分享：超高壓管式反應(yīng)器內(nèi)壁縱向裂紋的脈沖渦流檢測

超高壓管式反應(yīng)器（以下簡稱反應(yīng)器）在工業(yè)聚乙烯生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，是生產(chǎn)裝置的核心設(shè)備之一。反應(yīng)管在制造階段會進(jìn)行自增強(qiáng)處理[1]以改善內(nèi)管壁殘余應(yīng)力的分布，提升其彈性承載能力。由于長期在高溫、高壓、高介質(zhì)流速的環(huán)境下運行，反應(yīng)器的自增強(qiáng)殘余應(yīng)力在運行一定周期后會發(fā)生衰減，從而可能導(dǎo)致反應(yīng)管內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋、腐蝕等缺陷。 

超高壓管式反應(yīng)器是一種呈管狀、長徑比很大的連續(xù)操作反應(yīng)器，其實物如圖1所示。用于生產(chǎn)聚乙烯的反應(yīng)器管長以公里計，由無縫鋼管與U形管連接而成。其結(jié)構(gòu)有單管，也有多管并聯(lián)，其直管段連接采用透鏡面鋼法蘭，承受壓力可達(dá)280 MPa。目前，反應(yīng)器在停車檢修期間缺乏有效的檢測手段，主要原因有：一是反應(yīng)器一般設(shè)置有夾套管，常規(guī)無損檢測技術(shù)無法使用；二是停車狀態(tài)下，反應(yīng)管內(nèi)壁被大量聚乙烯粉末覆蓋，難以完全清除，常規(guī)檢測手段難以開展?；诖?，探索一種適用于反應(yīng)管裂紋的脈沖渦流檢測方法具有重要意義。 

圖  1  超高壓管式反應(yīng)器實物

脈沖渦流檢測技術(shù)是一種在渦流檢測技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù)，可以在不拆除包覆層的情況下對承壓設(shè)備進(jìn)行檢測，因此適用于飛機(jī)蒙皮等非鐵磁性材料和容器管道等鐵磁性材料的檢測。對于不同磁導(dǎo)率材料的脈沖渦流檢測，其檢測信號特征不同，采用的信號處理方法不同。針對反應(yīng)器內(nèi)徑小、壁厚較厚、內(nèi)壁聚乙烯粉末無法完全清除的特點，利用脈沖渦流檢測技術(shù)可以在一定程度上減少上述因素導(dǎo)致的檢測結(jié)果不準(zhǔn)確問題。 

1.   脈沖渦流檢測原理

脈沖渦流檢測激勵和采集原理示意如圖2所示。其探頭由激勵線圈和接收線圈組成，在激勵線圈中施加周期性的方波信號，線圈周圍產(chǎn)生瞬變磁場，即一次磁場，當(dāng)激勵信號被關(guān)斷時，周圍磁場快速衰減，被檢試件會感應(yīng)出電流，即脈沖渦流，脈沖渦流在一定時間內(nèi)衰減，產(chǎn)生二次磁場；激勵關(guān)斷后，一次磁場變?yōu)榱?，此時通過接收線圈測量二次磁場的變化，若被檢試件存在壁厚變化或缺陷，通過采集接收線圈上的感應(yīng)電壓即可進(jìn)行判斷。 

圖  2  脈沖渦流檢測激勵和采集原理示意

2.   有限元仿真

2.1   仿真模型的建立

文章中使用有限元仿真構(gòu)建1/2模型并對所設(shè)計的探頭建立模型。通過分析有缺陷和無缺陷處管道渦流的分布情況，可判斷裂紋對渦流的擾動程度，從而在探頭設(shè)計上提供參考；通過分析探頭在管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)不同角度時的渦流變化，可以確定探頭在管道內(nèi)可檢測的內(nèi)壁面積范圍；根據(jù)檢測信號剖面圖中出現(xiàn)的類正弦信號即可確定缺陷位置。 

仿真模型中所用管道和實際試驗中的一致。管道內(nèi)徑d為76 mm，外徑D為180 mm，管壁厚度T為52.5 mm。管道內(nèi)壁設(shè)置兩個缺陷，縱向裂紋寬度為1 mm，深度分別為10 mm和15 mm。使用的脈沖激勵頻率為4 Hz，激勵電流為1.5 A。管道電導(dǎo)率設(shè)置為4.46×106 S/m，相對磁導(dǎo)率設(shè)置為180。探頭尺寸示意及探頭在管道內(nèi)的模型如圖3所示，激勵線圈與管道同軸放置，接收線圈緊貼管壁，探頭位于管道內(nèi)部并緊貼管壁。 

圖  3  探頭尺寸示意及探頭在管道內(nèi)的模型

為了驗證模型的準(zhǔn)確性，文章將探頭放進(jìn)管道內(nèi)無缺陷處進(jìn)行檢測，將仿真模型中無缺陷處的計算結(jié)果與實際的檢測結(jié)果進(jìn)行對比。無缺陷處單個接收線圈仿真與試驗得到的感應(yīng)電壓衰減曲線如圖4所示，可知該模型在中后期的計算結(jié)果與試驗結(jié)果大致重合，驗證了文章中數(shù)值計算模型的準(zhǔn)確性。 

圖  4  無缺陷處仿真與試驗得到的感應(yīng)電壓衰減曲線

2.2   仿真結(jié)果分析

96 μs時刻縱向探頭渦流分布如圖5所示，可知探頭在無缺陷處產(chǎn)生了環(huán)繞管壁的渦流，由激勵場產(chǎn)生的渦流受到裂紋的較大擾動，即在旋轉(zhuǎn)一定的角度后該探頭仍能夠檢測到縱向裂紋。仿真結(jié)果表明該探頭可以實現(xiàn)管道一半圓周的檢測，故采用兩對接收單元即可對整個管道圓周進(jìn)行全面掃查。 

圖  5  96 μs時刻縱向探頭的渦流分布

管道無缺陷處、10 mm及15 mm深缺陷處的渦流分布如圖6所示，可知在關(guān)斷激勵50 ms內(nèi)，無缺陷處探頭正上方位置渦流分布較集中，有利于探頭對局部缺陷的檢測；10 mm和15 mm深的裂紋對渦流擾動較大，且15 mm深的裂紋的擾動程度更大。結(jié)果表明該探頭適用于檢測縱向裂紋，且裂紋深度越深，檢測靈敏度越高。 

圖  6  管道無缺陷處、10 mm及15 mm深缺陷處的渦流分布

10 mm及15 mm深裂紋的仿真衰減曲線和剖面圖如圖7所示（圖中8#表示探頭在裂紋左側(cè)且靠近裂紋1 cm處，9#表示探頭接觸到裂紋左端，10#表示探頭在裂紋中間，11#表示探頭接觸裂紋右端，12#表示探頭在裂紋右側(cè)且距離裂紋1 cm處）。由于探頭為差分連接[2]，其中一個接收線圈經(jīng)過裂紋時，其衰減曲線為正，另一個接收線圈再次經(jīng)過裂紋時，其衰減曲線為負(fù)。當(dāng)探頭檢測到缺陷時，時間剖面曲線上出現(xiàn)正弦波形信號[3]，該信號特征用于缺陷識別，為實際檢測中提供參考和依據(jù)。由剖面圖可知，15 mm深裂紋比10 mm深裂紋的檢測靈敏度更高。這是由于裂紋越深，裂紋對渦流的擾動越大，因此檢測效果越好。 

圖  7  10 mm及15 mm深裂紋的仿真衰減曲線和剖面圖

3.   試驗設(shè)計

3.1   試件尺寸

檢測試件尺寸示意如圖8所示。管道為直管，材料為42CrMO2，其內(nèi)壁一共有5處縱向裂紋缺陷，各裂紋長度為20 mm，深度d1，d2，d3，d4，d5分別為5，10，15，20，25 mm，各個裂紋中心間距為200 mm。裂紋缺陷寬度為0.5 mm。 

圖  8  縱向裂紋缺陷試件尺寸示意

3.2   脈沖渦流檢測系統(tǒng)

脈沖渦流檢測系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)示意及實物如圖9所示。系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、信號采集模塊、探頭、被檢管道。激勵設(shè)備可發(fā)射頻率為（1/16）~32 Hz的等寬雙極性方波脈沖激勵，最大電流為10 A。設(shè)備的采集和處理單元可以測量微弱電磁信號。 

圖  9  脈沖渦流檢測系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)示意及實物

3.3   探頭設(shè)計

縱向探頭及橫向探頭實物如圖10所示?？v向探頭由一對激勵線圈串聯(lián)組成，軸線與管道軸線平行放置，接收線圈由2個相同的扁平式橢圓狀線圈差分連接。該結(jié)構(gòu)可以使磁場在兩激勵線圈中間疊加，產(chǎn)生的渦流在缺陷處更加集中，信號靈敏度更高，并且可以減少管道表面不均勻?qū)е碌恼`差以及其他共模噪聲的干擾?？v向探頭中激勵線圈長度均為16 mm，內(nèi)徑均為30 mm，外徑均為44 mm，由5層漆包線纏繞而成，每個線圈145匝，共290匝；接收線圈為扁平式橢圓狀，其長軸長度為44 mm，短軸長度為32 mm，內(nèi)部開口近似矩形，長和寬分別為21.95，4.12 mm，由漆包線纏繞而成且兩接收線圈相距5.52 mm[4-5]。 

圖  10  縱向探頭及橫向探頭實物

橫向探頭的探頭軸線與管道軸線垂直放置。激勵線圈由漆包線繞制而成，匝數(shù)為400匝，內(nèi)徑為34 mm，外徑為52 mm；接收線圈為兩個圓弧形的骨架，每個骨架由漆包線繞制而成，匝數(shù)為2 000匝，差分連接[6]。兩個接收線圈跨接在激勵線圈上，相距3 mm。 

3.4   信號處理方法

檢測時，將探頭固定，從距離直管端點一定距離處開始檢測。在實際工況中，清理后的反應(yīng)器內(nèi)仍留下約1 mm厚的聚乙烯粉末層，因此試驗中使用厚度為2 mm的探頭推進(jìn)裝置用于模擬實際工況存在的聚乙烯粉末層。 

使用實驗室脈沖渦流檢測儀進(jìn)行檢測，激勵頻率選用4 Hz的方波信號，激勵電流為1.5 A，采用連續(xù)測量方式。一定提離下探頭檢測有無缺陷試件的歸一化感應(yīng)電壓（感應(yīng)電壓除以激勵電流）衰減曲線（縱軸對數(shù)表示）以及相應(yīng)的時間剖面曲線[7]如圖11所示（圖中1，2，3分別表示不同厚度的衰減曲線，且檢測厚度逐漸減?。?nbsp;

圖  11  一定提離下探頭檢測有無缺陷試件的歸一化感應(yīng)電壓衰減曲線及剖面圖

由于接收線圈產(chǎn)生的電壓信號動態(tài)范圍較大，因此將每個測點采集到的數(shù)據(jù)按照對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)劃分為若干個數(shù)據(jù)塊；每個測點的衰減曲線大致呈現(xiàn)對數(shù)形狀，因此劃分?jǐn)?shù)據(jù)塊的時間也呈對數(shù)增長，將每個數(shù)據(jù)塊稱之為時窗。第i個測點處得到的電壓矢量為 

式中：N為脈沖周期關(guān)斷后每個測點的衰減曲線劃分的時窗總數(shù)，取31。 

假設(shè)總共測量M個點，則M個測點的電壓矢量可以合成為矩陣W，表示為 

式中：矩陣W的第i行代表第i個測點。 

可以從矩陣W中得到第j個時窗的切片矢量 

式中：Sj表示在不同測點的衰減曲線上取同一個時間點采集到的電壓[7]。 

所設(shè)計的探頭檢測信號變化過程如圖12所示。探頭依次經(jīng)過位置1，2，3，4，產(chǎn)生一個類似正弦波的信號。1和4處為無缺陷區(qū)域，2和3位置處恰好有一個接收線圈接觸裂紋，因此接收線圈采集到的電壓剖面圖為一個類似正弦信號的波形。 

圖  12  探頭檢測信號變化過程示意

4.   試驗結(jié)果

縱向探頭正對裂紋及相對于裂紋旋轉(zhuǎn)45°和90°的檢測結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，1a，2a，3a，4a，5a分別對應(yīng)測點號為20，40，60，80，100的位置（測點號為檢測時探頭至管道左端距離），該探頭可以檢測出5條縱向裂紋，缺陷特征為類正弦波形。差分橫向探頭接收線圈正對于裂紋的檢測結(jié)果如圖14所示，1b，2b，3b，4b，5b分別對應(yīng)測點號為20，40，60，80，100的位置。差分探頭檢測管道時，利用類正弦波曲線特征識別缺陷，當(dāng)接收線圈分別經(jīng)過狹窄的裂紋時會出現(xiàn)類似正弦波形的缺陷信號，當(dāng)接收線圈中軸線處于裂紋位置時，即為正弦波曲線的零點。 

圖  13  縱向探頭正對裂紋及相對于裂紋旋轉(zhuǎn)45°和90°的檢測結(jié)果

圖  14  橫向探頭正對裂紋的檢測結(jié)果

文章定義檢測靈敏度去評估每個裂紋的檢出率，即靈敏度等于類正弦信號的峰值電壓除以兩峰值電壓的中值?？v向探頭正對裂紋和相對于裂紋旋轉(zhuǎn)45°時，管道的5個裂紋均可被清晰識別；縱向探頭旋轉(zhuǎn)90°時，前4個缺陷均可被清晰識別，最后一個缺陷檢測效果較差；橫向探頭正對裂紋檢測時，后4個缺陷可以較清晰地識別出，第一個缺陷檢測靈敏度不高，易被噪聲淹沒[8]。檢測靈敏度統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，變化趨勢如圖15所示。橫向探頭檢測縱向裂紋的檢測靈敏度遠(yuǎn)低于縱向探頭的，該試驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。這是因為橫向探頭產(chǎn)生平行于管道軸線的渦流[9]，縱向裂紋對平行于裂紋的渦流擾動不明顯，因此檢測靈敏度不高；縱向探頭產(chǎn)生環(huán)繞管壁的渦流，縱向裂紋對該環(huán)向渦流產(chǎn)生了明顯的擾動，因此檢測靈敏度較高。 

圖  15  探頭的缺陷檢測靈敏度變化趨勢

5.   結(jié)論

（1）通過設(shè)計的縱向差分探頭對縱向裂紋進(jìn)行檢測，可以實現(xiàn)較高靈敏度的檢測。 

（2）橫、縱向探頭檢測靈敏度的對比結(jié)果表明，對于縱向裂紋，縱向探頭比橫向探頭具有更好的檢測效果。 

（3）將設(shè)計的縱向差分探頭在管道內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)檢測，結(jié)合數(shù)值仿真結(jié)果可得，該探頭檢測覆蓋面能達(dá)到管道內(nèi)壁的一半，故后續(xù)可考慮多加一對接收線圈實現(xiàn)管道全覆蓋檢測。 

（4）對脈沖渦流和多頻渦流檢測進(jìn)行理論分析，可知，采用脈沖渦流內(nèi)檢測在一定程度上可以克服反應(yīng)器中聚乙烯粉末層厚度不均而導(dǎo)致結(jié)果受到干擾的問題。

文章來源——材料與測試網(wǎng)