脈沖渦流新應用：復合金屬層材料鑒別

渦流檢測是建立在電磁感應原理基礎上的一種非接觸式無損檢測方法，具有操作簡單、檢測速度快、安全等特點。傳統(tǒng)的渦流檢測主要用于檢測導電材料表面或近表面的傷痕，還可以用來對金屬材料種類、合金成分、材料內部組織結構、熱處理狀態(tài)、硬度以及力學性能等進行鑒別。例如馬鋼高線廠線材混號的分選，在役電力變壓器導線材料的快速識別，甚至還有適用于自動售貨機、無人公交車的硬幣渦流識別系統(tǒng)，可以對第5套硬幣有效識別。上述這些研究成果采用的都是常規(guī)渦流檢測，即以單一頻率的正弦波作為激勵信號，通過對目標檢測區(qū)域內的感應電壓幅值或相位進行采集和分析，在近表面實現(xiàn)對金屬材料的鑒別，在單層金屬的識別中實現(xiàn)了較好的應用。目前，石油工業(yè)的原油傳輸管道常采用雙層復合金屬管，在管道出廠及工程安裝現(xiàn)場的管理中需要對管道的材料進行鑒別。常規(guī)渦流檢測在單層金屬的檢測中適應性較好，但是由于其檢測深度淺、頻譜范圍有限，且對干擾信號敏感，在石油雙層復合金屬管的應用中存在一定的局限性。相比于常規(guī)單頻渦流，脈沖渦流具有頻譜范圍廣、感應信號豐富、檢測深度深、響應速度快等優(yōu)勢，只要對感應電壓信號進行時域瞬態(tài)分析就可實現(xiàn)檢測和評估。該技術在大壁厚結構的內部缺陷檢測中應用廣泛。鑒于脈沖渦流具有可穿透大壁厚金屬層的優(yōu)勢，中國核動力研究設計院的技術人員提出采用脈沖渦流技術對石油雙層復合金屬管進行材料鑒別，針對不銹鋼包覆銅、鐵、鋁模擬復合金屬層的試樣開展脈沖渦流檢測試驗，對信號特征進行分析，以期為雙層復合金屬管的材料鑒別提供有效手段。脈沖渦流檢測原理圖1脈沖渦流檢測系統(tǒng)示意脈沖渦流檢測系統(tǒng)由檢測探頭、信號發(fā)生模塊、信號接收模塊、采集模塊和上位機監(jiān)控軟件等組成。采用脈沖渦流系統(tǒng)對復合金屬層進行檢測時，需要具有一定占空比的寬帶方波脈沖作為激勵信號，經功率放大器放大后驅動檢測探頭激勵線圈；受激勵線圈磁場B0的作用，包覆金屬層A和待檢測被包覆金屬層B中均會產生感應渦流，而渦流的分布、密度、流動形式受到激磁條件（如激勵線圈的形狀、尺寸、交流電流的頻率等）、金屬層A和B自身的電導率、磁導率、形狀與尺寸等多種因素的影響；感應產生的渦流會分別形成與原磁場方向B0相反的磁場B1和B2，使通過檢測線圈的磁通發(fā)生變化，則脈沖渦流響應磁場B是三部分磁場的疊加，即：B=B0+B1+B2B0只取決于檢測環(huán)境以及激磁條件，B1和B2受金屬層A和B的材料及其幾何尺寸的影響。實際檢測中，疊加磁場B在檢測線圈中引起電參數的變化即為脈沖渦流響應信號。該信號由檢測探頭的接收線圈檢測到，經放大后被采集。信號中包含了金屬層A和待檢測金屬層B的相關信息，對信號進行分析并提取相關特征可以用于金屬層B的材料區(qū)分。脈沖渦流檢測試驗圖2復合金屬層試樣結構示意復合金屬層試樣長200mm，寬200mm，金屬層A厚1.5mm，材料為304不銹鋼，其電導率為1.39×106S/m，磁導率為4π×10-7H/m（試驗中采用的304不銹鋼板帶有微弱磁性，因此相對磁導率會略大于1）。待測金屬層B厚5mm，材料分別為銅、鐵、鋁，其中銅的電導率為5.7×107S/m，磁導率為4π×10-7H/m；鐵的電導率為9.9×106S/m，磁導率為2.4×10-4H/m；鋁的電導率為3.5×107S/m，磁導率為4π×10-7H/m。試驗采用的脈沖渦流檢測探頭為一發(fā)一收式探頭，即該探頭由獨立的激勵線圈（180匝）和檢測線圈（2300匝）構成，探頭中心間距為20mm。脈沖渦流的標準滲透深度是檢測中極為重要的參數之一，其直接關系到渦流能否有效穿透包覆金屬層A并抵達待測金屬層B，從而實現(xiàn)有效檢出。脈沖渦流激勵信號（方波）是基波和許多諧波的組合，利用傅里葉展開可表示為：式中：A0為信號直流分量；Φn為相位，n=1,2,…；基頻ω1=2πf1；An為振幅譜。當n=1，占空比為50%時，An在基頻上取最大值，保證了脈沖信號的信噪比，此時可以得到脈沖渦流的標準滲透深度δPW為：式中：Δ為脈沖寬度；σ為電導率；μ為磁導率。根據工程經驗，將激勵信號的脈沖寬度設置為5ms，頻率設置為100Hz，由上式可計算得其標準滲透深度為42.7mm。結果表明，脈沖渦流對試驗中采用的304不銹鋼板的有效檢測深度不超過15mm，遠小于理論計算值42.7mm，原因可能有，在脈沖渦流實際檢測過程中，不銹鋼加工工藝的差異影響了不銹鋼的性能，線圈形狀及結構參數影響了不銹鋼板中的渦流分布狀態(tài)，最終導致渦流滲透深度發(fā)生變化。304不銹鋼在生產及加工過程中，受偏析、熱處理不當、冷軋、冷作硬化等因素的影響，在母材內會產生一定量的鐵素體及形變誘發(fā)馬氏體，造成304不銹鋼試板具有一定鐵磁性；試驗選用的304不銹鋼為冷軋鋼板，在軋制及平底孔加工過程中，晶體點陣易發(fā)生畸變，同時引起材料應力狀態(tài)的改變，導致材料電導率發(fā)生變化。采用脈沖渦流探頭在試樣304不銹鋼包覆層上進行隨機掃描試驗，得到的典型脈沖渦流響應信號及特征如圖3所示。圖3典型脈沖渦流響應信號及其特征目前在利用脈沖渦流對多層金屬結構的裂紋進行檢測時，主要采用主峰幅值、主峰面積、過零時間及衰減時間對裂紋的深度和尺寸進行表征。因此，選取這4種典型的脈沖渦流信號特征量，分析304不銹鋼包覆層下銅、鐵、鋁3種金屬的信號特征差異，尋找出區(qū)分3種金屬材料的特征參量。圖43種試樣的脈沖渦流響應信號及其特征由圖4可知，由于鐵的磁導率遠大于銅和鋁，所以其脈沖渦流響應信號強烈，鐵試樣的主峰幅值明顯高于銅和鋁試樣，主峰幅值可作為區(qū)分鐵磁性材料和非鐵磁性材料的直接特征。對每種試樣分別隨機采集50次響應信號，提取信號的峰值幅值、主峰面積、過零時間和衰減時間4個特征，分布規(guī)律如圖5所示，可見隨機采集數據的各個特征值波動