圖 1脈沖渦流檢測的激勵信號與接收信號
化工運輸管道常常采用夾套結構來加熱或冷卻運輸管道中的原料，夾套管是一種管道內外安裝同心雙層碳鋼套管的管道。夾套管在役期間，經過長期的運輸沖刷，管道內管與外管之間存在著壓力差，并且運輸的介質常常帶有一定的腐蝕特性，極易造成夾套的壁厚減薄，嚴重危害夾套管的在役生產與運輸安全[1]。由于夾套管的結構限制，對于夾套管的內管檢測，常規檢測方法中超聲、漏磁等方法均無法達到檢測要求[2-6]，故其一直是工程中的一個難題。為確保夾套管道的在役安全性與穩定性，找到一種針對夾套管內管的合理檢測方法，有著十分重要的意義。
脈沖渦流檢測是一種非接觸式的外檢測方法[7]，目前已經在帶包覆層管道中有了廣泛的應用且效果明顯。脈沖渦流檢測原理與常規渦流檢測原理不同，其在探頭上加載一定占空比的雙極性方波，使被測管道中產生一個快速衰變的渦流，渦流由電信號轉化為磁信號后，被檢測線圈以衰減的電壓形式捕獲，由于管道中壁厚減薄部位的電導率與磁導率會發生改變，故在接收線圈中得到的衰減電壓也不同，以此為依據可判斷出管道的腐蝕情況，從而評價管道的壁厚與缺陷情況。脈沖渦流檢測的激勵信號與接收信號示意如圖1所示，t=0至t=t3為激勵的正向供電時間；t=t4至t=t7為激勵的反向供電時間；t=0至t=t1為激勵的上升沿；t=t2至t=t3為激勵的下降沿。脈沖渦流檢測系統結構示意如圖2所示，該系統主要由探頭、激勵電路、放大電路和接收電路組成，激勵電路在探頭的激勵線圈中驅動雙極性方波，使空間磁場發生變化，作用在管道上產生渦流，快速衰變的渦流產生二次磁場，經過探頭捕獲后被放大采集，再經上位機處理，得到易被觀測的結果。
圖 2脈沖渦流檢測系統結構示意
脈沖渦流檢測有著對環境依賴低、檢測速度快、檢測費用低、穿透能力強、無需耦合劑等優點[8-10]，文章應用脈沖渦流檢測技術，在不去除夾套管外管的情況下對其內管進行檢測。首先采用有限元仿真分析軟件從仿真的角度分析渦流場的分布，其次進行實際試驗并分析檢測結果，討論其實用性。
1. 有限元仿真
1.1 有限元仿真原理
有限元法是將一個連續物體分割成有限個離散大小的單元，把一個連續的無窮自由度問題變為離散的有限自由度問題的方法，以求解電磁場在空間中分布的大小方向等。電磁有限元仿真基于麥克斯韋方程組，其微分形式為
式中：
1.2 仿真模型建立
采用有限元軟件建立三維夾套管仿真模型，仿真模型與網格劃分如圖3所示。其中，夾套管外管長度為400 mm，外徑為150 mm，內徑為140 mm；內管長度為400 mm，內徑為84 mm，外徑分別為100.0，98.4，96.8 mm；內管與外管同軸心放置，圖中已經對空氣域進行了隱藏，并且切割剖分了模型的一半。夾套管的內管和外管材料均為20碳鋼。
圖 3仿真模型與網格劃分
探頭模型如圖4所示，其為直角U形探頭，激勵線圈繞在鐵氧體的磁芯上，接收線圈置于鐵氧體的下方，緊貼磁芯。仿真中設置探頭距離套管外管提離高度為5 mm，激勵線圈匝數為489匝，兩個接收線圈的匝數均為200匝，對不同厚度的內管分別進行仿真研究。有限元仿真中設置激勵電流為0.51 A，內管和外管相對磁導率為175，電導率為1.12×107S/m，空氣域為橢圓形，無限元域層厚為80 mm。仿真采用自由四面體網格進行剖分，并且只求解了模型的一半，為了簡化模型與準確描述研究對象的模型和結構，在剖分網格時，對探頭正下方的管道進行了掃掠，細化剖分了探頭正下方的區域，并且對內管和外管進行邊界層設置，其中邊界屬性均設置為5，拉伸因子設置為1.2。
圖 4探頭模型
1.3 仿真結果分析
以有限元仿真中8 mm厚的內管為例，繪制了不同時刻的夾套管內外管的渦流分布，如圖5所示，在每個分圖中左圖例代表的是內管的渦流分布，右圖例代表的是外管的渦流分布。當激勵關斷后，在t= 10−5s時，在夾套管外管外壁表面上，產生兩處位于U形探頭兩端的激勵線圈的正下方的渦流，該渦流中間存在盲區，兩處渦流存在相交的邊界區域，并且此區域在探頭正下方的電流密度模最大，能量最集中。在t=10−5s和t=10−4s時，夾套管的內管上基本上不產生渦流。
圖 5內外管渦流隨時間的分布變化圖
隨著時間的推移，t=10−4s時渦流從探頭正下方的外管外壁上開始向四周擴散，并且渦流從外管表面向管道內部滲透；t=10−3s時渦流已經從夾套管的外管滲透到內管外壁表面，并且緩慢增大。
當t=0.01 s后，外管外表面的渦流大部分已經滲透到外管內，此時夾套管的內管外表面產生的渦流也逐漸增大，此渦流沿著管道的周向方向，渦流能量集中于探頭正下方，內管表面渦流也逐漸向內管內部滲透；在t=0.1 s后，內管的渦流已經基本衰減消耗完全；t=0.5 s時，內外管道的微弱渦流已經沿著管道的周向方向衰減完全。
2. 檢測試驗
2.1 試驗平臺
脈沖渦流試驗平臺如圖6所示，該平臺由激勵信號發生器、電壓采集電路與放大電路、探頭和平板電腦上位機組成。試驗選取合適的激勵參數對于提高檢測靈敏度具有重要意義，合適的激勵電流能夠減小噪聲的影響，較低的頻率接收時間較長，趨膚深度較大[11]。經過試驗驗證,最終采取使用頻率為1 Hz的等寬雙極性方波，激勵電流為0.51 A。
圖 6脈沖渦流試驗平臺
2.2 試驗方法
試驗采用20碳鋼管道，夾套管內管與外管尺寸示意如圖7所示。外管的外徑為150 mm，內徑為140 mm 壁厚為5 mm。內管有階梯管和局部腐蝕管兩種類型。階梯管壁厚分3個階梯厚度，分別為8.0, 7.2, 6.4 mm，其中內徑為84 mm，外徑分別為100.0, 98.4, 96.8 mm。局部腐蝕管使用人工的局部腐蝕缺陷，缺陷長和寬都為50 mm，其中缺陷1的深度為7.2 mm，缺陷2的深度為1.8 mm。
圖 7夾套管內管與外管尺寸示意
當內套管為階梯管時，探頭擺放移動路徑分別從壁厚8.0, 7.2, 6.4 mm的內管厚度中間位置點測3次。對于內套管的局部腐蝕缺陷情況，探頭的移動路徑是從缺陷2遠端向缺陷1每間隔2 cm移動點測1次。探頭使用U形鐵氧體磁芯，縱向擺放在檢測夾套管外管上，探頭在磁芯的兩端腳與中間部分繞制激勵線圈，在磁芯的兩腳下方擺放接收線圈。探頭的參數與仿真中保持一致，探頭結構尺寸示意如圖8所示。
圖 8探頭結構尺寸示意
2.3 試驗結果
得到的脈沖渦流信號示意如圖9所示。對于電壓衰減曲線，理論上信號不受激勵電流小幅度變化影響，以完整壁厚為參考，當管道壁厚發生減薄時，信號在后期的斜率會發生改變，信號衰減的幅值明顯會比完整管道的小，并且管道壁厚越薄信號衰減得越快。剖面圖中測點a,c由完整壁厚得到，測點b由管道壁厚減薄信號得到。
圖 9試驗得到的脈沖渦流信號示意
通過實驗室儀器采集得到的電壓下降曲線，對3個厚度套管分別進行了3次測量，測量結果如圖10所示。圖10（a）是雙對數電壓下降曲線，對細節部位進行了放大處理。圖10（b）是圖10（a）經過處理后得到的剖面曲線，其中位置一是套管的內管8.0 mm厚處，對應圖10（a）中的1，2，3；位置二是套管的內管7.2 mm厚處，對應圖10（a）中的4，5，6；位置三是套管的內管6.4 mm厚處，對應圖10（a）中的7，8，9。由圖10（a）可知，夾套管內管同一厚度下的電壓下降曲線基本重合，在夾套管內管不同厚度減薄時曲線區分度明顯。
圖 10階梯管的試驗結果
對于套管的內管局部腐蝕缺陷，其剖面圖如圖11所示，其中缺陷1檢測效果較好，能夠有效地檢測到內管的局部缺陷，缺陷2深度較小，檢測效果較差。
圖 11內管局部缺陷的剖面圖
分析試驗結果可知，在不去除夾套管外管的情況下，使用脈沖渦流方法檢測夾套管內管的效果良好且明顯，當內管是階梯管時，能夠有效區分出夾套管的內管壁厚減薄，當夾套管內管為 50 mm×50 mm×7.2 mm的局部缺陷時，能夠有效檢測出局部缺陷的腐蝕情況。
3. 結論
文章采用有限元仿真分析，得到了夾套管內外管渦流在不同時刻的分布，設計了直角U形探頭，采用脈沖渦流法檢測了夾套管的內管。試驗結果表明，在夾套管內管減薄壁厚分別為10%，20%的情況下，采集得到的電壓下降曲線區分度明顯，剖面圖可以明顯區分出內管的不同壁厚；內管局部缺陷為50 mm×50 mm×7.2 mm時，利用剖面圖能夠有效識別并測量出內管缺陷。
文章來源——材料與測試網