图 1脉冲涡流检测的激励信号与接收信号
化工运输管道常常采用夹套结构来加热或冷却运输管道中的原料，夹套管是一种管道内外安装同心双层碳钢套管的管道。夹套管在役期间，经过长期的运输冲刷，管道内管与外管之间存在着压力差，并且运输的介质常常带有一定的腐蚀特性，极易造成夹套的壁厚减薄，严重危害夹套管的在役生产与运输安全[1]。由于夹套管的结构限制，对于夹套管的内管检测，常规检测方法中超声、漏磁等方法均无法达到检测要求[2-6]，故其一直是工程中的一个难题。为确保夹套管道的在役安全性与稳定性，找到一种针对夹套管内管的合理检测方法，有着十分重要的意义。
脉冲涡流检测是一种非接触式的外检测方法[7]，目前已经在带包覆层管道中有了广泛的应用且效果明显。脉冲涡流检测原理与常规涡流检测原理不同，其在探头上加载一定占空比的双极性方波，使被测管道中产生一个快速衰变的涡流，涡流由电信号转化为磁信号后，被检测线圈以衰减的电压形式捕获，由于管道中壁厚减薄部位的电导率与磁导率会发生改变，故在接收线圈中得到的衰减电压也不同，以此为依据可判断出管道的腐蚀情况，从而评价管道的壁厚与缺陷情况。脉冲涡流检测的激励信号与接收信号示意如图1所示，t=0至t=t3为激励的正向供电时间；t=t4至t=t7为激励的反向供电时间；t=0至t=t1为激励的上升沿；t=t2至t=t3为激励的下降沿。脉冲涡流检测系统结构示意如图2所示，该系统主要由探头、激励电路、放大电路和接收电路组成，激励电路在探头的激励线圈中驱动双极性方波，使空间磁场发生变化，作用在管道上产生涡流，快速衰变的涡流产生二次磁场，经过探头捕获后被放大采集，再经上位机处理，得到易被观测的结果。
脉冲涡流检测有着对环境依赖低、检测速度快、检测费用低、穿透能力强、无需耦合剂等优点[8-10]，文章应用脉冲涡流检测技术，在不去除夹套管外管的情况下对其内管进行检测。首先采用有限元仿真分析软件从仿真的角度分析涡流场的分布，其次进行实际试验并分析检测结果，讨论其实用性。
1. 有限元仿真
1.1 有限元仿真原理
有限元法是将一个连续物体分割成有限个离散大小的单元，把一个连续的无穷自由度问题变为离散的有限自由度问题的方法，以求解电磁场在空间中分布的大小方向等。电磁有限元仿真基于麦克斯韦方程组，其微分形式为
式中：
1.2 仿真模型建立
采用有限元软件建立三维夹套管仿真模型，仿真模型与网格划分如图3所示。其中，夹套管外管长度为400 mm，外径为150 mm，内径为140 mm；内管长度为400 mm，内径为84 mm，外径分别为100.0，98.4，96.8 mm；内管与外管同轴心放置，图中已经对空气域进行了隐藏，并且切割剖分了模型的一半。夹套管的内管和外管材料均为20碳钢。
探头模型如图4所示，其为直角U形探头，激励线圈绕在铁氧体的磁芯上，接收线圈置于铁氧体的下方，紧贴磁芯。仿真中设置探头距离套管外管提离高度为5 mm，激励线圈匝数为489匝，两个接收线圈的匝数均为200匝，对不同厚度的内管分别进行仿真研究。有限元仿真中设置激励电流为0.51 A，内管和外管相对磁导率为175，电导率为1.12×107S/m，空气域为椭圆形，无限元域层厚为80 mm。仿真采用自由四面体网格进行剖分，并且只求解了模型的一半，为了简化模型与准确描述研究对象的模型和结构，在剖分网格时，对探头正下方的管道进行了扫掠，细化剖分了探头正下方的区域，并且对内管和外管进行边界层设置，其中边界属性均设置为5，拉伸因子设置为1.2。
1.3 仿真结果分析
以有限元仿真中8 mm厚的内管为例，绘制了不同时刻的夹套管内外管的涡流分布，如图5所示，在每个分图中左图例代表的是内管的涡流分布，右图例代表的是外管的涡流分布。当激励关断后，在t= 10−5s时，在夹套管外管外壁表面上，产生两处位于U形探头两端的激励线圈的正下方的涡流，该涡流中间存在盲区，两处涡流存在相交的边界区域，并且此区域在探头正下方的电流密度模最大，能量最集中。在t=10−5s和t=10−4s时，夹套管的内管上基本上不产生涡流。
随着时间的推移，t=10−4s时涡流从探头正下方的外管外壁上开始向四周扩散，并且涡流从外管表面向管道内部渗透；t=10−3s时涡流已经从夹套管的外管渗透到内管外壁表面，并且缓慢增大。
当t=0.01 s后，外管外表面的涡流大部分已经渗透到外管内，此时夹套管的内管外表面产生的涡流也逐渐增大，此涡流沿着管道的周向方向，涡流能量集中于探头正下方，内管表面涡流也逐渐向内管内部渗透；在t=0.1 s后，内管的涡流已经基本衰减消耗完全；t=0.5 s时，内外管道的微弱涡流已经沿着管道的周向方向衰减完全。
2. 检测试验
2.1 试验平台
脉冲涡流试验平台如图6所示，该平台由激励信号发生器、电压采集电路与放大电路、探头和平板电脑上位机组成。试验选取合适的激励参数对于提高检测灵敏度具有重要意义，合适的激励电流能够减小噪声的影响，较低的频率接收时间较长，趋肤深度较大[11]。经过试验验证,最终采取使用频率为1 Hz的等宽双极性方波，激励电流为0.51 A。
2.2 试验方法
试验采用20碳钢管道，夹套管内管与外管尺寸示意如图7所示。外管的外径为150 mm，内径为140 mm 壁厚为5 mm。内管有阶梯管和局部腐蚀管两种类型。阶梯管壁厚分3个阶梯厚度，分别为8.0, 7.2, 6.4 mm，其中内径为84 mm，外径分别为100.0, 98.4, 96.8 mm。局部腐蚀管使用人工的局部腐蚀缺陷，缺陷长和宽都为50 mm，其中缺陷1的深度为7.2 mm，缺陷2的深度为1.8 mm。
当内套管为阶梯管时，探头摆放移动路径分别从壁厚8.0, 7.2, 6.4 mm的内管厚度中间位置点测3次。对于内套管的局部腐蚀缺陷情况，探头的移动路径是从缺陷2远端向缺陷1每间隔2 cm移动点测1次。探头使用U形铁氧体磁芯，纵向摆放在检测夹套管外管上，探头在磁芯的两端脚与中间部分绕制激励线圈，在磁芯的两脚下方摆放接收线圈。探头的参数与仿真中保持一致，探头结构尺寸示意如图8所示。
2.3 试验结果
得到的脉冲涡流信号示意如图9所示。对于电压衰减曲线，理论上信号不受激励电流小幅度变化影响，以完整壁厚为参考，当管道壁厚发生减薄时，信号在后期的斜率会发生改变，信号衰减的幅值明显会比完整管道的小，并且管道壁厚越薄信号衰减得越快。剖面图中测点a,c由完整壁厚得到，测点b由管道壁厚减薄信号得到。
通过实验室仪器采集得到的电压下降曲线，对3个厚度套管分别进行了3次测量，测量结果如图10所示。图10（a）是双对数电压下降曲线，对细节部位进行了放大处理。图10（b）是图10（a）经过处理后得到的剖面曲线，其中位置一是套管的内管8.0 mm厚处，对应图10（a）中的1，2，3；位置二是套管的内管7.2 mm厚处，对应图10（a）中的4，5，6；位置三是套管的内管6.4 mm厚处，对应图10（a）中的7，8，9。由图10（a）可知，夹套管内管同一厚度下的电压下降曲线基本重合，在夹套管内管不同厚度减薄时曲线区分度明显。
对于套管的内管局部腐蚀缺陷，其剖面图如图11所示，其中缺陷1检测效果较好，能够有效地检测到内管的局部缺陷，缺陷2深度较小，检测效果较差。
分析试验结果可知，在不去除夹套管外管的情况下，使用脉冲涡流方法检测夹套管内管的效果良好且明显，当内管是阶梯管时，能够有效区分出夹套管的内管壁厚减薄，当夹套管内管为 50 mm×50 mm×7.2 mm的局部缺陷时，能够有效检测出局部缺陷的腐蚀情况。
3. 结论
文章采用有限元仿真分析，得到了夹套管内外管涡流在不同时刻的分布，设计了直角U形探头，采用脉冲涡流法检测了夹套管的内管。试验结果表明，在夹套管内管减薄壁厚分别为10%，20%的情况下，采集得到的电压下降曲线区分度明显，剖面图可以明显区分出内管的不同壁厚；内管局部缺陷为50 mm×50 mm×7.2 mm时，利用剖面图能够有效识别并测量出内管缺陷。
文章来源——材料与测试网