化工運(yùn)輸管道常常采用夾套結(jié)構(gòu)來加熱或冷卻運(yùn)輸管道中的原料，夾套管是一種管道內(nèi)外安裝同心雙層碳鋼套管的管道。夾套管在役期間，經(jīng)過長期的運(yùn)輸沖刷，管道內(nèi)管與外管之間存在著壓力差，并且運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)常常帶有一定的腐蝕特性，極易造成夾套的壁厚減薄，嚴(yán)重危害夾套管的在役生產(chǎn)與運(yùn)輸安全[1]。由于夾套管的結(jié)構(gòu)限制，對于夾套管的內(nèi)管檢測，常規(guī)檢測方法中超聲、漏磁等方法均無法達(dá)到檢測要求[2-6]，故其一直是工程中的一個難題。為確保夾套管道的在役安全性與穩(wěn)定性，找到一種針對夾套管內(nèi)管的合理檢測方法，有著十分重要的意義。 

脈沖渦流檢測是一種非接觸式的外檢測方法[7]，目前已經(jīng)在帶包覆層管道中有了廣泛的應(yīng)用且效果明顯。脈沖渦流檢測原理與常規(guī)渦流檢測原理不同，其在探頭上加載一定占空比的雙極性方波，使被測管道中產(chǎn)生一個快速衰變的渦流，渦流由電信號轉(zhuǎn)化為磁信號后，被檢測線圈以衰減的電壓形式捕獲，由于管道中壁厚減薄部位的電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率會發(fā)生改變，故在接收線圈中得到的衰減電壓也不同，以此為依據(jù)可判斷出管道的腐蝕情況，從而評價管道的壁厚與缺陷情況。脈沖渦流檢測的激勵信號與接收信號示意如圖1所示，t=0至t=t3為激勵的正向供電時間；t=t4至t=t7為激勵的反向供電時間；t=0至t=t1為激勵的上升沿；t=t2至t=t3為激勵的下降沿。脈沖渦流檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，該系統(tǒng)主要由探頭、激勵電路、放大電路和接收電路組成，激勵電路在探頭的激勵線圈中驅(qū)動雙極性方波，使空間磁場發(fā)生變化，作用在管道上產(chǎn)生渦流，快速衰變的渦流產(chǎn)生二次磁場，經(jīng)過探頭捕獲后被放大采集，再經(jīng)上位機(jī)處理，得到易被觀測的結(jié)果。 

圖  1  脈沖渦流檢測的激勵信號與接收信號

圖  2  脈沖渦流檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

脈沖渦流檢測有著對環(huán)境依賴低、檢測速度快、檢測費(fèi)用低、穿透能力強(qiáng)、無需耦合劑等優(yōu)點(diǎn)[8-10]，文章應(yīng)用脈沖渦流檢測技術(shù)，在不去除夾套管外管的情況下對其內(nèi)管進(jìn)行檢測。首先采用有限元仿真分析軟件從仿真的角度分析渦流場的分布，其次進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)并分析檢測結(jié)果，討論其實(shí)用性。 

1.   有限元仿真

1.1   有限元仿真原理

有限元法是將一個連續(xù)物體分割成有限個離散大小的單元，把一個連續(xù)的無窮自由度問題變?yōu)殡x散的有限自由度問題的方法，以求解電磁場在空間中分布的大小方向等。電磁有限元仿真基于麥克斯韋方程組，其微分形式為 

式中：$<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\nabla </span>$為哈密頓算子；$\stackrel{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\to </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$為電位移矢量，單位為C/m2；ρ為自由電荷密度，單位為C/m3；$\stackrel{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\to </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$為電場強(qiáng)度，單位是為V/m；$\stackrel{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\to </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為T；$\stackrel{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\to </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$為磁場強(qiáng)度，單位為A/m；$\stackrel{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\to </span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$為電流密度矢量，單位為A/m2。 

1.2   仿真模型建立

采用有限元軟件建立三維夾套管仿真模型，仿真模型與網(wǎng)格劃分如圖3所示。其中，夾套管外管長度為400 mm，外徑為150 mm，內(nèi)徑為140 mm；內(nèi)管長度為400 mm，內(nèi)徑為84 mm，外徑分別為100.0，98.4，96.8 mm；內(nèi)管與外管同軸心放置，圖中已經(jīng)對空氣域進(jìn)行了隱藏，并且切割剖分了模型的一半。夾套管的內(nèi)管和外管材料均為20碳鋼。 

圖  3  仿真模型與網(wǎng)格劃分

探頭模型如圖4所示，其為直角U形探頭，激勵線圈繞在鐵氧體的磁芯上，接收線圈置于鐵氧體的下方，緊貼磁芯。仿真中設(shè)置探頭距離套管外管提離高度為5 mm，激勵線圈匝數(shù)為489匝，兩個接收線圈的匝數(shù)均為200匝，對不同厚度的內(nèi)管分別進(jìn)行仿真研究。有限元仿真中設(shè)置激勵電流為0.51 A，內(nèi)管和外管相對磁導(dǎo)率為175，電導(dǎo)率為1.12×107 S/m，空氣域?yàn)闄E圓形，無限元域?qū)雍駷?0 mm。仿真采用自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行剖分，并且只求解了模型的一半，為了簡化模型與準(zhǔn)確描述研究對象的模型和結(jié)構(gòu)，在剖分網(wǎng)格時，對探頭正下方的管道進(jìn)行了掃掠，細(xì)化剖分了探頭正下方的區(qū)域，并且對內(nèi)管和外管進(jìn)行邊界層設(shè)置，其中邊界屬性均設(shè)置為5，拉伸因子設(shè)置為1.2。 

圖  4  探頭模型

1.3   仿真結(jié)果分析

以有限元仿真中8 mm厚的內(nèi)管為例，繪制了不同時刻的夾套管內(nèi)外管的渦流分布，如圖5所示，在每個分圖中左圖例代表的是內(nèi)管的渦流分布，右圖例代表的是外管的渦流分布。當(dāng)激勵關(guān)斷后，在t= 10−5 s時，在夾套管外管外壁表面上，產(chǎn)生兩處位于U形探頭兩端的激勵線圈的正下方的渦流，該渦流中間存在盲區(qū)，兩處渦流存在相交的邊界區(qū)域，并且此區(qū)域在探頭正下方的電流密度模最大，能量最集中。在t=10−5 s和t=10−4 s時，夾套管的內(nèi)管上基本上不產(chǎn)生渦流。 

圖  5  內(nèi)外管渦流隨時間的分布變化圖

隨著時間的推移，t=10−4 s時渦流從探頭正下方的外管外壁上開始向四周擴(kuò)散，并且渦流從外管表面向管道內(nèi)部滲透； t=10−3 s時渦流已經(jīng)從夾套管的外管滲透到內(nèi)管外壁表面，并且緩慢增大。 

當(dāng)t=0.01 s后，外管外表面的渦流大部分已經(jīng)滲透到外管內(nèi)，此時夾套管的內(nèi)管外表面產(chǎn)生的渦流也逐漸增大，此渦流沿著管道的周向方向，渦流能量集中于探頭正下方，內(nèi)管表面渦流也逐漸向內(nèi)管內(nèi)部滲透；在t=0.1 s后，內(nèi)管的渦流已經(jīng)基本衰減消耗完全；t=0.5 s時，內(nèi)外管道的微弱渦流已經(jīng)沿著管道的周向方向衰減完全。 

2.   檢測試驗(yàn)

2.1   試驗(yàn)平臺

脈沖渦流試驗(yàn)平臺如圖6所示，該平臺由激勵信號發(fā)生器、電壓采集電路與放大電路、探頭和平板電腦上位機(jī)組成。試驗(yàn)選取合適的激勵參數(shù)對于提高檢測靈敏度具有重要意義，合適的激勵電流能夠減小噪聲的影響，較低的頻率接收時間較長，趨膚深度較大[11]。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,最終采取使用頻率為1 Hz的等寬雙極性方波，激勵電流為0.51 A。 

圖  6  脈沖渦流試驗(yàn)平臺

2.2   試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用20碳鋼管道，夾套管內(nèi)管與外管尺寸示意如圖7所示。外管的外徑為150 mm，內(nèi)徑為140 mm 壁厚為5 mm。內(nèi)管有階梯管和局部腐蝕管兩種類型。階梯管壁厚分3個階梯厚度，分別為8.0, 7.2, 6.4 mm，其中內(nèi)徑為84 mm，外徑分別為100.0, 98.4, 96.8 mm。局部腐蝕管使用人工的局部腐蝕缺陷，缺陷長和寬都為50 mm，其中缺陷1的深度為7.2 mm，缺陷2的深度為1.8 mm。 

圖  7  夾套管內(nèi)管與外管尺寸示意

當(dāng)內(nèi)套管為階梯管時，探頭擺放移動路徑分別從壁厚8.0, 7.2, 6.4 mm的內(nèi)管厚度中間位置點(diǎn)測3次。對于內(nèi)套管的局部腐蝕缺陷情況，探頭的移動路徑是從缺陷2遠(yuǎn)端向缺陷1每間隔2 cm移動點(diǎn)測1次。探頭使用U形鐵氧體磁芯，縱向擺放在檢測夾套管外管上，探頭在磁芯的兩端腳與中間部分繞制激勵線圈，在磁芯的兩腳下方擺放接收線圈。探頭的參數(shù)與仿真中保持一致，探頭結(jié)構(gòu)尺寸示意如圖8所示。 

圖  8  探頭結(jié)構(gòu)尺寸示意

2.3   試驗(yàn)結(jié)果

得到的脈沖渦流信號示意如圖9所示。對于電壓衰減曲線，理論上信號不受激勵電流小幅度變化影響，以完整壁厚為參考，當(dāng)管道壁厚發(fā)生減薄時，信號在后期的斜率會發(fā)生改變，信號衰減的幅值明顯會比完整管道的小，并且管道壁厚越薄信號衰減得越快。剖面圖中測點(diǎn)a,c由完整壁厚得到，測點(diǎn)b由管道壁厚減薄信號得到。 

圖  9  試驗(yàn)得到的脈沖渦流信號示意

通過實(shí)驗(yàn)室儀器采集得到的電壓下降曲線，對3個厚度套管分別進(jìn)行了3次測量，測量結(jié)果如圖10所示。圖10（a）是雙對數(shù)電壓下降曲線，對細(xì)節(jié)部位進(jìn)行了放大處理。圖10（b）是圖10（a）經(jīng)過處理后得到的剖面曲線，其中位置一是套管的內(nèi)管8.0 mm厚處，對應(yīng)圖10（a）中的1，2，3；位置二是套管的內(nèi)管7.2 mm厚處，對應(yīng)圖10（a）中的4，5，6；位置三是套管的內(nèi)管6.4 mm厚處，對應(yīng)圖10（a）中的7，8，9。由圖10（a）可知，夾套管內(nèi)管同一厚度下的電壓下降曲線基本重合，在夾套管內(nèi)管不同厚度減薄時曲線區(qū)分度明顯。 

圖  10  階梯管的試驗(yàn)結(jié)果

對于套管的內(nèi)管局部腐蝕缺陷，其剖面圖如圖11所示，其中缺陷1檢測效果較好，能夠有效地檢測到內(nèi)管的局部缺陷，缺陷2深度較小，檢測效果較差。 

圖  11  內(nèi)管局部缺陷的剖面圖

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，在不去除夾套管外管的情況下，使用脈沖渦流方法檢測夾套管內(nèi)管的效果良好且明顯，當(dāng)內(nèi)管是階梯管時，能夠有效區(qū)分出夾套管的內(nèi)管壁厚減薄，當(dāng)夾套管內(nèi)管為 50 mm×50 mm×7.2 mm的局部缺陷時，能夠有效檢測出局部缺陷的腐蝕情況。 

3.   結(jié)論

文章采用有限元仿真分析，得到了夾套管內(nèi)外管渦流在不同時刻的分布，設(shè)計了直角U形探頭，采用脈沖渦流法檢測了夾套管的內(nèi)管。試驗(yàn)結(jié)果表明，在夾套管內(nèi)管減薄壁厚分別為10%，20%的情況下，采集得到的電壓下降曲線區(qū)分度明顯，剖面圖可以明顯區(qū)分出內(nèi)管的不同壁厚；內(nèi)管局部缺陷為50 mm×50 mm×7.2 mm時，利用剖面圖能夠有效識別并測量出內(nèi)管缺陷。

文章來源——材料與測試網(wǎng)