基于脈沖渦流檢測技術的保溫層下工藝管道腐蝕缺陷檢出率研究

童遠濤*

（中海石油（中國）有限公司海南分公司）

0 引言

長期服役的工藝管道內容易發生雜質沉積與微生物滋生等問題，進而發生垢下腐蝕或細菌腐蝕導致管道內壁產生缺陷，腐蝕缺陷主要為溝槽、坑蝕導致的局部壁厚減薄和腐蝕。近年來，脈沖渦流掃查檢測技術逐漸被應用于石油石化工藝管道腐蝕缺陷檢測工作，主要利用脈沖渦流技術產生的瞬變電磁特征對金屬管道的體積缺損率的敏感性較強的特點，特別是對于保溫層下的工藝管道腐蝕缺陷檢測具有較大優勢，該技術可以不拆除保溫層，直接對工藝管道進行快速檢測。

為了進一步明確脈沖渦流檢測技術對保溫層下工藝管道腐蝕缺陷檢出情況，本文設計了相關實驗，選取平臺工藝管道常用的保溫層形式（巖棉保溫層厚度為60 mm 及鋁皮厚度為0.25 mm ），通過測試對比分析，得出該檢測技術在一定保溫層下的檢出效果。

1 脈沖渦流檢測技術

1.1 技術原理

脈沖渦流檢測系統由3 個部分組成：激勵信號源模塊，由激勵線圈與磁傳感器組成的探頭模塊和調理采集檢測信號模塊。

脈沖渦流檢測系統的工作原理與具體流程如下：（1）激勵信號源負責產生脈沖方波信號，該信號可以任意調節頻率和占空比，為了增加脈沖方波信號的帶載能力，激勵信號源同時負責將脈沖方波信號的功率放大；（2）被激勵的脈沖方波信號進入探頭模塊，探頭模塊中的激勵線圈感生出激勵磁場，在磁場的作用下，被測金屬試件內部會產生對應的感應電渦流，電渦流在被測金屬試件內部流動，產生渦流感應磁場；（3）該渦流感應磁場的測量工作由探頭模塊中的磁傳感器完成，在渦流感應磁場的作用下，磁傳感器會輸出對應的瞬態電壓信號，該瞬態電壓信號數據值較小，通常不在信號采集模塊的量程范圍內，因此需要使用調理電路對其進行數據放大，調理電路同時負責去除瞬態電壓信號中的無用直流分量；（4）信號采集模塊采集調理電路輸出信號并進行存儲以便后期進行分析處理。

1.2 技術特點

與超聲檢測技術相比，脈沖渦流檢測技術具有不使用耦合性，無需對保溫層進行拆除等優勢；與射線檢測技術相比，其具有無需使用放射源等優勢。脈沖渦流檢測技術更加環保，更有利于保護相關工作人員的生命安全。

根據傅立葉變換定理，脈沖方波信號可分解為許多頻率不同的諧波分量。因此，在不改變信號頻率的條件下，脈沖渦流檢測技術可以通過檢測信號獲得較大面積區域的被測金屬試件表面及亞表面信息。同時，脈沖渦流檢測獲得的檢測結果幾乎不受線圈移動速度的影響，這個特點使得脈沖渦流檢測技術與其他檢測技術相比，具有很高的檢測效率。

脈沖渦流檢測技術所加載的方波信號的衰減速度明顯小于常規渦流檢測技術加載的正弦信號，因此脈沖渦流檢測技術可檢測腐蝕深度較大的缺陷，同時可對不同深度腐蝕缺陷進行定量分析；脈沖渦流檢測可在短時間內收集大量檢測數據信息，信息采集更加簡單、便捷。采集到的檢測數據既可進行實時分析，也可以進行離線分析，對于提離高度和邊緣效應對檢測結果帶來影響的問題，也可采取補償措施來避免；在金屬管道和設備的在役檢測領域，脈沖渦流檢測技術檢測成本小、安全性好，可在如管道或設備覆蓋層下鐵磁性管道的腐蝕缺陷檢測等傳統無損檢測技術無法覆蓋的領域發揮重要作用。

2 檢測設備

2.1 脈沖渦流檢測儀

YPEC-II 六頻四通道脈沖渦流檢測儀是新一代脈沖渦流無損檢測設備，可在滿足實時性和有效性的前提下，對鐵磁性和非鐵磁性金屬管道的內、外壁缺陷進行檢測，如圖1 所示。探頭提離（提離高度范圍較大，隨著提離高度增加，檢測精度會降低）、趨膚效應、電導率和磁導率不均等均不影響檢測結果，尤其對外覆層下的金屬管道的缺陷檢測效果明顯。

圖1 YPEC-II型脈沖渦流檢測設備及計算機輔件

YPEC-II 六頻四通道脈沖渦流檢測儀可以采用8個不同頻率（1/4、1/2、1、2、4、8 Hz）的脈沖渦流信號來激勵傳感器。通過電腦控制，YPEC -II 六頻四通道脈沖渦流檢測儀可根據受檢工件的壁厚、外覆層厚度的變化來激發線圈頻率的調整，可利用倍頻器形成倍頻并加載具有一定占空比的激勵信號。因此，該脈沖渦流檢測儀可根據需求產生對應的激勵方波。根據實際檢測的需求在1/4、1/2、1、2、4、8 Hz 共計6 種頻率中選擇2 個不同頻率，利用功率放大器放大后送達檢測探頭的激勵線圈，使用不同檢測線圈獲得不同的脈沖渦流信號。

2.2 脈沖渦流傳感器（探頭）

脈沖渦流傳感器（探頭）為偏平式線圈布設，型號為n1/n2/I1/I2/C1/M1，該探頭為雙通道探頭及可探傷和取相對壁厚值。傳感器參數如下：20 mm 的線圈頻率為 1/2～8 Hz；50mm 的線圈頻率為 1/2～1 Hz。耐高溫外護工裝50/ 100 mm，外形圓形或方形，依據不同工件的形狀可訂制探頭。

2.3 電腦及數據采集和分析軟件

檢驗調試使用的電腦性能應滿足檢驗需求,并安裝有脈沖渦流信號采集、分析和管理軟件(YPEC-II脈沖渦流分析軟件) 。

2.4 數據儲存和存儲介質

U 盤及電腦自帶的存儲介質或對于臨時記錄及數據儲存的最終介質。

2.5 標準試塊測試

標準測試樣件應與被檢樣件的材料、電磁特性相同，用于系統的標定和檢驗期間對脈沖渦流檢驗系統標定結果的校驗，圖2 為脈沖渦流探傷階梯平板試塊（碳鋼）。

圖2 脈沖渦流探傷階梯平板試塊（碳鋼）

3 檢測準備

3.1 設備調試與參數設定

測試樣為20#碳鋼樣管（該測試管道為海上平臺生產工藝管道），管件為三通，管道設計尺寸為610 mm×12 mm。

在工作參數功能模塊中，接收參數選擇疊加次數為 2，連測點數設定為 30，時間間隔輸入 10 s（導線同步并且是連測時讀取供電電流的時間間隔）；前放增益8 倍，主放增益 32 倍。

在設置頻率設置功能模塊中，將主機的發射頻率設定為對應的測試管道依據不同的材質、壁厚值、提離高度調試的參數。

在剖面圖功能模塊中，打開剖面功能，剖面顯示起始點、起止窗口、通道都為 1，延展點為31。設定剖面圖顯示紅色線段，并有標注點。

脈沖渦流檢測儀器采用數據線連接（單通道或多通道），特定的傳感器（探頭）連接器與脈沖渦流檢測儀用 4 芯連接線連接。裸管裸壁板的傳感器采用n1/n2型號的探頭，帶包覆層（保溫、防腐層等）的傳感器采用 i1/i2型號的探頭。主機設備同計算機采用藍牙連接，連接過程有選擇鏈接通道的提示。

3.2 樣管缺陷標記

將準備測試的樣管的腐蝕坑及通孔位置進行標記，采用“畫格法”，橫向和縱向，并對內腐蝕和通孔的位置進行標記和編號，詳見圖3；對穿孔位置進行標記和編號，詳見圖4。

圖3 試樣管腐蝕坑缺陷位置標記

圖4 樣管穿孔位置標記

4 鋼管測試結果

4.1 腐蝕坑測試結果

樣管的壁厚為 12 mm，工作頻率設置為 2 Hz，主機的工作電壓設定為 8 V，測點設置為 50 點。

以 2 Hz 頻率進行橫向和縱向掃查，傳感器（探頭）在管道的外表面進行勻速掃查移動，軟件面板可顯示移動過程中的特征曲線。脈沖渦流掃查圖譜經過壁厚軟件的解析，形成壁厚缺陷定位圖，如圖5 所示。

圖5 脈沖渦流掃查測試腐蝕坑缺陷定位壁厚圖譜

4.2 穿孔部位測試結果

采用“畫格法”將準備測試的樣管的通孔位置進行標記，設置樣管的壁厚為 12mm，工作頻率為 2 Hz，主機的工作電壓為 8 V，測點為 40 點。

按照 2 Hz 的頻率進行橫向和縱向掃查，傳感器（探頭）在管道的外表面勻速掃查移動，軟件面板顯示移動過程中的特征曲線。脈沖渦流掃查圖譜經過壁厚軟件的解析，形成壁厚缺陷定位圖，如圖6 所示。

圖6 脈沖渦流掃查測試穿孔缺陷定位壁厚圖譜

5 保溫層下管道測試結果

5.1 腐蝕坑測試結果

選擇 i 型傳感器（i 探頭通常穿透強度較高），主機的工作標定已經在之前的裸管測試完成，主機工作狀態可以保證選擇傳感器后的計算穩定性。管道外表面覆蓋巖棉保溫層厚度為 60 mm，外包厚度為0.25 mm 的鋁皮（模擬現場實際情況），如圖7 所示。

圖7 隔保溫層檢測保溫層下金屬管道腐蝕坑缺陷檢測

樣管壁厚為 12 mm，外敷保溫層厚度為 60 mm，外包厚度為0.25 mm 的鋁皮。工作頻率設置為 1 Hz，主機的工作電壓設定為 8 V，測點設置為 40 點。按照 1 Hz 的頻率進行橫向和縱向掃查，傳感器（探頭）在管道的外表面勻速掃查移動，軟件面板顯示移動過程中的特征曲線。脈沖渦流掃查圖譜經過壁厚軟件的解析，形成壁厚缺陷定位圖，如圖8 所示。

圖8 脈沖渦流掃查測試60 mm保溫層下缺陷定位壁厚圖譜

5.2 穿孔部位測試結果

選擇 i3型傳感器，主機的工作標定已經在之前的裸管測試完成，主機工作狀態可以保證選擇傳感器后的計算穩定性。管道外表面覆蓋巖棉保溫層厚度為 60 mm，外包厚度為 0.25 mm 的鋁皮（模擬現場實際情況），如圖9 所示。

圖9 隔保溫層檢測保溫層下金屬管道穿孔缺陷檢測

樣管壁厚為 12 mm，外敷保溫層厚度為 60 mm，外包厚度為 0.25 mm 的鋁皮。工作頻率設置為 1 Hz，主機的工作電壓設定為 8.5 V，測點設置為30 點。按照 1 Hz 的頻率進行橫向和縱向掃查，傳感器（探頭）在管道的外表面勻速掃查移動，軟件面板顯示移動過程中的特征曲線。脈沖渦流掃查圖譜經過壁厚軟件的解析，形成壁厚缺陷定位圖，如圖10 所示。

圖10 脈沖渦流掃查測試隔保溫60 mm層下穿孔缺陷定位壁厚圖譜

6 結果對比分析

對通過脈沖渦流掃查檢測的問題區域進行劃定定位，用超聲波測厚儀器（奧林巴斯 38DL PIUS）對圖譜標定的缺陷部位進行復檢，復檢的壁厚絕對值選取實測最小壁厚，可得到該部位的最大減薄率，以及區域高風險部位。

采用脈沖渦流掃查檢測技術對鋼管進行檢測，7個內腐蝕缺陷（不同腐蝕程度，腐蝕坑形貌的缺陷最小直徑為 7 mm）全部被檢出，脈沖渦流掃查圖譜對缺陷的定位作用較好。對60 mm 厚的保溫層外包0.25 mm 鋁皮的缺陷檢測，7 個內腐蝕缺陷可檢出 5處（PEC-1、2、4、6、7），最小缺陷為7 mm 直徑的位置點PEC-3 掃查圖譜顯示不明顯，重復掃查重復性較差。檢測結果如表1 表示。

表1 樣管檢測結果對比匯總

7 結語

對保溫層厚度為60 mm，外包厚度為0.25 mm 鋁皮的缺陷進行檢測，脈沖渦流技術可以對部分缺陷檢出判定，評估結論如下：

（3）對保溫層厚度為 60 mm 外包0.25 mm 鋁皮的缺陷進行檢測時，對內壁或外壁的表面“密集型麻坑”（獨立坑蝕，在直徑沒有要求的條件下），在面積大于 3.14 cm2的情況下，通過脈沖渦流的金屬體積微積分迭代計算，檢測精度也可以達到90%以上。

（4）由于脈沖渦流具有提離效應，對于 60 mm的提離傳感器對缺陷的信號提取會受到一定的影響，直接導致檢測精度降低，但通過圖譜的判斷可以定位缺陷的具體位置范圍，再拆除保溫進行精確掃查，則可以將精度提高至100%。