電磁法檢測(cè)是一種較成熟的非接觸式埋地金屬管道缺陷檢測(cè)方法，其一般采用過(guò)零點(diǎn)時(shí)間、信號(hào)峰值、峰值時(shí)間及信號(hào)晚期的衰減率等參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)管道壁厚。在檢測(cè)中，要獲取一個(gè)完整的檢測(cè)信號(hào)必須設(shè)置合理的激勵(lì)參數(shù)，如果參數(shù)選擇不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致管道壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)偏移，造成誤檢或者漏檢。
為了便于根據(jù)不同管道規(guī)格或?qū)嶋H工況選擇合理激勵(lì)參數(shù)，陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院和中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司的研究人員對(duì)電磁法檢測(cè)金屬管道缺陷的影響因素展開研究。
電磁法檢測(cè)原理
電磁法檢測(cè)金屬管道的原理如圖1所示，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器給傳感器施加階躍型電流信號(hào)，在空間產(chǎn)生穩(wěn)定的一次磁場(chǎng)，一次磁場(chǎng)擴(kuò)散至金屬管道表面形成渦流效應(yīng)，由于電流信號(hào)存在階躍過(guò)程，在電流從高電位瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢粫r(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，金屬管道表面的渦流會(huì)在空間產(chǎn)生與一次磁場(chǎng)相同的二次磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)攜帶管道的基本信息被傳感器接收傳并輸至電腦端，進(jìn)一步分析該信號(hào)即可評(píng)價(jià)管道。
圖1 電磁法檢測(cè)金屬管道原理示意
根據(jù)電磁法原理和檢測(cè)方法可知，激發(fā)電流的大小、頻率、傳感器提離高度等因素對(duì)接收信號(hào)的影響較為明顯。為此，通過(guò)合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置及方法，研究各影響參數(shù)對(duì)瞬變電磁檢測(cè)信號(hào)的影響，以期為后續(xù)該技術(shù)在實(shí)際工況中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高工作效率及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，滿足實(shí)際工況的精度要求。
電磁法檢測(cè)管道缺陷可行性分析
1、試驗(yàn)平臺(tái)
電磁檢測(cè)裝置主要包括信號(hào)激發(fā)模塊、傳感器模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，如圖2所示，其中信號(hào)激發(fā)模塊采用GBH-1型數(shù)據(jù)采集設(shè)備，該設(shè)備不僅采集頻率可調(diào)且信噪比高；傳感器采用自制線圈，結(jié)構(gòu)為圓環(huán)形，其激發(fā)線圈直徑為200 mm，接收線圈直徑為100 mm。
圖2 電磁檢測(cè)裝置外觀
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化試件，把管道直徑放大至無(wú)限大，則管道曲面可類比于平面，因而采用鋼板代替金屬管道。根據(jù)傳感器尺寸計(jì)算出傳感器有效覆蓋面積為400 mm，選取鋼板尺寸的長(zhǎng)度和寬度均為400 mm，厚度分別為5，10，15，20 mm，如圖3所示。
圖3 鋼板試件外觀
2、試驗(yàn)結(jié)果分析
針對(duì)不同厚度的試件展開試驗(yàn)，分析不同壁厚對(duì)信號(hào)的影響。設(shè)置激勵(lì)電流為1 A，激發(fā)頻率為1/4 Hz，試件距離傳感器垂直高度為100 mm。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，將笛卡爾坐標(biāo)系變換成雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系后，可明顯看出檢測(cè)信號(hào)在t＜16.326 ms時(shí)數(shù)據(jù)重合，在t>16.326 ms時(shí)出現(xiàn)了明顯的分叉，如圖4所示。檢測(cè)結(jié)果表明電磁法檢測(cè)金屬管道缺陷具有可行性。
圖4 不同厚度鋼板的電磁檢測(cè)信號(hào)
影響因素試驗(yàn)分析
1、激發(fā)頻率對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響
試驗(yàn)采用的激勵(lì)信號(hào)為階躍型電流信號(hào)，設(shè)備集激發(fā)和采集于一體。選擇激勵(lì)頻率為1/16，1/8，1/4，1/2，1，2，4，8，16 Hz，分析各厚度試件在不同頻率下的電磁檢測(cè)信號(hào)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 各試件不同頻率下的電磁檢測(cè)信號(hào)
通常，一個(gè)完整的檢測(cè)信號(hào)（坐標(biāo)變換后）包含兩部分：直線形式的前半部分，指數(shù)形式的后半部分。由圖5可以明顯看出頻率變化不會(huì)對(duì)幅值和幅值衰減速度造成影響，只會(huì)影響檢測(cè)信號(hào)的完整性，隨著頻率增大，檢測(cè)信號(hào)持續(xù)時(shí)間縮短，只呈現(xiàn)出直線部分。通常需要檢測(cè)信號(hào)的后半部分來(lái)計(jì)算金屬管道剩余壁厚，因此應(yīng)選擇合適的頻率進(jìn)行檢測(cè)，為后期數(shù)據(jù)處理提供基礎(chǔ)。
為了確保接收信號(hào)的完整性，必須根據(jù)管道壁厚設(shè)置合適的激發(fā)頻率。分析可知對(duì)于壁厚較大的管道應(yīng)該選擇較小的激發(fā)頻率（更有穿透力）；對(duì)于壁厚較小的管道應(yīng)該選擇較大的激發(fā)頻率，確保信號(hào)的有效性。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)頻率小會(huì)延長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間且給后期數(shù)據(jù)帶來(lái)較大干擾。為了提高實(shí)際檢測(cè)工作效率，按照不同管道壁厚對(duì)激發(fā)頻率進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如下：
2、激勵(lì)電流對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響
根據(jù)上述頻率試驗(yàn)的結(jié)果，為確保檢測(cè)信號(hào)的完整性，選擇激發(fā)頻率為1/4 Hz，電流分別為0.7，1，1.5，2，2.5 A，對(duì)各試件進(jìn)行檢測(cè)，各試件不同電流下的電磁檢測(cè)信號(hào)如圖6所示。
圖6 各試件不同電流下的電磁檢測(cè)信號(hào)
由圖6可知，對(duì)于厚為5，10，15 mm的管道，隨著電流的增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在前期幅值增大，后期發(fā)生重合且壁厚越大重合時(shí)間越推遲；對(duì)于厚為20 mm的管道，隨著電流的增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值增大且變化趨勢(shì)一致。由此可知，對(duì)于壁厚較大的管道可以通過(guò)改變激勵(lì)電流來(lái)獲取幅值不一樣的信號(hào)，對(duì)于薄壁管道，改變激勵(lì)電流的意義不大，且激勵(lì)電流較小時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不會(huì)發(fā)生變化，例如當(dāng)管道壁厚為10 mm時(shí)，激勵(lì)電流為0.7 A和1 A時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幾乎一致。
時(shí)間為10.488 ms時(shí)，激勵(lì)電流對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響規(guī)律如圖7所示，可見相同激勵(lì)電流下，管道壁厚越薄，獲取的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，且隨著電流的增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)呈直線衰減。因此在實(shí)際工況作業(yè)時(shí)，較厚的管道應(yīng)該選擇較小的激勵(lì)電流，以確保準(zhǔn)確評(píng)價(jià)管道質(zhì)量。
圖7 激勵(lì)電流對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響規(guī)律（時(shí)間為10.488 ms）
3、傳感器提離高度對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響
傳感器提離高度是指?jìng)鞲衅鲙缀沃行呐c正下方待檢金屬管道表面最高點(diǎn)的垂直距離。為確定提離高度與檢測(cè)信號(hào)是否存在某種關(guān)系，采用控制量法設(shè)計(jì)試驗(yàn)組，設(shè)置激勵(lì)電流為1 A，頻率為1/4 Hz，提離高度分別為0，50，100，150，200，250 mm，對(duì)各試件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)布置如圖8所示。
圖8 提離高度影響試驗(yàn)布置示意
各試件不同提離高度下的電磁檢測(cè)信號(hào)如圖9所示，可以明顯看出，提離高度增大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值也隨之增大；當(dāng)提離高度增大到100 mm時(shí)，各試件的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)波動(dòng)，原因在于試驗(yàn)使用的傳感器直徑為200 mm，試件邊長(zhǎng)為400 mm，其有效覆蓋范圍L=D+2h（L為試件邊長(zhǎng)，D為傳感器直徑，h為提離高度)，故其有效提離高度為100 mm。通過(guò)Origin軟件分析曲線衰減率可知，提離高度增大只會(huì)影響感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值，不會(huì)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減率造成影響，由此可以降低實(shí)際檢測(cè)時(shí)的操作難度，消除傳感器高度不一對(duì)管道缺陷評(píng)價(jià)造成的誤差。
圖9 各試件不同提離高度下的電磁檢測(cè)信號(hào)
4、缺陷位置對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響
瞬變電磁法對(duì)軸向缺陷定位準(zhǔn)確度較高，但對(duì)于周向分布缺陷的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少。選擇規(guī)格為ф108 mm×6 mm的管道作為試件，在傳感器有效覆蓋范圍內(nèi)制作人工缺陷，模擬管道在實(shí)際環(huán)境遭到的腐蝕，缺陷類型為均勻腐蝕，規(guī)格為120 mm×120 mm×2 mm。設(shè)置激勵(lì)電流為1 A，頻率為1 Hz，提離高度為50 mm，將缺陷放置于傳感器正下方的位置，如圖10所示。
圖10 缺陷位置影響試驗(yàn)布置示意
缺陷位置對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響規(guī)律如圖11所示，可見當(dāng)缺陷在管道正下方（0°）時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小，當(dāng)缺陷周向旋轉(zhuǎn)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨之增大，當(dāng)管道旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)最大值，隨之又慢慢減小，但都小于管道無(wú)缺陷處的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，瞬變電磁法對(duì)傳感器正下方的缺陷檢測(cè)靈敏度較高，可為該技術(shù)應(yīng)用拓展至城市熱力、壓力管道缺陷評(píng)價(jià)提供參考價(jià)值。
圖11 缺陷位置對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響規(guī)律
5、缺陷類型對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響
調(diào)研資料表明，油氣管道偶爾也會(huì)出現(xiàn)穿孔腐蝕。為判斷缺陷類型對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，使用上述管道作為試件，設(shè)置激勵(lì)電流為1 A，頻率為1 Hz，提離高度為50 mm。在管道上制造3個(gè)均勻腐蝕、2個(gè)穿孔腐蝕，這5個(gè)缺陷體積均為傳感器覆蓋區(qū)域總體積的5%，缺陷規(guī)格及分布如圖12所示，電磁檢測(cè)結(jié)果如圖13所示。
圖12 管道人工缺陷規(guī)格及分布示意
（缺陷1深0.5 mm，整周；缺陷2深1 mm，半周；缺陷3深1.5 mm，1/4周）
圖13 缺陷類型對(duì)電磁檢測(cè)信號(hào)的影響規(guī)律
分析圖13可知，在傳感器有效覆蓋范圍內(nèi)，若缺陷類型相同，體積相同，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值和衰減趨勢(shì)幾乎一樣；當(dāng)均勻腐蝕和穿孔腐蝕同時(shí)存在，可以看出穿孔腐蝕的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值比均勻腐蝕的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值高且衰減較慢。由此可見，在實(shí)際檢測(cè)中，穿孔腐蝕不易被發(fā)現(xiàn)，很容易被誤判。因此建議通過(guò)優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)或使磁場(chǎng)聚焦來(lái)檢測(cè)孔狀腐蝕。
結(jié)論
(1) 不同壁厚鋼板的檢測(cè)信號(hào)在t<16.326 ms時(shí)重合，在t>16.326 ms時(shí)出現(xiàn)明顯的分叉，表明電磁法在金屬管道缺陷檢測(cè)中具有可行性。
(2) 對(duì)頻率、電流、提離高度和缺陷類型等影響參數(shù)的試驗(yàn)表明，頻率只會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的完整性造成影響；激勵(lì)電流變化對(duì)檢測(cè)信號(hào)幅值和衰減速度影響不大；提離高度影響檢測(cè)信號(hào)的幅值，對(duì)衰減率無(wú)影響；在傳感器有效覆蓋范圍內(nèi)，缺陷處于傳感器正下方時(shí)最容易被發(fā)現(xiàn)；當(dāng)缺陷體積相同時(shí)，均勻腐蝕要比穿孔腐蝕更容易發(fā)現(xiàn)。
(3) 試驗(yàn)結(jié)果不僅在傳感器優(yōu)化及實(shí)際工況作業(yè)中具有重要的指導(dǎo)意義，還對(duì)具有包覆層金屬管道的腐蝕和缺陷檢測(cè)有借鑒意義。
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