度和探头形状等相关,且与检测设备的脉冲频率同步,单纯依靠增加信号的叠加次数很难去除振动对信号的影响。

图5 镀锌铁皮振动引起的信号波动

由于这一振动是由镀锌铁皮铁磁性造成的,因此在实际检测过程中应尽量避免检测探头与保护层直接接触,如在探头和保护层之间垫上一层非铁磁性材料(见图5黑色曲线)。

2.4 镀锌铁皮影响小结

综上所述,保护层为镀锌铁皮时:(1)当提离高度相同时,带镀锌铁皮保护层的脉冲涡流信号幅值较不带保护层时的信号幅值大幅减小,此时需选择穿透能力更强的检测探头并提高发射电流强度;(2)当以晚期信号斜率作为表征壁厚的特征值时,提离高度对计算壁厚的影响较小;(3)考虑到磁致伸缩引起的探头振动,检测过程中应避免检测探头与镀锌铁皮直接接触。

3 现场应用

中国石油辽阳石油化纤工程有限公司自2022年6月起使用防爆型脉冲涡流检测设备对辽阳石化厂区内管线进行了检测。该设备采用晚期信号斜率作为表征壁厚的特征值,可穿透厚度为1 mm的镀锌铁皮保护层和厚度为200 mm的包覆层;设备配备保温探头三个,最大可调电压12 V。

针对该公司共选取2 260个位置进行检测,其中保护层为镀锌铁皮的检测位置共1 117个,镀锌铁皮厚度约0.5 mm,保温层厚度50～100 mm。由于保温层厚度在100 mm以内,检测时选择SJA-P3探头,检测电压设置为10 V,检测模式为点测。表2为炼油厂利用脉冲涡流检测设备进行检测的统计数据,其中保护层为镀锌铁皮的检测位置占整体检测位置的49.42%,大部分是在未拆除保温层的情况下进行检测。对检测发现的问题需要在拆除包覆层后用超声波测厚仪进行验证。

表2 炼油厂脉冲涡流检测数量统计

对SUD30703进行脉冲涡流检测。在用脉冲涡流设备进行检测过程中发现管道减薄比较严重,最小壁厚为5.17 mm;拆除包覆层后用超声波测厚仪实测壁厚最小值为4.89 mm。

4 结 论

为了研究不同保护层对脉冲涡流信号的影响,以镀锌铁皮为对象,分析了镀锌铁皮厚度、提离高度和镀锌铁皮振动对脉冲涡流信号的影响并提出了解决方案:(1)当提离高度相同时,带镀锌铁皮保护层的脉冲涡流信号幅值较不带保护层时的信号幅值大幅减小,此时需选择穿透能力更强的检测探头并提高发射电流强度;(2)当以晚期信号斜率作为表征壁厚的特征值时,提离高度对计算壁厚的影响较小;(3)考虑到磁致伸缩引起的探头振动,检测过程中应避免检测探头与镀锌铁皮直接接触。

利用脉冲涡流技术对带镀锌铁皮保护层的保温管道检测技术已经在实践中得到了应用,而且应用效果良好,从而为不拆除包覆层的检测工作提供了新的技术手段。