基于U 形磁导体聚焦探头的脉冲涡流检测研究*

杨 帆余兆虎付跃文*黄文丰夏志风段建刚

(1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063；2.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043)

在高温、高压及运输腐蚀性液气介质条件下承压设备金属结构部分易产生腐蚀，且以局部腐蚀为主。 为了保温和防止外部腐蚀，常使用数十到几百毫米厚的包覆层进行保护。 在不拆除包覆层的情况下检测管道、容器及其他金属结构件局部腐蚀是一项检测难题[1-2]。 脉冲涡流检测技术是一种非接触式检测手段，可不拆卸包覆层对管道等构件进行检测。 该技术具有入射电磁场渗透深度大、对深处缺陷检测能力强、检测信息丰富等特点[3-4]。 因此，脉冲涡流在检测带包覆层金属结构件的减薄及局部缺陷等方面受到广泛关注[5-7]。

脉冲涡流探头一般由圆柱形激励和接收单元组成，最通常的结构是将激励与接收线圈同轴放置，这种圆柱形探头被广泛应用于检测试件缺陷及壁厚减薄[8-9]。 高斌等分析了检测线圈在空气和试件中的能量转换关系，并且提出了一种检测线圈同轴放置于激励线圈上方的圆柱形探头。 该探头的检测灵敏度取决于检测线圈的换能效率[10]。 Rao 等应用放置于环形激励线圈底部中央的GMR 磁传感器接收试件的感应磁场变化，可检测不锈钢板底部厚度变化25%的埋深缺陷[11]。

上述圆柱形探头的换能效率以及磁场接收能力受提离影响显著，因而在提离时探头检测能力明显下降。 为了解决这些问题，研究人员通过增强激励磁场或通过设计差共模结构放大感应磁场的变化量以提高探头的信噪比[12-13]。

Park 等研制的探头由两个串联连接的铁氧体圆柱形激励线圈和两个差分连接的Hall 磁传感器组成，该探头能够产生很强的激励磁场并且可以通过差分式结构抑制干扰。 通过提高探头的信噪比，从而检测25 毫米提离下的不锈钢板20%厚度变化[14]。 武新军等基于圆柱形同轴线圈解析模型，推导得到感应电压变化量与试件厚度的关系，使用电压峰值时间特征对厚度进行定量。 该探头可用于检测包覆层下管道平均壁厚[15]。

但是除了平均壁厚损失之外，面积小而较深的局部缺陷由于更易导致穿透性缺陷因而对管道容器等设备的安全威胁有时会更大。 为了更好地检测工件上的局部缺陷，阵列接收以及施加屏蔽以抑制激励磁场扩散等方法被认为是能够有效改进探头检测能力的方法[16-17]。 由于缺陷信号特征从根本上来说由缺陷对于涡流场的扰动产生，因此探头对局部缺陷的检测灵敏度取决于局部缺陷对涡流场的扰动大小。 如果探头产生的涡流场能够有较好的聚焦特性，则聚焦区域扫过局部缺陷时，涡流场产生的扰动将较大。 同时接收线圈也需要置于适当区域才能达到较高的检测灵敏度。对于圆柱形探头来说，已有研究表明在试件上感应的涡流场存在盲区，需要将接收线圈放置于涡流场聚集区域才能获得更高的检测灵敏度[18]。 因此，涡流分布的聚焦性能是影响探头检测灵敏度的关键因素。 一些研究团队通过改变探头激励结构来改善激励磁场，使得涡流聚集分布，从而提高探头检测灵敏度。 其中，探头结构包括矩形、漏斗形、双圆柱形等结构[19-21]。 付跃文等对圆柱形激励线圈的三种摆放(径向、横向和纵向)位置下的涡流空间分布规律展开了研究，分析了涡流场盲区(该区域内涡流趋近于零)对探头检测能力的影响。 同时明确了纵向摆放的圆柱形探头在检测管道壁厚时具备更高检测灵敏度，为在检测带包覆层管道壁厚时探头的设计优化提供了帮助[22]。

上述探头在检测试件表面及近表面缺陷或提离下的厚度变化时取得了良好的检测效果，但是目前尚缺乏探头提离时在试件上产生的涡流分布对局部腐蚀缺陷检测影响的研究。 由于磁导体回路可有效引导磁场分布，使得探头在试件上产生的涡流分布发生改变。 因此本文通过设计U 形磁导体脉冲涡流探头在提离下对304L 不锈钢板局部腐蚀以及厚度进行检测。

研究从仿真和试验两方面进行。 在仿真方面，使用有限元仿真软件得到磁导体引导的磁场分布以及对不同提离下试件上的涡流分布进行研究，通过引入涡流有效聚集区域面积变化描述缺陷引起的涡流扰动大小，从而得到磁导体聚焦探头的检测范围以及相对缺陷的检测偏移量，为设计具有高灵敏度的局部缺陷检测探头提供参考。

1 检测原理

如图1(a)所示，脉冲涡流检测探头由一对激励线圈和接收线圈组成，在激励线圈中施加脉冲激励电流，线圈周围空间产生瞬变磁场，即一次磁场。 激励电流从方波直流段快速关断时，周围磁场快速衰减，由于电磁感应，被检对象上会感应出脉冲涡流。脉冲涡流产生的磁场为二次磁场。 激励电流关断时，一次磁场为零，此时检测线圈测量二次磁场的变化，这种变化通过检测线圈上的感应电压反映，如图1(b)所示。 检测电压的大小反映了金属试件的壁厚/缺陷等信息，以此判断被检对象的金属损失程度。

图1 脉冲涡流检测原理

2 试验方法设计

2.1 PEC 检测系统

试验平台由激励设备、计算机、不锈钢板试件、U 形磁导体聚焦探头构成，如图2 所示。 激励设备可发射频率为1/16 Hz～32 Hz 的等宽双极性方波脉冲激励，最大电流为10 A。 设备的采集和处理单元能够接收大动态范围感应电压信号，可以测量微弱电磁信号。 采集为16 位A/D，最高采样频率为1 MHz。

图2 试验平台

2.2 试件

被检试件共有九块304L 不锈钢板，相对磁导率为1.003，电导率为1.38 MS/m。 不锈钢板尺寸分别为四块500 mm×500 mm×2 mm(长×宽×厚)、两块500 mm×500 mm×1 mm 和三块500 mm×500 mm×5 mm 的304L 不锈钢板。 其中三块500 mm×500 mm×5 mm 的试件中心各刻有尺寸分别为30 mm×30 mm×1.5 mm、30 mm×30 mm×1.0 mm 和30 mm×30 mm×0.5 mm(长×宽×深)的方槽，如图3(a)所示，用于模拟钢板局部腐蚀缺陷。 图3(b)将不同数量的钢板叠加在一起用于模拟钢板的壁厚变化。

图3 不锈钢试件

2.3 探头设计

U 形磁导体聚焦探头的激励部分使用U 形铁氧体磁芯，在其一磁脚上绕制激励线圈。 铁氧体磁芯材料电导率为240 S/m，相对磁导率为5 628。 激励线圈线径0.57 mm，匝数为238，电感为3.44 mH，电阻为0.995 Ω。 检测线圈有两个以差分形式连接，线径为0.1 mm，单个检测线圈3 400 匝，电阻为184.39 Ω，电感为32 mH。 探头的结构及检测线圈摆放位置如图4(a)所示，具体尺寸参数如图4(b)所示。

图4 磁导体聚焦探头结构及尺寸图

2.4 数据处理方法

在检测过程中，探头从距离不锈钢板左端135 mm 处开始检测，以固定间隔选择检测点。 图5所示为一定提离下探头检测有无缺陷试件的归一化感应电压(感应电压除以激励电流)的对数衰减曲线(图5 左)以及相应的时间剖面曲线(图5 右)。 在电压衰减曲线的前期，探头中的接收线圈接收到的信号主要受激励线圈的磁场信号的影响，后期信号中，激励电流为零，激励线圈产生的磁场趋近于零，接收线圈的信号主要受涡流场的信号影响，因此接收线圈的电压曲线的衰减速度与试件的金属损失相关，这时电压衰减曲线的衰减速度可用于检测壁厚损失或局部缺陷。 时间剖面曲线是将不同点处的下降曲线汇总后，对不同点的曲线取同一时刻点(例如时刻点t1，t2，t3)形成的系列曲线，能够直观地显示缺陷的信号特征，如图5 右可以看出b 位置处存在缺陷。

图5 归一化感应电压及时间剖面曲线生成示意图

接收线圈产生的电压信号按对数衰减，电压动态范围较大，因此将检测信号按照对数标准划分为若干时窗[23-24]。 设第i 个测点处得到的电压矢量如下:

式中:N是每个脉冲周期的关断时间内的采样时间的时窗总数，本文N为28。

假设总共测量M个点，则M个采样点的电压矢量可以合成为矩阵W:

式中矩阵M第i行代表第i个测点。

可以从矩阵M中得到第j个时窗的切片矢量Sj:

式中:矢量Sj代表电压衰减曲线在某一时刻下不同测点的电压矢量，若不存在缺陷，理想情况下切片矢量Sj中的每个电压值都相等。 考虑噪声干扰后，发现Sj中某一电压值低于其他电压值，则认为该电压值所对应的测量点存在缺陷。

所设计的探头检测信号生成过程如图6 所示。探头依次经过位置a、b、c、d、e，产生一个不对称V形信号。 测点a 和e 为无缺陷处，在测点c 时达到电压极值，此时探头未到缺陷中心位置。 信号的不对称性来自于涡流聚集区域的不规则，检测定位产生偏移因为涡流聚集区域不在探头正下方。

图6 U 形磁导体聚焦探头检测缺陷信号及其特征

3 U 形磁导体聚焦探头的数值仿真

3.1 仿真模型的建立

使用有限元仿真软件建立U 形磁导体聚焦探头的脉冲涡流检测模型，分析探头的磁导体结构对圆柱形线圈产生的激励磁场的影响。 同时分析探头在不同提离下涡流分布及聚集情况，据此计算探头提离下聚焦探头的有效检测范围，以及根据检测信号的极值位置确定缺陷位置，从而为探头的结构设计和实际检测中缺陷定位提供帮助。

图7 为磁导体探头提离时的仿真模型，探头的激励线圈放置于试件中心正上方，仿真模型网格由正四面体和自由六面体网格单元组成。 使用对称边界条件将检测模型简化为二分之一模型。 仿真中不锈钢板的材料属性及尺寸与2.2 节中实际试验中所使用的试件一致。 探头激励线圈的结构尺寸及电磁参数见表1，与实际试验中所用的参数一致。 探头的激励信号采用单极性方波脉冲激励，频率为16 Hz，与实际试验中所用8 Hz 双极性脉冲方波脉宽对应。 方波电流大小为2.34 A，与实际试验中一致。 计算时采用指数增加的时间步长，初始时间步长为10-6s，直到总时间0.062 5 s。

表1 探头激励单元的结构尺寸参数

图7 U 形磁导体聚焦探头的仿真模型

3.2 磁场与涡流分布仿真结果分析

图8(a)和图8(b)分别为在提离40 mm 下普通圆柱体探头和磁导体探头在激励信号关断时223.8 μs 时刻周围空气域中的磁通密度在XOZ平面分布图。 图8(b)显示探头的铁氧体磁芯能够有效引导磁场，通过磁回路改变了圆柱形线圈原本产生的蝶形激励磁场，在探头下部的钢板区域形成了一个更为集中的磁场，这使得探头产生的涡流也更集中于该区域，有利于探头对局部缺陷的检测。 同时注意到磁场分布关于探头中轴线是两边不对称的。

图8 不同探头提离40 mm 下XOZ 平面磁通密度分布

图9 和图10 分别为普通圆柱体探头和磁导体探头在关断时223.8 μs 时刻40 mm 和110 mm 提离下的涡流分布图。 厚度方向的涡流分布图中给出了全局涡流分布，并对画框部分给出了放大图。

图9 223.8 μs 时刻下圆柱形探头不同提离下涡流密度分布

图10 223.8 μs 时刻下聚焦探头不同提离下涡流密度分布

图10 与图9 相比，表明与圆柱形线圈相比，磁导体探头在不锈钢板上产生的涡流分布并非为均匀圆环形分布。 涡流聚焦区域位于未绕制线圈的磁脚右下方，通过磁引导避免了圆柱形激励线圈中心下方存在的涡流检测盲区。 同时表明随着探头提离距离的增大，涡流密度衰减的同时，涡流聚焦区域扩大。 同时涡流聚焦区域的中心不在探头的中轴线上，而是有一定偏移量。

3.3 仿真结果的定量计算分析

探头在检测缺陷时，涡流的有效聚集区域面积大小反映了检测局部缺陷的能力。 如果在极小区域内聚集了大量的涡流能量，那么涡流检测极小缺陷的能力必然较高。

本文在比较聚焦区域大小时选取聚焦区域的方法是:当涡流耗散功率P 下降为涡流区域最大值的一半时，认为涡流到达了有效区域的边界。 当材料电导率一定时，功率下降为原来一半，涡流密度的最大值相应地降为原来大小的0.707 倍。 因此使用最大涡流密度的0.707 倍处来划定涡流有效聚集区域边界。

当该区域内出现缺陷时，由于工件厚度等的变化，涡流分布会发生变化，涡流有效区域的大小也会发生变化，反映了缺陷对于涡流的扰动。

图11 为探头在提离40 mm 下涡流聚集区域放大图。 由仿真结果可计算出图11(a)探头在无缺陷试件上涡流有效聚集区面积S1＝1 402 mm2，该区域中心处存在涡流密度最大值Max ＝2 841.43 A/m2，涡流聚集区边界涡流密度为2 008.89 A/m2。 图11(b)所示为探头在缺陷试件上的涡流有效聚集区面积S2＝684 mm2，最大涡流密度大小为3 276.32 A/m2，涡流聚集区边界的涡流密度为2 316.36 A/m2。 结果表明:与无缺陷试件的有效聚集区相比，缺陷扰动导致有缺陷区域的涡流有效聚集区面积变小。

图11 探头提离40 mm 时有无缺陷不锈钢板上涡流聚集区

同时分别计算提离70 mm 和110 mm 时的涡流有效聚集区面积S3和S4，其中S3＝3 087 mm2，S4＝5 220 mm2，涡流最大值(图中Max 点)分别偏移探头中轴线15 mm 和25 mm。 从图12 可以看出，随着提离距离的增加，涡流聚焦面积增加，聚焦程度下降，导致对于局部缺陷的检测灵敏度降低。

图12 探头不同提离下涡流有效聚集区

随着探头提离高度增加，感应涡流最大值Max点位置相对探头中轴线位置偏移量增加，如图13 所示。 这表明探头在实际检测中对缺陷的检测定位存在偏移，且偏移量随探头提离高度增加而增加。

图13 感应涡流最大值相对探头中轴线偏移量与探头提离高度关系曲线

图14 所示为探头40 mm 提离下将探头(以探头中心计算)从距离不锈钢板左端140 mm 处开始往右移动至360 mm 处(移动步进为10 mm)，得到探头有效检测区面积与探头位置曲线。 同一提离下，探头在无缺陷区域检测时，涡流有效聚集区域面积基本保持不变。 当涡流有效聚集区域开始进入缺陷区域(缺陷位于235 mm～265 mm 位置处，缺陷中心位置s0在250 mm 处)时，由于涡流有效聚集区受缺陷扰动影响，有效聚集区域面积相应减小。 探头中轴线在位置190～290 mm 范围内涡流有效聚集区面积减小，并在240 mm 处达到了最小值。 可计算出涡流扰动最大处对应的探头中轴线位置与缺陷中心存在s＝10 mm 偏移。

图14 提离40 mm 下探头的有效检测区面积与缺陷位置关系

4 试验结果

使用图2 所示试验平台及电流和频率参数、图3所示不锈钢试件以及图4 所示的探头以及2.4节的数据处理方法进行了实际试验。

图15 是磁导体探头在提离40 mm 和50 mm 下检测图3(a)不锈钢试件30 mm×30 mm×1.5 mm 局部缺陷的感应电压时间剖面曲线。 利用V 形波形信号特征识别缺陷，选择6～8 号时窗内的剖面曲线识别缺陷。 通过缺陷信号特征以及每个时窗内信号变化的一致性可以清楚地判别局部缺陷。 检测信号电压从探头距离试件左端215 mm ～270 mm 内(缺陷中心在250 mm 处)低于周围值，6 号时窗电压在245 mm 处达到最小值(21 540 μV/A)，相对局部缺陷中心(250 mm 处)偏移s1＝5 mm。 在提离50 mm下，U 形探头能够检测局部缺陷，但此时检测信号电压变化相比提离40 mm 时弱，探头对局部缺陷的检测能力降低。 探头相对局部缺陷偏移s2＝5 mm。

图15 U 形磁导体探头不同提离下对30 mm×30 mm×1.5 mm 局部腐蚀缺陷检测结果

圆柱形探头在提离40 mm 和50 mm 下均检测不到该局部缺陷。

图16 和图17 分别为磁导体探头对30 mm×30 mm×1.0 mm、30 mm×30 mm×0.5 mm 局部腐蚀缺陷在极限提离下的感应电压时间剖面曲线。 试验结果表明，所设计的U 形磁导体探头针对大小为30 mm×30 mm×1.0 mm 的局部腐蚀缺陷极限提离高度为30 mm；针对大小为30 mm×30 mm×0.5 mm 的局部腐蚀缺陷极限提离高度为10 mm。

图16 U 形磁导体探头提离30 mm 下对30 mm×30 mm×1.0 mm 局部腐蚀缺陷检测结果

图17 U 形磁导体探头提离10 mm 下对30 mm×30 mm×0.5 mm 局部腐蚀缺陷检测结果

图16 和图17 的结果表明，随着缺陷深度变小，能够分辨某个面积的局部缺陷的最大提离高度也变小。

图18 为磁导体探头在提离110 mm 下对图3(b)中2 mm～10 mm 厚度变化不锈钢试件的归一化感应电压衰减曲线。 图19 为圆柱形探头在提离100 mm下不锈钢板2～10mm 厚度检测结果。 圆柱形探头能够检测缺陷的最大提离高度比U 形探头小10 mm，但二者接近，这一结果说明U 形探头对于圆柱形探头的优势主要体现在局部腐蚀方面，对于大面积腐蚀则优势不明显。 从仿真结果中的涡流分布结果来看，当腐蚀区域扩大到很大时，由于腐蚀区很大，对于圆柱形探头来说腐蚀区同时包含了中间的盲点和周围的圆环状聚焦区，所以聚焦特性中圆柱形探头的盲点对于检测的负面影响将降低，这是二者在检测大面积腐蚀时灵敏度接近的物理背景。

图18 U 形磁导体探头提离110 mm 下不锈钢板2 mm～10 mm 厚度检测结果

图19 圆柱形探头提离100 mm 下不锈钢板2 mm～10 mm 厚度检测结果

图18 中根据每条电压衰减曲线的斜率变化(斜率越大厚度越小)可以清楚识别不锈钢板的9个厚度，最小的厚度变化为10%。 这一对于大面积腐蚀的检测分辨率和2020 年文献[8]中的分辨率结果(120 mm 提离下分辨30 mm 和27 mm 厚不锈钢板)相近，但远高于2010 年文献[14]的结果(18mm 提离下分辨5 mm 和4 mm 厚不锈钢板)。

对于提离状态下的不锈钢板的局部腐蚀，目前尚未发现相应的可比较的其他文献研究结果。

5 结论

本文主要设计了一种U 形磁导体聚焦探头，在探头提离情况下对不锈钢板局部腐蚀缺陷进行检测。对磁场及涡流分布以及检测信号缺陷特征相对缺陷的位置偏移进行了仿真研究。 随后进行了实际试验。

①建立了探头仿真模型，分析探头提离下磁场分布与涡流密度分布以及对检测局部缺陷的影响。仿真结果表明，通过磁导体结构引导磁场后，在试件上产生的涡流聚集分布于探头下方，使探头不存在圆柱体探头中的检测盲区。 同时依据涡流耗散功率划定涡流有效检测区域边界，可以比较探头在不同提离下的检测范围，以及探头得到缺陷信号极值时探头中轴线相对缺陷中心的偏移量。 随着提离距离的增加，涡流的聚集程度降低，探头有效检测区域扩大，检测局部缺陷的能力降低。 同时，涡流中心和探头中轴线的偏移量也增大。

②试验结果表明探头提离50 mm 下所设计的磁导体聚焦探头可对不锈钢板局部腐蚀缺陷(30 mm×30 mm×1.5mm)进行检测。 探头中轴线相对缺陷中心位置存在5 mm 偏移。

③试验也表明检测大面积腐蚀时圆柱形探头和U 形探头的差别缩小。

进一步的工作将研究面积等的细致影响以及面积和深度的综合影响。

研究成果可应用于设计优化聚焦型脉冲涡流探头，用以提升探头对包覆层金属结构局部腐蚀的检测灵敏度，以及对缺陷进行定位。