鋼腐蝕脈沖渦流檢測系統(tǒng)的研制與應用

1、鋼腐蝕脈沖渦流檢測系統(tǒng)的研制與應用溫馨提示：此資料來自中國檢測網發(fā)表于 2012-1-6 13:50:27 |只看該作者 |倒序瀏覽摘要：為解決帶包覆層鋼腐蝕檢測的技術難題，根據脈沖渦流檢測原理，研制出一套脈沖渦流鋼腐蝕檢測儀。詳細論述了傳感器、主機和檢測軟件等檢測系統(tǒng)的組成。實驗室和現(xiàn)場試驗表明，該系統(tǒng)能夠穿透鋁和不銹鋼等常見管道保護層材料，檢測出 包覆層厚度下的鋼腐蝕變化。鋼腐蝕脈沖渦流檢測技術為在線檢測提供了新的手段。關鍵詞：鋼腐蝕；脈沖渦流檢測；包覆層       腐蝕是各種鋼結構在使用過程中不可避免的問題。相關調查的數據表明，腐蝕造成的損失平均

2、約占國民生產總值的，對于石油與石化行業(yè)尤其嚴重，約占產值的。為適應現(xiàn)代工業(yè)高溫、高壓、高效率的發(fā)展，越來越多的鋼結構如管道、壓力容器等被包覆層覆蓋。其目前的檢測方法要求先去掉包覆層，從而需要停止設備的運行，不僅費用高且耗時長。如何在不去除包覆層的情況下完成金屬腐蝕檢測，是無損檢測中需要解決的一個難題。目前，常用的不去除包覆層實現(xiàn)鋼腐蝕檢測的方法是射線檢測，該方法對防護要求比較高，不便于現(xiàn)場應用。國外已研制出基于脈沖渦流技術的鋼腐蝕檢測設備，能夠實現(xiàn)在線連續(xù)檢測，但由于技術壟斷，該設備價格極為昂貴。打破國外技術壟斷，開發(fā)自主知識產權的檢測設備，是唯一的出路。國內已研制出基于阻抗分析方法的型脈沖渦

3、流檢測儀器。筆者根據脈沖渦流檢測原理，通過研究檢測信號的時域波形特征，研制出鋼腐蝕脈沖渦流檢測系統(tǒng)，并進行了實驗室和現(xiàn)場驗證?；驹砻}沖渦流鋼腐蝕檢測的基本原理如圖所示。將一直流電通入線圈，在一定時間內可在構件內產生一穩(wěn)定的磁場。當斷開該直流電時，在線圈周圍產生的電磁場由兩部分疊加而成：一部分是直接從線圈中耦合出的一次電磁場，另一部分是試件中感應出的渦流場所產生的二次電磁場。而后者包含了構件本身的厚度或者缺陷等信息。采取合適的檢測元件和方法，對二次場進行測量，并對該測量信號進行分析，可得到被測構件信息。檢測系統(tǒng)構成根據前述檢測原理，研制的鋼腐蝕脈沖渦流檢測系統(tǒng)如圖所示。其主要由主機、電池箱、

4、傳感器、前置放大器和便攜計算機組成。該系統(tǒng)的主要性能技術指標如下： 被檢材料：鐵磁性材料。 最大包覆層（石棉、水泥等）厚度： 。 保護層外殼材質：鋁或不銹鋼薄層。 最小檢測靈敏度：壁厚減薄 （最小為）。 壁厚測量范圍：。 能測量的最小管徑：。主機檢測系統(tǒng)主機是系統(tǒng)的核心，各個模塊都有自身特殊的要求。其中激勵信號源要求頻率成分穩(wěn)定，精度高，波形上升和下跳沿陡峭。功率放大電路要求轉換速率高，實現(xiàn)各種頻率成分的無失真放大，從而實現(xiàn)方波信號的無失真輸出。傳感器要求溫漂小，測量可重復性好，能夠穿透一定厚度的鐵磁性材料。微弱信號放大電路要求至少能將電壓衰減段的曲線無失真放大到數據采集卡能分辨的程度。脈沖激

5、勵信號源要求能夠產生頻率和占空比可調的正負方波。在信號源的具體實現(xiàn)中，設計制作了基于技術的脈沖激勵信號源。對芯片的控制則采用常用的單片機，該單片機主要完成芯片和上位機的接口工作。兩路芯片分別產生兩路幅值和頻率相等、相位相差°的正弦波。這兩路正弦波分別進入電壓比較器后轉化為頻率相等、相位相差°的方波。兩路方波進入減法器相減，可得到正負方波信號。功率放大電路用以放大正負方波信號，在激勵線圈中產生幅值達± 的電流脈沖，其頻率可調范圍為 ，滿足脈沖渦流檢測對激勵電路的要求。通常，脈沖渦流系統(tǒng)采集到的信號中有很大噪聲。為了最大程度地提高信噪比，一是需要合適的電路布局，避免模

6、擬數字混合干擾；二是選用共模抑制比足夠高的儀表放大器，作為前置放大器，放大微弱信號；三是用合適的濾波電路濾除高頻噪聲；四是選用良好的電源給儀表運放供電，因為開關電源有不可消除的開關噪聲。在此采用精密線性電源，并且加入電池供電模塊，滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。脈沖渦流信號需要重復采樣，取得平均值，以最大限度地消除噪聲影響。采集觸發(fā)模塊能夠同步每次采集的脈沖渦流信號，使一組脈沖渦流信號具有嚴格相同的起始時間和結束時間，并且能夠根據信號分析需要調節(jié)欲采集的信號時段，區(qū)分激勵信號的上跳和下跳沿，截取感興趣的波形，便于采集和分析處理。為適應檢測系統(tǒng)便攜性的要求，采用 接口，實現(xiàn)數據采集和傳輸。傳感器由檢測原理可

7、知，傳感器由激勵線圈和檢測元件兩部分構成，其中激勵線圈的大小、匝數、形狀以及個數都會對傳感器覆蓋區(qū)域的大小造成影響。實際繞制激勵線圈時，如果匝數很多，則線圈電感量很大，可以產生較大的磁場，提供較大的穿透深度，但其對方波信號的跳變響應會變慢，激勵線圈內電流的變化緩慢，激勵磁場跳變斜率不夠大，因此不能產生良好的方波跳變波形。而且，如果電感過大，當激勵頻率較高時，則線圈的感抗會很大，從而增加激勵電路的復雜性。另外，過多的匝數會導致線圈尺寸龐大，傳感器覆蓋區(qū)域增大，傳感器分辨率下降。反之，激勵線圈的匝數過小，則導致激勵線圈電感過小，線圈的安匝數太小，脈沖磁場的穿透力不夠，激勵能量不能完全到達試件的內部

8、。因此，首先對激勵線圈的幾何尺寸和匝數進行設計，在保證足夠的電磁場穿透能力的基礎上，盡可能減小線圈的幾何尺寸。檢測元件可選用常用的磁場測量元件，如霍爾元件或線圈等。由于線圈具有高頻特性好，無直流偏置，阻抗特性可以通過改變其幾何尺寸和匝數靈活配置的優(yōu)點，便于根據不同試件的情況進行優(yōu)化設計，因此，選用線圈作為檢測元件。通過大量試驗，設計制作了四種規(guī)格的傳感器（圖）。檢測軟件軟件基于平臺，主要實現(xiàn)的功能有采集卡控制、單片機控制、數據采集、存儲、顯示、數字濾波和相對壁厚變化分析等。采集卡控制用于控制采集卡的采樣間隔、采樣精度、采樣時間和采樣頻率等。單片機控制通過向下位單片機發(fā)送頻率控制字，控制方波激勵

9、脈沖的頻率。數據采集存儲顯示用于控制采集卡采集數據、存盤和顯示。數字濾波程序能夠極大衰減原始信號中夾雜的工頻干擾和其他干擾。相對壁厚變化分析是用特定算法提取信號特征量，將被檢測區(qū)域的相對壁厚變化計算出來。具體軟件界面如圖所示。試驗驗證實驗室試驗研制的系統(tǒng)主要是檢測帶包覆層構件腐蝕引起的壁厚減薄缺陷。針對這種情況，通過測試不同厚度鋼板，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)能力驗證，并用傳感器在被檢構件上的提離距離模擬包覆層厚度。首先，為測試脈沖渦流檢測系統(tǒng)的精度，以 階梯鋼板作為試驗對象，傳感器提離時進行了試驗，信號波形如圖所示?？梢?，系統(tǒng)能夠檢測壁厚減薄。其次，為提取信號特征，測試了厚度為，以及 的鋼板，檢測信號如圖

10、所示。可見壁厚較小的板信號會較早彎曲，而壁厚較大的板信號曲線彎曲較晚。根據這一特點，提取不同構件厚度、不同包覆層厚度的特征量，可實現(xiàn)儀器的標定。最后，為驗證此脈沖渦流系統(tǒng)能否穿透鋁皮和不銹鋼皮保護層材料，對鋼腐蝕情況進行檢測。在 提離條件下，分別檢測厚度為和的鋼板，使用 厚的泡沫材料模擬保溫層。首先在無保護層的條件下進行檢測，然后在傳感器下方分別墊上鋁和不銹鋼保護層進行檢測，檢測結果如圖所示。可見，鋁和不銹鋼保護層對試驗信號無很大影響，因此透過金屬保護層材料定量檢測鋼腐蝕狀況成為可能?，F(xiàn)場驗證為了檢驗自行開發(fā)的脈沖渦流檢測系統(tǒng)，于年月在石家莊長管拖車維修站進行了現(xiàn)場檢測應用。檢測對象為超聲波檢測不合格的長管拖車氣瓶，其腐蝕分布如圖所示。從該瓶上選擇無腐蝕區(qū)域作為基準，再選出個腐蝕區(qū)域（區(qū)）來作為檢測區(qū)域，個區(qū)域的位置在圖中圈出。由于脈沖渦流方法測量的是區(qū)域性相對壁厚變化，因此在每個區(qū)域內選取個點用超聲波方法測量壁厚，然后取其平均值作為該區(qū)域的平均壁厚估計值。超聲測厚結果和研制的脈沖渦流檢測系統(tǒng)的檢測結果如表所示。從表中可以看出，脈沖渦流檢測結果與超聲檢測結果一致。結論根據脈沖渦流檢測基本原理，研制出鋼腐蝕脈沖渦流檢測系統(tǒng)。