铁磁性平板构件腐蚀缺陷的脉冲涡流检测

王 鑫，付跃文

(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

铁磁性材料的用途巨大，在核力发电、油气运输、机械制造以及交通运输等方面具有广泛应用［1-2］。而铁磁性平板构件占据着其中相当大一部分比重，铁磁性平板在长期使用过程中易产生疲劳裂纹和腐蚀缺陷，对人类的生命财产安全产生巨大的威胁。为了避免此类故障的发生，需要对铁磁性平板件进行无损探伤。近年来脉冲涡流(Pulsed Eddy Current，PEC)技术发展迅速，相比于传统涡流技术(Eddy Current)而言，PEC技术具有信号频谱丰富、响应速度快、可以承受较大的激励能量、检测信号信息含量高等优点［3-4］，其丰富的频谱特性使得它不仅可以检测试件表面，也可以有效地检出试件内部缺陷。

Alicia Romero Ramirez等［5］使用漏磁检测技术(Magnetic Flux Leakage，MFL)对区分储罐底板顶部缺陷与底部缺陷进行了研究。实验表明，MFL检测技术对于储罐底板的顶部缺陷以及底部缺陷都有着良好的识别能力。但由于MFL技术在检测时需要磁化被测导体件，而增加了工作量。

Naoya Kasai 等［6］使 用 远 场 涡 流 (Remote Field Eddy Current，RFECT)进行铁磁性平板背部腐蚀缺陷的实验研究，将平板用屏蔽装置覆盖，组成类似于管道的闭合导体试件，将平板看做管道，使用RFECT可以检测出铁磁性平板的背部缺陷，此种检测方式需要加辅助装置才可以实现。

本研究以铁磁性平板腐蚀缺陷为研究对象。基于脉冲涡流检测原理，在无需磁化被测导体件以及增加辅助装置的前提下，设计一种圆柱形脉冲涡流传感器用来检测铁磁性平板腐蚀缺陷，该传感器可以有效地检测平板构件表面缺陷以及背部缺陷。

1 平板构件的脉冲涡流检测原理

脉冲涡流技术也被称为暂态涡流检测技术［7］，是一种特殊的涡流检测技术。脉冲涡流技术与传统涡流技术最大不同之处在于激励方式上的差异。常规涡流技术是以周期性的正弦波作为激励，脉冲涡流技术则使用一定占空比的方波或阶跃波作为激励。脉冲涡流检测的优势包括激励中包含了多种频率成分，频谱范围广，穿透深度深［8］。因此，利用脉冲涡流技术进行缺陷检测可以有效地获得被测构件完整的缺陷信息。

如图1所示，利用脉冲涡流检测的方法对铁磁性平板构件进行检测时，首先产生双极性方波脉冲到激励线圈上，当激励电流由高电平转为低电平时，由法拉第电磁感应现象，激励线圈会感生出一个快速衰减的磁场，磁场会在平板构件中产生逐渐衰减的电涡流，该涡流会再次产生一个衰减磁场，通常称之为二次磁场［9］。衰减的二次磁场信号会被接收元件所采集，并以瞬时电压的形式呈现出来，通过瞬时电压值的大小和变化，来判断平板构件的腐蚀状况。

2 试验检测系统

2．1 脉冲涡流试验平台

搭建的试验平台如图2所示。以12 V的移动电源向发射机供电，发射机产生激励电流并在激励线圈中通以双极性脉冲波，激励线圈在电流的作用下产生磁场作用于被测试件上，最后用接收线圈采集衰减信号，采集的信号通过接收机传输到掌上电脑。在数据的采集过程中，掌上电脑、发射机以及接收机通过蓝牙无线通讯技术连接，可以在10 m范围内无障碍进行操控，并使用掌上电脑进行参数设置、控制检测以及实时显示检测结果等功能。

图1 脉冲涡流原理图Fig．1 Pulse eddy current schematic

经过相关的前期试验后，进行铁磁性平板构件的腐蚀缺陷检测试验时，使用大小为1．5 A的电流作为激励源，频率设为16 Hz。由于在该频率时采集的衰减电压曲线可以采集25个数据点，本试验以第15～19的5个数据点作为参考点。

图2 试验平台流程图Fig．2 Experimental platform flow chart

2．2 试块的制作

试块为不锈钢平板构件，规格为长200 mm、宽50 mm，厚度分别为3、6、9 mm。每个试块共有8个腐蚀缺陷，其中4个为顶部缺陷，4个为底部缺陷。缺陷的孔径均为2 mm，深度分别为1、2、3 mm。缺陷分布及实物图如图3所示。

2．3 传感器的设计

为提高检测探头的灵敏度和分辨率，使用体积较小的线圈作为接收元件，较大的线圈作为激励线圈。由于矩形线圈仅用于非铁磁性材料的检测中，所以综合考虑之后选择了圆柱形线圈作为激励线圈。而圆柱形线圈通过激励线圈与接收线圈同轴放置来检测磁场，可以在一定程度上提高探头的分辨率［10-11］。徐志远、雷美玲、Fan M等［12－14］通过试验研究了各种线圈参数如线圈直径、高度、匝数、形状以及阻抗等对PEC信号的影响，发现针对小面积缺陷，通过缩小线圈直径、增加线圈匝数、降低线圈高度以及加大激励能量，能够提高采集信号的灵敏度与分辨率。

图3 试件尺寸及实物图Fig．3 Experimental specimen

`针对铁磁性平板腐蚀缺陷设计一种双线圈圆柱形传感器。该传感器包含1个激励线圈和1个接收线圈，2个线圈以中心耦合的方式组合。如图4所示，以圆柱形尼龙材料作为骨架，使用线径为0．3 mm的漆包铜线均匀绕制匝数为100的线圈作为激励线圈而成。接收线圈以无磁性的镍锌铁氧体磁棒作为磁芯，用线径为0．1 mm的漆包线在镍锌铁氧体磁棒上绕制150匝而成。

图4 脉冲涡流传感器Fig．4 Pulse eddy current sensor

3 试验研究

3．1 缺陷的信号处理及分析

在实际检测时，以无缺陷处的信号为起始点，沿平板轴线方向逐点采集数据。采集M个测试点，每个测试点都会形成一条横坐标为时间T，纵坐标为电压幅值U的衰减曲线。将M个测试点的电压幅值提取出来排列在一起，组成一个M行、N列的矩阵X，如式(1)所示。行向量XN表示电压衰减曲线，列向量XM表示剖面电压曲线。

衰减曲线是一个测点的所有时窗测试值的连线，取信号的全部时窗进行观察分析。图5中的2条曲线均表示电压衰减曲线，红色代表缺陷曲线、黑色代表无缺陷曲线。从图中可以发现，在有缺陷时，导体试件的磁导率和电导率都会产生变化。在信号衰减后期阶段，由于电压衰减速度的不同，在相同时间点有缺陷处的电压幅值会小于无缺陷处的电压幅值。

图5 感应电压的衰减曲线Fig．5 Attenuation curves of induced voltage

以厚度为6 mm的不锈钢平板试件上直径2 mm、深度2 mm的背部腐蚀缺陷作为研究对象。图6是一条有11个测试点的测线的剖面电压图，剖面是指一条测线中相同时窗点的连线集。由图5的衰减曲线可知，在不同测试点的相同时窗点处，缺陷处的感应电压值小于无缺陷处的感应电压值。由图6可知，3、4号测试点的电压值明显低于无缺陷处的电压值，表示该测试点区域有缺陷;6、7、8号测试点的电压值也低于无缺陷处的电压值，表示3处测试点处也存在缺陷。实际试件相对应的4号测试点为表面腐蚀缺陷，7号测试点为背部腐蚀缺陷。两者的衰减电压幅值差别不大，难以判断表面缺陷和背部缺陷的区别。

图6 铁磁性平板腐蚀缺陷Fig．6 Ferromagnetic plate member corrosion defect diagram

3．2 传感器检测能力分析

分别对平板厚度为3、6、9 mm的铁磁性平板构件进行实时扫查，并对深度为1、2、3 mm的缺陷进行实时测量。将试验数据进行电压剖面处理，图7表示不同厚度的平板上缺陷深度分别为1、2、3 mm 时的缺陷检测图，图中显示 5、6、7 号点为缺陷所在区域，每幅图均以平板厚度为变量，反映了在缺陷规格相同时，传感器分别对3、6、9 mm厚度平板的检测效果。通过实验得出结论，在缺陷规格相同的情况下，传感器的检测灵敏度会随着平板厚度的增加而逐渐降低。

将缺陷处与无缺陷处的电压差值ΔV提取出来定义为传感器的灵敏度。图8表示传感器在3种不同厚度的平板上，对不同深度腐蚀缺陷的检测灵敏度。结果表明，平板厚度与缺陷电压差ΔV呈线性关系，随着检测平板厚度变小，缺陷电压差ΔV逐渐变大，传感器检测能力增强。

图7 不同缺陷深度的铁磁性平板构件腐蚀缺陷图Fig．7 Corrosion defect diagram of ferromagnetic flat plate members with different depth defects

图8 传感器的检测灵敏度Fig．8 Sensor detection sensitivity

4 结论

1)脉冲涡流的检测方式可以有效检测出铁磁性平板构件的腐蚀缺陷，可以检测平板厚度为9 mm的背部腐蚀缺陷，点腐蚀缺陷大小为孔径2 mm、深度1 mm。

2)对3、6、9 mm厚度铁磁性平板上的背部腐蚀缺陷有一定的检测能力，在缺陷规格相同的情况下，平板厚度越小，传感器检测能力越强，检测效果越明显。