管道缺陷的脈沖遠場渦流檢測研究-開題報告

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題目：管道缺陷的脈沖遠場渦流檢測研究專 業(yè) 名 稱 測控技術(shù)與儀器班 級 學(xué) 號 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。對服役管道定期實施無損檢測和評估，對保證安全生產(chǎn)和可靠的油氣輸送具有十分重要的意義。目前管道缺陷無損檢測方法主要有超聲波檢測法、漏磁檢測法、射線檢測法和渦流檢測法等。超聲檢測法常需要耦合劑，造成該方法在管道檢測中的應(yīng)用受到了限制，存在檢測效率低等劣勢；漏磁檢測法在裂紋檢測方面的能力有限，該方法對于閉合裂紋檢出率較低；射線法需要放射源，實際檢測過程中存在放射性物質(zhì)污染；常規(guī)渦流檢測技術(shù)由于受到集膚效應(yīng)的影響，難以對鐵磁性管道進行有效的檢測。脈沖遠場渦流檢測是一種新興的電磁無損檢測技術(shù)，將其應(yīng)用于管道檢測, 效率高, 實用性強, 經(jīng)濟可靠。研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)對鐵磁性管道檢測有著巨大優(yōu)勢。脈沖遠場渦流檢測采用一定占空比的方波激勵信號施加于激勵線圈，并在遠場區(qū)拾取感應(yīng)線圈電壓信號。由傅里葉變換可知，方波激勵信號可以等效為不同頻率正弦信號的疊加，具有頻譜信息豐富等優(yōu)點。近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者對脈沖遠場渦流檢測進行了探究。研究表明，脈沖遠場渦流檢測油氣管道存在一定優(yōu)勢。相比傳統(tǒng)遠場渦流檢測，脈沖遠場渦流檢測技術(shù)具有較高檢測深度、檢測精度和效率，且其檢測探頭長度較短，能更好地運用到實際服役管道檢測中。遠場渦流檢測對于應(yīng)力腐蝕裂紋具有較好的檢測能力，而且在無需磁化的條件下具有較深的穿透深度，同時對內(nèi)外壁缺陷具有相同的檢測靈敏度，因此其在鐵磁性管道的檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。2、 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢： 遠場渦流( Remote field eddy current, RFEC) 技術(shù)最早發(fā)表于 1951 年美國 W. R. Maclean 的一篇專利報告中112, 20 世紀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)用于油井套管檢測的遠場渦流儀。80 年代, 有限元法和計算機數(shù)值分析技術(shù)的應(yīng)用進一步推動了遠場渦流機理的研究,美國學(xué)者 T. R. Schmidt 教授、W. Lord 教授、D. L.Atherton 和我國的孫雨施教授等用有限元法和計算機仿真技術(shù)研究了遠場渦流現(xiàn)象, 應(yīng)用能量擴散流的概念闡明了遠場渦流現(xiàn)象的機理122。1986 年, 美國的科羅拉多州立大學(xué)用有限元方法模擬并復(fù)制了遠場狀態(tài)。我國的孫雨施教授和 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0現(xiàn)象1132。20 世紀 80 年代以后, 國內(nèi)外一些研究機構(gòu)著手進行遠場渦流檢測系統(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, 遠場渦流技術(shù)的應(yīng)用得到全面深入的研究, 許多研究機構(gòu)正在進行遠場渦流檢測系統(tǒng)的研制工作。與檢測鐵磁性管的不完全磁飽和渦流法和漏磁法相比, 遠場渦流檢測技術(shù)可以提供最佳的缺陷尺寸。遠場渦流檢測設(shè)備主要由以下幾部分組成： ( 1 ) 振蕩器和功率放大器, 用于激勵線圈, 輸出信號, 為相位測量提供參考信息。 ( 2 ) 相位及幅值檢測放大器, 用于處理接收線圈的接收信號。 ( 3 ) 計算機系統(tǒng), 用于存儲、處理和顯示檢測信號。 ( 4 ) 探頭及定位編碼器, 其中包括激勵線圈和接收線圈。 ( 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)動裝置, 便于掌握檢測速度和掃描采樣速率。1.脈沖遠場渦流的檢測原理： 脈沖遠場渦流傳感器與常規(guī)正弦激勵下的遠場渦流傳感器結(jié)構(gòu)相同，也是由間隔一定距離的激勵線圈和檢測線圈組成，檢測線圈放置在傳統(tǒng)意義下的過渡區(qū)，脈沖遠場渦流檢測的原理如圖1 所示。在激勵線圈上施加一個具有較小占空比的方波激勵信號，產(chǎn)生出一個脈沖磁場，磁場能量從激勵線圈到檢測線圈也存在2 個不同的耦合路徑: 沿管道軸線方向的直接耦合路徑，以及從激勵線圈附近穿出管壁沿管壁傳播，并最終再次穿過管壁到達檢測線圈的間接耦合路徑; 直接耦合路徑上的磁場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，因此成為管道檢測的依據(jù)2。 脈沖信號激勵下激勵線圈上電流和檢測線圈上的感應(yīng)電壓時域波形分別見圖2、圖3。從圖中可以看出，感應(yīng)電壓信號的直接耦合分量只出現(xiàn)在脈沖激勵電流的上升沿和下跳沿時刻，當(dāng)激勵電流斷開以后，感應(yīng)電壓信號并沒有消失，而體現(xiàn)為間接耦合分量，且間接耦合分隨時間衰減較慢。直接耦合電壓的負峰值對管道內(nèi)徑的變化敏感，而間接耦合電壓的過零時間對管道壁厚的變化敏感，因此可以提取感應(yīng)電壓信號的負峰值和過零時間( 見圖3 中標注) 作為特征量來分析管道裂紋缺陷的檢測信息。 圖1 脈沖遠場渦流檢測原理 Fig. 1 The principle of the pulsed remote field eddy current圖2 激勵電流信號 圖3 感應(yīng)電信號 2.遠場渦流和常規(guī)渦流技術(shù)的比較： 遠場渦流技術(shù)檢測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, 接收線圈必須處于距激勵線圈 2 3 倍管徑處的遠場區(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拾取傳播到管壁又返回的信號3,4。 遠場渦流檢測儀頻率較低( 典型為 50500 Hz) , 磁場可以穿過鐵磁性材料管壁, 為了保證在激勵的每個周期內(nèi)采集到信號, 并且不漏檢, 其檢測速度受到限制, 通常只有常規(guī)渦流檢測方法的1/ 3 1/ 5, 約在 10 20 m/min 之間。常規(guī)渦流檢測儀頻率較高( 1 000 Hz 范圍) , 在鐵磁性材料管道中,磁場被限制在管道的內(nèi)表面, 檢測外部缺陷非常困難。 遠場渦流技術(shù)主要用于檢測鐵磁性管道, 也可以用于檢測非鐵磁性管道, 其最大優(yōu)勢是能檢查厚壁鐵磁性管道, 最大檢測壁厚為 25 mm, 這是常規(guī)渦流技術(shù)無法達到的。其次, 對大范圍壁厚缺損, 遠場渦流檢測技術(shù)的檢測靈敏度和精確度較高, 精度可以達到 2% 5%, 對于小體積的缺陷, 如腐蝕凹坑等, 其檢測靈敏度的高低取決于被測管道的材質(zhì)、壁厚、磁導(dǎo)率的均勻性、檢測頻率和探頭的拉出速度等因素。常規(guī)渦流檢測技術(shù)與其相比造價較低, 一般適用于檢測非鐵磁性材料5。 遠場渦流檢測技術(shù)測量的是接收線圈輸出的相位和幅度信號, 條形圖顯示 的是相位和幅度的對數(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)渦流檢測顯示的是阻抗幅度和相位, 與壁厚的關(guān)系較復(fù)雜。遠場渦流檢測儀對內(nèi)外管壁缺損有相同的檢測靈敏度, 對填充系數(shù)要求低, 對有障礙物和凹痕的管子檢測效果很好, 對探頭在管內(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)場檢測時, 用戶必須提供一些被測管道的信息, 包括管道的使用年限、以前的檢測史、腐蝕數(shù)據(jù)及被測管道的長度等。為了避免掩蓋缺陷信號, 檢測前應(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。在管道檢測中遠場渦流檢測技術(shù)還存在以下技術(shù)難題6。滲透性變化會產(chǎn)生類似金屬缺損的信號, 掩蓋真正的金屬缺損信號。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)分出來的方法。支撐板會阻擋磁力線的傳播, 掩蓋缺損信號, 導(dǎo)致靠近支撐板的管面檢測困難。管子的彎曲部位在壁厚和滲透性上變化很大, 嚴重影響了遠場渦流信號, 探測此處的缺陷和缺陷尺寸成為問題。檢測時, 必須保證檢測速度的平穩(wěn), 不能引起振動噪聲, 否則振動噪聲會湮沒缺陷信號7,8。4.研發(fā)與設(shè)計方向：接收線圈信號幅值太低, 通常為微伏或數(shù)十微伏數(shù)量級, 信號的分辨和處理很困難。如何利用三維渦流場有限元法分析遠場渦流現(xiàn)象和設(shè)計制造高靈敏度、高抗干擾能力、高信噪比的新型遠場渦流探頭, 及研制造價不太昂貴的遠場渦流檢測系統(tǒng), 是遠場渦流技術(shù)應(yīng)用于實際的最重要的研究課題。探頭是遠場渦流檢測系統(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缺陷信號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, 如利用多頻激勵的方法來解決, 但多頻渦流是否具有常規(guī)渦流檢測的優(yōu)點, 可行性如何,需要進一步研究。我國南京航空航天大學(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效果9,10。遠場渦流檢測技術(shù)對管內(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)尚無法回答。如何在管道檢測中實現(xiàn)自動化, 也是目前遠場渦流檢測技術(shù)研究的一項迫切任務(wù)。三、研究內(nèi)容及實驗方案：3.1研究內(nèi)容： 本課題研究的是基于脈沖遠場渦流的管道內(nèi)檢測。3.2實驗設(shè)備： 實驗所用設(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)接收機和WTEM-1X小功率發(fā)射機為一體，集國內(nèi)外同類淺部瞬變電磁系統(tǒng)之所長，具有大發(fā)射功率、超快速關(guān)斷、高可靠性、超強抗干擾（天電、50或60Hz工頻）能力、輕便、低耗電等特點。3.3實驗制備：根據(jù)實驗需求，制作相應(yīng)的不同參數(shù)的激勵線圈和接收線圈。實驗所用缺陷試件為J55材質(zhì)鐵磁性鋼管，長4150mm、外徑139.7mm、壁厚7.72mm，如下圖所示。A是一個倒圓錐臺形通孔，通孔的上部直徑為25mm，底部直徑為10mm，用于代表實際工件中的孔狀腐蝕；B是一個周向長度為150mm的窄凹槽，槽寬為10mm，槽深為2mm；C是一個軸向長度為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的軸向長度為170mm，E的軸向長度為110mm，F(xiàn)的軸向長度為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實驗方案:1、 通過查閱相關(guān)資料，掌握脈沖渦流檢測技術(shù)的基本原理和檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)造。2、 選擇探頭的基本幾何結(jié)構(gòu)，做出探頭的激勵線圈和接收線圈。3、 通過實驗不斷的調(diào)整和優(yōu)化探頭的幾何構(gòu)造，使之達到符合實際需求的靈敏度。4、 用軟件對實驗數(shù)據(jù)進行分析得出符合實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)做出探頭并進行實驗驗證，進一步優(yōu)化探頭參數(shù)。6、 分析整理數(shù)據(jù)，在滿足檢測條件情況下得出最好的探頭參數(shù)。7、 根據(jù)實驗過程進行論文的編寫。8、 進行總體檢查完成課題。四、目標、主要特色及工作進度：4.1研究目標:1、 掌握脈沖渦流檢測的相關(guān)知識。2、 設(shè)計并優(yōu)化出符合檢測靈敏度的檢測探頭。3、 完成課題。4.2主要特色: 主要研究了脈沖渦流傳感器對實際檢測效果的影響，對傳感器的參數(shù)進行了不斷的優(yōu)化與設(shè)計。4.3工作進度：第1周-第3周查閱相關(guān)文獻資料，了解脈沖渦流檢測和脈沖渦流檢測系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。第4周-第6周完成課題的總體規(guī)劃，進而完成課題的初步方案。第7周-第8周進一步分析、整理、完善探頭的設(shè)計方案，并做出探頭。第9周-第14周 通過實驗對探頭進行優(yōu)化。第13周對實驗數(shù)據(jù)進行整理分析，得出滿足實際需求檢測靈敏度的探頭參數(shù)。第14周-第18周根據(jù)實驗和分析結(jié)果，撰寫畢業(yè)論文，準備論文答辯。五、參考文獻：1 楊斌峰,張輝,荊毅飛等. 基于脈沖激勵的遠場渦流檢測機理及缺陷定量評估技術(shù)J.空軍工程大學(xué)學(xué)報, 2012, 13(6): 45-49.2 任吉林，林俊明電磁檢測M北京：科學(xué)出版社，2008.3 楊賓峰，徐曉杰，羅飛路.聯(lián)合時頻分析在脈沖渦流信號識別中的應(yīng)用J.無損檢測,2007,29(12):690-693.4 劉洪清. 基于遠場渦流的管道裂紋檢測方法有限元仿真研究D.北京：清華大學(xué)，2007.5 廉紀祥 沈 躍.管道遠場渦流檢測技術(shù)的進展J.油氣儲運, 2004, 23( 7) 14 16.6 楊理踐，王賡，高松巍.基于脈沖遠場渦流的管道內(nèi)檢測技術(shù)D.儀表技術(shù)與傳感器，沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，2012.7 徐小杰,羅飛路.鐵磁性管道的遠場渦流檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)計量技術(shù)， 2006( 12):7108 徐小杰.鐵磁性管道中軸向裂紋的遠場渦流檢測技術(shù)研究D.長沙:國防科技大學(xué),20079 Vasi D, Bilas V, Ambru D. Measurement of ferromagnetic tube wall thick