管道缺陷位置对瞬变电磁检测信号的影响

(陕西国防工业职业技术学院，西安 710300)

瞬变电磁法又称时域电磁法，其在管道缺陷检测时，主要运用电磁感应原理，通过给激励线圈施加阶跃电流信号，待激励线圈周围产生稳定的一次磁场后瞬间关断电流信号，在管道上表面产生涡流效应。由于管体和周围介质的电阻消耗，涡流逐渐衰减至零，在衰减的整个过程中又会产生二次磁场来阻碍一次磁场的消失；接收线圈接收二次磁场信息并以电压的形式显示出来，电压的变化包含了金属管道本体的特征信息，且与缺陷的位置、传感器提离高度及激发功率有着密切关系[1]。

目前，李永年和李晓松推导出了接收信号的计算公式，通过接收信号和壁厚之间的数学模型确定了管道的剩余壁厚；南昌航空大学于润桥教授采用施加磁芯的方式提高了激发功率。但是对于瞬变电磁检测对象影响因素的分析却很少，笔者试验的目的主要是了解缺陷的不同位置对瞬变电磁检测信号的影响规律[2]。

1 钢管缺陷的瞬变电磁检测模型

瞬变电磁法检测系统主要由3部分组成：瞬变电磁仪、传感器和控制单元。瞬变电磁仪主要用来发射阶跃型脉冲信号；传感器分为激励线圈和接收线圈，激励线圈通过被施加的阶跃型信号产生一次磁场，接收线圈采集二次磁场的变化信息，把电磁信号转变为电压信号；控制单元主要是前面两者的连接件，用于数据传输和发出指令。由于缺陷在管道横截面的分布位置不同，检测信号的幅值也不一样，根据幅值的差异关系分析缺陷的具体位置。图1为管道瞬变电磁检测模型示意[3-4]。

图1 管道瞬变电磁检测模型示意

2 瞬变电磁法检测管道缺陷的理论分析

根据电磁感应原理，瞬间关断的阶跃型信号使得管道表面产生涡流效应，阶跃信号满足的条件是

(1)

当t<0时，激励线圈与周围介质产生稳定的一次磁场；当t≥0时，阶跃信号瞬间关断，管道上表面产生涡流。由于周围介质的欧姆消耗，随时间变化的涡流在空间形成二次磁场并被接收线圈接收。瞬变电磁法检测原理示意如图2所示。

图2 瞬变电磁法检测原理示意

假设接收线圈的磁通量为φ，接收线圈的有效面积和匝数分别为S，N。根据法拉第电磁感应原理可知，接收线圈与管道上涡流效应产生的磁场如式(2)所示[5]。

(2)

由式(2)可以看出，影响接收信号变化的只是磁感应强度，缺陷的位置不同导致磁感应强度有所差异。因此，通过在管道上进行不同缺陷位置的试验分析，可以为后续通过信号判断缺陷的精准位置提供指导。

3 试验过程

3.1 试验装置

试验装置主要由激励信号发生部分、探头检测部分、管道试件和数据采集及处理等4个部分组成，瞬变电磁检测装置结构框图如图3所示，瞬变电磁检测试验现场如图4所示。

图3 管道瞬变电磁检测装置结构框图

图4 管道瞬变电磁检测试验现场

3.2 激励信号发生器

瞬变电磁仪的函数发生器可以产生频率范围为1/16～32 Hz的方波信号，频率和信号占空比可根据实际检测情况调节，信号输出的有效幅值可达±20 V。

3.3 探头及试件部分

探头为圆形线圈，激励线圈有效直径为200 mm，由线径为1 mm的漆包线缠绕而成，匝数为130匝。接收线圈直径为100 mm，线径为0.25 mm，匝数为400匝。管道试件尺寸(外径×壁厚)为φ108 mm×6 mm，在中间位置制作人工缺陷，缺陷尺寸(长×宽×深)为120 mm×120 mm×2 mm。

3.4 试验结果分析

首次检测时将人工缺陷置于传感器的正下方，然后将管道分别旋转90°，180°，270°进行检测，在每个方向上至少检测3次，3次检测数据之间的差值不大于5%，则检测数据有效。采集设置激发频率为1 Hz，采样频率为32 Hz，共31个时窗。

通过笛卡尔坐标系无法分辨出检测信号之间的差异，经过坐标变换为双对数坐标系后(周向检测信号幅值曲线如图5所示)，可以清楚地看到前期数据基本重合，在t>5 ms时出现了明显的幅值差异。可以看出，缺陷在0°位置信号幅值最小且衰减速率最快；缺陷在90°和270°位置信号幅值和衰减速率相同；缺陷在180°位置信号幅值最大且衰减速率最小。周向检测数据和无缺陷处信号对比如图6所示，可见前期信号幅值一致，中期无缺陷处的信号幅值和有缺陷处的信号幅值出现明显差异。

图5 管道缺陷周向检测信号幅值曲线

图6 管道缺陷周向检测数据和无缺陷处信号对比

通过在每个方向上左移50 mm，右移20 mm进行重复检测(轴向检测)，结果表明在每个方向上信号幅值基本不变，轴向检测信号幅值曲线如图7所示。

在图5中选择合适的时窗值(t=12 ms)进行一次线性函数拟合，确定了角度与信号幅值之间的数学关系，拟合度均为0.992 82，说明拟合程度高。当得到检测数据后，代入拟合公式(3)可以确定出两个角度，再通过其他方法进一步确定缺陷的准确位置。

图7 管道轴向检测信号幅值曲线

(3)

4 结论

(1) 检测信号在线性坐标系中无法分辨出信号幅值差异，经过坐标变换后,在对数-对数坐标系中检测信号在前期一致，后期出现了明显的分叉。

(2) 缺陷在管道横截面的不同位置处，信号幅值会不同，当缺陷处于传感器正下方时信号幅值最小，当缺陷背离传感器时信号幅值最大，但是不会超过无缺陷处的信号幅值，也就是说，只要存在缺陷，就可检测出来。

(3) 在传感器覆盖范围内，缺陷在周向上对检测信号幅值影响较大，在轴向上对检测信号幅值基本上无影响。

(4) 通过拟合方法确定了检测信号幅值与管道横截面角度之间的数学关系，对以后更精确地定位缺陷位置提供了参考。