基于磁探针检测的压力管道内壁缺陷评估研究_曾恒炜.pdf

|113实验研究0 引言压力管道是一种利用内部压力运输液体和气体的管状设备，其广泛应用于油、燃气、化工等产业。因其长期处于高温、高压和内部介质的共同作用下，管道内壁容易出现腐蚀、裂纹、凹坑等缺陷，从而引发各种危害性的后果，因此需要寻找一种合适的无损检测方法对压力管道的内壁完整性实施检测与评估12。目前常见的管道检测方法大多采用管内检测的方式，一般通过管道机器人携带检测设备与仪器进入管道，并对管道内壁进行检测与分析。由于各种智能管道检测仪器目前尚处于研究阶段，因此自身体积比较庞大，不仅需要液压变送器进行驱动，而且还存在着卡管的风险3。此外，这种内部检测方式需要事先将压力管道中的介质释放并清除干净，无法做到在线检测，每次检测都需要长时间停机，极大影响了企业正常的生产计划，因此为了提升检测效率和便捷性，急需采用外部无损检测的方式来对压力管道内壁缺陷进行检测与评估。目前常见的无损检测方法包括漏磁、超声、涡流、射线、渗透等。其中，漏磁检测是利用材料在饱和磁化的情况下，缺陷处的材料表面会形成漏磁现象，通过对漏磁大小的检测来分析缺陷4，这种方法在管道检测的应用中最为广泛5，但其信号大小与缺陷间缺乏精准的线性关系，且受缺陷形状的影响较大；超声检测通过探头将电脉冲转换成声脉冲并使其进入材料内部，当声波接触到缺陷或材料内壁时便会产生反射，通过分析反射信号来评估材料缺陷的位置与大小6，该方法虽然能有效克服材料厚度的限制，但探头与管道的曲面轮廓之间容易出现耦合不良的情况；涡流检测主要基于电磁感应原理，利用通电线圈靠近材料表面以产生涡流，同时由材料缺陷、尺寸等因素引发涡流，使材料的衍生磁场发生变化，进而改变线圈的阻抗，间接探测出材料的缺陷7，但需要注意的是涡流检测一般频率较高，容易产生趋肤效应，只能有效探测表面或近表面的材料；射线检测虽然能有效穿透较厚的材料，但由于存在辐射危害，可能会对压力管道内的流体介质产生辐射污染；渗透检测虽然技术成熟，操作简单，但只能检测材料表面和近表面缺陷，难以对内壁缺陷进行准确识别8。综上所述，常见的无损检测方法因受其检测原理的制约，从压力管道外部对内壁缺陷进行检测时均存在一定的不足，故而迫切需要寻找其他合适的无损检测方法。磁探针法最早于1949年由Werner9提出，在此基础上，Stauffer10建立了第一个探针法磁性表征装置。磁探针的主要检测原理如图 1 所示，探针与铁磁材料表面之间形成点接触，通过励磁设备对铁磁性材料施加交变磁场，从而在1-2-3-4 围成的区域内产生磁通；并且材料内部的缺陷会引起磁通量的变化，进而在两根探针之间形成一定的电位差，满足下列公式：1234121234123412SBVdSt 式(1)其中，V12表示的是触点 1、2 之间的电位差，S1234表示回路 1234 所在位置的截面，B1234表示回路 1234 均匀分布的磁感应强度，因此探针电位差的大小实际上反映了该区域的磁通变化。由于材料缺陷处与非缺陷处的磁通变化程度不同，两者产生的电位差也不相同，因此可以根据电位差的变化规律来判断出缺陷的位置和尺寸。并且探针之间其所测得的电压信号大小相当于同一位置缠绕单匝线圈测得的信号幅值的一半，通过对信号进行后处理，能够得到局部矢量磁感应强度的变化规律。近年来，随着模拟电子技术的飞速发展，磁探针检测方法逐渐得到大家的关注与重视。Matsubara 等人11通过对探针法原理的研究，明确了基于磁探针检测的压力管道内壁缺陷评估研究曾恒炜，张芝茂，钱正春，葛英飞，成焕波（南京工程学院 机械工程学院，江苏南京，211167）基金项目：国家自然科学基金资助项目（52005246）；江苏省高等学校自然科学研究面上项目资助项目（20KJB460012）；南京工程学院高层次引进人才科研启动基金资助项目（YKJ201948）；江苏省研究生科研创新计划资助项目（SJCX21_0914）；江苏省大学生创新创业训练计划资助项目（202111276017Z）；江苏省大学生创新创业训练计划资助项目（20221127674Y）；江苏省第十六批“六大人才高峰”资助项目（GDZB-017）。摘要：压力管道由于长期工作于高温、高压等恶劣工作环境下，其内壁容易产生腐蚀、开裂、凹坑等类型缺陷，因此对压力管道内壁实施无损检测非常重要。为了提升检测效率和便捷性，本文采用磁探针法从压力管道外部对内壁缺陷实施评估研究；首先通过仿真分析，探究了管道内壁缺陷处与无缺陷处的理论感应电压信号差异，发现缺陷处的感应电压信号幅值较低；然后通过实验检测评估了预制不同长度内壁缺陷的压力管道感应电压信号分布规律；结果表明，感应电压信号幅值在缺陷位置会突然降低形成波谷特征，并且波谷宽度与实际的内壁缺陷尺寸具有良好的一致性；将波谷的半峰宽高度HFWHM作为判断管道内壁有无缺陷的特征阈值，其准确性达到88.52%，对于压力管道内壁缺陷的定量化评估具有重要意义。关键词：压力管道；磁探针法；内壁缺陷；半峰宽高度DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.05.006114|电子制作 2023 年 3 月实验研究探针跨度与材料厚度的比例对测量信号分布规律的影响；Enokizono 等人12研究了磁场强度矢量与探针测量得到的磁通密度矢量之间的关系，发现两者之间的变化存在一定的相位差，从而有助于评估定向与非定向电硅钢磁通密度的测量误差；Yamaguchi 等人13对探针法进行了理论分析，表明了检测性能增强的可能性；Krismanic等人14设计出了一种手持式的便携检测传感器，实现了磁探针检测装置的小型化；Ducharne 等人15采用磁探针法对铁磁性材料的取向进行测量，通过使用嵌入方式制备打印磁探针，实现了对材料内部磁特性的持续监测。上述研究结果表明，磁探针对材料的局部磁特性非常敏感，对铁磁性材料的内部缺陷有较好的指示作用，研究潜力较大。因此，本文利用磁探针这种无损检测方法从圆柱形管道的外部对内壁上的预制缺陷进行定量化表征与评价，为压力管道损伤与缺陷的在线监测提供借鉴与参考。B电压表1234 图 1 磁探针法检测原理图1 实验 1.1 实验装置利用磁探针法从管道外部检测内壁缺陷的整体实验装置如图 2 所示。该检测装置由信号发生器产生励磁信号源，紧密绕制有600匝铜质线圈的U型磁轭倒置于检测平台上，其脚柱的末端制成具有一定弧度的凹槽形状，管道水平放置在脚柱凹槽内，使得脚柱与管道的表面轮廓相互紧密贴合。线圈两端与功率放大器（OPA549）连接，用于放大激励信号以确保磁化充足。两根磁探针采用磷青铜材质，通过3D 打印的夹具安装固定于检测平台上，可实现 X、Y、Z 三个方向的自由移动。通过导线将磁探针与数据采集卡（NI-USB-6356）相连，实时采集并保存探针两端的电位差。为了验证磁探针法检测管道内壁缺陷结果的准确性，采用如图3 所示的高斯磁通计（HC-805）对管道实施检测，该设备将霍尔传感器作为探头来采集管道表面的磁场信号分布。图 3 高斯磁通计 1.2 实验方法本文选用 Q235 碳钢材质的压力管道作为实验对象，其主要的化学成分如表 1 所示。管道的具体尺寸如图 4 所示，内壁沿轴线方向先后预制了 5 个长度分别为 10mm、20mm、30mm、40mm、50mm 的环形槽作为内壁缺陷，第一个缺陷距离管道边缘长度为 10mm，并且各缺陷之间的间距均匀分布为 10mm，槽的深度均为 2mm，试样整体加工误差不超过 0.1mm。表1 Q235钢管主要的化学成分（wt%）材料CMnSiSPQ2350.140.221.40.350.0500.045图 4 管道尺寸与内壁缺陷示意图将管道放置在磁轭脚柱末端的弧形槽内，使得管道外壁图 2 磁探针检测实验装置图|115实验研究恰好与磁轭末端的弧形槽面相互贴合；两根探针之间的跨度固定为 25mm，并且双探针排列的方向垂直于管道的轴向方向。设置信号发生器，持续输出频率为3Hz的正弦波信号，由上位机发送命令控制检测平台，使得探针和磁轭同步沿着管道轴向方向匀速进行移动，如图 5 所示。检测线的总长度为 210mm，探针每移动 2mm 就采集一次感应电压信号；为了保证检测结果的可靠性，将管道旋转 120o后再次进行检测，如此重复测量 3 次后，将所检测到的数据取平均值作为最终分析的结果。为了验证磁探针检测结果的准确性，采用高斯磁通计从管道外部对内壁缺陷实施检测。测量过程中通过夹具始终将高斯磁通计探头的末端竖直放置在管道的正上方，提离值保持 2mm 恒定不变。在检测平台带动下，探头从管道最左侧沿检测线移动，同样的每隔 2mm 记录相应的磁场信号，直至探头移动 210mm 后停止，如此重复检测 3 次，并取平均值以确保数据的准确性1617。210mm检测线图 5 管道检测线示意图2 结果分析与讨论 2.1 仿真分析为了说明磁探针法从外部检测管道内壁缺陷的可行性，在 ANSYS Maxwell 软件中建立了磁探针检测压力管道内壁缺陷的局部模型，如图 6 所示。其中，在管道内壁模拟开设有长度为 20mm 且与实际缺陷深度相同的缺陷模型，初始的网格划分数量设定为 2000 个，网格形状为三角形，每经过一次计算网格总数增加 30%，最终网格总数为137674。将内壁有缺陷的模型仿真分析结果与内壁无缺陷的进行对比，结果如图 7 所示。可以看出，探针的感应电压信号随激励磁场而产生同周期的变化规律。其中，绿色与红色曲线分别代表管道内壁有缺陷与无缺陷时的感应电压信号分布规律。内壁缺陷存在与否不会影响探针的感应电压信号分布规律，但是缺陷处的感应电压信号幅值会低于无缺陷处的感应电压信号幅值，说明利用磁探针法来检测管道内壁缺陷是可行性。这是因为缺陷处的横截面积变小，导致经过横截面的磁通量相应减少，因此磁通量所引起的探针感应电压信号幅值也随之降低。图 6 磁探针检测模型 2.2 实验结果由磁探针理论可知，在测量区域磁通量均匀分布的情况下，探针所测得的感应电压信号幅值大小与测量区域内的横截面积呈正相关。由于缺陷处的探针所围成的横截面积 S1234小于无缺陷处的横截面积，因此管道内壁缺陷处探针所测得的感应电压信号幅值总是小于无缺陷的处感应电压信号幅值。实验所测得的磁探针感应电压信号幅值如图 8 所示，可以看出信号发生突变的位置正好对应于内壁缺陷的边缘，并且内壁缺陷处的感应电压信号幅值总体要远低于非缺陷处的信号幅值，从而在缺陷区域形成明显的波谷特征。实验检测的结果与仿真分析的结果一致，都表明缺陷处的探针感应电压幅值会随着缺陷处横截面积的减小而降低。记波谷的最小值为 Hmin，波谷的左右边界数值分别为H1、H2，为了进一步量化表征管道内壁缺陷的尺寸长度，提图 7 管道内壁有缺陷与无缺陷的感应电压信号分布规律116|电子制作 2023 年 3 月实验研究取测的曲线中每个波谷的最小值 Hmin和波谷左右两边界平均数值，将左右边界平均数值与波谷最小值 Hmin做平均值处理作为评价缺陷的特征阈值，如公式(2)所示，记为半峰宽高 HFWHM，如图 9 所示。为计算半峰宽高 HFWHM特征阈值评价缺陷的准确性，将半峰宽高 HFWHM与感应电压分布曲线的交点为起点做坐标轴 X 的垂直线，如图 9 中的虚线所示，用于表示特征阈值所界定的缺陷位置。该阈值所界定的缺陷长度与实际缺陷长度的比值分别为 77.8%、88.2%、91.7%、90.3%、94.6%，平均比值为 88.52%，可以认为特征阈值半峰宽高 HFWHM评价管道内壁缺陷尺寸的准确性为 88.52%。10mm 20mm30mm40mm50mm图 8 压力管道感应电压信号分布规律 ()12122minFWHMHHHH+=式(2)图 9 特征阈值下的缺陷尺寸采用高斯磁通计测得的压力管道磁场信号分布规律如图10 所示，与磁探针法测得的压力管道感应电压分布规律一致。在内壁有缺陷的区域，管道表面的磁场信号会降低并形成波谷，从而验证了磁探针法检测管道内壁缺陷的准确性。不同的是，由于高斯磁通计所测得的磁场信号是由较弱的地磁场激发产生的，