保温管道脉冲涡流检测U型探头的试验研究

(1. 广东省特种设备检测研究院，广东 佛山 528251；2.无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学)，江西 南昌 330063)

铁磁性管道广泛应用于石油化工、大型电力和制冷等行业,出于对管道输送介质所含能量保护的原因，在管道表面上捆扎包覆层[1]。包覆层由保温层与金属保护层共同组成,由于现场安装不善等一系列问题，导致包覆层外围的金属保护层出现较大间隙，易造成带包覆层管道的外壁部位长期处于潮湿环境而产生腐蚀缺陷。带包覆层铁磁性管道内部输送的介质往往具有高温、高压、颗粒大和有腐蚀性等特征,长期运行易造成管道内壁出现局部减薄缺陷。

带包覆层管道的内、外壁腐蚀缺陷是导致管道失效的主要原因。当前针对带包覆层管道的腐蚀缺陷检测有X射线成像、超声导波和低频漏磁等,上述几种手段均需停机后进行检测，检测成本高，并且作业效率较低。近些年推出的脉冲涡流检测技术具有无须拆卸保温层、在线检测和作业效率高等优点，正逐步推广应用于国内外石化和电力等工业现场。

脉冲涡流检测(PECT)起源于1958年，采用晶闸管技术研制出了脉冲涡流检测系统[2]。国外脉冲涡流检测技术已经趋于成熟，理论体系已基本建成，多家公司已推出实用化的PECT检测设备，重点用于飞行器多层金属工件的局部减薄[3-7]、油气管道、核电站或常规化工厂区内带包覆层管道腐蚀检测等领域。国内该技术应用起步较晚，目前仍以圆形探头为主。南昌航空大学研究表明，对于带包覆层管道局部壁厚减薄缺陷检测，采用U形结构的脉冲涡流探头，其检测灵敏度较圆形及双激励线圈聚焦形探头更高。因此，利用U形传感器针对管道局部腐蚀检测效果最佳。

研究基于脉冲涡流检测技术，自主搭建起一套有包覆层管道的脉冲涡流检测装置。加工1条外部带有大面积壁厚减薄缺陷的管道试件以及1条内部带有3种不同深度的局部壁厚减薄缺陷管道试件。制作半圆形、直角形两种不同激励线圈结构型式的U形脉冲涡流检测探头。通过对带有外壁腐蚀及内壁腐蚀缺陷的管道试件进行试验，对比两种不同结构的U形探头的检测能力。

1 PECT检测技术原理

传统的涡流探伤是利用导电性工件中涡流的电磁感应效应来评估构件的完整性，其激励源通常为单一周期的正弦信号。PECT是传统涡流检测技术的一种，早期被称为瞬变电磁检测技术；与脉冲涡流技术(ECT)有所区别，PECT技术采用了信息量更大的脉冲矩形方波作为发射源。

PECT检测技术的基本原理见图1。信号发射机产生一个矩形方波激励，激励源被加载到PECT探头的发射线圈部位，当探头靠近待检工件，将会在工件本体上产生一个稳定涡流场。激励源被断开时，探头周边将产生一个快速衰减的磁场，该磁场由发射线圈产生的一次磁场及被检工件感应出的二次磁场共同组成，其中，二次磁场包含了工件的完整性信息。因此，通过获取二次磁场引起探头接收线圈部分变化的规律，即可了解被检工件的结构完整情况。

图1 脉冲涡流检测原理示意

2 管道PECT检测试验平台

该研究采用自主研制的一套带包覆层管道脉冲涡流检测试验系统，主要组成部分为：PECT信号发射机、自研PECT检测传感器、专用阻尼防爆盒、便携式系统供电电源、数据处理专用软件和自行制作的保温层。该试验系统实物如图2所示。

图2 脉冲涡流检测试验系统实物

3 试验结果与分析

3.1 管道壁厚减薄缺陷检测

3.1.1 两种U型探头检测

其他检测参数不变条件下，将检测探头置于厚度分别为30 mm和80 mm的包覆层上，探头始发位置距离管体外壁局部缺陷试件端头处为300 mm，共设置13个检测点，各个检测点间距为100 mm。最后，探头运动至距离管道右端头300 mm处时即停止检测，对比两种探头对腐蚀缺陷的检测灵敏度，此处检测灵敏度的物理意义为损伤处的检测电压幅值与完好处电压幅值百分比。

检测结果如图3至图5所示。由图3至图5可知：包覆层厚度为30 mm时，半圆形U型PECT传感器对于带包覆层管道外壁局部壁厚减薄缺陷的最大检测灵敏度为21.49%，而直角形U型PECT传感器灵敏度达13.63%。当包覆层厚度为80 mm时，半圆形U型PECT传感器最大检测灵敏度为10.34%，直角形U型PECT传感器灵敏度达8.89%。因此，在包覆层厚度不同的检测条件下，采用半圆形U型传感器优于直角形U型传感器。

图3 半圆形U型探头检测电压幅值

图4 直角形U型探头检测电压幅值

图5 两种结构U型传感器检测灵敏度

3.1.2 两种激励频率U探头检测

其他检测参数不变，系统的激励频率分别设置为8 Hz和16 Hz，检测结果如图6所示。

图6 两种激励频率U型传感器检测灵敏度

由图6可知，激励频率为8 Hz时，半圆形U型PECT传感器对于带包覆层管道外壁局部壁厚减薄缺陷的最大检测灵敏度为21.49%，而直角形U型PECT传感器灵敏度则为17.67%。同时，当激励频率为16 Hz时，半圆形U型PECT传感器最大检测灵敏度为24.54%，直角形U型PECT传感器灵敏度则为8.89%。即在系统激励频率不同的检测条件下，采用半圆形U型传感器优于直角形U型传感器。

3.1.3 两种保护层U型探头检测灵敏度

分别采用包覆层的保护层为白铁皮和铝皮进行试验，结果如图7所示。由图7可知，保护层材质为白铁皮时，半圆形U型PECT传感器对于带包覆层管道外壁局部壁厚减薄缺陷的最大检测灵敏度为20.32%，而直角形U型PECT传感器灵敏度则为8.61%。保护层材质为铝皮时，半圆形U型PECT传感器最大检测灵敏度为28.19%，直角形U型PECT传感器灵敏度则为24.15%。得出在保护层材质为白铁皮或铝皮条件下时，采用半圆形U型传感器优于直角形U型传感器。

图7 两种保护层U型传感器检测灵敏度

3.2 管道内壁减薄缺陷检测

3.2.1 两种包覆层厚度U探头检测

将检测探头置于厚度分别为30 mm和80 mm的不同规格包覆层上，探头始发位置距离管体内壁局部缺陷试件端头处为300 mm，共设置15个检测点，各个检测点间距设置为100 mm。探头运动至距离管道右端头300 mm处时即停止检测，对比两种探头对于局部腐蚀缺陷的检测灵敏度。检测结果如图8所示。

由图8(a)可知：包覆层厚度为30 mm时，半圆形U型PECT传感器对于带包覆层管道内壁局部壁厚减薄的A,B和C缺陷最大检测灵敏度分别为29.35%，16.27%和8.78%；当包覆层厚度为80 mm时，对3个缺陷的最大检测灵敏度分别为15.33%,6.76%和4.71%。由图8(b)可知：包覆层厚度为30 mm时，直角形U型PECT传感器对于带包覆层管道内壁局部壁厚减薄的A,B和C号缺陷最大检测灵敏度为36.82%,27.36%和13.08%；包覆层厚度为80 mm时，A,B和C号缺陷最大检测灵敏度为19.66%,14.90%和3.91%。

两种不同厚度包覆层条件下，对于A,B和C内部腐蚀缺陷检测灵敏度可知：当保温层厚度为30 mm时，采用直角形U型传感器优于半圆形U型传感器；保温层厚度为80 mm，对于A，B号缺陷，直角形U型传感器检测灵敏度优于半圆形U型传感器，而对于C缺陷则半圆形传感器检测灵敏度稍优于直角形U型传感器。

图8 不同包覆层厚度的检测灵敏度

3.2.2 两种激励频率U探头检测

将系统激励频率分别设置为8 Hz和16 Hz，试验结果如图9所示。由图9(a)可知：激励频率为8 Hz时，半圆形U型PECT传感器对于带包覆层管道内壁局部壁厚减薄的缺陷最大检测灵敏度分别为29.35%,16.27%和8.78%；当激励频率为16 Hz时，则缺陷最大检测灵敏度分别为23.22%,9.09%和4.04%。由图9(b)可知：激励频率为 8 Hz时，直角形U型PECT传感器对于带包覆层管道内壁局部壁厚减薄的A,B和C号缺陷最大检测灵敏度分别为36.82%,27.36%和13.08%。当激励频率为16 Hz时，则对于带包覆层管道内壁局部壁厚减薄的A,B和C号缺陷最大检测灵敏度为27.98%，12.41%和4.80%。

两种不同激励频率条件下，由A,B和C不同规格的内部腐蚀缺陷检测灵敏度可知，采用直角形U型传感器优于半圆形U型传感器。

图9 不同激励频率的检测灵敏度

3.2.3 两种材质保护层U型探头检测

分别在有包覆层的保护层为白铁皮/铝皮两种材质条件下进行检测试验，试验结果如图10所示。由图10(a)可知，保护层材质为镀锌铁皮时，半圆形U型PECT传感器对于带包覆层管道内壁局部壁厚减薄的3个缺陷最大检测灵敏度分别为29.35%,16.27%和8.78%。保护层材质为铝皮时，则最大检测灵敏度分别为38.97%,30.80%和16.27%。由图10(b)可知，保护层材质为镀锌铁皮时，直角形U型PECT传感器对于带包覆层管道内壁局部壁厚减薄的A,B和C号缺陷最大检测灵敏度分别为36.82%,27.36%和13.08%。保护层材质为铝皮时，则最大检测灵敏度分别为55.27%,41.56%和23.16%。

在两种不同材质保护层条件下，由A,B和C不同规格的内部腐蚀缺陷检测灵敏度可知，采用直角形U型传感器优于半圆形U型传感器。

图10 不同保护层的检测灵敏度

以上试验结果表明:在不同包覆层厚度、不同发射频率和不同材质保护层的3种条件下，采用本研究提出的两种不同结构形式的U型脉冲涡流检测探头，分别对管道外壁带有局部壁厚减薄缺陷、管道内壁局部腐蚀缺陷的钢管试件进行检测：对带包覆层管道外壁壁厚减薄缺陷的检测，采用半圆形U型探头的缺陷检测灵敏度高于采用直角形U型探头的缺陷检测灵敏度；对带包覆层管道的管体内壁局部壁厚减薄缺陷的检测，则要根据不同条件选用不同形式的U型脉冲涡流检测探头。

研究提出了两种不同结构形式的U型聚焦式脉冲涡流检测探头，仅采用了试验手段对两种不同结构形式的U型脉冲涡流检测探头进行了初步对比研究，研究结果对于带包覆层特种设备脉冲涡流检测工艺及探头设计具有一定的指导及参考意义。

4 结 论

(1)针对带包覆层管道外壁壁厚减薄缺陷的脉冲涡流检测，在不同包覆层厚度、发射频率和材质保护层条件下，应优选使用半圆形U型探头。

(2)针对带包覆层管道内壁局部壁厚减薄缺陷的脉冲涡流检测结果表明：在不同发射频率、材质保护层条件下，应优选使用直角形U型探头；包覆层厚度为30 mm时优选使用直角形U型探头，包覆层厚度为80 mm时，对于腐蚀深度大于2 mm的缺陷建议采用半圆形U型探头，而对于腐蚀深度小于2 mm的局部缺陷则建议采用直角形U型探头。