铁磁性管道脉冲远场涡流检测中线圈间距影响

喻星星，付跃文，蔚道祥，徐进军，江 茫

(1.长沙航空职业技术学院，长沙 410124;2.无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学)，南昌 330063)

0 引言

油田油气井、石油化工、火电厂等领域大量使用铁磁性管道进行油气输送，长年置于地下的铁磁性管道经常因腐蚀、裂缝等损伤产生泄露甚至爆炸。目前对于大口径埋地管道的检测以管道猪检测较为普遍［1］，但对小口径的管道，目前检测方法还比较少。将远场涡流技术应用于铁磁性管道检测始于上世纪40年代，且被认为是一种较好的铁磁性管道检测方法［2-3］。脉冲涡流的频谱非常丰富，其涡流场可以渗透到导电金属材料内部，从而可以用于检测其深层缺陷，该方法已被应用到油套管、带覆盖层管道的腐蚀类缺陷检测，以及飞机多层铆接金属结构的检测［4-9］。脉冲远场涡流检测技术结合了脉冲以及远场涡流的优点，近年来成为了一个新兴的研究方向。Y.Sun 等［10］用仿真方法研究了脉冲远场涡流现象。D.Vasic'等［11］利用脉冲远场涡流检测技术进行了管道壁厚的测量。D.Ambruš 等［12］还研究了恶劣环境下该技术的检测效果。荆毅飞等［13］进行了管道轴向裂纹检测脉冲远场涡流传感器设计与仿真分析。杨理践等［14］应用脉冲远场涡流检测技术对管道进行内检测，通过分析检测信号幅值以及过零时间来区分管壁内外圆周缺陷。杨宾峰等［15］设计了应用脉冲远场涡流检测技术的连通磁路传感器，应用于非铁磁性航空构件的检测，该传感器可以有效穿透25 mm 的铝板。刘相彪等［16］对脉冲远场涡流检测的消噪技术进行了研究，结果显示PCA-ICA 方法可以有效降低铁磁性材料磁导率不均引起的噪声。

但是脉冲远场涡流检测仍有不少实际问题有待解决，其中接收线圈和激励线圈之间的间距问题是其中之一。由于线圈间距增加将导致接收线圈直接耦合信号的减弱，从而使来自管材的信号比重增加，在信号采集的中后期时窗这一特征更为明显。但随着2 个线圈距离的增加，信号衰减加剧，将减弱接收线圈上的感应电压幅值，从而对信号采集、放大、滤波电路提出更高的要求，因此间距对缺陷检测结果有何影响，有无最佳间距，以及最佳间距与哪些因素有关，这些问题的研究具有重要意义。

本研究的目的即针对铁磁性管道脉冲远场涡流检测时，激励线圈与接收线圈间距对缺陷检测结果的影响进行研究与讨论，为脉冲远场涡流检测探头的设计制作提供参考依据。

1 脉冲远场涡流检测机理分析

脉冲远场涡流检测原理如图1 所示，其探头由2 个相距一定距离的激励线圈和检测线圈所组成，激励线圈通以脉冲激励电流，在线圈的周围空间将产生一个周期性的瞬变磁场，由于电磁感应，瞬变磁场又会激发出一个瞬变电磁，在该电场的作用下，金属管壁内将会形成涡流，在激励处于关断时期接收到的感应电压信号由激励线圈直接耦合以及通过金属管道间接耦合成分构成。因此，瞬态感应电压信号中包含重要的管壁信息，对其进行测量可以判别管壁是否存在缺陷。与常规远场涡流相比，脉冲远场涡流激励电流为一个重复的宽带脉冲，通常为一定占空比的方波，如图2 所示，其包含很宽的频谱，有利于区分不同深度的缺陷。而改变激励与接收线圈之间的距离，将影响瞬态感应电压信号直接耦合与间接耦合的成分比例，从而影响缺陷检出灵敏度以及最佳灵敏度对应的接收时间。

图1 脉冲远场涡流检测原理示意图Fig.1 Diagram of pulsed remote field eddy current testing and probe layout

图2 脉冲远场涡流激励与接收示意图Fig.2 Principle of pulsed remote field eddy current testing

2 试验平台

检测试验平台由电源、脉冲涡流仪、探头、阻尼线、掌上电脑等构成(图3)，其中脉冲涡流仪具有发射等宽双极性方波激励信号和接收大动态范围感应电压信号的功能，可用于测量微弱磁信号变化。接收信号通过蓝牙传输至掌上电脑进行数据存储与分析。采集为16 位A/D，最高采样频率1 MHz，每个测点的下降曲线时段按照对数间距划分31 个时窗，前期信号因为变化很快，所以时窗间距小，采样点密集。后期信号缓慢变化，所以时窗间距大，这样信号的信息才全面，同时也节约了采样数［5］。不同时窗号对应的时窗中心时间如表1 所示。试验时激励电流为1 A，频率4 Hz，两级增益为32 倍×128 倍，采集信号叠加5 次取平均。

表1 时窗号对应中心时间Table 1 The center time of different time window

试件管道为材质J55 的钢质管道，实际尺寸为φ73.8 mm×5.7 mm。试样上制作有1/4 圆周长度的横向裂缝，如图1 所示。

检测探头由激励线圈和检测线圈构成，探头轴线与被检管道轴线平行。激励线圈固定，检测线圈可沿中心导轨移动，从而改变激励线圈与检测线圈之间的距离。激励线圈和接收线圈由线径不同的漆包线绕制而成，二者同轴。激励线圈采用线径为0.5 mm 的漆包线，分10 层共100 匝;接收线圈采用线径为0.2 mm 的漆包线，分25 层共625 匝。探头规格尺寸如图4 所示。其中，线圈距离为0 mm 时，是激励线圈在内，检测线圈在外叠加绕制而成。

图3 铁磁性管道脉冲远场涡流检测平台Fig.3 Experiment platform for ferromagnetic pipe inspection with pulsed remote field eddy current method

图4 脉冲远场涡流检测探头规格Fig.4 Specifications of the pulsed remote field eddy current probe

3 试验结果分析

3.1 感应电压衰减曲线

提取完好与裂缝管道测试点不同时窗对应时间点的接收线圈感应电压值，以接收线圈信号采集时窗号作为x 轴，接收线圈感应电压值取对数后作为y 轴，制作不同线圈距离(0、60、90、120、150、180、210、240 mm)下的接收线圈感应电压衰减曲线如图5 所示。

观察感应电压衰减曲线可以发现:当激励线圈与接收线圈重叠(距离为0 mm)时，其信号特征等同于一般脉冲涡流信号，缺陷显示信号差异出现在后期时窗。随着线圈距离的增加，中期时窗缺陷显示信号差异逐渐增大，接收线圈所接收的感应电压幅值逐渐降低。当线圈距离达到210 mm 后，接收线圈前期时窗信号出现明显的波动。

3.2 缺陷显示灵敏度

参照文献［10］对缺陷检测灵敏度的数据处理方法，设管道完好处检测点的某一检测时窗点感应电压为ui，其与缺陷处相应时窗点的绝对电压差值为｜Δui｜，｜Δui｜/ui为该时窗点与缺陷处的归一化的电压差值，用该值作为该时窗点对缺陷的显示灵敏度。｜Δui｜/ui值越大，说明该时窗点缺陷显示的越明显。以｜Δui｜/ui的对数值作为y轴，时窗号作为x 轴制作缺陷显示灵敏度曲线，如图6 所示，其中出现断点是由于｜Δui｜=0，0 取对数没有意义。

从图6 可以得到不同线圈距离下缺陷显示灵敏度最大值的时窗号及对应的断电后时间，如表2 所示。由表2 可以看出，随着线圈距离的增加，缺陷显示最高灵敏度对应的时窗号逐渐减小，及达到最高灵敏度的时间逐渐缩短。但也可以看出过大的线圈距离将导致信号波动大幅增加(210、240 mm 时达到最高灵敏度之前的时窗都具有较大的信号波动)。当线圈距离超过一定范围后，检测灵敏度将下降(距离240 mm 时的最高灵敏度要低于距离210 mm)。

图5 不同线圈距离下接收线圈感应电压衰减曲线Fig.5 Voltage decay curves of the receiving coil for different distance between coils

图6 不同线圈距离下灵敏度曲线Fig.6 Sensitivity-time curves of different distance between coils

3.3 缺陷显示剖面图

以激励线圈正对裂缝进行一次测试，为进行比较，分别在裂缝左侧和右侧距离较远处分别进行4 次测试，以此9 个测试点感应电压制作缺陷显示剖面图(将不同测点的相同时窗号感应电压值画成连线)，以观察脉冲远场涡流检测时不同线圈距离情况下的缺陷显示。

不同线圈距离下的缺陷显示剖面图如图7 所示。其中线圈距离相距0 mm 的感应电压剖面线取25～31 号时窗，其他线圈距离感应电压剖面线都取13～20 号时窗。

感应电压剖面图从直观上体现了衰减曲线以及灵敏度曲线所得规律，即线圈间距的增大，最佳缺陷显示时间提前，且缺陷显示更加明显，其背后的机理在于随着间距的增加，检测线圈接收到的感应电压信号中直接耦合自激励线圈的比重减小，而经管道间接耦合的成分比重增加。但两线圈距离的增加使得接受信号整体变得微弱，感应电压幅值因此逐渐降低。

对比线圈相距0 mm 的检测效果，说明了将激励线圈与检测线圈分开的检测效果要优于两线圈叠加放置的检测效果。

当线圈间距增加到超过一定距离时(本研究对应的240 mm)，信号由于微弱变得不稳，信噪比降低，因而检测灵敏度也降低。

4 结论

1)脉冲远场涡流检测铁磁性管道的完好与缺陷信号差异主要显示在中期时窗，线圈间距的变化对缺陷检测效果有重要影响。

图7 实际检测中不同线圈距离下感应电压时间剖面Fig.7 Time slices of voltage of different distance between coils in practical inspection

2)对于材质为J55 钢，尺寸φ73.8 mm ×5.7 mm 的油管，线圈间距由60 mm 增加到210 mm时，由于管道间接耦合信号成分的增加，缺陷显示灵敏度｜Δu ｜/u 由0.35 增加到143，同时最高灵敏度对应的断电后接收时间前移了2 511 μs，这一点对提高检测速度有一定意义。但是当线圈距离达到240 mm 后，其缺陷显示灵敏度以及接收信号稳定性均降低。

3)由于线圈距离的增加，导致接收到的信号更加微弱，接收线圈感应电压幅值降低，对仪器的接收能力提出了更高要求。

4)对比激励与检测线圈重合的探头构造方式(间距0 mm)，激励线圈与检测线圈分开的脉冲远场涡流检测效果更为优越。

［1］何仁洋，修长征.油气管道检测与评估［M］.北京:中国石化出版社，2010:61-69.

［2］任吉林，林俊明.电磁无损检测［M］.北京:科学出版社，2008:203-213.

［3］刘洪清.基于远场涡流的管道裂纹检测方法有限元仿真研究［D］.北京:清华大学，2007:5-9.

［4］Fu Y W，Yu R Q，Peng X W，et al.Investigation of casing inspection through tubing with pulsed eddy current ［J］.Nondestructive Testing and Evaluation，2012，27(4):353-374.

［5］付跃文，喻星星.油套管腐蚀脉冲涡流检测中探头类型的影响［J］.仪器仪表学报，2014，35(1):208-217.

［6］孙彦才，郑华，崔艳辉.多层管柱电磁探伤测井技术及应用［J］.测井技术，2003，27(3):246-250.

［7］周良凤.电磁探伤测井技术在江苏油田的应用［J］.油气井测试，2003，12(4):48-49.

［8］徐凤阳，郝晓良.新一代多层管柱电磁探伤成像测井技术及其应用［J］.油气井测试，2011，20(2):70-73.

［9］喻星星.激励参数对铁磁性管构件脉冲涡流检测的影响及其机理研究［D］.南昌:南昌航空大学，2013:1-7.

［10］Sun Y，Loo W C，Kunerth D C，et al.Finite element simulation of pulsed remote field eddy current phenomenon［J］.Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation，1998:259-266.

［11］Vasic' D，Bilas V，Ambruš D.Measurement of ferromagnetic tube wall thickness using pulsed remote field technique［J］.12th IMEKO TC4 International Symposium，2002:468-472.

［12］Ambruš D，Bilas V，Vasi c' D.Inspection tool for harsh environment operation utilizing pulsed remote field technique［J］.Instrumentation and Measurement Technology Conference，2005:17-19.

［13］荆毅飞，王晓锋，杨宾峰，等.管道轴向裂纹检测脉冲远场涡流传感器设计与仿真分析［J］.空军工程大学学报:自然科学版，2011，12(6):74-78.

［14］杨理践，王赓，高松魏，等.基于脉冲远场涡流的管道内检测技术［J］.仪表技术与传感器，2012，11(1):141-144.

［15］杨宾峰，张辉，荆毅飞，等.基于脉冲激励的远场涡流检测机理及缺陷定量评估技术［J］.空军工程大学学报:自然科学版，2012，13(6):45-49.

［16］刘相彪，李勇，陈振茂，等.脉冲远场涡流检测PCA-ICA 联合消噪技术［J］.传感器与微系统，2015，34(1):69-72.