蔚道祥 杨宇清 司 俊 付跃文
(1.上海市特种设备监督检验技术研究院 2.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室)
基于圆台型传感器的带包覆层铁磁性管道脉冲涡流检测研究
蔚道祥*1杨宇清1司 俊1付跃文2
(1.上海市特种设备监督检验技术研究院 2.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室)
针对带包覆层铁磁性管道腐蚀的检测,提出了一种新型圆台型传感器。采用圆台型探头对带包覆层的铁磁性管道人工试样进行检测,发现其对大面积腐蚀以及局部腐蚀的检测效果明显。
脉冲涡流 传感器 包覆层 管道 无损检测 腐蚀
随着我国经济的快速发展,铁磁性管道的使用越来越广泛,特别是在石化等行业使用率极高。管道通常用以输送高压、高湿和腐蚀性气液介质,而雨水、潮湿空气等会引起管道外壁腐蚀。为了防止管道内的介质能量损失和管外壁腐蚀,通常在管道外部包裹一层厚度为几十毫米至上百毫米的包覆层,在包覆层外通常还会再加一层一定厚度的金属保护层,这样可以大大提高包覆层的使用寿命,其结构如图1所示。
图1 带包覆层铁磁性管道结构
管道外有了包覆层后,对管道进行腐蚀检测难度就比较大了。脉冲涡流检测是一种新型的无损检测技术,最早应用在非铁磁性材料的检测上,取得了一定的成效。相对于其他检测技术,脉冲涡流检测技术不需要设备停止运行, 也不需要去掉管外的保护层和保温层,在线即可实现管道检测。这不仅降低了检测成本, 而且提高了工作效率, 因此对带包覆层管道腐蚀检测的研究具有很重要的实际价值[1]。
国内外对带包覆层铁磁性管道的检测都在做相关的研究。美国RCO公司的Pedro F.Lara等在Brian R.Spies专利的基础上,对传感器设计、数据处理方法和管道腐蚀情况的判断方法都作了较大改进,并申请了专利[2]。英国RDT公司对该技术进行了传感器及信号处理等方面的持续改进,提高了灵敏度[3]。在国内,厦门爱德森电子有限公司[4]、华中科技大学[5]、南昌航空大学无损检测重点实验室也积极开展了这方面的研究[6]。目前国内外大多数研究侧重于大面积型腐蚀,而局部腐蚀也是管道中常见的缺陷,且危害性较大,故对局部腐蚀进行研究也是非常必要的。本文应用脉冲涡流检测技术对厚度为110 mm包覆层管道腐蚀进行检测,并利用圆台型传感器对人工试件进行了检测,检测效果良好。
带包覆层铁磁性管道腐蚀的脉冲涡流检测如图2所示。传感器线圈一般置于包覆层管道的外层,传感器线圈是由激励线圈和检测线圈两部分构成。图2所示为激励波形,检测激励线圈采用双极性脉冲方波电流进行激励。当瞬间关断激励线圈中的电流时,激励线圈中会产生一个快速衰减的脉冲磁场,磁场穿过包覆层管道的外层和保温层到达管壁中,然后变化的脉冲磁场又在铁磁性管道材料中感应出瞬时涡流,瞬时涡流又感应出二次磁场,二次磁场被检测线圈接收,并感应出瞬态感应电压。
图2 脉冲涡流检测基本机理
检测探头由发射线圈和检测线圈组成。在实际检测中,发射线圈的匝数、个数都会对检测效果产生很大的影响。为了达到较好的检测效果,进行了多次实验,得出了检测效果较好的探头参数。探头采用圆台骨架做为激励线圈的缠绕骨架,其上底直径为3.5 mm,下底直径为7.5 mm,高为7.0 mm,选用的漆包线直径为1.0 mm,共绕制500匝;检测线圈由圆形骨架绕制而成,其内径为1.6 mm,外径为3.2 mm,高为2.1 mm,选用的漆包线直径为0.41 mm,共绕制900匝。通过实验可发现,上底在下检测效果较上底在上要好,故本文采用上底在下进行实验,选用的传感器如图3所示。
图3 圆台型传感器
检测实验所用仪器为瞬变电磁仪,由激励和接收两部分组成,通过传感器与主机(包括接收部分和发射机部分)的连接实现激励的发射与信号的接收。采集信号为16位A/D,最高采样频率为1MHz,前放增益最高为32倍,主放增益最高为128倍。利用信号周期的不同,采用多周期叠加的方法降低噪声。本实验选择的激励电流为3 A,频率为4 Hz,实验中周期信号的叠加次数为10次。检测实验平台如图4所示。
图4 实验平台
图5 组合型缺陷管道腐蚀样图
实验选用的缺陷试件为J55材质的铁磁性钢管,规格为Ø141.5 mm×7.7 mm,如图5所示。图5中A是一个倒圆锥台形通孔,通孔的上部直径为25 mm,底部直径为10 mm;B是一个周向长度为150 mm的窄凹槽,槽宽为5 mm,槽深为2 mm;C是一个轴向长度为200 mm的窄凹槽,槽宽为10 mm,槽深为2 mm;D、E、F都是周向面积腐蚀缺陷,其周向腐蚀幅度为90°~180°,腐蚀深度均为1 mm,其中D的轴向长度为170 mm,E的轴向长度为110 mm,F的轴向长度为210 mm。管道外有一层模拟包覆层,用铝皮包裹海绵和塑料管制作而成。
本实验选取包覆层厚度为110 mm的管道进行检测,测点间距为100 mm,选取了圆台型探头和常用的圆形探头以做对比。
图6 圆台型探头检测剖面
由于端口效应的影响,缺陷A和缺陷F因距离端口较近无法测出,而对于周向缺陷B、轴向缺陷C、周向腐蚀缺陷E和周向缺陷F的检测效果相对较好。图6为圆台型探头的检测剖面图,从图中可看出该探头检测效果较明显。图7为圆形探头的检测剖面图,从图中可看出圆形探头也有一定的检测效果。为了进一步比较圆台型探头和圆形探头的检测效果,作出了检测灵敏度图。图8和图9分别为这两种探头在缺陷D和缺陷E处的检测灵敏度对比图,通过对比可知,圆台型探头的检测灵敏度要高于常规的圆形探头。
图7 圆形探头检测剖面
图8 D处腐蚀检测灵敏度
图9 E处腐蚀检测灵敏度
使用圆台型探头对110 mm厚包覆层管道的局部腐蚀进行检测,由实验结果可知检测效果明显,可达到检出缺陷的目的,具有一定的研究意义。本文为带包覆层铁磁性管道局部腐蚀的脉冲涡流检测的探头设计提供了一定的参考。
[1]付跃文,康小伟,喻星星.带包覆层铁磁性金属管道局部腐蚀的脉冲涡流检测[J].应用基础与工程科学学报,2013, 21(4): 786-795.
[2]SPIES B R.Transient Electromagnetic Method for Detecting Corrosion on Conductive Containers:4843320[P].1989-06-27.
[3]BRETT C R,RAAD J A.Validation of a pulsed eddy current system for measuring wall thinning through insulation[J].Proceedings of the SPIE, 1996(2947): 211-222.
[4]赵亮.非接触距离厚度的脉冲涡流检测方法研究[D].西安:西安理工大学,2006.
[5]黄琛.铁磁性构件脉冲涡流测厚理论与仪器 [D].武汉:华中科技大学,2011.
[6]康小伟,付跃文.带包覆层铁磁性管道腐蚀脉冲涡流检测技术 [J].无损检测, 2011, 33(9): 40-42.
Pulsed Eddy Current Test of Ferromagnetic Pipe with Insulation Based on Truncated-Cone-Type Sensor
Wei Daoxiang Yang Yuqing Si Jun Fu Yuewen
A new type of truncated-cone-type sensor was proposed to detect the corrosion of ferromagnetic pipe with insulation.The artificial specimen of ferromagnetic pipe with insulation was detected by a truncated-cone-type probe,and its effect on large area corrosion and local corrosion was obvious.
Pulsed eddy current;Sensor;Insulation;Pipe;Nondestructive testing;Corrosion
TM 937
10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.004
*蔚道祥,男,1988年生,硕士,助理工程师。上海市,200062。
2017-02-15)