油氣管道在服役過程中，由于腐蝕、機械損傷以及其他外力因素，會導致管道發(fā)生失效，甚至引起爆炸。在眾多管道失效因素中，管道類裂紋缺陷是管道失效的主要因素。管道內(nèi)檢測是發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷、消除潛在事故隱患的有效手段。電磁渦流技術(shù)具有無需與管體接觸、無需介質(zhì)耦合以及對表面缺陷識別能力強等優(yōu)點，是目前解決類裂紋缺陷檢測問題的重要探索技術(shù)之一。渦流檢測技術(shù)發(fā)展迅猛，國內(nèi)外各種類型的渦流儀器相繼出現(xiàn)。
·渦流檢測原理
渦流檢測是一種無損檢測方法，其通過測定被檢工件內(nèi)感生渦流的變化而引起的檢測線圈阻抗的變化，既可無損評定導電材料及其工件的性能，也可發(fā)現(xiàn)被檢工件表面、近表面缺陷。當通有交變電流的檢測線圈靠近被測物體時，由于激勵磁場的作用，被測物體中將感應出渦流。渦流的幅值、相位、路徑均受到被測物體各項性質(zhì)的影響，而由被測物體中的渦流產(chǎn)生的磁場也將在檢測線圈中感應出電壓。因此，通過對比檢測線圈上感應電壓的變化，即可判斷被測物體是否存在缺陷。
·阻抗分析法
阻抗分析法是以分析渦流效應引起線圈阻抗變化及其相位變化之間的密切關(guān)系為基礎(chǔ)，鑒別各影響因素效應的一種分析方法。
從電磁波傳播的角度，該方法實質(zhì)上是根據(jù)信號有不同相位延遲的原理來區(qū)別工件中的不連續(xù)性。
從矢量分析的角度，渦流檢測獲得的檢測信號可以看作是缺陷、干擾以及正常的工件對線圈的多種阻抗影響信號的疊加，是各種影響信號單獨作用時對線圈阻抗影響信號的矢量總和。
因此，可以對探頭線圈施加多個頻率疊加的激勵信號，然后將獲得的檢測信號通過矢量運算，能夠獲得缺陷信號，同時抑制干擾，實現(xiàn)缺陷檢測。
·高速自動渦流檢測試驗裝置
為了模擬管道內(nèi)檢測的工況條件，自主設(shè)計并搭建了高速自動渦流檢測試驗裝置（如下圖），其主要包括自動檢測模塊、探頭驅(qū)動模塊、信號提取模塊及信號采集模塊。自動檢測模塊主要功能是固定缺陷試件、夾持渦流探頭，通過觸摸屏控制實現(xiàn)對管道缺陷試件的自動/手動狀態(tài)的定速（速度為0～4.8m/s）檢測。探頭驅(qū)動模塊由直接數(shù)字合成電路、放大電路組成。信號提取模塊由正交矢量鎖相放大電路實現(xiàn)，提取探頭信號中的幅值與相位信息。信號采集模塊采用基于FPGA的高速信號采集系統(tǒng)，使用FPGA驅(qū)動并行AD芯片對鎖相放大器的輸出信號進行采集，并對采集數(shù)據(jù)進行預處理，剔除誤碼，對數(shù)據(jù)進行打包，通過USB端口傳入電腦進行數(shù)據(jù)處理。
油氣管道類裂紋缺陷渦流內(nèi)檢測試驗裝置組成示意圖
·試驗條件及參數(shù)設(shè)置
試驗所用探頭為絕對式渦流檢測探頭，選用管徑為813mm、壁厚為14mm的X65鋼級管道切片，加工制作了2組缺陷試件（如下圖）。其中，第1組缺陷是采用高頻疲勞振動方法加工的真實類裂紋缺陷，第2組缺陷是采用線切割方法加工的標準類裂紋缺陷。
油氣管道類裂紋缺陷渦流內(nèi)檢測試件參數(shù)
基本參數(shù)設(shè)置：檢測試驗中激勵頻率為100kHz，檢測速度為0.8m/s，提離值為0。當分析檢測速度的影響時，選用了0.8m/s、1.6m/s兩種檢測速度進行對比；當分析提離值的影響時，選用了0、1mm、2mm、3mm、4mm及5mm提離值進行對比分析。
試驗結(jié)果
·渦流檢測信號解析
試驗探頭采用正弦波作為激勵信號產(chǎn)生感應渦流， 輸出信號是探頭阻抗與探頭串聯(lián)電阻對輸入信號的分壓。信號提取模塊可以提取探頭信號中的幅值、相位信息，同相輸出信號、正交輸出信號能夠直接表征缺陷信息和探頭阻抗信息，其計算式分別為：
式中，UI為同相輸出信號；UQ為正交輸出信號；UA為輸出信號幅值；UC為探頭激勵信號幅值；φ為探頭激勵信號與輸入信號相位差。
將UI、UQ作為坐標代入極坐標中，可以得到極坐標幅值U、極坐標旋轉(zhuǎn)角θ，其計算式分別為：
經(jīng)過濾波后的探頭輸出信號與激勵信號的幅值、相位不同，當檢測中發(fā)現(xiàn)缺陷時，探頭輸出信號的幅值、相位都會發(fā)生變化。因此，測量探頭輸出信號的幅值、相位變化，就可以獲取探頭電阻抗變化量。
·類裂紋缺陷的可識別性
選取管道本體、環(huán)焊縫處的類裂紋缺陷進行檢測，并提取缺陷信號，從阻抗平面圖、阻抗信號曲線兩個角度分析類裂紋缺陷的可識別性。管體類裂紋、環(huán)焊縫類裂紋、無缺陷環(huán)焊縫的阻抗平面圖分別具有不同的特征（如下圖）。可見，位于第二、四象限的線形特征分別表征類裂紋缺陷、環(huán)焊縫，通過阻抗平面圖可以明顯地識別出不同位置的類裂紋缺陷。
管體類裂紋、環(huán)焊縫類裂紋、無缺陷環(huán)焊縫阻抗對比圖
由于無缺陷環(huán)焊縫存在余高的影響，管體類裂紋、環(huán)焊縫類裂紋的阻抗信號曲線也存在明顯的區(qū)別（如下圖）�？梢姡杩剐盘柷�具有明顯的表征類裂紋、環(huán)焊縫的特征，可以區(qū)分不同位置的類裂紋缺陷。
缺陷深度80%wt的管體類裂紋阻抗信號曲線
缺陷深度80%wt的環(huán)焊縫類裂紋阻抗信號曲線
·缺陷深度對檢測信號的影響
分別選取不同缺陷深度的管體類裂紋、環(huán)焊縫類裂紋進行檢測試驗，由于疲勞加工與線切割缺陷的檢測信號結(jié)果相同，故均以線切割缺陷為例進行分析。檢測試驗結(jié)果表明：不同缺陷深度的管體類裂紋的阻抗圖表現(xiàn)為第二象限的線形特征（如下圖），不同缺陷深度的環(huán)焊縫類裂紋的阻抗圖特征則由位于第二象限表征類裂紋的線形特征與位于第四象限表征環(huán)焊縫的線形特征組成（如下圖）。同時，隨著類裂紋缺陷深度增大，管體類裂紋、環(huán)焊縫類裂紋的信號特征表現(xiàn)越明顯。
不同缺陷深度下環(huán)焊縫類裂紋阻抗對比圖
·檢測速度對檢測信號的影響
利用高速自動渦流檢測試驗裝置，設(shè)定不同的檢測速度對缺陷深度為50%wt的管體缺陷、焊縫缺陷試件進行檢測試驗。檢測試驗結(jié)果表明：檢測速度增大后，管體類裂紋阻抗圖仍具有明顯的缺陷線形特征（如下圖），環(huán)焊縫類裂紋阻抗圖也具有明顯的缺陷、焊縫線形特征（如下圖），說明可以在高速狀態(tài)下獲取缺陷的檢測信號。
不同速度下缺陷深度為50%wt的環(huán)焊縫類裂紋阻抗對比圖
·提離值對檢測信號的影響
為了分析提離值對渦流檢測信號的影響，選取不同的提離值對80%wt缺陷深度的類裂紋試件進行檢測試驗。檢測試驗結(jié)果表明：隨著探頭提離值增大，管體類裂紋、環(huán)焊縫類裂紋阻抗實部與虛部的峰值（如下圖）均明顯減小，且環(huán)焊縫類裂紋的阻抗幅值受提離值影響阻抗幅值，其衰減速度略快。當提離值過大時，由于阻抗峰值較小，無法準確區(qū)分缺陷的信號特征，且環(huán)焊縫處形貌不規(guī)則。為了準確地識別缺陷的渦流信號，應盡量貼近管道表面或選擇較小的提離值進行缺陷檢測，避免缺陷漏檢。
不同提離值下管體類裂紋阻抗對比圖
不同提離值下環(huán)焊縫類裂紋阻抗對比圖
結(jié)束語
針對油氣管道類裂紋缺陷的內(nèi)檢測技術(shù)難題，自主搭建了高速自動渦流檢測試驗裝置，加工制作了不同尺寸的類裂紋缺陷，通過開展類裂紋缺陷渦流自動檢測試驗，從信號可識別性、缺陷深度、檢測速度、提離值、信噪比等不同角度驗證了電磁渦流技術(shù)應用于管道類裂紋缺陷內(nèi)檢測的可行性。電磁渦流技術(shù)可以實現(xiàn)內(nèi)檢測工況下類裂紋缺陷的檢測與識別，為后續(xù)開展電磁渦流內(nèi)檢測技術(shù)的系統(tǒng)應用、內(nèi)檢測器的研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。
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