阅读说明：本技术 一种内穿式横向脉冲涡流检测探头及其使用方法 (Inner-through transverse pulse eddy current detection probe and use method thereof ) 是由 付跃文 杨帆 于 2020-11-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内穿式横向脉冲涡流检测探头及其使用方法,包括非铁磁性管道探头体和铁磁性管道探头体,探头体分别与脉冲涡流检测仪相连,使用所选择的探头体对被检管道进行内穿式检测,将脉冲涡流检测仪采集到的衰减电压数据,绘制出不同时窗的检测电压衰减曲线剖面图,通过上述电压衰减曲线剖面图反映接收线圈附近管道的缺陷信息,以此判断裂纹的存在情况。本发明对于非铁磁性管道来说,较传统涡流检测探头拥有更高的检测灵敏度；而对于铁磁性管道来说,其制造成本低,适合工业生产应用,能够在铁磁材料无磁饱和的情况下,检测出管中的深层缺陷,良好的检测灵敏度对实际工业生产有重要帮助。(The invention discloses an internally-penetrated transverse pulse eddy current detection probe and a use method thereof, wherein the probe comprises a non-ferromagnetic pipeline probe body and a ferromagnetic pipeline probe body, the probe bodies are respectively connected with a pulse eddy current detector, the selected probe bodies are used for carrying out internally-penetrated detection on a detected pipeline, attenuation voltage data acquired by the pulse eddy current detector are used for drawing detection voltage attenuation curve section diagrams of different time windows, and the defect information of a pipeline near a receiving coil is reflected through the voltage attenuation curve section diagrams so as to judge the existence condition of cracks. Compared with the traditional eddy current detection probe, the non-ferromagnetic pipeline eddy current detection probe has higher detection sensitivity; for the ferromagnetic pipeline, the manufacturing cost is low, the method is suitable for industrial production application, deep defects in the pipeline can be detected under the condition that the ferromagnetic material is free of magnetic saturation, and good detection sensitivity is of great help to actual industrial production.)

一种内穿式横向脉冲涡流检测探头及其使用方法

技术领域

本发明属于电磁涡流无损检测领域，特别涉及一种针对薄壁小径管的内穿式横向脉冲涡流检测探头及其使用方法。

背景技术

工业应用中，换热器管道周向裂纹的检出一直是亟待解决的难题。换热器管道壁厚较薄、管径较小(管径≤89mm)。由于被检管件外部周围结构的原因，检测通常在管内进行。由于周向裂纹的方向特性，很容易引致管道断裂事故，因此对该类裂纹的检测尤为重要^[1]。

涡流检测技术是一种工业中常用的无损检测方法，其利用法拉第电磁感应原理，对导电材料的表面或近表面缺陷进行检测。常规涡流检测以单一频率激励，涡流场又具有趋肤效应，即涡流会趋向集中于导体材料的表面部分，其渗透深度δ与材料的电导率σ、磁导率μ以及检测频率f有关，关系满足：

受趋肤效应限制，常规涡流检测对管道埋深缺陷检测灵敏度较弱，尤其是检测铁磁性管道。铁磁性材料磁导率远远大于1，而常规涡流检测频率通常在两百赫兹以上，故在检测铁磁性管道时往往只能发现较浅的表面缺陷。

脉冲涡流检测技术基于传统涡流检测发展的一种技术，与传统检测采用单一频率激励源不同的是使用脉冲激励。如果导体中出现缺陷，则导体中的脉冲涡流流向及其产生电磁场会发生变化。因为脉冲激励包含从直流到高频(一般为几万赫兹到几十万赫兹)的宽频谱，不同频率形成的涡流在金属中会形成不同的趋肤深度，故可以一次性扫描检测不同深度的缺陷。

传统的内穿过式Bobbin探头在管壁中产生的涡流是沿周向的，并与周向裂纹平行，导致裂纹产生的涡流扰动信号很小。传统的Bobbin线圈探头改为斜角线圈探头^[2]，其产生的涡流流向可与周向裂纹产生更大夹角，增加涡流扰动信号，以提高对周向缺陷的检测灵敏度。然而，所提出的探头存在盲点，可以通过使用多个倾斜探头消除盲点，但在涡流检测系统中需要多个通道，增加了成本。

涡流阵列探头是另一种能够有效检测周向裂纹的方法。单独使用或与不同绕线驱动线圈一起使用的柔性基板中的平面梯形线圈用于检测管道内表面上任何方向的缺陷^[3]。X探头是涡流阵列探头的一种，它使用不同方向的发射检测线圈来检测不同方向的裂纹^[4-5]。然而，这种探头要许多发射-检测线圈对来覆盖整个管道区域，并且需要很多通道，这使得系统复杂且成本高昂。阵列探头通常提供很高的检测速度，但它们需要复杂的激励和后处理设计^[6]。

涡流旋转探头(MRPC)所产生的涡流在周向和轴向方向都可以与裂纹相互作用，但扫描速度仅为每转几毫米，检查速度非常慢，使检测既昂贵又费时^[7]。

旋转磁场探头利用三相交流电驱动的三相励磁绕组产生旋转磁场^[8]。该类探头对各种方位的缺陷都很敏感，但其在管壁周围产生的涡流不均匀，大大增加了信号解释的复杂性。为此，研究者提出了另一种基于旋转电流激励的探头，该探头由一对轴向和周向激励线圈与GMR传感器共同产生，用于检测感应磁场。探头对轴向和周向缺陷都很敏感，但覆盖整个周长所需的GMR传感器数量又可能会增加检测系统的复杂性^[9]。

发明内容

本发明旨在提供一种内穿式横向脉冲涡流检测探头及其使用方法，使涡流垂直于圆周裂纹，以提高检测灵敏度，实现经济有效地识别管径小且壁薄的换热器管道上的周向裂纹，解决铁磁性管道由于其电磁学特性，检测信号被噪声淹没的问题，获得更高的裂纹检出率。

为解决上述问题，本发明采取以下的技术方案。一种内穿式横向脉冲涡流检测探头，包括非铁磁性管道探头体和铁磁性管道探头体，

所述非铁磁性管道探头体包括：探头A和探头B；

所述探头A由激励线圈、检测线圈和非金属骨架构成，所述激励线圈内装有磁芯，激励线圈的一侧设置有非金属骨架，非金属骨架的外侧平行并列装有检测线圈，检测线圈内装有磁芯；

所述探头B由激励线圈、检测线圈和非金属骨架构成，所述激励线圈内装有磁芯，激励线圈的两侧对称设置有非金属骨架，非金属骨架的外侧平行并列装有检测线圈，检测线圈内装有磁芯；

所述铁磁性管道探头体包括：探头C和探头D；

所述探头C并列设置有激励线圈，所述激励线圈的一侧设置有非金属骨架，非金属骨架的外侧平行并列装有检测线圈，检测线圈内装有磁芯；

所述探头D并列设置有激励线圈，所述激励线圈的两侧对称设置有非金属骨架，非金属骨架的外侧平行并列装有检测线圈，检测线圈内装有磁芯。

进一步，所述检测线圈为圆弧形结构，其弧度与被检管道内壁弧度一致。

进一步，所述检测线圈之间的间隔为1～6mm。

一种内穿式横向脉冲涡流检测探头的使用方法，其操作步骤如下：

1)首先确定被检管道材料属性并选择检测探头体：若被检管道为非铁磁性管道，则使用非铁磁性管道探头体；若被检管道为铁磁性管道，则使用铁磁性管道探头体，上述探头体分别与脉冲涡流检测仪相连；

2)使用所选择的探头体对被检管道进行内穿式检测：给探头体上的激励线圈接通等宽双极性方波脉冲电流，将探头体在管内顺着管道轴线方向移动，每隔1～20mm选择一个检测点进行检测，所述脉冲涡流检测仪接收检测线圈电压信号并进行电压数据采集；

3)将脉冲涡流检测仪采集到的衰减电压数据，以横坐标为时间，以纵坐标为检测电压，绘制出不同时窗的检测电压衰减曲线剖面图；

4)通过上述电压衰减曲线剖面图反映接收线圈附近管道的缺陷信息，以此判断裂纹的存在情况。

本发明对于非铁磁性管道来说，较传统涡流检测探头拥有更高的检测灵敏度；而对于铁磁性管道来说，其制造成本低，适合工业生产应用，能够在铁磁材料无磁饱和的情况下，检测出管中的深层缺陷，良好的检测灵敏度对实际工业生产有重要帮助。

附图说明

图1是本发明中探头A轴向剖面图；

图2是本发明中探头A径向剖面图；

图3是本发明中探头B径向剖面图；

图4是本发明中探头C轴向剖面图；

图5是本发明中探头C径向剖面图；

图6是本发明中探头D径向剖面图；

图7为本发明检测系统的流程示意图；

图8为本发明的检测过程磁场变化示意图；

图9是本发明的检测剖面曲线生成示意图；

图10是本发明的探头体激发涡流场强度与流向；

图11为本发明实验所用H62材质铜管模拟缺陷尺寸示意图；

图12为本发明中探头A的检测结果；

图13为本发明中探头B的检测结果；

图14为本发明实验所用钢管模拟缺陷尺寸示意图；

图15为探头C的检测结果；

图16为探头D的检测结果；

图中：1.检测线圈，11.磁芯，2.激励线圈，21.磁芯，3.非金属骨架；

101.信号发生器，102.数据采集卡，103.计算机，104.探头体，105.被检管道；

121～129.探头A检测缺陷信号；

131～139.探头B检测缺陷信号；

151～156.探头C检测缺陷信号；

161～166.探头D检测缺陷信号。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1至图6，一种内穿式横向脉冲涡流检测探头，包括非铁磁性管道探头体和铁磁性管道探头体，

所述非铁磁性管道探头体包括：探头A和探头B；

所述探头A由激励线圈2、检测线圈1和非金属骨架3构成，所述激励线圈2内装有磁芯21，激励线圈2的一侧设置有非金属骨架3，非金属骨架3的外侧平行并列装有检测线圈1，检测线圈1内装有磁芯11；

所述探头B由激励线圈2、检测线圈1和非金属骨架3构成，所述激励线圈2内装有磁芯21，激励线圈2的两侧对称设置有非金属骨架3，非金属骨架3的外侧平行并列装有检测线圈1，检测线圈1内装有磁芯11；

所述铁磁性管道探头体包括：探头C和探头D；

所述探头C并列设置有激励线圈2，所述激励线圈2的一侧设置有非金属骨架3，非金属骨架3的外侧平行并列装有检测线圈1，检测线圈1内装有磁芯11；

所述探头D并列设置有激励线圈2，所述激励线圈2的两侧对称设置有非金属骨架3，非金属骨架3的外侧平行并列装有检测线圈1，检测线圈1内装有磁芯11。

进一步，所述检测线圈1为圆弧形结构，其弧度与被检管道内壁弧度一致。

进一步，所述检测线圈1之间的间隔为1～6mm。

本发明检测系统的流程(如图7所示)，信号发生器101发射脉冲信号到探头104，同时，将同步信号传输到数据采集卡102，探头体101在被检管道105内移动，将检测信号传输到数据采集卡102，数据采集卡102将检测数据转移到计算机103进行存储与后处理。

其检测原理为：检测时，给探头(探头A、探头B、探头C和探头D)的激励线圈2接通等宽双极性方波脉冲电流，激励线圈2通电后会在周围空间产生感应磁场，这个感应磁场称为一次磁场。当激励电流方波信号瞬间关断时，周围会感应出一个快速衰减的感应磁场，衰减的磁场在被检管道105中感应出脉冲涡流，这个脉冲涡流场所产生的磁场称为二次磁场。当激励电流关断时，一次磁场为0，此时检测线圈1会接收到脉冲涡流引起的二次磁场的衰减，检测过程磁场出现衰减变化(如图8所示)，这种衰减信息体现在检测线圈1所感应的电压情况上。

脉冲涡流检测仪与所使用的探头相连，其为探头稳定提供方波脉冲激励。将探头放置被检管道105内的一端，匀速缓慢往另一端移动，每隔3mm选择测量点，采集检测电压数据，最后绘制电压衰减曲线及其剖面图。

电压衰减曲线剖面图(如图9所示)是电压衰减曲线在不同检测点下的切片剖面矢量，探头对被检管道105检测时，有缺陷处和无缺陷处的电压衰减速度是不同的，若检测线圈1附近存在缺陷，电压衰减会更快。因此在剖面图中可以看到有缺陷的检测点附近曲线会出现突变，无缺陷区域曲线相对水平，生成检测剖面曲线。

电压衰减曲线剖面图具体原理如下：

对于管上的每个测量点，在关断时间对检测线圈1的电压进行采样。整个关闭时间分为N个时窗。时窗的长度以对数方式增加。每个窗口中的原始采样值进行平均并记录。因此，对于第i个测量点，获得电压矢量如下：

V_i＝[V_i1 V_i2...V_iN]

其中N是每个关断时间的时窗总数。

沿管测量M个点，M个测量点的矢量形成矩阵W：

矩阵W的行矢量代表某个测点的电压衰减曲线，列矢量则为第一个测量点到第m个测量点在衰减曲线的同一时刻下所对应的感应电压值。以检测点的坐标为横坐标，以某个列矢量为纵坐标绘制出的曲线称为该列矢量对应时刻的工件的检测电压剖面图。

其中矩阵W的第i行表示第i个测量点。对于时窗j，可以从矩阵W的第j列获取时间剖面矢量：

S_j＝[v_1j,v_2j,...,v_Mj],j＝1,2,...,N

S_j表示电压时间曲线同一时刻不同测量点的电压。如果不存在缺陷，有：

v_1j＝v_2j＝...＝v_Mj,j＝1,2,...,N

如果发现v_Mj与其相邻的数值不同，则可认为在第m个测量点被检出缺陷。

如果被检管道105内某一测量位置周围有缺陷，差分连接的检测线圈1通过缺陷位置时，时窗曲线上相应位置会出现类似正弦波形图像；当缺陷位于两个差分检测线圈1之间时，将出现类正弦波形曲线的零点，本发明正是利用类正弦波形信号特征识别缺陷。本发明的检测线圈1为差分连接，若第m个测量点被检出缺陷，即类正弦波形会出现在时间切片剖面曲线的第m个测量点周围。

本发明的探头所产生的涡流垂直于周向裂纹，能大幅度提高检测灵敏度；通过使用多物理场有限元仿真软件COMSOL构建三维模型可计算产生涡流场大小与方向，探头体激发涡流场强度与流向如图10所示，探头激发涡流场强度与流向，探头所产生的涡流流向垂直于周向裂纹，其激励产生的涡流场对周向裂纹最敏感，且覆盖范围超过管周长的一半。而每组检测线圈1可接收管件四分之一周长区域的检测信号，则每个探头最多可接收管件周长一半区域的检测信号，即使用两个正交位置摆放的探头对被检管道105行进检测一次即可完成对管内周向裂纹的检测，即没有检测盲区。

以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明一种内穿式横向脉冲涡流检测探头不局限于实施例。

实施例1：

以下列举探头A对非铁磁性管道检测较佳的具体实施案例：

(1)使用如图11所示H62铜管，直径为25毫米，厚度为1毫米，电导率为5.8MS/m，相对渗透率为136。人工制造缺陷的宽度与深度均为0.2mm与0.3mm，具体缺陷尺寸：111.长度为18mm，112.长度为16mm，113.长度为14mm，114.长度为12mm，115.长度为10mm，116.长度为8mm，117.长度为6mm，118.长度为4mm，119.长度为2mm。

(2)探头A对被检管道(非铁磁性管道)105进行扫查，其具体参数如表1所示。对探头通以1.2安培的激励电流，实验频率为32赫兹；

表1探头A的激励线圈2和检测线圈1的参数表

名称	激励线圈2	检测线圈1
			线径/mm	0.31	0.12
匝数	170	80
			间距/mm	/	3
内径/mm	10	/
			外径/mm	12	/
长度/mm	18	/
			宽度/mm	/	3.48
高度/mm	/	0.7
			跨距/mm	/	16
激励接收相隔距离/mm	11.5	11.5
			磁芯	有	有

(3)将探头A或探头B伸入被检管道105(非铁磁性管道)，打开脉冲涡流检测仪，使探头缓慢匀速穿过，每隔2mm选择一个采样点进行检测，同时采集并记录数据；

(4)当探头A或探头B完成检测后，保存采集的电压数据并绘制电压衰减曲线图，此时关断时间的有效时窗总数N等于31；

(5)观察电压衰减曲线探头行进至模拟缺陷时的电压峰值变化。

图12为探头A检测结果，其中121～129为裂纹检测信号，对应图11铜管九个裂纹111～119全部都可以被清楚识别，这显示了垂直于裂纹的涡流对于检测灵敏度的提升。

实施例2：

探头B与探头A的参数与使用方法一致，再次对被检管道105(非铁磁性管道)进行检测。

图13为探头B检测结果，其中131～139为裂纹检测信号，同样可以清楚地识别图11铜管所有九个裂纹111～119。111号裂纹检测灵敏度约19％，电压峰值电压300/1600(9号时间窗)，其检测灵敏度约等于探头A检测结果图12中的灵敏度。当一组检测线圈1靠近被检管道105内表面时，另一组检测线圈离被检管道105内表面越近，所以两组检测线圈1的提离效应将会相互抵消。

实施例3：

以下列举探头C对被检管道105(铁磁性管道)一个较佳的具体实施案例：

(1)首先使用如图14所示钢管，其宽度均为0.2mm。其中：141.深度为1mm，长度为3mm；142.深度为1.5mm，长度为3mm；143.深度为2mm，长度为3mm；144.深度为1mm，长度为5mm；145.深度为1.5mm，长度为5mm；146.深度为2mm，长度为5mm。

(2)探头C对被检管道105(铁磁性管道)进行扫查，其具体参数如表2所示。对探头C通以1.45安培的激励电流，实验频率为32赫兹；

表2探头C的激励线圈2和检测线圈1的参数表

名称	激励线圈2	检测线圈1
			线径/mm	0.31	0.12
匝数	190	60
			间距/mm	/	3
内径/mm	8	/
			外径/mm	10	/
长度/mm	15	/
			宽度/mm	/	3.48
高度/mm	/	0.7
			跨距/mm	/	14
激励接收相隔距离/mm	10	10
			磁芯	无	有

(3)将探头C伸入管道，打开脉冲涡流检测仪，使探头C缓慢匀速穿过，每隔2mm选择一个采样点进行检测，同时采集并记录数据；

(4)当探头C完成检测后，保存采集的电压数据并绘制电压衰减曲线图，此时关断时间的有效时窗总数N为22；

(5)观察电压衰减曲线探头行进至模拟缺陷时的电压峰值变化。

图15显示了使用探头C检测结果，显示从时窗14到时窗18的曲线。在图15中，151～156为检测缺陷信号，对应图14钢管六个裂纹141～146都可以清晰识别，143号裂纹检测灵敏度约为67％，峰值到峰值电压值30/45(14号时窗)。

实施例4：

探头D与探头C的参数与使用方法一致，再次对被检管道105(铁磁性管道)进行检测。

图16显示了时窗9到时窗13的曲线，161～166为检测缺陷信号，对应图14钢管六个裂纹141～146均可被本发明清楚地识别。163号裂纹的检测灵敏度约为25％(峰值到峰值电压值500/2000，第9时窗)，略低于图15中的相应值。

对称地放置在激励线圈两侧的检测线圈将在一定程度上抵消提离效应，使信号更加稳定。检测线圈覆盖了超过一半的管周，这意味着使用两个探头即可完成对管内周向裂纹的检测，这比使用阵列探头具有成本优势。

从实验检测结果来看，本发明对小径薄壁管外侧的周向裂纹具有极高的检测灵敏度，尤其针对铁磁性管道。

参考文献：

[1]付跃文,喻星星.脉冲涡流方法过油管检测套管横向裂缝研究[J].机械工程学报,2014,50(24):1-9.

[2]Kim YJ,Lee SS.Eddy current probes of inclined coils for increaseddetectability of circumferential cracks in tubing[J].NDT&E Int.,2012,49:77–82.

[3]Machado MA,Rosado L,Pedrosa N,et al.Novel eddy current probes forpipes:Application in austenitic round-in-square profiles of ITER[J].NDT&EInt.,2017；87:111-118.

[4]Sullivan SP,Cecco VS,Obrutsky LS,et al.Computer modeling of eddycurrent transmit-receive probes for tube inspection.Review of Progress inQuantitative Nondestructive Evaluation,Vol.17A,New York:Plenum Press1998；p.283–289.

[5]Siegel,JD.X-probe/TC7700/eddy view implementation experiences2003/2004EPRI Steam Generator NDE Workshop July,2004.

[6]Huang H,Sakurai N,Takagi T,et al.Design of an eddy-current arrayprobe for crack sizing in steam generator tubes[J].NDT&E Int.,2003；36:515–522.

[7]ZETEC.MRPC探头[EB/OL].https://www.zetec.com/products/eddy-current/probes/tubing-rotating-probe s/mrpc-probe-heads/,2020-1-18.

[8]Xin J,Lei N,Udpa L,Udpa SS.Rotating field eddy current probe withbobbin pickup coil for steam generator tubes inspection[J].NDT&E Int.,2013；54:45–55.

[9]Ye C,Huang Y,Udpa L,Udpa SS.Novel rotating current probe with GMRarray sensors for steam generate tube inspection[J].IEEE Sens J.,2016；16:4995–5002。