管道缺陷的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)研究-開題報(bào)告

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題目：管道缺陷的脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)研究專 業(yè) 名 稱 測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 填 表 日 期 20xx 年 03 月 21 日一、選題的依據(jù)及意義： 石油、化工和核電領(lǐng)域的管道內(nèi)部工況一般較為復(fù)雜，高溫、高壓氣體以及流體長(zhǎng)期作用，加速了管道內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，使得管道結(jié)構(gòu)存在重大安全隱患。對(duì)服役管道定期實(shí)施無(wú)損檢測(cè)和評(píng)估，對(duì)保證安全生產(chǎn)和可靠的油氣輸送具有十分重要的意義。目前管道缺陷無(wú)損檢測(cè)方法主要有超聲波檢測(cè)法、漏磁檢測(cè)法、射線檢測(cè)法和渦流檢測(cè)法等。超聲檢測(cè)法常需要耦合劑，造成該方法在管道檢測(cè)中的應(yīng)用受到了限制，存在檢測(cè)效率低等劣勢(shì)；漏磁檢測(cè)法在裂紋檢測(cè)方面的能力有限，該方法對(duì)于閉合裂紋檢出率較低；射線法需要放射源，實(shí)際檢測(cè)過程中存在放射性物質(zhì)污染；常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)由于受到集膚效應(yīng)的影響，難以對(duì)鐵磁性管道進(jìn)行有效的檢測(cè)。脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)是一種新興的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，將其應(yīng)用于管道檢測(cè), 效率高, 實(shí)用性強(qiáng), 經(jīng)濟(jì)可靠。研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)對(duì)鐵磁性管道檢測(cè)有著巨大優(yōu)勢(shì)。脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)采用一定占空比的方波激勵(lì)信號(hào)施加于激勵(lì)線圈，并在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)拾取感應(yīng)線圈電壓信號(hào)。由傅里葉變換可知，方波激勵(lì)信號(hào)可以等效為不同頻率正弦信號(hào)的疊加，具有頻譜信息豐富等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)進(jìn)行了探究。研究表明，脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)油氣管道存在一定優(yōu)勢(shì)。相比傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)，脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)具有較高檢測(cè)深度、檢測(cè)精度和效率，且其檢測(cè)探頭長(zhǎng)度較短，能更好地運(yùn)用到實(shí)際服役管道檢測(cè)中。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)對(duì)于應(yīng)力腐蝕裂紋具有較好的檢測(cè)能力，而且在無(wú)需磁化的條件下具有較深的穿透深度，同時(shí)對(duì)內(nèi)外壁缺陷具有相同的檢測(cè)靈敏度，因此其在鐵磁性管道的檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。2、 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)： 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流( Remote field eddy current, RFEC) 技術(shù)最早發(fā)表于 1951 年美國(guó) W. R. Maclean 的一篇專利報(bào)告中112, 20 世紀(jì)50 年代末 60 年代初, 殼牌公司的T. R. Schmidt 教授研制成功了應(yīng)用于油井套管檢測(cè)的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流儀。80 年代, 有限元法和計(jì)算機(jī)數(shù)值分析技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流機(jī)理的研究,美國(guó)學(xué)者 T. R. Schmidt 教授、W. Lord 教授、D. L.Atherton 和我國(guó)的孫雨施教授等用有限元法和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象, 應(yīng)用能量擴(kuò)散流的概念闡明了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象的機(jī)理122。1986 年, 美國(guó)的科羅拉多州立大學(xué)用有限元方法模擬并復(fù)制了遠(yuǎn)場(chǎng)狀態(tài)。我國(guó)的孫雨施教授和 W. Lord 教授合作引入能流的概念, 發(fā)現(xiàn)了/ 磁位峽谷0和/ 相位節(jié)點(diǎn)0現(xiàn)象1132。20 世紀(jì) 80 年代以后, 國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)著手進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)系統(tǒng)的研制, K. Tomitaand K. Yasui 等人還撰文介紹了其應(yīng)用系統(tǒng)。近年來(lái), 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)的應(yīng)用得到全面深入的研究, 許多研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)系統(tǒng)的研制工作。與檢測(cè)鐵磁性管的不完全磁飽和渦流法和漏磁法相比, 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)可以提供最佳的缺陷尺寸。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)設(shè)備主要由以下幾部分組成： ( 1 ) 振蕩器和功率放大器, 用于激勵(lì)線圈, 輸出信號(hào), 為相位測(cè)量提供參考信息。 ( 2 ) 相位及幅值檢測(cè)放大器, 用于處理接收線圈的接收信號(hào)。 ( 3 ) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 用于存儲(chǔ)、處理和顯示檢測(cè)信號(hào)。 ( 4 ) 探頭及定位編碼器, 其中包括激勵(lì)線圈和接收線圈。 ( 5 ) 爬行器或清管器式控制器及電源系統(tǒng)。采用爬行器式驅(qū)動(dòng)裝置, 便于掌握檢測(cè)速度和掃描采樣速率。1.脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的檢測(cè)原理： 脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器與常規(guī)正弦激勵(lì)下的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器結(jié)構(gòu)相同，也是由間隔一定距離的激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈組成，檢測(cè)線圈放置在傳統(tǒng)意義下的過渡區(qū)，脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的原理如圖1 所示。在激勵(lì)線圈上施加一個(gè)具有較小占空比的方波激勵(lì)信號(hào)，產(chǎn)生出一個(gè)脈沖磁場(chǎng)，磁場(chǎng)能量從激勵(lì)線圈到檢測(cè)線圈也存在2 個(gè)不同的耦合路徑: 沿管道軸線方向的直接耦合路徑，以及從激勵(lì)線圈附近穿出管壁沿管壁傳播，并最終再次穿過管壁到達(dá)檢測(cè)線圈的間接耦合路徑; 直接耦合路徑上的磁場(chǎng)能量由于管道的屏蔽作用，迅速地衰減，而間接耦合路徑上的信號(hào)2 次穿越管壁，攜帶了管道的結(jié)構(gòu)信息，因此成為管道檢測(cè)的依據(jù)2。 脈沖信號(hào)激勵(lì)下激勵(lì)線圈上電流和檢測(cè)線圈上的感應(yīng)電壓時(shí)域波形分別見圖2、圖3。從圖中可以看出，感應(yīng)電壓信號(hào)的直接耦合分量只出現(xiàn)在脈沖激勵(lì)電流的上升沿和下跳沿時(shí)刻，當(dāng)激勵(lì)電流斷開以后，感應(yīng)電壓信號(hào)并沒有消失，而體現(xiàn)為間接耦合分量，且間接耦合分隨時(shí)間衰減較慢。直接耦合電壓的負(fù)峰值對(duì)管道內(nèi)徑的變化敏感，而間接耦合電壓的過零時(shí)間對(duì)管道壁厚的變化敏感，因此可以提取感應(yīng)電壓信號(hào)的負(fù)峰值和過零時(shí)間( 見圖3 中標(biāo)注) 作為特征量來(lái)分析管道裂紋缺陷的檢測(cè)信息。 圖1 脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理 Fig. 1 The principle of the pulsed remote field eddy current圖2 激勵(lì)電流信號(hào) 圖3 感應(yīng)電信號(hào) 2.遠(yuǎn)場(chǎng)渦流和常規(guī)渦流技術(shù)的比較： 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)檢測(cè)的是穿過管壁后在管外沿管軸傳播一段距離再返回到管內(nèi)的磁場(chǎng), 接收線圈必須處于距激勵(lì)線圈 2 3 倍管徑處的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。常規(guī)渦流技術(shù)則是采用靠近管壁的線圈以直接磁耦合的形式來(lái)拾取傳播到管壁又返回的信號(hào)3,4。 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀頻率較低( 典型為 50500 Hz) , 磁場(chǎng)可以穿過鐵磁性材料管壁, 為了保證在激勵(lì)的每個(gè)周期內(nèi)采集到信號(hào), 并且不漏檢, 其檢測(cè)速度受到限制, 通常只有常規(guī)渦流檢測(cè)方法的1/ 3 1/ 5, 約在 10 20 m/min 之間。常規(guī)渦流檢測(cè)儀頻率較高( 1 000 Hz 范圍) , 在鐵磁性材料管道中,磁場(chǎng)被限制在管道的內(nèi)表面, 檢測(cè)外部缺陷非常困難。 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)主要用于檢測(cè)鐵磁性管道, 也可以用于檢測(cè)非鐵磁性管道, 其最大優(yōu)勢(shì)是能檢查厚壁鐵磁性管道, 最大檢測(cè)壁厚為 25 mm, 這是常規(guī)渦流技術(shù)無(wú)法達(dá)到的。其次, 對(duì)大范圍壁厚缺損, 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)靈敏度和精確度較高, 精度可以達(dá)到 2% 5%, 對(duì)于小體積的缺陷, 如腐蝕凹坑等, 其檢測(cè)靈敏度的高低取決于被測(cè)管道的材質(zhì)、壁厚、磁導(dǎo)率的均勻性、檢測(cè)頻率和探頭的拉出速度等因素。常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)與其相比造價(jià)較低, 一般適用于檢測(cè)非鐵磁性材料5。 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)測(cè)量的是接收線圈輸出的相位和幅度信號(hào), 條形圖顯示 的是相位和幅度的對(duì)數(shù), 這些參數(shù)都和管材大范圍的缺損呈線性關(guān)系。常規(guī)渦流檢測(cè)顯示的是阻抗幅度和相位, 與壁厚的關(guān)系較復(fù)雜。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀對(duì)內(nèi)外管壁缺損有相同的檢測(cè)靈敏度, 對(duì)填充系數(shù)要求低, 對(duì)有障礙物和凹痕的管子檢測(cè)效果很好, 對(duì)探頭在管內(nèi)行走產(chǎn)生的偏心影響比常規(guī)渦流小。3.應(yīng)用中存在的問題：現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí), 用戶必須提供一些被測(cè)管道的信息, 包括管道的使用年限、以前的檢測(cè)史、腐蝕數(shù)據(jù)及被測(cè)管道的長(zhǎng)度等。為了避免掩蓋缺陷信號(hào), 檢測(cè)前應(yīng)清除管內(nèi)的障礙物、淤積物、磁性物質(zhì)和導(dǎo)體的碎屑。在管道檢測(cè)中遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)還存在以下技術(shù)難題6。滲透性變化會(huì)產(chǎn)生類似金屬缺損的信號(hào), 掩蓋真正的金屬缺損信號(hào)。需要研究開發(fā)一種能把滲透性變化的情況濾除或?qū)⑵鋮^(qū)分出來(lái)的方法。支撐板會(huì)阻擋磁力線的傳播, 掩蓋缺損信號(hào), 導(dǎo)致靠近支撐板的管面檢測(cè)困難。管子的彎曲部位在壁厚和滲透性上變化很大, 嚴(yán)重影響了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流信號(hào), 探測(cè)此處的缺陷和缺陷尺寸成為問題。檢測(cè)時(shí), 必須保證檢測(cè)速度的平穩(wěn), 不能引起振動(dòng)噪聲, 否則振動(dòng)噪聲會(huì)湮沒缺陷信號(hào)7,8。4.研發(fā)與設(shè)計(jì)方向：接收線圈信號(hào)幅值太低, 通常為微伏或數(shù)十微伏數(shù)量級(jí), 信號(hào)的分辨和處理很困難。如何利用三維渦流場(chǎng)有限元法分析遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象和設(shè)計(jì)制造高靈敏度、高抗干擾能力、高信噪比的新型遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭, 及研制造價(jià)不太昂貴的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)系統(tǒng), 是遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的最重要的研究課題。探頭是遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,D. L. Atherton 和 T. R. Schmidt 等人提出, 使用飽和磁技術(shù), 可以提高掃描速度和工作頻率; 應(yīng)用平衡技術(shù)可以抑制或消除某些噪聲因素對(duì)缺陷信號(hào)142的干擾。此外需要從探頭的結(jié)構(gòu)及其它途徑分析探頭的缺損響應(yīng)特性, 如利用多頻激勵(lì)的方法來(lái)解決, 但多頻渦流是否具有常規(guī)渦流檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn), 可行性如何,需要進(jìn)一步研究。我國(guó)南京航空航天大學(xué)研制的三維探頭較好的反映了缺損響應(yīng)特征152。接收線圈只能反映圓周缺損變化的平均值162, 一般多用于直徑較小的管子。對(duì)于直徑較大的管子, 由于管內(nèi)空間大, 必須設(shè)置三維探頭, 采用圓周分布的一組接收線圈, 直接敏感三維缺損, 才能改善缺損特征的表達(dá)效果9,10。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)管內(nèi)壁和管外壁缺陷具有相同的靈敏度, 但缺陷的位置是在內(nèi)壁還是在外壁, 目前的技術(shù)尚無(wú)法回答。如何在管道檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化, 也是目前遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)研究的一項(xiàng)迫切任務(wù)。三、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：3.1研究?jī)?nèi)容： 本課題研究的是基于脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的管道內(nèi)檢測(cè)。3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備： 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為WTEM-1Q/GPS淺部瞬變電磁勘探系統(tǒng)，該設(shè)備集WTEM-1J/GPS瞬變電磁系統(tǒng)接收機(jī)和WTEM-1X小功率發(fā)射機(jī)為一體，集國(guó)內(nèi)外同類淺部瞬變電磁系統(tǒng)之所長(zhǎng)，具有大發(fā)射功率、超快速關(guān)斷、高可靠性、超強(qiáng)抗干擾（天電、50或60Hz工頻）能力、輕便、低耗電等特點(diǎn)。3.3實(shí)驗(yàn)制備：根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，制作相應(yīng)的不同參數(shù)的激勵(lì)線圈和接收線圈。實(shí)驗(yàn)所用缺陷試件為J55材質(zhì)鐵磁性鋼管，長(zhǎng)4150mm、外徑139.7mm、壁厚7.72mm，如下圖所示。A是一個(gè)倒圓錐臺(tái)形通孔，通孔的上部直徑為25mm，底部直徑為10mm，用于代表實(shí)際工件中的孔狀腐蝕；B是一個(gè)周向長(zhǎng)度為150mm的窄凹槽，槽寬為10mm，槽深為2mm；C是一個(gè)軸向長(zhǎng)度為200mm的窄凹槽，槽寬為10mm，槽深為2mm， D、E、F都是周向腐蝕缺陷，其周向幅度為90-180，深度都為1mm，D的軸向長(zhǎng)度為170mm，E的軸向長(zhǎng)度為110mm，F(xiàn)的軸向長(zhǎng)度為210mm。D、E、F代表面積型腐蝕。A缺陷距管道左端口500mm，F(xiàn)缺陷距管道右端口500mm，A、B、C、D、E、F各鄰近缺陷之間的距離均為500mm。 圖1 缺陷試件3.4實(shí)驗(yàn)方案:1、 通過查閱相關(guān)資料，掌握脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的基本原理和檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)造。2、 選擇探頭的基本幾何結(jié)構(gòu)，做出探頭的激勵(lì)線圈和接收線圈。3、 通過實(shí)驗(yàn)不斷的調(diào)整和優(yōu)化探頭的幾何構(gòu)造，使之達(dá)到符合實(shí)際需求的靈敏度。4、 用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出符合實(shí)際需求靈敏度的探頭參數(shù)。5、 根據(jù)分析得出的探頭參數(shù)做出探頭并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化探頭參數(shù)。6、 分析整理數(shù)據(jù)，在滿足檢測(cè)條件情況下得出最好的探頭參數(shù)。7、 根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行論文的編寫。8、 進(jìn)行總體檢查完成課題。四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度：4.1研究目標(biāo):1、 掌握脈沖渦流檢測(cè)的相關(guān)知識(shí)。2、 設(shè)計(jì)并優(yōu)化出符合檢測(cè)靈敏度的檢測(cè)探頭。3、 完成課題。4.2主要特色: 主要研究了脈沖渦流傳感器對(duì)實(shí)際檢測(cè)效果的影響，對(duì)傳感器的參數(shù)進(jìn)行了不斷的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。4.3工作進(jìn)度：第1周-第3周查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解脈沖渦流檢測(cè)和脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。第4周-第6周完成課題的總體規(guī)劃，進(jìn)而完成課題的初步方案。第7周-第8周進(jìn)一步分析、整理、完善探頭的設(shè)計(jì)方案，并做出探頭。第9周-第14周 通過實(shí)驗(yàn)對(duì)探頭進(jìn)行優(yōu)化。第13周對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出滿足實(shí)際需求檢測(cè)靈敏度的探頭參數(shù)。第14周-第18周根據(jù)實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果，撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備論文答辯。五、參考文獻(xiàn)：1 楊斌峰,張輝,荊毅飛等. 基于脈沖激勵(lì)的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)機(jī)理及缺陷定量評(píng)估技術(shù)J.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 13(6): 45-49.2 任吉林，林俊明電磁檢測(cè)M北京：科學(xué)出版社，2008.3 楊賓峰，徐曉杰，羅飛路.聯(lián)合時(shí)頻分析在脈沖渦流信號(hào)識(shí)別中的應(yīng)用J.無(wú)損檢測(cè),2007,29(12):690-693.4 劉洪清. 基于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的管道裂紋檢測(cè)方法有限元仿真研究D.北京：清華大學(xué)，2007.5 廉紀(jì)祥 沈 躍.管道遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展J.油氣儲(chǔ)運(yùn), 2004, 23( 7) 14 16.6 楊理踐，王賡，高松巍.基于脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)D.儀表技術(shù)與傳感器，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，2012.7 徐小杰,羅飛路.鐵磁性管道的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)計(jì)量技術(shù)， 2006( 12):7108 徐小杰.鐵磁性管道中軸向裂紋的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)研究D.長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué),20079 Vasi D, Bilas V, Ambru D. 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