航空金属套管结构脉冲远场涡流检测机制及探头优化

张 超,李 勇,2,刘正帅,闫 贝,任淑廷,陈振茂,2

(1.西安交通大学航天航空学院，西安，710049； 2.陕西省无损检测与结构完整性评价工程技术研究中心，西安，710049)

脉冲远场涡流检测技术相比于常见的涡流、超声、射线和漏磁检测等无损检测方法，其独特的远场效应使之具有受提离效应影响小、内外管检测灵敏度相同等优点，在航空金属管道无损检测方面具有天然的技术优势[1]。在脉冲远场涡流检测技术应用过程中，探头适用范围与其尺寸即探头长度紧密相关，因此，脉冲远场涡流检测探头的优化十分重要[2]，需在明晰脉冲远场涡流检测机制的基础上，优化探头结构以缩短探头尺寸并提高检测灵敏度，对被测构件存在的缺陷实施精确有效的识别与定量评估[3]。目前国内外已有一些对脉冲远场涡流检测机制及探头优化方面的研究。一方面通过磁屏蔽技术抑制磁场直接耦合分量的传播，进而增强间接耦合分量，以提高探头对缺陷的的响应能力；也可设置多层屏蔽结构，以增强探头对铁磁性材料的检测能力[4]。另一方面以坡印廷矢量在导体域和空气域中的分布规律为基础，分析和解释多层屏蔽结构的作用原理，可以得出使用高磁导率和高电导率材料作为屏蔽结构，同时在探头中设置磁芯的情况下，不仅能够降低噪声影响，而且能够提高检测灵敏度的结论[5-10]，但是目前针对双层异质航空金属套管远场检测中的响应机理探究和技术优化尚存不足。基于此，本文针对不锈钢-碳钢双层航空金属套管，探究脉冲远场涡流检测机制及检测探头的优化。

1 脉冲远场涡流检测机制

本文所提脉冲远场涡流检测技术原理如图1所示。在对被测航空金属套管进行检测时，向激励线圈中通入一定频率和占空比的脉冲方波信号，激励线圈产生的线圈磁场以直接耦合和间接耦合分量的形式向外传播。线圈场的直接耦合分量在管内沿轴线方向传播，由于金属管壁对磁场的屏蔽作用，导致其以直接耦合方式传播的磁场大幅衰减，这一范围内为近场区；线圈场的间接耦合分量在激励线圈附近穿越管壁传到套管外部，在空气中传播2～3倍管径的距离后，此处管内磁场小于管外磁场，以间接耦合方式传播的磁场分量二次穿越管壁回到管内被磁场传感器拾取到检测信号，这一位置起为远场区。以间接耦合方式传播的线圈场，在2次穿越管壁的过程中均在管壁表面激发感应涡流产生二次磁场，抑制原线圈场的变化，因此传感器所拾取的磁场检测信号中含有大量管壁厚度等信息，可对航空金属套管存在的缺陷进行分类识别以及定量评估，故采用脉冲远场涡流检测技术对航空金属套管结构进行检测。

图1 脉冲远场涡流检测原理

1.1 电磁场理论

在针对航空金属套管结构的脉冲远场涡流检测中，需要明晰激励电流加载与加载后的这一时间周期内，求解域内的磁场分布及变化规律。本研究中所涉及的区域分为导体域和空气域，其各自求解域内涡流问题的控制微分方程见式(1)～(3)。

导体域：

(1)

(2)

空气域：

(3)

式中：μ为磁导率；A为矢量磁位，单位Wb/m；σ为电导率，单位S/m；φ为标量电位，V；Ф是标量电位φ的时域积分，由离散方程对称导入；J0为源电流密度，单位A/m2。

根据矢量磁位A和标量电位φ的公式可得：

B=×A

(4)

(5)

因此可求得任一点处的电场强度E、磁感应强度B，根据空间任一点处电磁场的能流密度S公式：

(6)

式中：S为坡印廷矢量，单位W/m2。进一步获得求解域中任一点处的坡印廷矢量S，本文主要提取Sr和Bz进行研究。

1.2 快速有限元的建模

针对不锈钢-碳钢双层航空金属管道的脉冲远场涡流检测方法，利用快速有限元进行建模计算[11-12]，根据被测航空金属套管和检测探头在结构上的空间对称性，将模型由三维简化为二维以减小计算量和提高运行效率。航空金属套管的脉冲远场涡流检测模型如图2所示，模型各部参数如表1所列。探头中线圈匝数为1 350匝，激励电流为频率33 Hz、占空比33%的方波信号，其周期内电流幅值为1 A，激励电流信号如图3所示。

图2 脉冲远场涡流检测模型示意图

表1 脉冲远场涡流检测探头及被测航空金属套管参数

图3 激励电流信号

1.3 屏蔽效应

电磁屏蔽材料优先选择高导电率与高导磁率的材料[4，6]，本文选取铜质与铁质材料分别进行研究。为明晰屏蔽材料对远场区范围的影响，在仿真中设置2组模型，第1组为不同材料的单层屏蔽模型，第2组为不同排列方式的双层组合屏蔽模型，将2组模型的屏蔽效果与无磁芯无屏蔽(no magnetic core and no shield，NMC&NS)模型和有磁芯无屏蔽(magnetic core and no shield，MC&NS)模型的屏蔽效果作对比，以探究屏蔽结构是否有利于远场区的提前，同时为脉冲远场涡流检测探头的结构优化提供理论支撑。

提取各组模型中求解域内的坡印廷矢量，获取其在内管内壁(r=15 mm)上的坡印廷矢量r分量过零点(zero crossing point，ZCP)位置，该位置即为远场区开始位置，由此位置对比可知各组屏蔽结构对远场区的影响。图4为无磁芯无屏蔽时求解域内的坡印廷矢量r分量分布图，由图4可知，坡印廷矢量r分量在线圈附近穿出管壁，在管外传播一段距离后再次穿越管壁回到管内，该现象与远场效应一致，即磁场穿出管壁后二次穿透管壁回到管内。图5为无磁芯无屏蔽模型中坡印廷矢量r分量过零点截面上沿径向的坡印廷矢量r分量值，由图5可知该截面上功率流r分量在管内为正，管外为负，再次表明管壁上该点即为坡印廷矢量r分量过零点，即磁场的二次穿透位置，可用于表示远场区开始位置。

图4 无磁芯无屏蔽模型坡印廷矢量r分量分布

从各组模型计算结果中提取相对应坡印廷矢量r分量过零点处的磁通密度Z分量进行比对，其不同屏蔽类型过零点处磁通密度Z分量曲线如图6所示。由图6可知，无磁芯无屏蔽模型的磁通密度Z分量整体数值远小于其他类别，在此基础上设置单层与双层屏蔽片，由图6可知，屏蔽结构由一层增加为双层，最终为铜和铁均2.5 mm且铁质屏蔽片靠近线圈(Cu 2.5 mm & Fe 2.5 mm)时，在以上模型中有最大的磁通密度Z分量，表明屏蔽装置起到抑制磁场直接耦合分量作用的同时，通过聚磁作用增强了远场磁场强度，证明所提屏蔽装置对远场磁场强度增强的有效性。

图6 不同屏蔽类型过零点处磁通密度Z分量

各屏蔽结构模型中内管内壁上过零点位置与磁通量密度Z分量如图7所示，相比于无磁芯无屏蔽模型，同一模型在添加磁芯以后其坡印廷矢量r分量在内管内壁上的过零点位置由89.85 mm缩短到80.30 mm，表明探头可缩短10.6%，对应磁通密度Z分量从7.6×10-6T提升到7.3×10-5T，得到大幅提升，分析其原因在于磁芯起聚磁作用，收拢了整体分散的磁场，使得远场区管外的磁场得到增强，进而远场区管外磁场大于管内磁场的位置提前，即磁场二次穿透位置提前。

图7 各模型中过零点位置与磁通密度Z分量

在添加磁芯的基础上设置屏蔽结构，第一组带屏蔽结构的模型为单层铜片和单层铁片模型，相比于无磁芯无屏蔽模型，两种材料屏蔽片模型所对应坡印廷矢量r分量在内管内壁上的过零点位置均得到提前，在单层屏蔽片下远场区的提前效果中铜片(74.27 mm)的作用大于铁片(77.54 mm)，此为铜质屏蔽材料的高电导率特性所起抑制磁场直接耦合分量的屏蔽作用；但观察磁通密度Z分量的变化时可知，设置铁质屏蔽时的磁通密度Z分量大于设置铜质屏蔽时的磁通密度Z分量，其原因在于铁材料的磁导率远大于铜材料，铁质屏蔽结构在此处起聚磁作用，增强远场区管外的磁场强度使得二次穿透位置提前，此为高磁导率材料所起的聚磁作用。第二组模型设置了组合铜和铁质材料的屏蔽模型，不同之处在于两种材料相对于线圈的位置，由图7可知，对比铜质和铁质材料不同位置下的二次穿透位置与磁通密度Z分量，铁质材料更靠近线圈时有更小的二次穿透位置和远场区磁场强度，原因在于铁越靠近线圈时其聚磁作用越强，对远场区磁场的增强作用越大，同时考虑到铜对原磁场直接耦合分量的抑制作用，共同使得该模型中有更近的二次穿透位置和更大的远场区磁通密度Z分量。

1.4 探头灵敏度

由图7可知，双层屏蔽中铁质材料靠近线圈的组合有更近的二次穿透位置和更大的远场区磁场强度，故在实际探头设置中需考虑将高电导率与高磁导率材料组合使用，以获得最佳的屏蔽效果，以此为基础设计了带有双层屏蔽结构的探头，在快速有限元仿真中对被测航空金属套管进行检测，以探究设置屏蔽结构是否提高探头检测灵敏度。在被测航空金属套管的外管外壁设置了深度0.5、1.0、1.5、2.0 mm(12.5%、25.0%、37.5%、50.0%)的全周外壁减薄腐蚀缺陷，该金属套管结构中不锈钢内管的内径30 mm、外径38 mm、壁厚为4 mm，其碳钢外管的内径40 mm、外径48 mm、壁厚为4 mm。在该模型对应的磁场二次穿透位置处取磁通密度Z分量为检测信号，保证激励信号不变的条件下，以外管和内管壁厚均为4 mm即未发生腐蚀减薄时的金属套管作为标准试件，其检测信号为参考信号。

将不同深度缺陷下对应检测信号与参考信号作差分处理，提取差分信号峰值，与减薄量d关联后作图，差分信号峰值与减薄量关联规律如图8所示。

图8 差分信号峰值与减薄量关联规律

由图8可知，具有双层屏蔽结构的探头对不同深度缺陷的响应均大于无屏蔽结构时的探头，且具有双层屏蔽结构的探头对应关联曲线的斜率大于无屏蔽结构的探头，此斜率为探头检测灵敏度，表明设置双层屏蔽结构的探头对全周外壁减薄腐蚀缺陷的检测灵敏度优于无屏蔽结构探头。

2 脉冲远场涡流检测机制及探头优化

2.1 脉冲远场涡流检测实验平台

图9所示为搭建的脉冲远场涡流检测实验平台，包括信号发生器、功率放大器、带有磁芯和双层屏蔽结构的脉冲远场涡流检测专用探头、滤波放大器、数据采集卡和计算机组成整体的检测系统。图10所示为脉冲远场涡流检测专用探头结构示意图，由探头骨架、激励线圈、铁芯、组合屏蔽装置和磁场传感器组成，探头中磁场传感器位置可调，可根据不同屏蔽结构下的二次穿透位置进行适当位置调整。检测时将探头居中放置于被测航空金属套管中，激励线圈通入预设的方波信号，磁场传感器拾取到检测信号后经过滤波放大输入到计算机中成像。

图9 脉冲远场涡流检测实验平台

图10 脉冲远场涡流检测专用探头结构示意

2.2 实验及讨论

实验时，首先使用有磁芯有屏蔽结构(MC&S)且尺寸参数与仿真一致的脉冲远场涡流检测探头，屏蔽结构为仿真最优屏蔽结构即铜和铁均2.5 mm且铁质屏蔽片靠近线圈(Cu 2.5 mm & Fe 2.5 mm)，对航空金属套管的外管外壁全周减薄腐蚀缺陷进行检测。被测金属套管中不锈钢内管内径30 mm、外径38 mm、壁厚为4 mm，其碳钢外管内径40 mm、外径50 mm、壁厚为5 mm。在其外管外壁上设置深度0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm的全周外壁减薄腐蚀缺陷，获取无缺陷与不同深度缺陷下的远场检测信号。其次将探头中屏蔽装置去除，对上述同样的全周外壁减薄腐蚀缺陷进行检测，获取无屏蔽装置下的远场检测信号。在两组远场脉冲涡流检测中，保证激励信号不变，以外管壁厚5 mm、内管壁厚4 mm即未发生腐蚀减薄时的金属套管作为标准试件，其检测信号为参考信号(REF)。

作有无屏蔽装置时的远场区检测信号如图11所示，由图11可知，在外管外壁的不同减薄量缺陷检测信号中，有屏蔽结构探头的检测信号幅值均高于无屏蔽结构探头对应检测信号，表明设置屏蔽结构有利于提高远场区磁场强度。

图11 有无屏蔽装置时的远场区检测信号

为明晰不同深度缺陷对检测信号的影响程度，将各检测信号作差分处理，获得有无屏蔽装置时的远场区检测差分信号如图12所示。

图12 有无屏蔽装置时的远场区检测差分信号

由图12可知，不同探头检测信号中相同深度缺陷对远场检测信号的影响中，有屏蔽结构时的信号响应幅度均大于无屏蔽结构时，表明屏蔽结构的设置，能够提高探头对缺陷的响应能力。即双层屏蔽结构的使用，有利于对线圈磁场以直接耦合方式传播分量的抑制，同时能够通过聚磁效应提高远场区磁场强度，进而将磁场二次穿透位置提前且增强远场区磁场强度。

由于远场检测中磁场二次穿透管壁的特性，使得远场检测信号中含有丰富的管壁厚度信息，故仅需提取远场检测信号峰值，将该峰值与航空金属套管外管外壁全周减薄量关联以探究检测效果。有无屏蔽结构时检测信号峰值与减薄量关联规律如图13所示，由图13可知，在探头设置屏蔽结构以后，相同深度的减薄量对应有更大的检测信号峰值，更有利于提高缺陷的检出率。

图13 有无屏蔽结构时检测信号峰值与减薄量关联规律

综合考虑有无屏蔽结构时对远场磁场强度和探头对缺陷响应能力的影响，可知本文所提双层屏蔽结构相比于其他结构，有最优的远场区磁通密度Z分量，且该情况下探头中远场区磁场传感器放置位置最靠近线圈，即探头长度最短。表明使用本文双层屏蔽结构可获得幅值更大的检测信号以及对缺陷更强的响应能力，确保无损检测顺利进行。

3 结语

本文围绕不锈钢-碳钢双层航空金属套管的无损定量检测，以探究脉冲远场涡流检测的机制及检测探头的优化。通过快速有限元仿真研究，明晰坡印廷矢量在求解域中的分布规律，并通过坡印廷矢量r分量过零点识别远场区开始位置，探究电磁屏蔽结构在检测中的有效性。通过实验平台对航空金属套管腐蚀减薄缺陷检测进行了实验研究，以对屏蔽结构能力进行进一步验证，获取有无屏蔽结构下的检测信号进行对比，结果表明，屏蔽结构的使用有利于提高探头对缺陷的响应能力，同时提高远场区磁场强度，并缩短探头尺寸。实验结果与仿真结论一致，表明所提航空金属套管脉冲远场涡流检测远场区识别方法的有效性，以及基于电磁屏蔽的探头结构优化手段的可行性。