大功率脉冲涡流技术在带包覆层压力管道检测中的应用

李继承 左嘉琦 陈英红 杨宁祥 杨新健

（1.广东省特种设备检测研究院珠海检测院 珠海 519002）

（2.广西壮族自治区特种设备检测研究院梧州分院 梧州 543000）

现代无损检测技术向着不停机快速检测方向发展，在不破坏承压设备外部涂层、保温层和保护层前提下，实现快速、大面积壁厚检测技术并对其建立一个有效完善的评价体系具有十分重要的意义[1，2]。

脉冲涡流（Pulsed Eddy Current，简称PEC）检测技术利用电磁感应原理在管道金属壁中发射和接收涡流信号。PEC接收信号的衰减规律与金属壁厚之间存在函数关系，通过比较检测区域和参考区域之间PEC信号的波形差别，可以实现管道损伤的检测。由于采用低频方波作为激励信号，PEC技术可以穿透金属管道外部的包覆层，在不破坏管道外部保温层的情况下实现检测[3，4]。

PEC技术最早在二十世纪50年代由美国阿贡国家实验室提出[5]，经过近年来的不断发展，在国外已经出现比较成熟的商业化产品，如荷兰RTD公司的Incrotest[6]和加拿大Eddyfi公司的Lyft[7]。国内中国特种设备检测研究院和华中科技大学对PEC技术的现场应用和相关标准的制定开展了大量工作[8-10]。

由于产生感应磁场的涡流分布于被检测构件中一定区域之内，因而PEC技术要求被检测缺陷具有一定的体积范围，如对于腐蚀造成的壁厚减薄，PEC适用于均匀壁厚减薄的检测，而对于带有沟槽、点腐蚀或裂纹的被检件，PEC存在较大的漏检可能。

本研究针对PEC技术存在的上述不足，自行搭建了一套大功率PEC检测系统，采用小尺寸检测探头对带包覆层压力管道焊缝进行定位研究，探讨了PEC技术对于小体积特征检测的可能性，为PEC技术推广奠定基础。

1 检测系统及检测样品

1.1 检测系统搭建

本研究所用试验装置原理图如图1所示，实物图如图2所示。控制单元基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）技术构建，采用直接数字合成技术（Direct Digital Synthesuzer，DDS）的原理实现方波脉冲信号发射，信号发射单元负责发射信号的D/A转换，完成数字到模拟的变化，最终得到频率10Hz，峰值电压5V的方波信号。

通过功率放大单元实现激励信号的放大，本研究所选用功率放大器的最大输出功率为810W，输出峰值电压±45V，输出电流18A。借助该功率放大器，将信号发射单元输出的方波信号放大为峰值电压±30V，输出电流10A。

通过数字示波器显示和采集接收线圈感应到的电压信号，根据得到的试验曲线变化对管道损伤进行检测。检测探头为圆柱形，骨架为聚四氟乙烯材料，发射线圈直径为20mm，采用线径为1mm的漆包线绕制。接收线圈的直径为40mm，线径为0.25mm。

1.2 检测样品

本研究选用2种不同规格的钢质管道作为检测对象。管道上的焊缝相对于大面积壁厚减薄来说是一类典型的小尺寸特征，在不拆除包覆层情况下利用PEC技术实现焊缝定位是验证PEC系统检测灵敏度的有效手段。

本研究的1#检测试样为Q235钢管，壁厚7.5mm，绝热层材料为岩棉，厚度为55mm，保护层材料为铝，厚度为0.6mm。环焊缝位于试样中部，余高2.5mm，宽度6mm。2#检测对象为Q235钢管，壁厚为6.5mm，绝热层材料为岩棉，厚度为50mm，保护层材料为铝，厚度为1.0mm，焊缝余高1.5mm，宽度4.5mm。

图1 脉冲涡流检测系统原理图

图2 带包覆层压力管道检测现场

2 结果与讨论

图3所示为1#试样PEC信号测量结果。图3（a)为全部测量信号，其中01-05号和11-15号为带包覆层管道焊缝两侧本体上的测量结果，06-10号为焊缝部位的测量结果。图3（b)为本体上01-05号测量结果的对比显示，观察发现随着测试时间的延长，02-05号信号相对于01号信号的幅度整体上降低。原因是本研究所用放大器输出功率大，随着测试时间的延长，检测探头中发射线圈出现发热，导致电磁感应效率降低。图3（c)为管道本体和焊缝部位测量信号的对比，观察发现从01到02 和11到12都会出现接收信号幅度整体降低的现象，而在06-10号焊缝部位获得的接收信号会出现幅度整体增大的现象，其中06号信号的幅度大于05号信号，08号信号的幅度甚至超过01号信号。这是由于焊缝位置处存在余高，相当于管道本体厚度增大，沈功田等[8]在研究中也发现随着被检件壁厚的增大，脉冲涡流信号的衰减率变小，会引起接收信号幅度增大。同时，在探头离开焊缝部位时，10信号与11信号之间的幅度差别也要明显大于12信号与11信号之间的幅度差别。

为了对焊缝位置进行定量指示，引入均方差RMSD，其定义式如下：

式中：

N——采样信号中的数据点数；

xi和yi（i=1，2，3…）——相邻两个采样信号中对应数据点的数值。

图4所示为1#试样不同采样位置RMSD值的计算结果，各采样位置对应的RMSD值均为相对于前一采样点的计算结果。观察发现，在焊缝对应的6-10号采样位置，RMSD值出现了一个明显的下降谷值，之后又出现一个明显的上升峰值。将图3所得到的脉冲涡流测量信号和图4计算出的RMSD值结合起来，可以准确识别出1#试样上的焊缝位置。

图3 1#试样PEC信号测量结果

图4 1#试样不同位置RMSD值计算结果

图5所示为2#试样PEC信号测量结果。观察图5（b)同样可以发现随着测试时间的延长，02-05号信号相对于01号信号的幅度整体上降低。图5（c)中在焊缝位置08号信号的幅度略高于05号信号，10号信号的幅度低于05号信号，但11号信号相比于10号信号的幅度降低远大于12号信号相对于11号信号的降低量。表明在焊缝位置处由于焊缝余高导致的管道壁厚增大同样引起接收线圈感应到的脉冲涡流信号幅度增大，但由于2#试样焊缝余高和宽度都小于1#试样，这种由于管道壁厚增大引起的幅度增大不能完全抵消由于发射线圈发热导致的幅度降低。

图6所示为2#试样不同采样位置RMSD值的计算结果，在焊缝对应的6-10号采样位置，同样可以观察到RMSD值先出现了一个明显的下降谷值，之后又出现一个明显的上升峰值。

图5 2#试样PEC信号测量结果

图6 2#试样不同位置RMSD值计算结果

3 结论

1）通过提高脉冲涡流检测系统中发射信号的放大功率，可以达到进一步提升其检测灵敏度的目的。

2）采用±30V峰值电压，10A输出电流和10Hz频率的方波发射信号，可以检测出0.6mm厚铝保护层和55mm厚绝热层下Q235钢管上余高2.5mm，宽度6mm的焊缝，对于1.0mm厚铝保护层和50mm厚绝热层下Q235钢管上余高1.5mm，宽度4.5mm的焊缝也可以进行有效识别。

3）当采用较大功率的发射信号进行长时间检测时，由于发射线圈的发热会导致接收线圈所获得的脉冲涡流信号整体幅度降低，在实际应用中需要对这种由于发热引起的幅度降低进行修正。