超高壓管式反應器（以下簡稱反應器）在工業聚乙烯生產中應用廣泛，是生產裝置的核心設備之一。反應管在制造階段會進行自增強處理[1]以改善內管壁殘余應力的分布，提升其彈性承載能力。由于長期在高溫、高壓、高介質流速的環境下運行，反應器的自增強殘余應力在運行一定周期后會發生衰減，從而可能導致反應管內壁出現裂紋、腐蝕等缺陷。 

超高壓管式反應器是一種呈管狀、長徑比很大的連續操作反應器，其實物如圖1所示。用于生產聚乙烯的反應器管長以公里計，由無縫鋼管與U形管連接而成。其結構有單管，也有多管并聯，其直管段連接采用透鏡面鋼法蘭，承受壓力可達280 MPa。目前，反應器在停車檢修期間缺乏有效的檢測手段，主要原因有：一是反應器一般設置有夾套管，常規無損檢測技術無法使用；二是停車狀態下，反應管內壁被大量聚乙烯粉末覆蓋，難以完全清除，常規檢測手段難以開展。基于此，探索一種適用于反應管裂紋的脈沖渦流檢測方法具有重要意義。 

圖  1  超高壓管式反應器實物

脈沖渦流檢測技術是一種在渦流檢測技術基礎上發展起來的新興技術，可以在不拆除包覆層的情況下對承壓設備進行檢測，因此適用于飛機蒙皮等非鐵磁性材料和容器管道等鐵磁性材料的檢測。對于不同磁導率材料的脈沖渦流檢測，其檢測信號特征不同，采用的信號處理方法不同。針對反應器內徑小、壁厚較厚、內壁聚乙烯粉末無法完全清除的特點，利用脈沖渦流檢測技術可以在一定程度上減少上述因素導致的檢測結果不準確問題。 

1.   脈沖渦流檢測原理

脈沖渦流檢測激勵和采集原理示意如圖2所示。其探頭由激勵線圈和接收線圈組成，在激勵線圈中施加周期性的方波信號，線圈周圍產生瞬變磁場，即一次磁場，當激勵信號被關斷時，周圍磁場快速衰減，被檢試件會感應出電流，即脈沖渦流，脈沖渦流在一定時間內衰減，產生二次磁場；激勵關斷后，一次磁場變為零，此時通過接收線圈測量二次磁場的變化，若被檢試件存在壁厚變化或缺陷，通過采集接收線圈上的感應電壓即可進行判斷。 

圖  2  脈沖渦流檢測激勵和采集原理示意

2.   有限元仿真

2.1   仿真模型的建立

文章中使用有限元仿真構建1/2模型并對所設計的探頭建立模型。通過分析有缺陷和無缺陷處管道渦流的分布情況，可判斷裂紋對渦流的擾動程度，從而在探頭設計上提供參考；通過分析探頭在管道內旋轉不同角度時的渦流變化，可以確定探頭在管道內可檢測的內壁面積范圍；根據檢測信號剖面圖中出現的類正弦信號即可確定缺陷位置。 

仿真模型中所用管道和實際試驗中的一致。管道內徑d為76 mm，外徑D為180 mm，管壁厚度T為52.5 mm。管道內壁設置兩個缺陷，縱向裂紋寬度為1 mm，深度分別為10 mm和15 mm。使用的脈沖激勵頻率為4 Hz，激勵電流為1.5 A。管道電導率設置為4.46×106 S/m，相對磁導率設置為180。探頭尺寸示意及探頭在管道內的模型如圖3所示，激勵線圈與管道同軸放置，接收線圈緊貼管壁，探頭位于管道內部并緊貼管壁。 

圖  3  探頭尺寸示意及探頭在管道內的模型

為了驗證模型的準確性，文章將探頭放進管道內無缺陷處進行檢測，將仿真模型中無缺陷處的計算結果與實際的檢測結果進行對比。無缺陷處單個接收線圈仿真與試驗得到的感應電壓衰減曲線如圖4所示，可知該模型在中后期的計算結果與試驗結果大致重合，驗證了文章中數值計算模型的準確性。 

圖  4  無缺陷處仿真與試驗得到的感應電壓衰減曲線

2.2   仿真結果分析

96 μs時刻縱向探頭渦流分布如圖5所示，可知探頭在無缺陷處產生了環繞管壁的渦流，由激勵場產生的渦流受到裂紋的較大擾動，即在旋轉一定的角度后該探頭仍能夠檢測到縱向裂紋。仿真結果表明該探頭可以實現管道一半圓周的檢測，故采用兩對接收單元即可對整個管道圓周進行全面掃查。 

圖  5  96 μs時刻縱向探頭的渦流分布

管道無缺陷處、10 mm及15 mm深缺陷處的渦流分布如圖6所示，可知在關斷激勵50 ms內，無缺陷處探頭正上方位置渦流分布較集中，有利于探頭對局部缺陷的檢測；10 mm和15 mm深的裂紋對渦流擾動較大，且15 mm深的裂紋的擾動程度更大。結果表明該探頭適用于檢測縱向裂紋，且裂紋深度越深，檢測靈敏度越高。 

圖  6  管道無缺陷處、10 mm及15 mm深缺陷處的渦流分布

10 mm及15 mm深裂紋的仿真衰減曲線和剖面圖如圖7所示（圖中8#表示探頭在裂紋左側且靠近裂紋1 cm處，9#表示探頭接觸到裂紋左端，10#表示探頭在裂紋中間，11#表示探頭接觸裂紋右端，12#表示探頭在裂紋右側且距離裂紋1 cm處）。由于探頭為差分連接[2]，其中一個接收線圈經過裂紋時，其衰減曲線為正，另一個接收線圈再次經過裂紋時，其衰減曲線為負。當探頭檢測到缺陷時，時間剖面曲線上出現正弦波形信號[3]，該信號特征用于缺陷識別，為實際檢測中提供參考和依據。由剖面圖可知，15 mm深裂紋比10 mm深裂紋的檢測靈敏度更高。這是由于裂紋越深，裂紋對渦流的擾動越大，因此檢測效果越好。 

圖  7  10 mm及15 mm深裂紋的仿真衰減曲線和剖面圖

3.   試驗設計

3.1   試件尺寸

檢測試件尺寸示意如圖8所示。管道為直管，材料為42CrMO2，其內壁一共有5處縱向裂紋缺陷，各裂紋長度為20 mm，深度d1，d2，d3，d4，d5分別為5，10，15，20，25 mm，各個裂紋中心間距為200 mm。裂紋缺陷寬度為0.5 mm。 

圖  8  縱向裂紋缺陷試件尺寸示意

3.2   脈沖渦流檢測系統

脈沖渦流檢測系統平臺結構示意及實物如圖9所示。系統包括信號發生器、信號采集模塊、探頭、被檢管道。激勵設備可發射頻率為（1/16）~32 Hz的等寬雙極性方波脈沖激勵，最大電流為10 A。設備的采集和處理單元可以測量微弱電磁信號。 

圖  9  脈沖渦流檢測系統平臺結構示意及實物

3.3   探頭設計

縱向探頭及橫向探頭實物如圖10所示。縱向探頭由一對激勵線圈串聯組成，軸線與管道軸線平行放置，接收線圈由2個相同的扁平式橢圓狀線圈差分連接。該結構可以使磁場在兩激勵線圈中間疊加，產生的渦流在缺陷處更加集中，信號靈敏度更高，并且可以減少管道表面不均勻導致的誤差以及其他共模噪聲的干擾。縱向探頭中激勵線圈長度均為16 mm，內徑均為30 mm，外徑均為44 mm，由5層漆包線纏繞而成，每個線圈145匝，共290匝；接收線圈為扁平式橢圓狀，其長軸長度為44 mm，短軸長度為32 mm，內部開口近似矩形，長和寬分別為21.95，4.12 mm，由漆包線纏繞而成且兩接收線圈相距5.52 mm[4-5]。 

圖  10  縱向探頭及橫向探頭實物

橫向探頭的探頭軸線與管道軸線垂直放置。激勵線圈由漆包線繞制而成，匝數為400匝，內徑為34 mm，外徑為52 mm；接收線圈為兩個圓弧形的骨架，每個骨架由漆包線繞制而成，匝數為2 000匝，差分連接[6]。兩個接收線圈跨接在激勵線圈上，相距3 mm。 

3.4   信號處理方法

檢測時，將探頭固定，從距離直管端點一定距離處開始檢測。在實際工況中，清理后的反應器內仍留下約1 mm厚的聚乙烯粉末層，因此試驗中使用厚度為2 mm的探頭推進裝置用于模擬實際工況存在的聚乙烯粉末層。 

使用實驗室脈沖渦流檢測儀進行檢測，激勵頻率選用4 Hz的方波信號，激勵電流為1.5 A，采用連續測量方式。一定提離下探頭檢測有無缺陷試件的歸一化感應電壓（感應電壓除以激勵電流）衰減曲線（縱軸對數表示）以及相應的時間剖面曲線[7]如圖11所示（圖中1，2，3分別表示不同厚度的衰減曲線，且檢測厚度逐漸減小）。 

圖  11  一定提離下探頭檢測有無缺陷試件的歸一化感應電壓衰減曲線及剖面圖

由于接收線圈產生的電壓信號動態范圍較大，因此將每個測點采集到的數據按照對數標準劃分為若干個數據塊；每個測點的衰減曲線大致呈現對數形狀，因此劃分數據塊的時間也呈對數增長，將每個數據塊稱之為時窗。第i個測點處得到的電壓矢量為 

式中：N為脈沖周期關斷后每個測點的衰減曲線劃分的時窗總數，取31。 

假設總共測量M個點，則M個測點的電壓矢量可以合成為矩陣W，表示為 

式中：矩陣W的第i行代表第i個測點。 

可以從矩陣W中得到第j個時窗的切片矢量 

式中：Sj表示在不同測點的衰減曲線上取同一個時間點采集到的電壓[7]。 

所設計的探頭檢測信號變化過程如圖12所示。探頭依次經過位置1，2，3，4，產生一個類似正弦波的信號。1和4處為無缺陷區域，2和3位置處恰好有一個接收線圈接觸裂紋，因此接收線圈采集到的電壓剖面圖為一個類似正弦信號的波形。 

圖  12  探頭檢測信號變化過程示意

4.   試驗結果

縱向探頭正對裂紋及相對于裂紋旋轉45°和90°的檢測結果如圖13所示。由圖13可知，1a，2a，3a，4a，5a分別對應測點號為20，40，60，80，100的位置（測點號為檢測時探頭至管道左端距離），該探頭可以檢測出5條縱向裂紋，缺陷特征為類正弦波形。差分橫向探頭接收線圈正對于裂紋的檢測結果如圖14所示，1b，2b，3b，4b，5b分別對應測點號為20，40，60，80，100的位置。差分探頭檢測管道時，利用類正弦波曲線特征識別缺陷，當接收線圈分別經過狹窄的裂紋時會出現類似正弦波形的缺陷信號，當接收線圈中軸線處于裂紋位置時，即為正弦波曲線的零點。 

圖  13  縱向探頭正對裂紋及相對于裂紋旋轉45°和90°的檢測結果

圖  14  橫向探頭正對裂紋的檢測結果

文章定義檢測靈敏度去評估每個裂紋的檢出率，即靈敏度等于類正弦信號的峰值電壓除以兩峰值電壓的中值。縱向探頭正對裂紋和相對于裂紋旋轉45°時，管道的5個裂紋均可被清晰識別；縱向探頭旋轉90°時，前4個缺陷均可被清晰識別，最后一個缺陷檢測效果較差；橫向探頭正對裂紋檢測時，后4個缺陷可以較清晰地識別出，第一個缺陷檢測靈敏度不高，易被噪聲淹沒[8]。檢測靈敏度統計結果如表1所示，變化趨勢如圖15所示。橫向探頭檢測縱向裂紋的檢測靈敏度遠低于縱向探頭的，該試驗結果與仿真結果吻合。這是因為橫向探頭產生平行于管道軸線的渦流[9]，縱向裂紋對平行于裂紋的渦流擾動不明顯，因此檢測靈敏度不高；縱向探頭產生環繞管壁的渦流，縱向裂紋對該環向渦流產生了明顯的擾動，因此檢測靈敏度較高。 

圖  15  探頭的缺陷檢測靈敏度變化趨勢

5.   結論

（1）通過設計的縱向差分探頭對縱向裂紋進行檢測，可以實現較高靈敏度的檢測。 

（2）橫、縱向探頭檢測靈敏度的對比結果表明，對于縱向裂紋，縱向探頭比橫向探頭具有更好的檢測效果。 

（3）將設計的縱向差分探頭在管道內進行旋轉檢測，結合數值仿真結果可得，該探頭檢測覆蓋面能達到管道內壁的一半，故后續可考慮多加一對接收線圈實現管道全覆蓋檢測。 

（4）對脈沖渦流和多頻渦流檢測進行理論分析，可知，采用脈沖渦流內檢測在一定程度上可以克服反應器中聚乙烯粉末層厚度不均而導致結果受到干擾的問題。

文章來源——材料與測試網