超高壓管式反應(yīng)器（以下簡(jiǎn)稱反應(yīng)器）在工業(yè)聚乙烯生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，是生產(chǎn)裝置的核心設(shè)備之一。反應(yīng)管在制造階段會(huì)進(jìn)行自增強(qiáng)處理[1]以改善內(nèi)管壁殘余應(yīng)力的分布，提升其彈性承載能力。由于長(zhǎng)期在高溫、高壓、高介質(zhì)流速的環(huán)境下運(yùn)行，反應(yīng)器的自增強(qiáng)殘余應(yīng)力在運(yùn)行一定周期后會(huì)發(fā)生衰減，從而可能導(dǎo)致反應(yīng)管內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋、腐蝕等缺陷。 

超高壓管式反應(yīng)器是一種呈管狀、長(zhǎng)徑比很大的連續(xù)操作反應(yīng)器，其實(shí)物如圖1所示。用于生產(chǎn)聚乙烯的反應(yīng)器管長(zhǎng)以公里計(jì)，由無(wú)縫鋼管與U形管連接而成。其結(jié)構(gòu)有單管，也有多管并聯(lián)，其直管段連接采用透鏡面鋼法蘭，承受壓力可達(dá)280 MPa。目前，反應(yīng)器在停車檢修期間缺乏有效的檢測(cè)手段，主要原因有：一是反應(yīng)器一般設(shè)置有夾套管，常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)無(wú)法使用；二是停車狀態(tài)下，反應(yīng)管內(nèi)壁被大量聚乙烯粉末覆蓋，難以完全清除，常規(guī)檢測(cè)手段難以開(kāi)展。基于此，探索一種適用于反應(yīng)管裂紋的脈沖渦流檢測(cè)方法具有重要意義。 

圖  1  超高壓管式反應(yīng)器實(shí)物

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)是一種在渦流檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，可以在不拆除包覆層的情況下對(duì)承壓設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，因此適用于飛機(jī)蒙皮等非鐵磁性材料和容器管道等鐵磁性材料的檢測(cè)。對(duì)于不同磁導(dǎo)率材料的脈沖渦流檢測(cè)，其檢測(cè)信號(hào)特征不同，采用的信號(hào)處理方法不同。針對(duì)反應(yīng)器內(nèi)徑小、壁厚較厚、內(nèi)壁聚乙烯粉末無(wú)法完全清除的特點(diǎn)，利用脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)可以在一定程度上減少上述因素導(dǎo)致的檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確問(wèn)題。 

1.   脈沖渦流檢測(cè)原理

脈沖渦流檢測(cè)激勵(lì)和采集原理示意如圖2所示。其探頭由激勵(lì)線圈和接收線圈組成，在激勵(lì)線圈中施加周期性的方波信號(hào)，線圈周圍產(chǎn)生瞬變磁場(chǎng)，即一次磁場(chǎng)，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)被關(guān)斷時(shí)，周圍磁場(chǎng)快速衰減，被檢試件會(huì)感應(yīng)出電流，即脈沖渦流，脈沖渦流在一定時(shí)間內(nèi)衰減，產(chǎn)生二次磁場(chǎng)；激勵(lì)關(guān)斷后，一次磁場(chǎng)變?yōu)榱悖藭r(shí)通過(guò)接收線圈測(cè)量二次磁場(chǎng)的變化，若被檢試件存在壁厚變化或缺陷，通過(guò)采集接收線圈上的感應(yīng)電壓即可進(jìn)行判斷。 

圖  2  脈沖渦流檢測(cè)激勵(lì)和采集原理示意

2.   有限元仿真

2.1   仿真模型的建立

文章中使用有限元仿真構(gòu)建1/2模型并對(duì)所設(shè)計(jì)的探頭建立模型。通過(guò)分析有缺陷和無(wú)缺陷處管道渦流的分布情況，可判斷裂紋對(duì)渦流的擾動(dòng)程度，從而在探頭設(shè)計(jì)上提供參考；通過(guò)分析探頭在管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)不同角度時(shí)的渦流變化，可以確定探頭在管道內(nèi)可檢測(cè)的內(nèi)壁面積范圍；根據(jù)檢測(cè)信號(hào)剖面圖中出現(xiàn)的類正弦信號(hào)即可確定缺陷位置。 

仿真模型中所用管道和實(shí)際試驗(yàn)中的一致。管道內(nèi)徑d為76 mm，外徑D為180 mm，管壁厚度T為52.5 mm。管道內(nèi)壁設(shè)置兩個(gè)缺陷，縱向裂紋寬度為1 mm，深度分別為10 mm和15 mm。使用的脈沖激勵(lì)頻率為4 Hz，激勵(lì)電流為1.5 A。管道電導(dǎo)率設(shè)置為4.46×106 S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)置為180。探頭尺寸示意及探頭在管道內(nèi)的模型如圖3所示，激勵(lì)線圈與管道同軸放置，接收線圈緊貼管壁，探頭位于管道內(nèi)部并緊貼管壁。 

圖  3  探頭尺寸示意及探頭在管道內(nèi)的模型

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，文章將探頭放進(jìn)管道內(nèi)無(wú)缺陷處進(jìn)行檢測(cè)，將仿真模型中無(wú)缺陷處的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。無(wú)缺陷處單個(gè)接收線圈仿真與試驗(yàn)得到的感應(yīng)電壓衰減曲線如圖4所示，可知該模型在中后期的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果大致重合，驗(yàn)證了文章中數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。 

圖  4  無(wú)缺陷處仿真與試驗(yàn)得到的感應(yīng)電壓衰減曲線

2.2   仿真結(jié)果分析

96 μs時(shí)刻縱向探頭渦流分布如圖5所示，可知探頭在無(wú)缺陷處產(chǎn)生了環(huán)繞管壁的渦流，由激勵(lì)場(chǎng)產(chǎn)生的渦流受到裂紋的較大擾動(dòng)，即在旋轉(zhuǎn)一定的角度后該探頭仍能夠檢測(cè)到縱向裂紋。仿真結(jié)果表明該探頭可以實(shí)現(xiàn)管道一半圓周的檢測(cè)，故采用兩對(duì)接收單元即可對(duì)整個(gè)管道圓周進(jìn)行全面掃查。 

圖  5  96 μs時(shí)刻縱向探頭的渦流分布

管道無(wú)缺陷處、10 mm及15 mm深缺陷處的渦流分布如圖6所示，可知在關(guān)斷激勵(lì)50 ms內(nèi)，無(wú)缺陷處探頭正上方位置渦流分布較集中，有利于探頭對(duì)局部缺陷的檢測(cè)；10 mm和15 mm深的裂紋對(duì)渦流擾動(dòng)較大，且15 mm深的裂紋的擾動(dòng)程度更大。結(jié)果表明該探頭適用于檢測(cè)縱向裂紋，且裂紋深度越深，檢測(cè)靈敏度越高。 

圖  6  管道無(wú)缺陷處、10 mm及15 mm深缺陷處的渦流分布

10 mm及15 mm深裂紋的仿真衰減曲線和剖面圖如圖7所示（圖中8#表示探頭在裂紋左側(cè)且靠近裂紋1 cm處，9#表示探頭接觸到裂紋左端，10#表示探頭在裂紋中間，11#表示探頭接觸裂紋右端，12#表示探頭在裂紋右側(cè)且距離裂紋1 cm處）。由于探頭為差分連接[2]，其中一個(gè)接收線圈經(jīng)過(guò)裂紋時(shí)，其衰減曲線為正，另一個(gè)接收線圈再次經(jīng)過(guò)裂紋時(shí)，其衰減曲線為負(fù)。當(dāng)探頭檢測(cè)到缺陷時(shí)，時(shí)間剖面曲線上出現(xiàn)正弦波形信號(hào)[3]，該信號(hào)特征用于缺陷識(shí)別，為實(shí)際檢測(cè)中提供參考和依據(jù)。由剖面圖可知，15 mm深裂紋比10 mm深裂紋的檢測(cè)靈敏度更高。這是由于裂紋越深，裂紋對(duì)渦流的擾動(dòng)越大，因此檢測(cè)效果越好。 

圖  7  10 mm及15 mm深裂紋的仿真衰減曲線和剖面圖

3.   試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1   試件尺寸

檢測(cè)試件尺寸示意如圖8所示。管道為直管，材料為42CrMO2，其內(nèi)壁一共有5處縱向裂紋缺陷，各裂紋長(zhǎng)度為20 mm，深度d1，d2，d3，d4，d5分別為5，10，15，20，25 mm，各個(gè)裂紋中心間距為200 mm。裂紋缺陷寬度為0.5 mm。 

圖  8  縱向裂紋缺陷試件尺寸示意

3.2   脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)

脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物如圖9所示。系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)采集模塊、探頭、被檢管道。激勵(lì)設(shè)備可發(fā)射頻率為（1/16）~32 Hz的等寬雙極性方波脈沖激勵(lì)，最大電流為10 A。設(shè)備的采集和處理單元可以測(cè)量微弱電磁信號(hào)。 

圖  9  脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物

3.3   探頭設(shè)計(jì)

縱向探頭及橫向探頭實(shí)物如圖10所示?？v向探頭由一對(duì)激勵(lì)線圈串聯(lián)組成，軸線與管道軸線平行放置，接收線圈由2個(gè)相同的扁平式橢圓狀線圈差分連接。該結(jié)構(gòu)可以使磁場(chǎng)在兩激勵(lì)線圈中間疊加，產(chǎn)生的渦流在缺陷處更加集中，信號(hào)靈敏度更高，并且可以減少管道表面不均勻?qū)е碌恼`差以及其他共模噪聲的干擾。縱向探頭中激勵(lì)線圈長(zhǎng)度均為16 mm，內(nèi)徑均為30 mm，外徑均為44 mm，由5層漆包線纏繞而成，每個(gè)線圈145匝，共290匝；接收線圈為扁平式橢圓狀，其長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為44 mm，短軸長(zhǎng)度為32 mm，內(nèi)部開(kāi)口近似矩形，長(zhǎng)和寬分別為21.95，4.12 mm，由漆包線纏繞而成且兩接收線圈相距5.52 mm[4-5]。 

圖  10  縱向探頭及橫向探頭實(shí)物

橫向探頭的探頭軸線與管道軸線垂直放置。激勵(lì)線圈由漆包線繞制而成，匝數(shù)為400匝，內(nèi)徑為34 mm，外徑為52 mm；接收線圈為兩個(gè)圓弧形的骨架，每個(gè)骨架由漆包線繞制而成，匝數(shù)為2 000匝，差分連接[6]。兩個(gè)接收線圈跨接在激勵(lì)線圈上，相距3 mm。 

3.4   信號(hào)處理方法

檢測(cè)時(shí)，將探頭固定，從距離直管端點(diǎn)一定距離處開(kāi)始檢測(cè)。在實(shí)際工況中，清理后的反應(yīng)器內(nèi)仍留下約1 mm厚的聚乙烯粉末層，因此試驗(yàn)中使用厚度為2 mm的探頭推進(jìn)裝置用于模擬實(shí)際工況存在的聚乙烯粉末層。 

使用實(shí)驗(yàn)室脈沖渦流檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，激勵(lì)頻率選用4 Hz的方波信號(hào)，激勵(lì)電流為1.5 A，采用連續(xù)測(cè)量方式。一定提離下探頭檢測(cè)有無(wú)缺陷試件的歸一化感應(yīng)電壓（感應(yīng)電壓除以激勵(lì)電流）衰減曲線（縱軸對(duì)數(shù)表示）以及相應(yīng)的時(shí)間剖面曲線[7]如圖11所示（圖中1，2，3分別表示不同厚度的衰減曲線，且檢測(cè)厚度逐漸減?。?。 

圖  11  一定提離下探頭檢測(cè)有無(wú)缺陷試件的歸一化感應(yīng)電壓衰減曲線及剖面圖

由于接收線圈產(chǎn)生的電壓信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大，因此將每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)按照對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)劃分為若干個(gè)數(shù)據(jù)塊；每個(gè)測(cè)點(diǎn)的衰減曲線大致呈現(xiàn)對(duì)數(shù)形狀，因此劃分?jǐn)?shù)據(jù)塊的時(shí)間也呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，將每個(gè)數(shù)據(jù)塊稱之為時(shí)窗。第i個(gè)測(cè)點(diǎn)處得到的電壓矢量為 

式中：N為脈沖周期關(guān)斷后每個(gè)測(cè)點(diǎn)的衰減曲線劃分的時(shí)窗總數(shù)，取31。 

假設(shè)總共測(cè)量M個(gè)點(diǎn)，則M個(gè)測(cè)點(diǎn)的電壓矢量可以合成為矩陣W，表示為 

式中：矩陣W的第i行代表第i個(gè)測(cè)點(diǎn)。 

可以從矩陣W中得到第j個(gè)時(shí)窗的切片矢量 

式中：Sj表示在不同測(cè)點(diǎn)的衰減曲線上取同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)采集到的電壓[7]。 

所設(shè)計(jì)的探頭檢測(cè)信號(hào)變化過(guò)程如圖12所示。探頭依次經(jīng)過(guò)位置1，2，3，4，產(chǎn)生一個(gè)類似正弦波的信號(hào)。1和4處為無(wú)缺陷區(qū)域，2和3位置處恰好有一個(gè)接收線圈接觸裂紋，因此接收線圈采集到的電壓剖面圖為一個(gè)類似正弦信號(hào)的波形。 

圖  12  探頭檢測(cè)信號(hào)變化過(guò)程示意

4.   試驗(yàn)結(jié)果

縱向探頭正對(duì)裂紋及相對(duì)于裂紋旋轉(zhuǎn)45°和90°的檢測(cè)結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，1a，2a，3a，4a，5a分別對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)號(hào)為20，40，60，80，100的位置（測(cè)點(diǎn)號(hào)為檢測(cè)時(shí)探頭至管道左端距離），該探頭可以檢測(cè)出5條縱向裂紋，缺陷特征為類正弦波形。差分橫向探頭接收線圈正對(duì)于裂紋的檢測(cè)結(jié)果如圖14所示，1b，2b，3b，4b，5b分別對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)號(hào)為20，40，60，80，100的位置。差分探頭檢測(cè)管道時(shí)，利用類正弦波曲線特征識(shí)別缺陷，當(dāng)接收線圈分別經(jīng)過(guò)狹窄的裂紋時(shí)會(huì)出現(xiàn)類似正弦波形的缺陷信號(hào)，當(dāng)接收線圈中軸線處于裂紋位置時(shí)，即為正弦波曲線的零點(diǎn)。 

圖  13  縱向探頭正對(duì)裂紋及相對(duì)于裂紋旋轉(zhuǎn)45°和90°的檢測(cè)結(jié)果

圖  14  橫向探頭正對(duì)裂紋的檢測(cè)結(jié)果

文章定義檢測(cè)靈敏度去評(píng)估每個(gè)裂紋的檢出率，即靈敏度等于類正弦信號(hào)的峰值電壓除以兩峰值電壓的中值?？v向探頭正對(duì)裂紋和相對(duì)于裂紋旋轉(zhuǎn)45°時(shí)，管道的5個(gè)裂紋均可被清晰識(shí)別；縱向探頭旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，前4個(gè)缺陷均可被清晰識(shí)別，最后一個(gè)缺陷檢測(cè)效果較差；橫向探頭正對(duì)裂紋檢測(cè)時(shí)，后4個(gè)缺陷可以較清晰地識(shí)別出，第一個(gè)缺陷檢測(cè)靈敏度不高，易被噪聲淹沒(méi)[8]。檢測(cè)靈敏度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，變化趨勢(shì)如圖15所示。橫向探頭檢測(cè)縱向裂紋的檢測(cè)靈敏度遠(yuǎn)低于縱向探頭的，該試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。這是因?yàn)闄M向探頭產(chǎn)生平行于管道軸線的渦流[9]，縱向裂紋對(duì)平行于裂紋的渦流擾動(dòng)不明顯，因此檢測(cè)靈敏度不高；縱向探頭產(chǎn)生環(huán)繞管壁的渦流，縱向裂紋對(duì)該環(huán)向渦流產(chǎn)生了明顯的擾動(dòng)，因此檢測(cè)靈敏度較高。 

圖  15  探頭的缺陷檢測(cè)靈敏度變化趨勢(shì)

5.   結(jié)論

（1）通過(guò)設(shè)計(jì)的縱向差分探頭對(duì)縱向裂紋進(jìn)行檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)較高靈敏度的檢測(cè)。 

（2）橫、縱向探頭檢測(cè)靈敏度的對(duì)比結(jié)果表明，對(duì)于縱向裂紋，縱向探頭比橫向探頭具有更好的檢測(cè)效果。 

（3）將設(shè)計(jì)的縱向差分探頭在管道內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)檢測(cè)，結(jié)合數(shù)值仿真結(jié)果可得，該探頭檢測(cè)覆蓋面能達(dá)到管道內(nèi)壁的一半，故后續(xù)可考慮多加一對(duì)接收線圈實(shí)現(xiàn)管道全覆蓋檢測(cè)。 

（4）對(duì)脈沖渦流和多頻渦流檢測(cè)進(jìn)行理論分析，可知，采用脈沖渦流內(nèi)檢測(cè)在一定程度上可以克服反應(yīng)器中聚乙烯粉末層厚度不均而導(dǎo)致結(jié)果受到干擾的問(wèn)題。

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