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  • 钢腐蚀脉冲涡流检测系统的研制与应用

    • 作者:钢腐蚀脉冲涡流检测系统的研制与应用 更新时间:2012-03-08 18:20:40 来源:钢腐蚀脉冲涡流检测系统的研制与应用
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    文章概况:钢腐蚀脉冲涡流检测系统的研制与应用

    摘 要:为解决带包覆层钢腐蚀检测的技术难题,根据脉冲涡流检测原理,研制出一套脉冲涡流钢腐蚀检测仪。详细论述了传感器、主机和检测软件等检测系统的组成。实验室和现场试验表明,该系统能够穿透铝和不锈钢等常见管道保护层材料,检测出120mm 包覆层厚度下10%的钢腐蚀变化。钢腐蚀脉冲涡流检测技术为在线检测提供了新的手段。

    关键词:钢腐蚀;脉冲涡流检测;包覆层


           腐蚀是各种钢结构在使用过程中不可避免的问题。相关调查的数据表明,腐蚀造成的损失平均约占国民生产总值的3%,对于石油与石化行业尤其严重,约占产值的6%。为适应现代工业高温、高压、高效率的发展,越来越多的钢结构如管道、压力容器等被包覆层覆盖。其目前的检测方法要求先去掉包覆层,从而需要停止设备的运行,不仅费用高且耗时长。如何在不去除包覆层的情况下完成金属腐蚀检测,是无损检测中需要解决的一个难题。目前,常用的不去除包覆层实现钢腐蚀检测的方法是射线检测,该方法对防护要求比较高,不便于现场应用。国外已研制出基于脉冲涡流技术的钢腐蚀检测设备,能够实现在线连续检测,但由于技术垄断,该设备价格极为昂贵。打破国外技术垄断,开发自主知识产权的检测设备,是唯一的出路。国内已研制出基于阻抗分析方法的EEC83型脉冲涡流检测仪器。笔者根据脉冲涡流检测原理,通过研究检测信号的时域波形特征,研制出钢腐蚀脉冲涡流检测系统,并进行了实验室和现场验证。

    1 基本原理

    脉冲涡流钢腐蚀检测的基本原理如图1所示。将一直流电通入线圈,在一定时间内可在构件内产生一稳定的磁场。当断开该直流电时,在线圈周围产生的电磁场由两部分叠加而成:一部分是直接从线圈中耦合出的一次电磁场,另一部分是试件中感应出的涡流场所产生的二次电磁场。而后者包含了构件本身的厚度或者缺陷等信息。采取合适的检测元件和方法,对二次场进行测量,并对该测量信号进行分析,可得到被测构件信息。

    2 检测系统构成

    根据前述检测原理,研制的钢腐蚀脉冲涡流检测系统如图2所示。其主要由主机、电池箱、传感器、前置放大器和便携计算机组成。

    该系统的主要性能技术指标如下:① 被检材料:铁磁性材料。② 最大包覆层(石棉、水泥等)厚度:120 mm。③ 保护层外壳材质:铝或不锈钢薄层。④ 最小检测灵敏度:壁厚减薄10% (最小为0.5mm)。⑤ 壁厚测量范围:6~30mm。⑥ 能测量的最小管径:159mm。

    2.1 主机

    检测系统主机是系统的核心,各个模块都有自身特殊的要求。其中激励信号源要求频率成分稳定,精度高,波形上升和下跳沿陡峭。功率放大电路要求转换速率高,实现各种频率成分的无失真放大,从而实现方波信号的无失真输出。传感器要求温漂小,测量可重复性好,能够穿透一定厚度的铁磁性材料。微弱信号放大电路要求至少能将电压衰减段的曲线无失真放大到数据采集卡能分辨的程度。

    脉冲激励信号源要求能够产生频率和占空比可调的正负方波。在信号源的具体实现中,设计制作了基于DDS技术的脉冲激励信号源。对DDS芯片的控制则采用常用的51单片机,该单片机主要完成DDS芯片和上位PC机的接口工作。两路DDS芯片分别产生两路幅值和频率相等、相位相差180°的正弦波。这两路正弦波分别进入电压比较器后转化为频率相等、相位相差180°的方波。两路方波进入减法器相减,可得到正负方波信号。功率放大电路用以放大正负方波信号,在激励线圈中产生幅值达±3A 的电流脉冲,其频率可调范围为0.1 Hz~200kHz,满足脉冲涡流检测对激励电路的要求。通常,脉冲涡流系统采集到的信号中有很大噪声。为了最大程度地提高信噪比,一是需要合适的电路布局,避免模拟/数字混合干扰;二是选用共模抑制比足够高的仪表放大器,作为前置放大器,放大微弱信号;三是用合适的滤波电路滤除高频噪声;四是选用良好的电源给仪表运放供电,因为开关电源有不可消除的开关噪声。在此采用精密线性电源,并且加入电池供电模块,满足工业现场的需要。脉冲涡流信号需要重复采样,取得平均值,以最大限度地消除噪声影响。采集触发模块能够同步每次采集的脉冲涡流信号,使一组脉冲涡流信号具有严格相同的起始时间和结束时间,并且能够根据信号分析需要调节欲采集的信号时段,区分激励信号的上跳和下跳沿,截取感兴趣的波形,便于采集和分析处理。

    为适应检测系统便携性的要求,采用USB 接口,实现数据采集和传输。

    2.2 传感器

    由检测原理可知,传感器由激励线圈和检测元件两部分构成,其中激励线圈的大小、匝数、形状以及个数都会对传感器覆盖区域的大小造成影响。实际绕制激励线圈时,如果匝数很多,则线圈电感量很大,可以产生较大的磁场,提供较大的穿透深度,但其对方波信号的跳变响应会变慢,激励线圈内电流的变化缓慢,激励磁场跳变斜率不够大,因此不能产生良好的方波跳变波形。而且,如果电感过大,当激励频率较高时,则线圈的感抗会很大,从而增加激励电路的复杂性。另外,过多的匝数会导致线圈尺寸庞大,传感器覆盖区域增大,传感器分辨率下降。反之,激励线圈的匝数过小,则导致激励线圈电感过小,线圈的安匝数太小,脉冲磁场的穿透力不够,激励能量不能完全到达试件的内部。因此,首先对激励线圈的几何尺寸和匝数进行设计,在保证足够的电磁场穿透能力的基础上,尽可能减小线圈的几何尺寸。

    检测元件可选用常用的磁场测量元件,如霍尔元件或线圈等。由于线圈具有高频特性好,无直流偏置,阻抗特性可以通过改变其几何尺寸和匝数灵活配置的优点,便于根据不同试件的情况进行优化设计,因此,选用线圈作为检测元件。通过大量试验,设计制作了四种规格的传感器(图3)。

    2.3 检测软件

    软件基于WindowsXP平台,主要实现的功能有采集卡控制、单片机控制、数据采集、存储、显示、数字滤波和相对壁厚变化分析等。采集卡控制用于控制采集卡的采样间隔、采样精度、采样时间和采样频率等。单片机控制通过向下位单片机发送频率控制字,控制方波激励脉冲的频率。数据采集存储显示用于控制采集卡采集数据、存盘和显示。数字滤波程序能够极大衰减原始信号中夹杂的工频干扰和
    其他干扰。相对壁厚变化分析是用特定算法提取信号特征量,将被检测区域的相对壁厚变化计算出来。具体软件界面如图4所示。

    3 试验验证

    3.1 实验室试验

    研制的系统主要是检测带包覆层构件腐蚀引起的壁厚减薄缺陷。针对这种情况,通过测试不同厚度钢板,实现检测系统能力验证,并用传感器在被检构件上的提离距离模拟包覆层厚度。首先,为测试脉冲涡流检测系统的精度,以20/18mm 阶梯钢板作为试验对象,传感器提离120mm时进行了试验,信号波形如图5所示。可见,系统能够检测10%壁厚减薄。

    其次,为提取信号特征,测试了厚度为4.6,5.7,7.5,9.6,11.6,13.6以及15.7mm 的钢板,检测信号如图6所示。可见壁厚较小的板信号会较早弯曲,而壁厚较大的板信号曲线弯曲较晚。根据这一特点,提取不同构件厚度、不同包覆层厚度的特征量,可实现仪器的标定。



    最后,为验证此脉冲涡流系统能否穿透铝皮和不锈钢皮保护层材料,对钢腐蚀情况进行检测。在120mm 提离条件下,分别检测厚度为20和30mm的16MnR钢板,使用120mm 厚的泡沫材料模拟保温层。首先在无保护层的条件下进行检测,然后在传感器下方分别垫上铝和不锈钢保护层进行检测,检测结果如图7所示。可见,铝和不锈钢保护层对试验信号无很大影响,因此透过金属保护层材料定量检测钢腐蚀状况成为可能。

    3.2 现场验证

    为了检验自行开发的脉冲涡流检测系统,于2008年9月在石家庄长管拖车维修站进行了现场检测应用。检测对象为超声波检测不合格的长管拖车气瓶,其腐蚀分布如图8所示。

    从该瓶上选择无腐蚀区域1作为基准,再选出4个腐蚀区域(2~5区)来作为检测区域,5个区域的位置在图8中圈出。由于脉冲涡流方法测量的是区域性相对壁厚变化,因此在每个区域内选取5个点用超声波方法测量壁厚,然后取其平均值作为该区域的平均壁厚估计值。超声测厚结果和研制的脉冲涡流检测系统的检测结果如表1所示。从表1中可以看出,脉冲涡流检测结果与超声检测结果一致。

    4 结论

    根据脉冲涡流检测基本原理,研制出钢腐蚀脉冲涡流检测系统。该系统可检测出120mm 包覆层厚度下10%的钢腐蚀变化。当包覆层外部为白铁皮保护层时,由于铁磁材料的涡流集肤效应,检测灵敏度会下降很多,而白铁皮保护层在我国应用很多,下一步的工作是研制针对白铁皮的传感器,提高检测精度,扩大脉冲涡流检测系统的适用范围。

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