一种u形磁导体聚焦探头及其脉冲涡流检测方法
技术领域
本发明属于电磁无损检测技术，特别涉及一种针对带包覆层承压设备管道的脉冲涡流检测的U形磁导体聚焦探头及其检测方法。
背景技术
在化工、核电、石油等工业领域中，带包覆层管道有着广泛的应用。通常现场工况恶劣，钢管容易受到腐蚀，进而导致失效导致安全事故。研究如何对包覆层铁磁性管道实施有效的检测和评价缺陷的状态，对透过包覆层对钢管定期检测及维护，延长工业设施的使用，有着十分重要的意义。
脉冲涡流技术是一种基于涡流检测发展的新兴技术，采用脉冲方波信号作为激励，若被测构件出现缺陷，构件中的脉冲涡流流向及其产生的电磁场会发生变化。脉冲方波激励含有多种频率成分，频谱内容丰富，使得信号具有较强的穿透能力且能一次性扫描检测不同深度的缺陷，识别壁厚变化[1-2]。因此脉冲涡流技术适用于在不停机、不拆卸包覆层时对承压设备管道进行检测。
针对包覆层管道外部检测，传统的无损检测方法如涡流检测频谱单一、携带频域信息少，渗透深度有限，对深度缺陷的检测能力不足，超声检测需要设备停产并去除包覆层以便探头与管道表面耦合，工序复杂，且二次封装包覆层时可能出现误差，粘接不牢固可能造成新的安全隐患。数字射线检测能够区分管道内外壁减薄情况，但从成本、效率、污染以及安全等方面考虑，该方法应用存在诸多限制[3]。
圆柱形探头能识别铁磁性板5％厚度变化，但该探头无法在大提离下识别厚度变化[4]。用两个串联连接的铁氧体圆柱形激励线圈和两个差分连接的Hall磁传感器组成的探头能够产生很强的激励磁场并且可以通过差分式结构抑制干扰，过提高探头的信噪比，能够检测25毫米提离下的不锈钢板20％厚度变化[4]，但是无法检测不锈钢板的局部腐蚀缺陷。由于检测信号由接收线圈感应产生，因此探头对局部缺陷的检测灵敏度取决于聚集在缺陷周围的涡流产生的二次磁场的变化。
发明内容
本发明旨在提供一种带包覆层承压设备管道脉冲涡流检测聚焦探头及其使用方法，解决无法在大提离下对管道局部缺陷进行有效检测和有效识别厚度变化的问题，明确探头在被测构件上的涡流分布对局部腐蚀缺陷的影响，提高探头灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明采取以下的技术方案。一种U形磁导体聚焦探头，探头体由U形磁导体、激励线圈和两个空心圆柱形检测线圈构成，所述U形磁导体开口垂直向下水平放置，其中一个磁脚绕装有激励线圈，背面放置一个与激励线圈相切的检测线圈；另一个磁脚正面放置一个与该磁脚相切的检测线圈，两个检测线圈的底面均与U形磁导体磁脚底面持平；所述两个检测线圈相互间采用差分连接。
进一步，所述检测线圈的线径为0.01～4mm，匝数为1～200000匝。
进一步，所述激励线圈的线径为0.05～10mm，匝数为10～50000匝。
一种U形磁导体聚焦探头的脉冲涡流检测方法，其操作步骤如下：
1)将探头体上的激励线圈连接至脉冲信号驱动器，两个检测线圈连接至信号接收机；
2)使用探头体对被检不锈钢板进行检测：给激励线圈接通等宽双极性方波脉冲激励，将探头体在10～110mm提离下，以U形磁导体绕装有激励线圈的磁脚朝另一磁脚的方向移进，沿被检不锈钢板中心线的一端向另一端移动，每隔0.1～200mm选择一个检测点，所述信号接收机接收两个检测线圈的电压信号并采集衰减电压数据后，将数据传输至计算机；
3)通过计算机将采集到的衰减电压数据，以时间为横坐标，以归一化电压为纵坐标，绘制出归一化电压衰减曲线图，并对电压衰减曲线图划分取样时窗；以探头体位置为横坐标，以归一化电压为纵坐标，绘制出归一化电压时间剖面曲线图；
4)通过上述归一化时间剖面曲线图反映出探头体经过不同缺陷时的检测信号特征，判断缺陷的存在情况。
本发明实现了在大提离下有效检测不锈钢板局部缺陷和识别厚度，提高了探头检测灵敏度，能在大提离下对包覆层管道缺陷进行检测，关键在于研究探头提离时对管道上产生的涡流分布对局部缺陷检测的影响，解决了带包覆层管道缺陷检测问题，对于在工业上检测带包覆层管道局部腐蚀缺陷和厚度具有重大指导意义。
附图说明
图1为本发明探头体01的主视图；
图2为本发明探头体01的左视图；
图3为本发明探头体01的俯视图；
图4为本发明检测系统示意图；
图5为本发明带局部腐蚀缺陷的被检不锈钢板25平面尺寸图；
图6为本发明带局部腐蚀缺陷的被检不锈钢板25厚度尺寸图；
图7为本发明厚度2mm的被检不锈钢板07尺寸图；
图8为本发明厚度1mm的被检不锈钢板08尺寸图；
图9为本发明检测方法原理示意图；
图10为本发明检测过程有损和无损条件下归一感应电压衰减曲线和电压时间剖面曲线示意图；
图11为本发明在探头体01提离40mm时试件表面涡流分布示意图；
图12为本发明在探头体01提离110mm时试件表面涡流分布示意图；
图13为本发明在探头体01提离40mm下对不锈钢板局部腐蚀缺陷检测结果图；
图14为本发明在探头体01提离110mm下检测2～10mm厚度不锈钢板电压衰减曲线结果图。
图中：01.探头体，11.激励线圈，12.检测线圈，13.U形磁导体；
02.脉冲涡流检测仪，21.脉冲信号驱动器，22.信号接收机，23.计算机，24.包覆层，25.被检不锈钢板，26.局部腐蚀缺陷；
07.第一试件；08.第二试件；91.一次磁场，92.二次磁场，93.涡流场。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。参见图1至图3，一种脉冲涡流检测聚焦探头，探头体01由激励线圈11、检测线圈12、U形磁导体13构成。两个检测线圈12均为空心圆柱形线圈，以差分方式连接。所述U形磁导体13开口垂直向下水平放置，其中一脚绕装有激励线圈11，背面水平放置以检测线圈12，另一脚正面水平放置一个检测线圈12。
本发明检测系统示意图如图4所示，脉冲涡流检测仪02包括脉冲信号驱动器21、信号接收机22和计算机23，脉冲信号驱动器21将脉冲信号传输到探头体01的激励线圈11，同时，将同步信号传输到信号接收机22，探头体01在被检不锈钢板25上的包覆层24表面移动，将检测信号传输到信号接收机22，在计算机23进行处理、存储与显示。
本发明所使用的脉冲检测仪02如图4所示，主机型号为WTEM-1QII，主机中包含脉冲信号驱动器21与信号接收机22，所用计算机23为WINDOWS掌上电脑，应用程序为WTEM-1瞬变电磁勘探系统V3.9。
其检测原理如图9所示：检测时，给激励线圈11接通双极性方波电流信号。激励线圈11通电后在周围空间会产生周期性的瞬变磁场，即一次磁场91。激励电流从方波直流段快速关断时，周围磁场快速衰减，由于电磁感应，被检不锈钢板25会感应出涡流场93，涡流场93产生的磁场为二次磁场92。激励电流关断时，一次磁场91为零，检测线圈12感应电压反映二次磁场92变化。当探头体01经过被检不锈钢板25的局部腐蚀缺陷26时，检测线圈12的感应电压衰减变快，因此，通过测量检测线圈12感应电压的衰减变化得到缺陷的检测信息。当探头体01检测不同厚度被检不锈钢板25时，检测线圈12的感应电压衰减斜率随被检不锈钢板25厚度减小而增大，因此可以根据衰减斜率定量分析厚度信息。
脉冲涡流检测仪02与探头体01相连，脉冲信号驱动器21为探头体01提供稳定脉冲信号，探头体01隔着包覆层24放置在被检不锈钢板25的中心位置距左端160mm处开始检测，探头体01向右端缓慢移动，每移动5mm，采集检测线圈12上的感应电压数据。利用得到的各个检测位置的感应电压数据绘制电压衰减曲线及其剖面图(如图10示)。
归一化电压时间剖面曲线图(如图8所示)具体原理如下：
对于被检不锈钢板25的每个测量点，对检测线圈12的电压进行采样。将感应电压除以激励电流做了归一化处理。取样时窗数总数为N。时窗的长度以对数方式增加。因此对于第i个测量点，归一化电压就可以表示成矢量如下：
Vi＝[vi1,vi2,...,viN]
其中：N为每个检测点的归一化电压衰减曲线的取样时窗数。viN为第N个时窗，第i个测量点的归一化电压。
沿管测量M个点，M个测量点的矢量形成矩阵W：
矩阵W的行矢量代表某个测点的归一化电压衰减曲线，列矢量则为从第1点至第M个检测点在下降曲线的同一时刻所对应的归一化电压值。以检测点的坐标为横坐标，以某个列矢量为纵坐标绘制出的曲线称为该列矢量对应时刻的试件的归一化电压时间剖面曲线图。
其中：矩阵W的第i行表示第i个测量点。j列代表第j个时窗，可以从矩阵W的第j列获取时间剖面矢量：
Sj＝[v1j,v2j,...,vMj],j＝1,2,...,N
Sj表示电压时间曲线同一时刻不同测量点的电压。vMj表示第j个时窗，第M个测量点的归一化电压。理想情况下，如果不存在缺陷，时间剖面矢量Sj中的每个测量点的电压值相等，即：
v1j＝v2j＝...＝vMj,j＝1,2,...,N
如果存在缺陷，即出现第M个测量点的电压小于不存在缺陷处的测量点电压值，则可认为在第M个测量点被检出缺陷。时间剖面矢量Sj若出现极小值，可将该极小值对应的位置作为缺陷的中心位置。因此，如果被检不锈钢板25内某一测量位置周围有局部腐蚀缺陷26，当探头体01的检测线圈12经过局部腐蚀缺陷26时，归一化电压时间剖面曲线在相应位置会出现下凹信号，且曲线下凹处极小值为局部腐蚀缺陷26的中心位置。
通过使用多物理场有限元仿真软件COMSOLMultiphysics建立脉冲涡流检测的三维有限元仿真模型。探头体01在提离40mm下激发的涡流分布与方向如图9所示，感应出的涡流场93发生聚集。探头体01在提离110mm下激发的涡流分布与方向如图10所示，被感应出的涡流场93发生聚集。
以下结合实例对本发明进行详细说明，但本发明一种U形磁导体聚焦探头设计及其脉冲涡流检测方法不局限于实施例。
实施例1：
以下列举探头体01对被检不锈钢板25(如图5所示)局部腐蚀缺陷检测的具体实施案例：
(1)使用材质为304L的被检不锈钢板25，电导率为1.379MS/m，相对磁导率为1.003，尺寸为500×500×5mm3(长×宽×深)，在被检不锈钢板25中心处加工有尺寸为30×30×1.5mm3的方槽用于模拟钢板局部腐蚀缺陷26。
(2)探头体01对被检不锈钢板25进行检测，对激励线圈11施加的激励电流为2.335安培，频率为8Hz，两级增益为8×1倍，采集5次信号叠加取平均；
(3)将探头体01隔着40mm包覆层24放置于被检不锈钢板25中心处距左端160mm处，打开脉冲涡流检测仪02电源，缓慢移动探头体01，每隔5mm选择一个采样点，控制计算机23进行检测，并采集记录感应电压数据；
(4)当探头体01完成检测后，保存采集到的电压数据并绘制归一化电压衰减曲线图与归一化电压时间剖面曲线图；
(5)观察归一化电压时间剖面曲线中探头体01行进至模拟局部腐蚀缺陷26时的感应电压极小值变化。
(6)图13显示为探头体01在提离40mm时检测被检不锈钢板25在6号时窗到8号时窗下的时间剖面曲线。
实施例2：
以下列举探头体01对第一试件07(如图7所示)和第二试件08(如图8所示)厚度识别的具体实施案例：
(1)使用6块不同厚度的材质为304L的第一试件07和第二试件08，其中四块第一试件07尺寸为500×500×2mm3(长×宽×厚)，二块第二试件08尺寸为500×500×1mm3，电导率为1.379MS/m，相对磁导率为1.003。利用不同厚度的第一试件07和第二试件08模拟钢板的壁厚2～10mm变化。
(2)探头体01对不同厚度第一试件07和第二试件08进行检测，对激励线圈11施加的激励电流为2.335安培，频率为8Hz，两级增益为8×1倍，采集5次信号叠加取平均；
(3)将探头体01隔着110mm包覆层放置于第一试件07和第二试件08中心处，打开脉冲涡流检测仪02电源，逐步改变第一试件07和第二试件08数量，控制计算机23进行检测，并采集记录得到2～10mm厚度下的感应电压数据；
(4)当探头体01完成检测后，保存采集到的电压数据并绘制不同厚度下的归一化电压衰减曲线图(如图14所示)。
由于涡流分布的聚焦性能是影响探头检测灵敏度的关键因素。为了能在大提离下对包覆层管道缺陷进行检测，本发明提供了探头提离时对管道上产生的涡流分布对局部缺陷检测影响的研究结果。通过改变探头激励结构来改善激励磁场，使得涡流聚集分布，从而提高探头检测灵敏度。由于磁导体回路可有效引导磁场分布，使得探头在试件上产生的涡流分布发生变化，解决了带包覆层管道缺陷检测问题。
参考文献：
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