CN105241952B - 一种基于远场涡流的管道弯头缺陷检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于远场涡流的管道弯头缺陷检测方法及检测装置。它主要是解决现有涡流检测用于管道弯头时存在盲区或探头可通过性差等技术问题。其技术方案要点是：采用包括两个相同激励单元和一个接收单元构成的远场涡流传感器，且两激励单元分别位于接收单元两侧，激励单元和接收单元均沿被检测管道弯头横截面周向设置，且接收单元位于测量间接耦合磁场信号的远场区域；当远场涡流传感器施加谐波激励后，利用双激励拉近远场区，提高所测信号幅值；传感器沿管道弯头周向扫描，测取接收单元接收到的信号相对激励信号的相位差，从而得到相位差的变化特征，即获得管道弯头处的腐蚀和裂纹类缺陷信息。它主要采用远场涡流原理，应用于管道弯头的缺陷检测。

Description

一种基于远场涡流的管道弯头缺陷检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及一种电磁无损检测方法，特别涉及一种基于远场涡流的管道弯头处腐蚀或裂纹类缺陷的检测方法及专用装置。

背景技术

管道广泛应用于油气、化工、电力和供暖等多个行业，管道弯头是管道管道***中不可或缺的部分。多数管道弯头在工作中受高温、高压以及复杂外部环境的影响，并且在使用过程中管道弯头外曲面内侧始终受介质的冲刷，从而产生冲刷腐蚀，管壁减薄。另外，高温高压下，管道弯头管壁容易产生裂纹。以上缺陷在高压下容易快速扩张，造成管道弯头处管壁开裂，进而引发泄漏事故。管道弯头的状况直接影响整个管道***的安全顺利运行，因此有必要研究开发管道弯头检测装置。

目前，管道弯头的检测方法有超声波检测、射线检测、常规涡流检测、脉冲涡流检测等。超声波检测需要耦合剂，且工作温度不宜太高；射线检测需要放射源，实际检测过程中存在污染，且对人体有害；常规涡流检测容易受集肤效应影响，检测趋向于试件表面的缺陷；脉冲涡流检测属于放置式定点检测，用于结构复杂的管道弯头检测时，存在一定的盲区，且对局部缺陷灵敏度不够。现有的远场涡流检测装置大多采用内穿过式检测，而内穿过式检测都有一个缺点：均难以通过可能存在堆积物的弯头。

如南京航空学院的孙雨施、曲民兴、司家屯发明并于1990年7月7日申请专利的“远场涡流无损检测高效实用探头”（专利申请号90105697.9，公开号CN1058097）公开了三种远场涡流探头改进技术，包括对激励线圈设置磁回路、对接收线圈设置磁回路，以及在激励和接收线圈之间设置补偿线圈，通过这些改进获得了信号幅值高，激励功率小，探头轴向长度小等成果。这些改进措施降低了远场涡流的应用难度，减小了探头一定长度，但在管道弯头处仍难以通过。又如浙江大学的陈佩华、黄平捷、李国厚、周泽魁发明并于2012年10月27日申请专利的“一种金属缺陷涡流检测装置及其探头”（申请号201210416556.X，公开号CN102879462）公开了一种基于混频技术的金属缺陷涡流检测装置及其探头结构，该装置结合常规涡流和低频远场涡流两种技术，能对板状或管状金属材料缺陷进行检测，但上述管状结合其探头结构仅能为直管且只能在管道轴上放置，周上放置检测时相当于只应用了常规涡流检测，因此在管道弯头这一特殊位置，被测部分曲面复杂，此装置难以对此顺利检测。又如美国专利“柔性单元连接的远场涡流传感器”（专利申请号US19970941057，公开号US6087830），它能够通过内部干净的管道弯头，但应用于工业的管道弯头处容易产生堆积物，从而远场涡流传感器顺利通过有一定的困难，加大了检测难度。

综上所述，现有的检测方法对于管道弯头这一特殊位置的检测都有着一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的各种不足之处，并提供一种利用双激励拉近远场区、提高所测信号幅值、充分体现远场涡流检测的优势、解决内穿过式远场涡流传感器难以对管道弯头进行检测的难题的基于远场涡流的管道弯头缺陷检测方法及检测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用包括两个相同激励单元和一个接收单元构成的远场涡流传感器，且两激励单元分别位于接收单元两侧，激励单元和接收单元均沿被检测管道弯头横截面周向设置，且接收单元位于测量间接耦合磁场信号的远场区域；当远场涡流传感器施加谐波激励后，利用双激励拉近远场区，提高所测信号幅值；传感器沿管道弯头周向扫描，测取接收单元接收到的信号相对激励信号的相位差，从而得到相位差的变化特征，即获得管道弯头处的腐蚀和裂纹类缺陷信息。

所述远场涡流传感器依次与谐波信号激励电路、信号处理电路、A/D转换电路和计算机相连接，谐波信号激励电路给远场涡流传感器提供谐波激励，远场涡流传感器设置在管道弯头外表面、以激励诱发产生涡流并接收涡流远场区的间接耦合磁场信号，将其转化为电压信号后，传送给信号处理电路，信号处理电路对接收的信号进行放大、滤波、比较后，传送给A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送于计算机，计算机对数据进行处理、从而获得被测管道弯头的腐蚀和裂纹类缺陷信息。

进一步，所述远场涡流传感器设置在管道弯头1横截面上；所述激励单元包括激励线圈3，所述接收单元包括接收线圈4，激励线圈3轴线沿管道弯头1周向设置，接收线圈4轴线沿管道弯头径向设置；接收线圈4位于测量间接耦合磁场信号的远场区域；向传感器激励线圈3中施加一个谐波激励，变化的激励场引发沿管道弯头1横截面周向分布的交变磁场，接收单元中的接收线圈4位于远场区域测量间接耦合磁场信号，所测信号相对于激励信号的相位差的变化表明腐蚀或裂纹类缺陷的存在，通过观测并分析相位差的变化特征从而实现对管道弯头1缺陷情况的检测。

检测方法包括以下步骤： 步骤1：在管道弯头周向设置远场涡流传感器，以便进行扫描； 步骤2：向远场涡流传感器的激励单元施加低频谐波激励； 步骤3：沿管道弯头周向扫描，测取接收单元中的接收线圈内接收到的信号相对激励信号的相位差； 步骤4：通过观测并分析相位差的变化特征，即可判别管道弯头处的腐蚀和裂纹类缺陷情况。

本发明的管道弯头检测装置，由包括两个相同激励单元和一个接收单元构成的远场涡流传感器2，且两激励单元分别位于接收单元两侧。所述激励单元包括激励线圈3，所述接收单元包括接收线圈4，激励线圈3轴线沿管道弯头1周向设置，接收线圈4轴线沿管道弯头径向设置，且接收线圈4位于测量间接耦合磁场信号的远场区域。

所述远场涡流传感器2包括壳体13、端盖11、激励线圈3、接收线圈4和插座；壳体13为设置有内腔的“︹”型结构，且两端设置敞口，端盖11配合安装在壳体13两端的敞口上；激励线圈3固装在壳体13内腔两侧的内壁上，接收线圈4固装在壳体13内腔中腰下部，激励线圈3和接收线圈4的引线分别与插座相连。两激励线圈3可对称设置在接收线圈4两侧。

所述远场涡流传感器2依次与低频谐波激励电路5、信号处理电路6、A/D转换电路7和计算机8相连接。

所述激励单元包含激励线圈3和屏蔽单元12，激励线圈3安装在屏蔽单元12内；所述激励线圈3采用矩形线圈；接收线圈4采用圆柱线圈。

本发明通过利用双激励拉近远场区，提高所测信号幅值，充分体现远场涡流检测的优势，解决内穿过式远场涡流传感器难以对管道弯头进行检测的难题。它还具有以下几个方面的优点：（1）管壁厚度与检测信号相位近似成正比，易于缺陷分辨；（2）不受集肤效应影响，且受提离效应影响不大；（3）对管壁内外缺陷具有相同灵敏度；（4）继承了常规涡流非接触且快速的优点，同时采取扫描方式大大减少检测盲区。

附图说明

图1是本发明的管道弯头检测装置剖视结构示意图

图2是本发明的管道弯头检测装置使用状态结构示意图；

图3是本发明的检测原理示意图；

图4是本发明进行检测的试样简图；

图5是图4的A-A剖视结构示意图；

图6是采用一个激励线圈和一个接收线圈的远场涡流传感器检测得出的幅值信号曲线图；

图7是采用一个激励线圈和一个接收线圈的远场涡流传感器检测得出的相位差曲线图；

图8是采用一个激励线圈和一个接收线圈的远场涡流传感器检测得出的坡印廷矢量图；

图9是采用双激励线圈的远场涡流传感器检测得出的幅值信号曲线图；

图10是采用双激励线圈的远场涡流传感器检测得出的相位差曲线图；

图11是采用双激励线圈的远场涡流传感器检测得出的坡印廷矢量图；

图12是本发明装置测量时，检测线圈轴线为缺陷中心线时所测得依次对应不同缺陷时的相位图。

图中：管道弯头-1、远场涡流传感器-2、激励线圈-3、接收线圈-4、谐波信号激励电路-5、信号处理电路-6、A/D转换电路-7、计算机-8、航空插座-9、把手-10、端盖-11、屏蔽单元-12、壳体-13。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

现有一般的远场涡流传感器只采用一个激励线圈和一个接收线圈，当采用一个激励线圈检测外径为80mm的管道时，得出的幅值信号曲线、相位差曲线和坡印廷矢量图分别如图6、7、8所示，幅值出现了拐点，相位有90°变化，能量也两次穿透管壁，说明发生了远场涡流现象。但远场区位于幅值和相位基本不变和能量二次穿透区域，由图可知采用一个激励线圈时，远场区到激励线圈轴线的弧长距离为100mm到120mm。它所采集远场涡流现象的“幅值信号曲线、相位差曲线和坡印廷矢量”三个重要特征信号相对于激励信号的变化很小，且易受噪声信号干扰，难以用来进行判断所测物体是否存在腐蚀或裂纹等此类缺陷。因幅值信号很微弱，从而对后面的信号处理电路要求更高，另外，远场区相对的激励线圈的距离要更大，增大了传感器尺寸，从而成本也更大。

本发明采用包括两个相同激励单元和一个接收单元构成的远场涡流传感器，且两激励单元分别位于接收单元两侧，激励单元和接收单元均沿被检测管道弯头横截面周向设置，且接收单元位于测量间接耦合磁场信号的远场区域；当远场涡流传感器施加谐波激励后，利用双激励拉近远场区，提高所测信号幅值；传感器沿管道弯头周向扫描，测取接收单元接收到的信号相对激励信号的相位差，从而得到相位差的变化特征，即获得管道弯头处的腐蚀和裂纹类缺陷信息。

由此可知，本发明的检测方法属于远场涡流检测，是基于远场涡流效应的无损检测技术，故能否用远场涡流检测技术来检测规则曲面金属材料，取决于规则曲面金属材料中是否发生了远场涡流现象。远场涡流现象有三个重要特征：幅值拐点、90°相位变化和能量的两次穿透试件，本发明通过此采集远场涡流现象的“幅值信号曲线、相位差曲线和坡印廷矢量”三个重要特征信号相对于激励信号的变化来进行判断所测物体是否存在腐蚀或裂纹等此类缺陷。

本发明通过采用双激励方法，从而得出的幅值信号曲线、相位差曲线和坡印廷矢量图分别如图9、10、11所示，同理，可知发生了远场涡流现象，相对一个激励线圈时，远场区幅值信号增大，远场区位于35mm到45mm处，远场区得以拉近。远场涡流传感器优化时，常考虑信号幅值和远场区距离。

实施例1，参阅图1-3，屏蔽单元12采用硅钢片制作而成。把手10与端盖11通过六角螺钉连接，端盖11与壳体13通过十字槽盘头螺钉连接。激励线圈3固定在壳体底部两端，接收线圈4固定在壳体内腔底部中央，屏蔽单元12罩在激励线圈3上方，激励线圈3和接收线圈4引线与航空插座9相连。将远场涡流传感器设置在管道弯头1横截面上；所述激励单元包括激励线圈3，所述接收单元包括接收线圈4，激励线圈3轴线沿管道弯头1周向设置，接收线圈4轴线沿管道弯头径向设置；接收线圈4位于测量间接耦合磁场信号的远场区域；向传感器激励线圈3中施加一个谐波激励，变化的激励场引发沿管道弯头1横截面周向分布的交变磁场，接收单元中的接收线圈4位于远场区域测量间接耦合磁场信号，周向移动传感器对管道弯头进行扫描，所测信号相对于激励信号的相位差的变化表明腐蚀或裂纹类缺陷的存在，通过观测并分析相位差的变化特征从而实现对管道弯头1缺陷情况的检测。

检测方法包括以下步骤： 步骤1：在管道弯头周向设置远场涡流传感器，以便进行扫描； 步骤2：向远场涡流传感器的激励单元施加低频谐波激励； 步骤3：沿管道弯头周向扫描，测取接收单元中的接收线圈内接收到的信号相对激励信号的相位差； 步骤4：通过观测并分析相位差的变化特征，即可判别管道弯头处的腐蚀和裂纹类缺陷情况。

本发明的远场涡流传感器通过采用外设置方式，并通过利用双激励拉近远场区，提高所测信号幅值，从而解决内穿过式远场涡流传感器难以对管道弯头进行检测的难题。

实施例2， 参阅图3，本发明的远场涡流传感器依次与谐波信号激励电路、信号处理电路、A/D转换电路和计算机相连接，谐波信号激励电路给远场涡流传感器提供谐波激励，远场涡流传感器设置在管道弯头外表面、以激励诱发产生涡流并接收涡流远场区的间接耦合磁场信号，将其转化为电压信号后，传送给信号处理电路，信号处理电路对接收的信号进行放大、滤波、比较后，传送给A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送于计算机，计算机对接收的数据进行处理、从而获得被测管道弯头的腐蚀和裂纹类缺陷信息。参阅图1至图5，其余同实施例1。

实施例3，参阅图1至图5，本发明的管道弯头检测装置由包括两个相同激励单元和一个接收单元构成的远场涡流传感器2，且两激励单元分别位于接收单元两侧。所述激励单元包括激励线圈3，所述接收单元包括接收线圈4，激励线圈3轴线沿管道弯头1周向设置，接收线圈4轴线沿管道弯头径向设置，且接收线圈4位于测量间接耦合磁场信号的远场区域。所述远场涡流传感器2包括壳体13、端盖11、激励线圈3、接收线圈4和插座，插座可采用航空插座9的结构形式，也可采用其它结构形式；壳体13为设置有内腔的“︹”型结构，且两端设置敞口，端盖11配合安装在壳体13两端的敞口上；激励线圈3固装在壳体13内腔两侧的内壁上，接收线圈4固装在壳体13内腔中腰下部，激励线圈3和接收线圈4的引线分别与插座相连。也将激励线圈3固定在壳体底部两端，接收线圈4固定在壳体内腔底部中央。两激励线圈3优选对称设置在接收线圈4两侧；但当两个激励单元的电流大小不一样，也就是两个激励不一样时，也可不采用对称设置。

图4-5为本发明装置进行检测的试样简图，管道弯头的转角为90°，外径为80mm，壁厚为2mm，缺陷的深度依次为0.25mm、0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm、1.5mm、1.75mm。

如图12所示，当本发明在进行测量、且检测线圈轴线为缺陷中心线时、所测得依次对应不同缺陷时的相位图。相位差与缺陷深度近似成线性关系，可见本装置能够有效进行管道弯头的缺陷检测。

本发明通过给远场涡流传感器施加谐波激励后，通过观测并分析传感器接收线圈内接收到的信号相对激励信号的相位差的变化特征，获得管道弯头处的腐蚀和裂纹类缺陷信息。

实施例4，参阅图1至图5，所述激励单元包含激励线圈3和屏蔽单元12，激励线圈3安装在屏蔽单元12内，即将屏蔽单元12罩在激励线圈3上方。

所述激励线圈3可采用高磁导率的硅钢片制作而成屏蔽单元12罩住，既屏蔽削弱了直接耦合磁场，又起着聚集激励磁场的作用；同时采用两组相同的激励线圈和屏蔽单元来作为激励，有效拉近远场区，减小传感器尺寸，另外也提高接收线圈获得的信号幅值，便于信号采集。

实施例5，参阅图1至图5，所述激励线圈3采用矩形线圈；接收线圈4采用圆柱线圈。

实施例6，参阅图1至图5，壳体13上设置有把手10，手10与壳体13可通过六角螺钉等相互连接，端盖11与壳体13可通过包括十字槽盘头螺钉等进行连接。

实施例7，参阅图1至图5，所述远场涡流传感器2依次与低频谐波激励电路5、信号处理电路6、A/D转换电路7和计算机8相连接，谐波信号激励电路5给远场涡流传感器2提供谐波激励，远场涡流传感器2设置在管道弯头1外表面激励诱发产生涡流并接收涡流远场区的间接耦合磁场信号，将其转化为电压信号后，传送给信号处理电路6，信号处理电路6对接收的信号进行放大、滤波、比较后，传送给A/D转换电路7，A/D转换电路7将模拟信号转换为数字信号送于计算机8，计算机8可采用便携式计算机，通过计算机8实现信号采集控制、信号显示和数据存储等功能，对接收的数据进行处理，判别信号特征，获得被测管道弯头1的缺陷信息。

本发明通过利用双激励拉近远场区，提高所测信号幅值，充分体现远场涡流检测的优势，解决内穿过式远场涡流传感器难以对管道弯头进行检测的难题，同时，也可用于直管的检测。

Claims (9)

1.一种基于远场涡流的管道弯头缺陷检测方法，其特征是：采用包括两个相同激励单元和一个接收单元构成的远场涡流传感器，且两激励单元分别位于接收单元两侧，激励单元和接收单元均沿被检测管道弯头横截面周向设置，且接收单元位于测量间接耦合磁场信号的远场区域；当远场涡流传感器施加谐波激励后，利用双激励拉近远场区，提高所测信号幅值；传感器沿管道弯头方向扫描，测取接收单元接收到的信号相对激励信号的相位差，从而得相位差的到变化特征，即获得管道弯头处的腐蚀和裂纹类缺陷信息。

2.根据权利要求1所述基于远场涡流的管道弯头缺陷检测方法，其特征是：远场涡流传感器依次与谐波信号激励电路、信号处理电路、A/D转换电路和计算机相连接，谐波信号激励电路给远场涡流传感器提供谐波激励，远场涡流传感器设置在管道弯头外表面、以激励诱发产生涡流并接收涡流远场区的间接耦合磁场信号，将其转化为电压信号后，传送给信号处理电路，信号处理电路对接收的信号进行放大、滤波、比较后，传送给A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号送于计算机，计算机对数据进行处理、从而获得被测管道弯头的腐蚀和裂纹类缺陷信息。

3.根据权利要求1所述基于远场涡流的管道弯头缺陷检测方法，其特征是：所述远场涡流传感器设置在管道弯头（1）横截面上；所述激励单元包括激励线圈（3），所述接收单元包括接收线圈（4），激励线圈（3）轴线沿管道弯头（1）周向设置，接收线圈（4）轴线沿管道弯头径向设置；接收线圈（4）位于测量间接耦合磁场信号的远场区域；向传感器激励线圈（3）中施加一个谐波激励，变化的激励场引发沿管道弯头（1）横截面周向分布的交变磁场，接收单元中的接收线圈（4）位于远场区域测量间接耦合磁场信号，所测信号相对于激励信号的相位差的变化表明腐蚀或裂纹类缺陷的存在，通过观测并分析相位差的变化特征从而实现对管道弯头（1）缺陷情况的检测。

4.根据权利要求1所述基于远场涡流的管道弯头缺陷检测方法，其特征是：包括以下步骤： 步骤1：在管道弯头周向设置远场涡流传感器，以便进行扫描； 步骤2：向远场涡流传感器的激励单元施加低频谐波激励； 步骤3：沿管道弯头周向扫描，测取接收单元中的接收线圈内接收到的信号相对激励信号的相位差； 步骤4：通过观测并分析相位差的变化特征，即可判别管道弯头处的腐蚀和裂纹类缺陷情况。

5.一种管道弯头检测装置，其特征是：由包括两个相同激励单元和一个接收单元构成的远场涡流传感器（2），且两激励单元分别位于接收单元两侧，所述激励单元包括激励线圈（3），所述接收单元包括接收线圈（4），激励线圈（3）轴线沿管道弯头（1）周向设置，接收线圈（4）轴线沿管道弯头径向设置，且接收线圈（4）位于测量间接耦合磁场信号的远场区域。

6.根据权利要求5所述管道弯头检测装置，其特征是：所述远场涡流传感器（2）包括壳体（13）、端盖（11）、激励线圈（3）、接收线圈（4）和插座；壳体（13）为设置有内腔的“︹”型结构，且两端设置敞口，端盖（11）配合安装在壳体（13）两端的敞口上；激励线圈（3）固装在壳体（13）内腔两侧的内壁上，接收线圈（4）固装在壳体（13）内腔中腰下部，激励线圈（3）和接收线圈（4）的引线分别与插座相连。

7.根据权利要求5或6所述管道弯头检测装置，其特征是：两激励线圈（3）对称设置在接收线圈（4）两侧。

8.根据权利要求5所述管道弯头检测装置，其特征是：所述远场涡流传感器（2）依次与低频谐波激励电路（5）、信号处理电路（6）、A/D转换电路（7）和计算机（8）相连接。

9.根据权利要求5或6所述管道弯头检测装置，其特征是：激励单元包含激励线圈（3）和屏蔽单元（12），激励线圈（3）安装在屏蔽单元（12）内；所述激励线圈（3）采用矩形线圈；接收线圈(4)采用圆柱线圈。