工业管道腐蚀冲涡流检测传感器仿真分析

杨国 敖春芳

摘 要：针对管道缺陷检测的现状，研制了一种适用于输油、输气管道的涡流无损检测传感器，该传感器由磁敏器件、励磁模块 、导轮等部分组成，具有灵敏度高、可用性强的特点， 能满足不同管径和工况的管道缺陷检测， 内容涉及涡流检测、磁敏器件的选择、永磁体的优化以及导轮的设计等。

关键词：工业管道;腐蚀冲涡流检测;传感器;仿真

引言

输油 、输气管道在长期使用中 ，由于表层地基不稳定、介质腐蚀、意外事故等原因 ，管道易发生位貌变化 ，并产生腐蚀与裂纹等缺陷和损伤 ，发生油气泄漏现象，将对环境造成极大的污染和危害，并带来经济和人身安全上的巨大损失， 所以必须对工业管道进行定期无损检测。

一、涡流检测原理

在大直径铁磁性管道的在线涡流检测中， 为达到较好的涡流效果 ，常使用沿周向阵列磁铁的方法来获得所需的励磁源 .然而换热器管空间过于狭小 ， 无法容纳足够体积的永磁铁来达到理想的涡流效果，无法应用周向阵列磁铁的方法 .为了改善涡流传感器的涡流能力 ，传感器部分主体由永磁体 、衔铁 、磁敏元件等组成， 2 块磁极相对且方向与管道轴线相同的圆柱形永磁铁通过中间衔铁相连， 衔铁的中间部分比两端要窄， 用来提供磁敏元件和信号电路安装的空间.端部衔铁将轴向的磁场转化为较均匀的周向磁场导入管壁中， 使管道得到涡流从而构成整个涡流回路 .为使涡流器对整个管壁具有均匀的涡流能力以及避免传感器震动产生噪声干扰， 检测过程中保证传感器与管道的同轴是必要的。

（一）涡流方式选择

可选用的涡流方式有线圈涡流、永磁体涡流等. 线圈涡流为常用的涡流方式之一， 其优点在于涡流强度可调，涡流能力较强， 不足之处在于发热较大， 而且在这里受换热器管内部空间狭小的限制 ，涡流效果不够理想.永磁涡流用永磁铁作为激励源， 稀土永磁磁铁， 特别是铷铁硼磁铁具有磁能积高 ， 体积小 ，无需电源 ，使用方便的优点， 在磁性检测中得到 广泛的应用 .虽然永磁涡流的涡流强度不能调节 ，但通过适当的磁路设计也可以达到较理想的涡流效果 .因此， 对小管径铁磁性换热器管进行的涡流检测是在管壁磁 化欠饱和的情况下进行的， 这大大影响了检测的灵敏度实际上，这也是小管径铁磁性换热器管涡流检测主要的困难之一.

（二）磁敏传感器选择

霍尔元件可测量绝对磁场大小 ，并与速度无关 . 但为保证换热管的整个周向无漏检 ，需要布置一整 圈霍尔元件，然而在如此狭小的空间内霍尔元件的布置比较困难， 电路处理复杂 .霍尔元件的另一个缺 点是线性范围有限 ，当磁感应强度较大时容易饱和 而丧失其灵敏度 . 感应线圈通过切割磁力线产生感应电压， 感应电压的大小和线圈的匝数以及穿过线圈的磁通量变 化率相关 ，因此线圈存在速度效应 ，所得检测信号的大小和传感器移动的速度相关 ， 传感器移动速度的 变化也将产生干扰信号.在检测中 ，保持传感器移动速度的均匀性是非常重要的.感应线圈测量的是磁场的相对变化量 ，并在空间域上对高频率磁场信号 更敏感.根据测量目的不同，感应线圈可以做成多种 形式 ，绝对式线圈可用来测量壁厚的损失，差分线圈 可以降低噪声同时增加灵敏度 ， 阵列贴片线圈对管道相对应的局部区域腐蚀敏感且具有空间分辨率 .

（三）线圈方式设计

涡流检测磁敏元件采用差分线圈和阵列贴片线 圈两种形式，线圈均布置于中间衔铁的直径较小部 分并处于衔铁的中心或者与衔铁中心对称分布 .由 于管道内部的轻微腐蚀和传感器运动的不平稳性 ， 加上传感器吸附管道内的铁屑在运动过程中造成的 干扰 ，绝对式线圈在检测过程中噪声非常大， 缺陷信 号很容易被淹没 ，而差分线圈可以有效减少这些噪 声的影响 .下面对差分线圈和阵列贴片线圈在涡流 检测中的不同特点进行研究.采用两个特性一致的 线圈反向连接的差分方式， 两个线圈都为 60 匝 ， 采 用 0 .1 mm 漆包铜线绕制 ，中间相隔 2 mm ， 单个线圈宽约 2 mm . 1 脉冲涡流检测实验系统的建立 基于脉冲交流涡流的脉冲涡流检测试验验系统主要包括 4 个部分：脉冲激励信号发生电路、 脉冲涡流传感器、 被测试件 和信号处理部分。

二、工业管道腐蚀冲涡流检测传感器仿真运用

电力管道的涡流检测方法和应用 电力行业中常用的无损检测方法包括： 射线探伤、 超声波探伤和磁粉探伤。与其他无损检测法相比，涡 流法因其独特的优势而更多地应用于管道检测中。通 常，火电厂的主设备大多由换热管构成，包括凝汽器、 锅炉受热面和高、低压加热器等。这些设备在安装前 或使用中都必须进行无损检测。然而，根据高、低压加 热器的铁磁特性，其磁导率比非铁磁性材料高很多，很 难通过常规涡流法进行检测。因此，考虑采用远场涡流法和磁饱和法。核电站设备中的焊缝应力腐蚀裂纹很危险，已经 成为威胁核电站安全生產的关键问题之一。国外已有研究表明，涡流法对于压水核反应堆管道焊缝裂纹的 检测具有独特优势。一般而言，焊缝中的裂纹位于 近表面处，而焊缝内部材质的不均匀和各向异性等特 点，使其在超声波检测时具有很差的信噪比，这给实际 应用带来局限性; 而涡流检测的优势正好得以体现。 现阶段管壁减薄检测常用的方法是射线检测法和 超声检测法，但国外已有学者研究将涡流检测法用于 发电厂设备的管壁减薄检测中。因管壁减薄不同于结 构裂纹，检测管道减薄主要可以使用脉冲涡流测厚法和远场涡流法。脉冲涡流测厚的基本原理是： 随着基 底材料厚度的变化，探头的过零时间、峰值时间以及峰 值等特征参数会以一定规律变化，通过观察探头信号 的时域曲线，就能得到材料的厚度分布情况。脉冲测 厚用于管道减薄需要借助脉冲探头移动得到线圈响应 信号，根据信号分析管道周向及长度方向的壁厚分布 情况，确定局部减薄的位置。远场涡流最早用于小口 径管道缺陷内检测，其典型装置由激励和检测两个线 圈组成，低频激励线圈和同轴检测线圈之间的间距为 待检测管件直径的 2 ～ 3 倍。远场涡流是铁磁性管道 材料中特有的现象，与管道同轴的低频激励线圈产生 磁场能量，穿过管壁向外扩散，并沿管道传播，在远场区域穿越管壁到达检测线圈。此时，检测信号包含了 被检管道整个管壁结构的信息。

结语

本文论述了铁磁性换热器管无损检测装置开发的必要性 ，重点研究了换热器管涡流内检测传感器 的设计.对涡流检测传感器进行了现场初步试验.试验结果表明， 磁性检测传感器能够检出 1 .6 通孔 和 20 %壁厚深度圆锥盲孔 ， 达到了设计指标 ， 能够满足现场使用的要求 。

参考文献：

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