金属管线脉冲涡流阵列无损检测仿真研究

摘要：管道作为石油运输产业的生命线， 需要进行不断地检测和维护。其中脉冲涡流无损检测技术可以利用铁磁线圈发出激励信号，在检测管道内感应生成涡流磁场，遇到缺陷时，产生相应的磁场变化，从而确定管道缺陷的大小及方位，便于管道维护和使用。但由于传统的脉冲电磁涡流检测技术选择将信号源与接收装置放置于管道内，导致只有拆除管道，才能进行无损检测。因此，对于正在使用的运输管道来说，这种无损检测方便性差，使用率低。这里将使用4个线圈作为发射源，环绕在钢管四周，组成相应的脉冲涡流阵列检测模型，并利用多功能物理场仿真软件对该模型进行模拟仿真。结果证明，使用脉冲涡流阵列无损检测技术可以对正在使用的运输管道进行无拆除无损检测。

关键词：金属管线；无损检测；涡流检测

中图分类号：TE980      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）07-0132-03

开放科学（资源服务） 标识码（OSID）

0 引言

脉冲涡流无损检测技术[1]利用电磁感应原理[2-3]，通过向被检测物体施加若干脉冲电流，产生瞬态磁场，物体表面形成相应涡流。当该脉冲电流在物体表面遇到缺陷时，会导致涡流场的相应变化，从而产生一个与缺陷相关的信号[4]。通过对该信号进行检测，处理和分析，可以得到该缺陷的位置、大小和形状等信息。

根据脉冲涡流无损检测技术，可以为正在使用的金属管道设计一种利用套管本身结构缺陷引发的涡流磁场的变化的脉冲涡流无损检测方法[5]，对其工作状况和存在的缺陷进行定性判别以及定量评估，为后续的修复工作提供支持，保障金属管线高效、安全生产。

1 涡流检测原理

1.1 电磁感应原理

Maxwell[6]总结了电磁感应定律，构建了电磁学研究理论基础，这就是著名的Maxwell方程组，是电磁学一切研究工作的理论基础，方程组如下：

[∇×H→=J→+∂D→∂t] （1）

[∇×E→=-∂B→∂t] （2）

[∇⋅B→=0] （3）

[∇⋅D→=ρ] （4）

[H—磁场强度Am;J—电流密度Am2]；D—电感强度；E—电场强度；B—磁感应强度T。

如图1所示，给蓝色的激励线圈通入一个脉冲激励源，即会形成一个脉冲磁场，在遇到一个磁性导体时，得到相应的脉冲涡流信号。脉冲激励源得到的脉冲磁场和磁传感器试件作用得到的脉冲涡流磁场相互作用，使磁通量密度发生改变。根据电磁涡流检测技术基本理论，对渗透深度和趋肤效应进行理论分析和数值模拟，可以为整体设计提供理论支撑。

其中，

[B=NμIR22（x2+R2）32] （5）

如图2所示，由于趋肤效应在，被测试件表面涡流强度随着向被测试件内部深入按指数衰减，根据[f]，[μ]，[σ]理论分析可知，被测试件内部深x处的涡流强度表达式为：

[Ix=I0e-πfμσx] （6）

其中，[Ix]表示被测试件内部深度为[x]处的涡流强度；[I0]为被测试件表面的涡流强度；[f]表示线圈两端加载的交流电的频率；[μ]表示被测试件的磁导率；[σ]表示被测试件的电导率。

标准渗透深度[7]表达式为：

[δ=1πfμσ] （7）

由式（7） 可得，激励频率为固定值时，被测试件的磁导率和电导率越高，电涡流检测时趋肤效应越明显。当被测材料的磁导率和电导率为固定值时，改变激励频率的大小可以使涡流渗透深度发生变化。铁磁性材料的磁导率[8]较高，对铁磁性材料采用涡流检测技术进行质量评价时，通常选取较低的激励频率获得较大的涡流渗透深度[9]电涡流检测中，当被测试件存在缺陷时，缺陷位置处的涡流强度与其他区域相比有极大的变化，区分涡流强度的变化，检出缺陷[10]时，由趋肤效应可知，被测试件表面处的涡流强度最大，那么当缺陷位置在被测试件表面时，此时检测效果最好；反之，当缺陷位置在被测试件内部时，检测效果相对较差。

2 实验设置

2.1 二级标题

与通常选择将检测系统放置在管道内，需将正在使用的管道拆除进行检测不同，本文提供了一种将整个检测系统放置在管道外侧， 选用直径为102mm，内径为82mm，壁厚10mm的金属管道作为实验对象。

无损检测实验对输入信号的圆柱形线圈，通入电流以及摆放方式进行定量，通以1A电流（选取1A作为初始参考值） ，匝数为100匝（仿真结果证明，在只改变线圈匝数100，1 000，10 000情况下，形成的磁通密度几乎重合） 。表1为金属管线和发射线圈的相关参数。

2.2 缺陷参数设置

表2根据缺陷大小种类不同，在金属管线四周设置管内缺陷、管外缺陷、贯穿缺陷和管里缺陷4种圆形缺陷，并在竖直方向对缺陷大小进行改变。缺陷大小的半径分别为1mm，3mm，5mm和7mm，并设有2组无缺陷对照组。

2.3 提离高度

提离高度：5mm（提离高度极大影响了线圈在钢管上的磁感应强度，理论上来说，高度越小，磁感应强度越强，测试检测效果越好；但由于设备制造实际因素，需要在线圈与钢管之间留有一定距离，本研究选择了5mm作为仿真高度） 。

3 探针位置对无损检测的影响

在离中心51mm-67mm范围内，每隔1mm做一条垂直于xy平面的三维切线，每组17条截线，共4组。并选取50 000Hz的频率作为实验频率（根据趋肤深度公式可知，当检查材料线圈以及被检测材料金属管线确定时，线圈的通入频率[f]越大，趋肤深度越小，频率越高，所得出的曲线图的缺陷就越明显，形状越清晰，判断缺陷处的干扰就越少。在这里选取20 000Hz作为实验对象） 。其中，将X轴正方向（即缺陷在钢管外部） 作为研究对象。

如图4所示，取距离中心线51mm，55mm，59mm，63mm，67mm结果图作为代表。大致得出传感器安置离钢管越近，缺陷处磁通量密度变化越大，缺陷位置越容易找到的结论。

如图5所示，励源输入频率为20 000Hz在探针摆放在距圆心51mm，55mm，59mm处不同缺陷大小磁通量密度变化图。即在图5的众多结果中选取3条作为代表。发现在离中心51mm处放置探针，其缺陷位置的磁通量变化最明显。

得出即使激励源输入频率发生变化时，探针摆放在离金属管线越近，磁通量密度模变化越明显。因此在实现该实验时，应尽量将传感器放在钢管表面，以便得到缺陷处磁通量密度模变化越大的实验结果，方便后续找寻缺陷位置和判断缺陷大小。

4 激励频率对无损检测的影响

根据趋肤效应公式可知，在被测试件的磁导率、电导率、提离高度确定的条件下，需要选取一个较为合适的频率，来完成对被测管线的测试。

实验设计钢管厚度近似为10mm，提离高度为5mm，要想得到相应的信号，激励源发出的激励信号至少到达5mm。要想测得整根钢管的缺陷，激励源信号则需要到达至少15mm深度，因此，我们将集肤深度区间设置在5mm至20mm范围内，来确定大致激励源频率。可根据趋肤深度公式反推一个较为合适的激励频率：

[f=1δ2πμσ] （8）

其中[μ=μ0μr=4π×10-7H/m]，（[μ0=4π×10-7H/m]，为真空磁导率，因预先对钢管磁化，其相对磁导率[μr]的值可近似看成1） ，[σ]金属管线电导率为[2×107S/m]，得出频率[f]的范围在5 628.95Hz（趋肤深度为15mm） 到50 660.56Hz（趋肤深度为5mm） 之间，因此将该实验激励源频率设置为4 000Hz，5 000Hz，8 000Hz，10 000 Hz，20 000Hz，50 000Hz。

如图6可以得出，探针摆放位置相同时，激励源输入频率越大，当遇到较大缺陷时，探针处磁通量密度变化越大。得出的缺陷大小，深度等信息越清晰。

5 结论

根据以上研究，可以得出，使用将检测设备放置在金属管线外的电磁涡流无损检测技术可以有效地检测出金属管线上的缺陷。其中，将接收装置放置在距金属管线越近的位置，其探测到的金属磁通密度变化就越清晰。而给激励源通入的电流信号频率越大，测出金属管线较大缺陷的信号变化就越明显，但对于较小的管线缺陷，较大的输入频率则失去了检测功能。因此，可以折中选择一个较为合适的激励源输入频率，即可以测出较大的缺陷，又兼顾细微缺陷。也可以选择向金属管线通入低频与高频的信号同时或间隔的输入信号来检测金属管线上的缺陷。但该种检测方法的实现难度较大，可以进行深入研究。

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【通联编辑：李雅琪】