1、 XX大学毕业设计（论文）开题报告 题目：管道缺陷的脉冲远场涡流检测研究专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 20xx 年 03 月 21 日一、选题的依据及意义： 石油、化工和核电领域的管道内部工况一般较为复杂，高温、高压气体以及流体长期作用，加速了管道内部缺陷的产生，使得管道结构存在重大安全隐患。对服役管道定期实施无损检测和评估，对保证安全生产和可靠的油气输送具有十分重要的意义。目前管道缺陷无损检测方法主要有超声波检测法、漏磁检测法、射线检测法和涡流检测法等。超声检测法常需要耦合剂，造成该方法在管道检测中的应用受到了限制，存在检测效率
2、低等劣势；漏磁检测法在裂纹检测方面的能力有限，该方法对于闭合裂纹检出率较低；射线法需要放射源，实际检测过程中存在放射性物质污染；常规涡流检测技术由于受到集肤效应的影响，难以对铁磁性管道进行有效的检测。脉冲远场涡流检测是一种新兴的电磁无损检测技术，将其应用于管道检测, 效率高, 实用性强, 经济可靠。研究发现，该技术对铁磁性管道检测有着巨大优势。脉冲远场涡流检测采用一定占空比的方波激励信号施加于激励线圈，并在远场区拾取感应线圈电压信号。由傅里叶变换可知，方波激励信号可以等效为不同频率正弦信号的叠加，具有频谱信息丰富等优点。近年来，国内外一些学者对脉冲远场涡流检测进行了探究。研究表明，脉冲远场涡流
3、检测油气管道存在一定优势。相比传统远场涡流检测，脉冲远场涡流检测技术具有较高检测深度、检测精度和效率，且其检测探头长度较短，能更好地运用到实际服役管道检测中。远场涡流检测对于应力腐蚀裂纹具有较好的检测能力，而且在无需磁化的条件下具有较深的穿透深度，同时对内外壁缺陷具有相同的检测灵敏度，因此其在铁磁性管道的检测中得到了广泛的应用。二、 国内外研究概况及发展趋势： 远场涡流( Remote field eddy current, RFEC) 技术最早发表于 1951 年美国 W. R. Maclean 的一篇专利报告中112, 20 世纪50 年代末 60 年代初, 壳牌公司的T. R. Schm
4、idt 教授研制成功了应用于油井套管检测的远场涡流仪。80 年代, 有限元法和计算机数值分析技术的应用进一步推动了远场涡流机理的研究,美国学者 T. R. Schmidt 教授、W. Lord 教授、D. L.Atherton 和我国的孙雨施教授等用有限元法和计算机仿真技术研究了远场涡流现象, 应用能量扩散流的概念阐明了远场涡流现象的机理122。1986 年, 美国的科罗拉多州立大学用有限元方法模拟并复制了远场状态。我国的孙雨施教授和 W. Lord 教授合作引入能流的概念, 发现了/ 磁位峡谷0和/ 相位节点0现象1132。20 世纪 80 年代以后, 国内外一些研究机构着手进行远场涡流检测
5、系统的研制, K. Tomitaand K. Yasui 等人还撰文介绍了其应用系统。近年来, 远场涡流技术的应用得到全面深入的研究, 许多研究机构正在进行远场涡流检测系统的研制工作。与检测铁磁性管的不完全磁饱和涡流法和漏磁法相比, 远场涡流检测技术可以提供最佳的缺陷尺寸。远场涡流检测设备主要由以下几部分组成： ( 1 ) 振荡器和功率放大器, 用于激励线圈, 输出信号, 为相位测量提供参考信息。 ( 2 ) 相位及幅值检测放大器, 用于处理接收线圈的接收信号。 ( 3 ) 计算机系统, 用于存储、处理和显示检测信号。 ( 4 ) 探头及定位编码器, 其中包括激励线圈和接收线圈。 ( 5 )
6、爬行器或清管器式控制器及电源系统。采用爬行器式驱动装置, 便于掌握检测速度和扫描采样速率。1.脉冲远场涡流的检测原理： 脉冲远场涡流传感器与常规正弦激励下的远场涡流传感器结构相同，也是由间隔一定距离的激励线圈和检测线圈组成，检测线圈放置在传统意义下的过渡区，脉冲远场涡流检测的原理如图1 所示。在激励线圈上施加一个具有较小占空比的方波激励信号，产生出一个脉冲磁场，磁场能量从激励线圈到检测线圈也存在2 个不同的耦合路径: 沿管道轴线方向的直接耦合路径，以及从激励线圈附近穿出管壁沿管壁传播，并最终再次穿过管壁到达检测线圈的间接耦合路径; 直接耦合路径上的磁场能量由于管道的屏蔽作用，迅速地衰减，而间接
7、耦合路径上的信号2 次穿越管壁，携带了管道的结构信息，因此成为管道检测的依据2。 脉冲信号激励下激励线圈上电流和检测线圈上的感应电压时域波形分别见图2、图3。从图中可以看出，感应电压信号的直接耦合分量只出现在脉冲激励电流的上升沿和下跳沿时刻，当激励电流断开以后，感应电压信号并没有消失，而体现为间接耦合分量，且间接耦合分随时间衰减较慢。直接耦合电压的负峰值对管道内径的变化敏感，而间接耦合电压的过零时间对管道壁厚的变化敏感，因此可以提取感应电压信号的负峰值和过零时间( 见图3 中标注) 作为特征量来分析管道裂纹缺陷的检测信息。 图1 脉冲远场涡流检测原理 Fig. 1 The principle
8、of the pulsed remote field eddy current图2 激励电流信号 图3 感应电信号 2.远场涡流和常规涡流技术的比较： 远场涡流技术检测的是穿过管壁后在管外沿管轴传播一段距离再返回到管内的磁场, 接收线圈必须处于距激励线圈 2 3 倍管径处的远场区。常规涡流技术则是采用靠近管壁的线圈以直接磁耦合的形式来拾取传播到管壁又返回的信号3,4。 远场涡流检测仪频率较低( 典型为 50500 Hz) , 磁场可以穿过铁磁性材料管壁, 为了保证在激励的每个周期内采集到信号, 并且不漏检, 其检测速度受到限制, 通常只有常规涡流检测方法的1/ 3 1/ 5, 约在 10 20
9、 m/min 之间。常规涡流检测仪频率较高( 1 000 Hz 范围) , 在铁磁性材料管道中,磁场被限制在管道的内表面, 检测外部缺陷非常困难。 远场涡流技术主要用于检测铁磁性管道, 也可以用于检测非铁磁性管道, 其最大优势是能检查厚壁铁磁性管道, 最大检测壁厚为 25 mm, 这是常规涡流技术无法达到的。其次, 对大范围壁厚缺损, 远场涡流检测技术的检测灵敏度和精确度较高, 精度可以达到 2% 5%, 对于小体积的缺陷, 如腐蚀凹坑等, 其检测灵敏度的高低取决于被测管道的材质、壁厚、磁导率的均匀性、检测频率和探头的拉出速度等因素。常规涡流检测技术与其相比造价较低, 一般适用于检测非铁磁性材
10、料5。 远场涡流检测技术测量的是接收线圈输出的相位和幅度信号, 条形图显示 的是相位和幅度的对数, 这些参数都和管材大范围的缺损呈线性关系。常规涡流检测显示的是阻抗幅度和相位, 与壁厚的关系较复杂。远场涡流检测仪对内外管壁缺损有相同的检测灵敏度, 对填充系数要求低, 对有障碍物和凹痕的管子检测效果很好, 对探头在管内行走产生的偏心影响比常规涡流小。3.应用中存在的问题：现场检测时, 用户必须提供一些被测管道的信息, 包括管道的使用年限、以前的检测史、腐蚀数据及被测管道的长度等。为了避免掩盖缺陷信号, 检测前应清除管内的障碍物、淤积物、磁性物质和导体的碎屑。在管道检测中远场涡流检测技术还存在以下
11、技术难题6。渗透性变化会产生类似金属缺损的信号, 掩盖真正的金属缺损信号。需要研究开发一种能把渗透性变化的情况滤除或将其区分出来的方法。支撑板会阻挡磁力线的传播, 掩盖缺损信号, 导致靠近支撑板的管面检测困难。管子的弯曲部位在壁厚和渗透性上变化很大, 严重影响了远场涡流信号, 探测此处的缺陷和缺陷尺寸成为问题。检测时, 必须保证检测速度的平稳, 不能引起振动噪声, 否则振动噪声会湮没缺陷信号7,8。4.研发与设计方向：接收线圈信号幅值太低, 通常为微伏或数十微伏数量级, 信号的分辨和处理很困难。如何利用三维涡流场有限元法分析远场涡流现象和设计制造高灵敏度、高抗干扰能力、高信噪比的新型远场涡流探
12、头, 及研制造价不太昂贵的远场涡流检测系统, 是远场涡流技术应用于实际的最重要的研究课题。探头是远场涡流检测系统的重要组成部分,D. L. Atherton 和 T. R. Schmidt 等人提出, 使用饱和磁技术, 可以提高扫描速度和工作频率; 应用平衡技术可以抑制或消除某些噪声因素对缺陷信号142的干扰。此外需要从探头的结构及其它途径分析探头的缺损响应特性, 如利用多频激励的方法来解决, 但多频涡流是否具有常规涡流检测的优点, 可行性如何,需要进一步研究。我国南京航空航天大学研制的三维探头较好的反映了缺损响应特征152。接收线圈只能反映圆周缺损变化的平均值162, 一般多用于直径较小的管
13、子。对于直径较大的管子, 由于管内空间大, 必须设置三维探头, 采用圆周分布的一组接收线圈, 直接敏感三维缺损, 才能改善缺损特征的表达效果9,10。远场涡流检测技术对管内壁和管外壁缺陷具有相同的灵敏度, 但缺陷的位置是在内壁还是在外壁, 目前的技术尚无法回答。如何在管道检测中实现自动化, 也是目前远场涡流检测技术研究的一项迫切任务。三、研究内容及实验方案：3.1研究内容： 本课题研究的是基于脉冲远场涡流的管道内检测。3.2实验设备： 实验所用设备为WTEM-1Q/GPS浅部瞬变电磁勘探系统，该设备集WTEM-1J/GPS瞬变电磁系统接收机和WTEM-1X小功率发射机为一体，集国内外同类浅部瞬
14、变电磁系统之所长，具有大发射功率、超快速关断、高可靠性、超强抗干扰（天电、50或60Hz工频）能力、轻便、低耗电等特点。3.3实验制备：根据实验需求，制作相应的不同参数的激励线圈和接收线圈。实验所用缺陷试件为J55材质铁磁性钢管，长4150mm、外径139.7mm、壁厚7.72mm，如下图所示。A是一个倒圆锥台形通孔，通孔的上部直径为25mm，底部直径为10mm，用于代表实际工件中的孔状腐蚀；B是一个周向长度为150mm的窄凹槽，槽宽为10mm，槽深为2mm；C是一个轴向长度为200mm的窄凹槽，槽宽为10mm，槽深为2mm， D、E、F都是周向腐蚀缺陷，其周向幅度为90-180，深度都为1mm，D的轴向长度为170mm，E的轴向长度为110mm，F的轴向长度为210mm。D、E、F代表面积型腐蚀。A缺陷距管道左端口500mm，F缺陷距管道右端口500mm，A、B、C、D、E、F各邻近缺陷之间的距离均为500mm。 图1 缺陷试件3.4实验方案:1、 通过查阅相关资料，掌握脉冲涡流检测技术的基本原理和检测系统的基本构造。2、 选择探头的基本几
