CN1111738C - 利用磁致伸缩传感器的管道和管子无损检验 - Google Patents

利用磁致伸缩传感器的管道和管子无损检验 Download PDF

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Abstract

一种用于检验铁磁性和非铁磁性管道(14)或其他圆柱壳结构的方法和设备，其中利用磁致伸缩效应来探测结果内的缺陷。本发明可构成主动性测试的应用，基中有一个发射线圈单元(16)通过磁致伸缩效应在一个圆柱壳结构内产生一个机械脉冲(15)，并有一个第二线圈(24)探测管道内的反射机械波(15)，或者其中可以用单个传感器(10)同时起到发射器和探测器的作用。本发明也可期望构成被动性监视应用，其中利用一个连续地监视铁磁性或非铁磁性圆柱结构的探测线圈(16)来发射机械波或声波(15)。使非铁磁性结构(14)也能够被检验的方法是在准备放置传感器的局部区域内用镀布或结合的方法在结构的一个壁上敷设一层例如镍这样的铁磁材料。

Description

利用磁致伸缩传感器的管道和管子无损检验
本申请是关于1992年11月6日提交的流水号为07/973,152的待审批申请和于1993年3月16日提交的流水号08/033,256的待审批申请的部分继续申请。
本发明的领域
一般地说，本发明涉及对管道、管子和其他圆柱壳结构疵病和伤痕的无损探测(NDT)。较具体地说，本发明涉及利用由磁致伸缩效应产生的机械波和从疵病处反射回来的由磁致伸缩效应探测到的机械波，来对管道、管子和其他柱面外壳结构进行疵病探测的一种无损检验(NDE)系统和方法。
现有技术的说明
在各种工业领域，包括发电工业、管道传输工业和石化工业中，管道管子、和其他圆柱壳结构是重要的部件。这些工业领域中的传输管道和其他这类导管的故障常会造成灾难，导致收益损失、大范围的结构性损坏、环境污染和计划外的工厂关闭等，在极端情况下还会造成伤亡事故。因此，对这类管道、管子和导管的检验是每个这种工业的系统维护程序中的一个关键部分。
目前，用于这种管道、管子和导管检验的各种检验技术有超声、涡流、X射线和磁通泄漏等方法。一般地说，这些技术很适合于局部检验，例如单独地检验各个焊接区域。然而，对于在一个长管道或管子中任何地点都可能出现缺陷的情况(例如对于石化加工厂中加有绝热或包层措施的管道)，或者对于要检验的管道数目非常多的情况(例如对于蒸汽产生器和锅炉)，采用这些技术中任何一种都将会是十分费时和昂贵的。在这种情形下，十分常见的做法是，作为采样点对管道的一个选定部分进行检验，希望由此来说明整个管道(组)的总体情况。对于保证系统的安全性和可靠性来说，这种做法可能是也可能不是足够的，它仅仅在一个不大的程度上减少了出故障的危险性。
作为目前方法的一个例子，有时利用一个磁通泄漏“猪”来检验通常延伸几百英里的燃气管道。从最好的方面来说，这类方法也是不完善的，因为用磁通泄漏法检验燃气管道的裂缝不是特别灵敏。对于超声技术来说，虽然它探测较小的裂缝时可能是足够灵敏的，但由于它需要有传感器耦合剂，所以常常难以应用于传输管道。
磁致伸缩传感器技术可以排除许多上述普通NDE技术的缺点，并能大为改善检验的效率。由于采用了磁致伸缩传感器系统而导致的本发明突出特点有：能够检验100％的管道截面，能够从一个地点检验一长段(大于100英尺)管道，能够检验管道外径表面和内径表面两个表面上的缺陷，能够不需要耦合剂工作，以及能够在低检验成本下工作。
磁致伸缩传感器既可以在管道外径一侧使用，在适当情况下也可以在管道内径一侧使用。通常，磁致伸缩传感器可以极容易地布设到由铁磁材料做成的管道、管子、和其他圆柱壳结构上。而且，即使对于许多非铁制管道和管子等(例如铬镍铁合金蒸汽产生器管子)，通过在管道或管子的要放置传感器的局部区域上镀设或结合上某种薄的可磁化材料，例如镍，便也可以使用磁致伸缩传感器。这样，关于磁致伸缩波的产生和探测的方法可以同样地用于铁制的和非铁制的管道、管子、和圆柱壳结构。
本申请人的流水号为07/973,152和08/033,256的待审批专利申请较详细地说明了在诸如电缆和绳索这样的各种长的、固体的圆柱形结构中，利用由磁致伸缩法产生的波和由磁致伸缩法探测到的波的方法。像管道、管子等这类空心的圆柱形结构，呈现出特定的几何形状和波传播特性，它们要求磁致伸缩无损检验的方法和装置有一些修改。以往，对适用于空心圆柱壳结构的磁致伸缩分析的这类方法和装置几乎没有开展过研究。
磁致伸缩效应是铁磁材料所特有的一种性质。磁致伸缩效应是指由于磁化强度的变化而造成物理尺寸改变的现象。
在磁致伸缩传感器应用中，产生机械波和探测机械波的典型途径是在一个邻近于铁磁材料的发射线圈中导入一个脉冲电流。靠近发射线圈的材料中的磁化强度改变将引起该材料的长度沿着平行于所加场的方向局部地发出变化。这种突变性的局部尺寸变化，也就是磁致伸缩效应，在材料中产生了一个以声速传播的机械波。当该机械波从材料的端部或者从材料内的某个缺陷上反射回来，并到达一个探测线圈(该线圈在许多方面都与发射线圈相似)时，将因逆磁致伸缩效应而在探测线图中产生磁通量的改变。这个磁通量的改变接着又在探测线圈中感生出一个正比于机械波幅度的电压。
在NDE应用中利用磁致伸缩效应的优点包括：磁致伸缩传感器的灵敏性、这种传感器的耐用性、不需要传感器和材料之间的耦合剂、机械波的长传播范围、容易实现、以及传感器和系统电路的低成本。
本发明的概述
因此，本发明的一个目的是提供一种设备和方法，用于对铁磁性的和非铁磁性的管道、管子、和其他圆柱壳结构进行无损检验，探测材料的缺陷，例如锈蚀坑和裂缝。
本发明的另一个目的是提供一种设备和方法，这种设备和方法通过利用磁致伸缩效应探测来自正在生成中的裂缝或伤痕的机械波来对铁磁性的和非铁磁性的管道、管子和其他圆柱壳结构进行被动监视。
本发明提供一种用于检验铁磁性圆柱壳结构，包括管道和管子，以探测和定位伤痕、裂缝和其他异常情况的方法，其中上述圆柱壳结构具有一个周边面和一个长度，该方法包括以下步骤：
在接近于上述壳结构一个表面的一个第一位置处建立一个沿着上述圆柱壳结构的上述长度方向的第一线性化直流磁场；
利用磁致伸缩效应在上述第一磁场中引起一个足以产生一个能通过上述壳结构的体积的初始机械波的磁场起伏；
在接近于上述壳结构一个表面的一个第二位置处建立一个沿着上述圆柱壳结构的上述长度方向的第二线性化直流磁场；
探测作为上述初始机械波和多个次级机械波通过上述壳结构的体积的一个结果的上述第二磁场中的磁场起伏，上述第二磁场中的上述磁场起伏是由于上述各机械波在上述第二磁场中的上述通过过程中的逆磁致伸缩效应所引起的，上述多个次级机械波是由于被上述壳结构中的上述伤痕、裂缝和其他异常情况的反射而产生的；
分析能表明上述次级机械波的探测到的上述第二磁场中的上述磁场起伏，并把上述探测到的磁场起伏与已知的能表明上述圆柱壳结构中的上述伤痕、裂缝和其他异常情况的变化模式相联系起来。
本发明提供一种用于检验铁磁性圆柱壳结构，包括管道和管子，以探测和定位伤痕、裂缝和其他异常情况的设备，其中上述圆柱壳结构具有一个周边面和一个长度，该设备包括：
一个至少含有一圈绕线的发射线圈，它位在邻近于或包围着一个接近于上述壳结构一个表面的第一位置的地方；
一个邻近于上述发射线圈的第一线性化直流磁铁，上述第一直流磁铁在上述壳结构的体积内产生一个沿着上述圆柱壳的上述长度方向的第一线性磁场；
一个信号发生器和功率放大器，它们能够向上述发射线圈施加一个足以使上述第一磁场产生磁场起伏的电流；
一个至少含有一圈绕线的探测线圈，它放置在邻近于或包围着一个接近于上述壳结构一个表面的第二位置的地方，它的方向沿着上述圆柱壳的上述长度方向；
一个邻近于上述探测线圈的第二线性化直流磁铁，上述第二直流偏置磁铁在上述壳结构内产生一个第二线性磁场；
一个信号预处理器，用来放大和滤波上述探测线圈中的电流，上述被放大和滤波的电流是一个能表明上述第二磁场中的磁场起伏的信号；以及
一个显示装置，用来显示上述信号并让测试操作员能解释上述信号，由此便能解释上述第二磁场中的上述磁场起伏；
其中，上述第一磁场中的磁场起伏导致了上述圆柱壳结构体积内的磁致伸缩效应，并在上述壳结构中产生初始机械波，上述第二磁场中的磁场起伏是由上述壳结构中的次级机械波所引起的逆磁致伸缩效应造成的，上述次级机械波的产生是上述初始机械波被上述壳结构中的上述伤痕、裂缝和其他异常情况反射的结果；以及
其中，对上述信号的上述解释包括：识别上述伤痕、裂缝和其他异常情况的发生位置和恶化程度。
结果，本发明提供了一种设备和方法，它们利用磁致伸缩效应在铁磁性和非铁磁性圆柱壳结构中产生和探测机械波。用来在圆柱壳结构的壁内产生和探测这些机械波的传感器由两个普通的部件组成：a)一具有预定的圈数、长度和直径的导电线圈，以及b)一个用来提供直流偏置磁场的装置。施加偏置磁场的目的是增强电能和机械能互相之间的转换效率，并使得电信号和机械波的频率相同。
本发明的一个应用如图1所示，其中在待检验的筒状结构上绕上了一个线圈，并用一个脉冲电流驱动该线圈以在管道或管子的圆柱壳壁内诱导并发射出机械波(利用磁致伸缩效应)。在脉冲电流存在的时期内，由于位在邻近于发射线圈的空间内的铁磁材料中的磁化强度的变化，产生了机械波。磁化强度的变化使铁磁材料中局部区域的尺寸发生改变，从而产生声频的或超声频的机械波，同时沿着圆柱壁的两个方向传播。当该机械波从管道或管子的端部反射回来时，或者从管道或管子的带有伤痕的区域或其他可能会反射或阻挡波的异常区域反射回来时，该机械波就返回到一个探测线圈上，并因逆磁致伸缩效应而产生磁通量的变化，这个变化的磁通量接着又在探测线圈中诱导出一个正比于反射机械波幅度的电压。
在本发明中为了提供直流偏置磁场，既可以利用电磁铁，也可以利用永久磁铁。为了方便于安装从外部检验管道或管子的传感器，本发明采用可快速安装和可拆除的外部线圈。该外部线圈由一个含有预定数目和长度的导电体的带状电缆组成，该带状电缆两端带有一些连接针脚。带状电缆中各个导电体的布局使得当这些连接脚被连接上时该带状电缆就构成了连续的单个导电体线圈。这种类型的线圈既能用作传感器线圈，也能用来提供直流偏置磁场。如果要用永久磁铁来提供直流偏置磁场，则最好如图2a所示，绕着管道的周边布置一个由一些分立的磁性模块所构成的阵列。为了方便于操作，这些磁性模块设计得能够激活和切断它们的磁输出。
本发明的方法涉及到：对探测到的信号进行放大、处理、显示和分析，以识别、区分、和描述相应的缺陷。利用本设备和方法对一个其内含有已知异常性和缺陷的特定管道或管子结构进行足够多的实验，便能够建立一个适当的数据库和信息基地，用来识别在这种管道或管子中常见的异常性、裂缝、锈蚀等等的具体特性。
本发明的设备和方法也可以应用于被动模式，以监视从管道、管子等的正在生长的裂缝处发射出的机械波。这种被动模式应用可以用作为一个长时间监视的手段，它能够记录所探测到的机械波发射的信息，或者能够在该机械波发射超过了某些规定强度时发出告警。
虽然一般地说本发明的设备和方法能够适用的结构的几何形状是没有限制的，不过下面对本发明的说明针对其最为有效的关于长圆柱结构单元NDE。
附图的简单说明
图1是适用于在管道、管子、或其他圆柱壳结构中主动地产生和探测机械波的本发明测试设备的示意图。
图2a是环绕着一个圆柱壳结构的周边布设的本发明直流偏置磁铁模块阵列的透视图。
图2b是用来环绕一个圆柱壳结构的外表面设置一个导电线圈的带状电缆装置的透视图。
图2c是用来在一个圆柱壳结构的内表面内设置一个导电线圈的绕线轴装置的透视图。
图3是当将本发明设备应用于一段含有可识别缺陷的长焊接燃气管道上时所获得的输出信号的一般图形表示。
图4是当将本发明设备应用一个22英尺长的钢壁管道时在向其中导入缺陷之前所获得的输出信号的图形表示。
图5是当将本发明设备应用于与图4中相同的管道结构时在向其中导入中等程度的缺陷之后所获得的输出信号的图形表示。
图6是当将本发明设备应用于与图4和图5中相同的管道结构时在向其中导入了高程度的缺陷之后所获得的输出信号的图形表示。
优选实施例的详细说明
首先参考图1对一种适合于实现本发明方法的测试设备的布局进行详细说明，这种布局是为了从圆柱壳结构的外部来产生和探测圆柱壳壁内的机械波而提供的。在本发明的这个主动式测试实施例中，需要发射单元10和探测单元12。下面将参考图2b和2c来较详细地讨论发射和探测单元10和12的具体结构。
虽然并不需要与待检验管道14有直接的机械耦合，但是单元10和12必须布设得邻近于铁磁性的管道、管子，或其他圆柱壳结构14。发射和探测单元10和12能够在离开铁磁性材料大于几厘米的距离上工作。需要再次指出，对于非铁磁性的管道、管子等等的测试可以这样来完成：把铁磁性材料用例如金属捆箍或镀层的方法放置得与管道或管子14有机械性接触，然后把本发明的单元10和12设置在铁磁材料的邻近。只要机械波能够在这样设置的铁磁性材料和管道或管子14之间传播，便可以进行正常的分析和检验。
放置在待检验管道14邻近的发射单元10主要由发射线圈16和偏置磁铁18组成。一个脉冲发生器或音调脉冲串发生器20通过功率放大器22与发射线圈16相耦合，并产生一个能够在待检验材料14中形成机械波15的信号。
本发明设备的探测单元12的构形与发射单元10十分相像，主要由也是邻近于待检验管道样品14放置的探测线圈14和偏置磁铁26构成。探测线圈24在响应于机械波15的通过时所产生的信号被信号前置放大器28和A/D(模/数)转换器29进行预处理。然后得到的数字信号被提供给微处理器30，在那里该信号可以直接被显示在相应的显示装置32上或存储在存储器34中，以备以后查阅和分析。
在圆柱壳内传播的机械波通常呈现色散现象。也就是说，波的不同频率成分将以不同的速度传播。其结果是，一个可能包含了宽广频率范围的各种成分的机械脉冲将随时间而分散。这种分散造成了许多不希望有的信号，它们将干扰对于从缺陷处反射的信号的探测。这个问题可以通过用一个单频电流的音调脉冲串来激励发射线圈10而使之极小化。此外，为了减少发射线圈10所产生的不同的波模式，由偏置磁铁18产生的直流偏置磁场在管道14的周边上应该比较均匀。这可以通过采用如参考图2a所说明的偏置磁铁模式阵列来实现。
假如举例来说在要研究的材料14中留有足够的剩余磁化，则并不是在所有情况中都需要有偏置磁铁18和26。对于像铸铁或钢管道这样的强铁磁性管道情形来说，上述的假定常常是正确的。此外，图1中所示的偏置磁铁18和26只是为了作原理性说明，实际上它们可以由采用永久磁铁和/或电磁铁的多种结构中的任一种来实现。
从管壳内径的内侧来检验圆柱壳的布局与上述从外部检验的布局十分相似。从内侧检验时，发射线圈和探测线圈被绕在一个塑料绕线轴上，其直径要比圆柱壳的内径小一些。这时偏置磁铁模块也将布置在圆柱壳的内表面周围。
当将本发明的方法应用于在一个材料内同时产生和探测机械波时，通常要在逐次测试的基础上进行分析。在本优选实施例中，缺陷探测基本上基于脉冲回声技术。对管道或圆柱壳结构14的缺陷探测和分析是通过识别从管道的缺陷上反射回来的机械波15来完成的。这些反射波是由于入射波遇到缺陷时出现了声阻变化而形成的。除了脉冲回声技术以外的检验技术，例如“逐段捕捉(pitch catch)”或“穿越透射(through-transmission)”技术也可以在管道情形中用来进行无损探伤。
机械波15的发射和探测都不需要借助水或油那样的耦合剂来完成，而在如超声技术这样的其他NDE技术中通常是需要有耦合剂的。传感器12能够在有明显简隙的情形下工作，这种位在传感器单元和管道表面之间的间隙有时可以大于几厘米。此外，如果使用适当的系统电子电路，还有可能使用单个磁致伸缩单元来既发射又探测机械波15。
发射磁致伸缩单元10由两个基本部件组成：a)一个用来产生可变磁场的装置，和b)一个用来使管道壁产生静态磁化的装置。类似地，探测磁致伸缩单元12一般也由两个基本部件组成：a)一个用来探测由机械波所造成的管道壁内的磁化强度变化的装置，和b)一个用来使管道壁产生静态磁化的装置。对于发射和探测这两个单元10和12来说，发射单元10中的感应线圈16和传感器单元12中的感应线圈24分别用来在材料14中产生一个可变磁场和探测材料14中的磁化强度变化。在某些情形中，探测单元12可以是其他类型的磁化强度探测装置，例如霍尔(Hall)效应探测器。
为了使管道壁36产生静态磁化，在单元10和单元12中分别使用了永久磁铁18和26，它们的实际布局形式使它们的磁场能分别与发射线圈16和探测线圈18发生磁联系。在实际结构中，永久磁铁18和26既可以分别与产生和探测磁通量的装置结合在一起，也可以与它们分离。此外，除了永久磁铁18和26之外，也可以利用电磁铁或者材料14中的剩余磁化强度。管道壁36内的剩余磁化强度可以这样来建立：先用一个磁铁(永久的或电磁的)磁化材料14，然后拿走磁铁。因为这种方法可以免除掉把磁铁(永久的或电磁的)与发射单元和接收单元安装在一起的必要性，所以如果可能的话这是一种优选的方法。
保持材料14的磁化有两方面的原因：a)增加发射线圈10和探测线圈12在电能和机械能之间的转换效率，以及b)使磁致伸缩单元10和12的频率响应线性化。如果材料14没有磁化，则探测到的信号的频率将是机械波15的频率的两倍，或者所产生的机械波的频率将是施加电流的频率的两倍。
使用磁致伸缩发射器和探测器，在一个管道内可能会产生和探测到三个不同的波模式。这些波模式通常称作是纵模、扭模、和挠曲模。对于缺陷探测和分析来说，最有价值的波模式典型地是纵模和扭模。一般地说，纵模波最适合用于探测沿周边方向的裂缝和由锈蚀引起的管壁变薄，而扭模波最适合用于探测纵向裂缝和管壁变薄。图1所示的传感器布局最适用于产生和探测纵模波。扭模波的利用受到较多的限制，这是因为要产生一个纯粹的扭模波而不同时产生将会干扰缺陷探测的其他模式的波是困难的。
现在将参考图2a-2c来详细说明适合于在本发明系统中实现并采用本发明方法的磁致伸缩传感器线圈和偏置磁铁布局的结构特性。图2a示出环绕着管道14的外表面布设的一个永久磁铁阵列18。阵列18由一些单个的磁性模块(18a、18b、…18n)组成，并且根据管道14的外径，其尺寸(长度)也随之不同。磁性模块阵列18的结构使得各个磁性模块能够或多或少地对环绕管道的周边带产生作用。
这种在圆柱壳壁内产生偏置磁场的方法既适合于与内部传感器线圈布局结合使用，也适合于与外部传感器线圈布局结合使用。在某些情形中，例如在用一个“探测猪”来检验埋设在地下的传输管道的情形中，有可能需要直接在圆柱壳结构的内表面上建立一个直流偏置磁场，这时图2a所示的布局可以减小尺寸并在方向上反转，以便能插入一个具有相似结构和功能的内周边阵列。为了将本发明的应用于利用沿管道线移动的“探测猪”来探测埋设管道线的情况，可能会需要让偏置磁铁模块18配备一个导线刷阵列，以减小由于“探测猪”的运动所引起的直流偏置磁场起伏。这种导线刷结构在磁通泄漏检验中为了达到同一目的是经常使用的。
图2b更详细地示出了当传感器用于待检验管道的外表面上时适合于在本发明中实现的一种磁致伸缩传感器线圈。这种磁致伸缩传感器线圈的结构构形目的是易于适应不同尺寸的管道直径。带状电缆传感器40由一系列导电体(50a-50n)构成，典型的情形是这些导电体都带有绝缘层，并且模压在一起形成扁平带条形状。各导电体(50a-50n)的两端分别接在连接器42和44上，这两个连接器以标准的方式结合起来。不过，各导电体(50a-50n)在连接器42和44中的连接要错开一个连接点，以构成一个单一的导电通道，否则各个导电体将成为许多个单独的短闭合导电回路。
这样的布局形成了一个可用作为上述参考图1时所说明的那种包围型线圈的导电线圈，其两个线端为46和48。可以设想，一些具有标准尺寸的此种类型带状电缆线圈可以用于各种直径的管子和管道。由于不需要与管道的外径表面直接接触，具有某一特定长度的带状电缆线圈可以使用于直径值在某个适当范围内的各种管道。长度依次增加的三、四个这种带状电缆线圈便有可能覆盖直径从1或2英寸直到大于12或16英寸范围内的管道。不论如何，图2b所示的传感器结构提供了一种能实现其他结构所做不到的环绕管道外周面的闭合线圈的廉价的机构。
我们知道在某些情形中圆柱壳结构的一端是开放的，因此有可能加上任何数目的线圈导电体结构。然而，在大多数情形下，可以预料圆柱壳结构或管道是十分长的，这就可能限制了把闭合的线圈导电体加上去。图2b中所公开的这种结构就是希望能克服这一问题。
图2c公开了一种线圈导电体结构，它设计来用于插入到一个管道或圆柱壳结构的内部，并位于在接近于管道内表面的位置上。绕线轴52的尺寸设计使得其直径小于并接近于待研究管道的内径。与图2b所示的线圈导电体结构不同，在管道内部使用磁致伸缩线圈传感器将要求从管道的一个端口插入传感器。所以图2c所示绕线轴52的目的是让多个导电体线圈(50a-50n)尽实际可能地靠近管道14的内表面，并同时仍允许绕线轴线圈52在管道14内容易移进移出。与图2b所示的线圈结构相似，图2c中的线圈两端是导电体54和56。为了建立线圈对线圈外面的管道壁的电磁耦合，绕线轴52最好由薄板钢或铁氧体做成。这样绕线轴52和管道壁将形成一个小的磁回路，耦合绕线轴52或管道壁中的磁化强度变化，从而既允许线圈向管道14施加变化的磁场，又允许线圈探测出管道壁14内的磁化强度变化。
现在参见图3-6来详细说明利用本发明方法和设备所获得的典型的数据类型。其中每个图都是利用本发明方法和系统所接收到的信号的曲线图形，其中垂直轴或“y”轴是以伏特为单位的探测到的磁致伸缩传感器信号的振幅，水平轴或“x”轴是以毫秒为单位的时间值。
首先参见图3，对本发明的典型信号成分作一个一般的说明。在图3中，信号100包括6个可区分的成分，它们可以看作是当机械波在圆柱壳结构中通过时的一些可识别事件。图3中所示的(以及图4-6中所示的)信号是用具有十分相似于图1中所公开的结构的系统获得的，其中在产生机械波的线圈和探测机械波的线圈之间有一个距离。于是，如图3所示，在一个初始脉冲102之后紧跟着第二个穿越信号104，它与初始脉冲102之间的间隔是对产生线圈和探测线圈的位置的一种指示。其后跟随了类似的一对缺陷信号106，这两个信号都是对同一缺陷的指示。第一个缺陷信号是当从缺陷处反射的波在其回程中经过接收线圈时产生的。第二个缺陷信号是当波在经过管道的传感器这端的反射之后第二次向外传播过程中经过接收线圈时产生的。最后，端部反射信号或可能的焊圈信号108表明了研究管道时所希望的(时间)窗口的结束。这里同样也出现了两个端部反射信号，这是因为同一个波被探测到了两次，一次是在反射波的回程途中测到的，另一次是在经过了管道的传感器这端的反射之后又向外传播的过程中测到的。
图4-6示出了具体的实验数据，不过除了由于传感器的放置位置原因而使信号成分102和104在图4-6中溶合在一起之外，这些图一般仍然呈现出上面在图3中说明过的各个信号成分。因此，图4中的初始脉冲102包含了在图3中是分开的端部反射信号成分104。
图4-6的图形是基于实验数据示出的，这些实验数据表明，利用这里所说明的磁致伸缩传感技术，有能力探测到一个外径(OD)为6英寸的钢管中的锈蚀型缺陷。所用管道的长度为22英尺，壁厚为0.188英寸。发射磁致伸缩线圈放置在离管道一端约2英寸处，用100kHz的音调脉冲串激励。探测磁致伸缩线圈放置在离发射传感器约43英寸处。
图4中的图形是在管道内导入缺陷之前获得的数据。这里再次出现了初始脉冲102和两个端部反射信号108。如前所述，初始脉冲102包含了所施加的音调脉冲串和波在向管道远端传播的过程中经过探测传感器时所探测到的信号。第一个端部反射信号108是入射波经过管道远端的反射后在返回途中测得的信号。第二个端部反射信号108是返回波经过管道的传感器这端的反射后进行另一次来回传播时探测到的端部反射信号。所以这两个信号分开的时间是从探测传感器到管道的传感器这端之间来回传播的时间(在本例中，它约为0.45ms)。
图5和6示出了在两个信号数据，它们是在离管道的传感器这端约148英寸的地点(或离探测传感器103英寸的地点)于管道的外径上导入了一个直径为0.5英寸的洞之后取得的。对于图5的数据，上述洞的深度约为0.058英寸；对于图6的数据，洞的深度约为0.092英寸。所导入的缺陷造成了容易识别的信号，其形式仍然是两个缺陷信号106，出现两个信号的原因是因为波被探测到了两次，如前所述。从图5和图6中的缺陷信号106的振幅差别还可以明显地看出，缺陷信号的振幅随着洞深度的增大而增大。已经从实验上证明，利用本发明的设备和系统，能够探测到其横截面积小到管道总横截面面积的0.25％的洞。
图4-6中的信号是使用类似于图1所示布设在外部的线圈获得的。使用内部布设线圈和各种直流偏置磁铁布局结构明显地也能得到类似的信号特性。
还应该指出，探测单元中的感应线圈也会探测到对机械波的磁致伸缩探测会起干扰作用的散射电磁波。为了减少这种电磁干扰(EMI)，本发明采用了两种方法。第一种方法是在探测单元中使用两个感应线圈，它们的间距等于在管道壁中产生的机械波的波长的一半。然后把这两个线圈的输出输入给一个差分信号放大器，后者使其中的一个输入倒相，结果使两个输入信号相加。这样，EMI信号将趋于互相抵消，而机械波信号却互相相加。其结果是大为提高了探测到的机械波信号的信噪比。可采用的另一种滤波方法是进行信号平均处理。由于EMI信号与发射线圈的激励在时间上是不同步的，所以平均处理也能明显地提高信噪比。
尽管这里已指出了本发明优选实施例的一些应用，但可以预料，熟悉本技术领域的人员仍可以用与本发明有关处理相一致的方式，提出前面所说明的每个方法和每种设备的其他应用。可以预料，对于任何需要对长形圆柱材料进行远处无损检验并存在有铁磁性材料的情形，本发明都有可能应用，或者在应用时只有很少不良影响甚至没有不良影响。

Claims (14)

1、一种用于检验铁磁性圆柱壳结构，包括管道和管子，以探测和定位伤痕、裂缝和其他异常情况的方法，其中上述圆柱壳结构具有一个周边面和一个长度，该方法包括以下步骤：
在接近于上述壳结构一个表面的一个第一位置处建立一个沿着上述圆柱壳结构的上述长度方向的第一线性化直流磁场；
利用磁致伸缩效应在上述第一磁场中引起一个足以产生一个能通过上述壳结构的体积的初始机械波的磁场起伏；
在接近于上述壳结构一个表面的一个第二位置处建立一个沿着上述圆柱壳结构的上述长度方向的第二线性化直流磁场；
探测作为上述初始机械波和多个次级机械波通过上述壳结构的体积的一个结果的上述第二磁场中的磁场起伏，上述第二磁场中的上述磁场起伏是由于上述各机械波在上述第二磁场中的上述通过过程中的逆磁致伸缩效应所引起的，上述多个次级机械波是由于被上述壳结构中的上述伤痕、裂缝和其他异常情况的反射而产生的；
分析能表明上述次级机械波的探测到的上述第二磁场中的上述磁场起伏，并把上述探测到的磁场起伏与已知的能表明上述圆柱壳结构中的上述伤痕、裂缝和其他异常情况的变化模式相联系起来。
2、根据权利要求1的方法，其中上述建立一个第一线性化直流磁场的步骤包括：把一个永久磁铁或电磁铁放置在接近于上述壳结构一个表面的上述第一位置处，并让上述永久磁铁或上述电磁铁的磁极有适当的取向，以把上述磁场导向沿着上述壳结构的上述长度方向。
3、根据权利要求1的方法，其中上述在沿着上述壳结构的长度方向的上述第一磁场中引起一个磁场起伏的步骤包括：把一个电磁线圈放置在邻近于上述第一位置并接近于上述壳结构一个表面的位置处，并改变通过上述电磁线圈的电流以在上述壳结构的体积内产生磁致伸缩效应。
4、根据权利要求1的方法，其中上述建立一个第二线性化直流磁场的步骤包括：把一个永久磁铁或电磁铁放置在接近于上述壳结构一个表面的上述第二位置处，并让上述永久磁铁或上述电磁铁的磁极有适当的取向，以把上述磁场导向沿着上述壳结构的上述长度方向。
5、根据权利要求1的方法，其中上述探测沿着上述壳结构的长度方向的上述第二磁场中的磁场起伏的步骤包括：把一个电磁探测线圈放置在接近于上述壳结构的一个表面的上述第二位置处，并探测由上述壳结构体积内的逆磁致伸缩效应在上述电磁线圈中感生出的电压的变化。
6、一种用于检验铁磁性圆柱壳结构，包括管道和管子，以探测和定位伤痕、裂缝和其他异常情况的设备，其中上述圆柱壳结构具有一个周边面和一个长度，该设备包括：
一个至少含有一圈绕线的发射线圈，它位在邻近于或包围着一个接近于上述壳结构一个表面的第一位置的地方；
一个邻近于上述发射线圈的第一线性化直流磁铁，上述第一直流磁铁在上述壳结构的体积内产生一个沿着上述圆柱壳的上述长度方向的第一线性磁场；
一个信号发生器和功率放大器，它们能够向上述发射线圈施加一个足以使上述第一磁场产生磁场起伏的电流；
一个至少含有一圈绕线的探测线圈，它放置在邻近于或包围着一个接近于上述壳结构一个表面的第二位置的地方，它的方向沿着上述圆柱壳的上述长度方向；
一个邻近于上述探测线圈的第二线性化直流磁铁，上述第二直流偏置磁铁在上述壳结构内产生一个第二线性磁场；
一个信号预处理器，用来放大和滤波上述探测线圈中的电流，上述被放大和滤波的电流是一个能表明上述第二磁场中的磁场起伏的信号；以及
一个显示装置，用来显示上述信号并让测试操作员能解释上述信号，由此便能解释上述第二磁场中的上述磁场起伏；
其中，上述第一磁场中的磁场起伏导致了上述圆柱壳结构体积内的磁致伸缩效应，并在上述壳结构中产生初始机械波，上述第二磁场中的磁场起伏是由上述壳结构中的次级机械波所引起的逆磁致伸缩效应造成的，上述次级机械波的产生是上述初始机械波被上述壳结构中的上述伤痕、裂缝和其他异常情况反射的结果；以及
其中，对上述信号的上述解释包括：识别上述伤痕、裂缝和其他异常情况的发生位置和恶化程度。
7、根据权利要求6的设备，它还包括记录装置，该装置包能够接收和存储上述信号，以备以后显示和解释。
8、根据权利要求6的设备，其中上述发射线圈包围着上述结构的外周面。
9、根据权利要求8的设备，其中上述发射线圈包括一个带有一个第一接插端和一个第二接插端的可拆卸导电体阵列，通过卸开上述第一和第二接插端上述导电体阵列可以包围上述圆柱壳结构，并且在包围了上述结构之后再连接上上述两个接插端便形成了单个的导电体线圈。
10、根据权利要求6的设备，其中上述发射线圈被包含在上述结构的内周面之内。
11、根据权利要求10的设备，其中上述发射线圈包括一个绕线轴和一个卷绕在上述绕线轴上的导电体，上述绕线轴的尺寸设计得能够插入到上述结构内部。
12、根据权利要求6的设备，其中，上述第一直流磁铁包括一个带有一个第一接插端和一个第二接插端的可拆卸磁性模块阵列，通过卸开上述第一和第二接插端上述阵列可以包围上述圆柱壳结构，并且在包围了上述结构之后，连接上上述两个接插端便形成了一个包围上述结构的连续的圆周，上述各磁性模块在上述结构内产生分立静态的磁场。
13、根据权利要求12的设备，其中上述磁性模块阵列包括一些分立的永久磁铁。
14、根据权利要求12的设备，其中上述磁性模块阵列包括一系列电磁线圈。
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