0 引　言

船舶中的海水管路长时间流通海水，受到海水的影响，容易产生管路腐蚀和抗压能力变弱的现象，同时在同一管段的不同位置可能存在“沙眼”，对于运营时间较长的船舶同样面临因海水管路老化而导致管路破损的风险。一旦海水管路发生破损或薄弱处泄露的问题，轻则对船舶的不同设备产生腐蚀，影响设备的使用寿命，重则会严重影响船舶的浮性与稳性，影响船舶的生命力^{[1 − 2]}。因此按照损害管制的相关方法，日常做好海水管路的探伤检测，及时检修和更换隐患管路，对于保障船舶的生命力至关重要。国内对于管路检测的技术相比之下起步较晚，1994年我国采进了漏磁检测设备，真正开始了漏磁检测技术研究。近年来，随着信号处理技术的不断发展，涡流探伤检测也呈现出可非接触式检测、检测速度快等优势。截至目前，涡流探伤技术虽然已在船舶冷水机组蒸发器、吊耳等相应检测上进行了相应应用实践，但因在检测过程中面临抗周围环境干扰能力差、检测精度不稳定、体积大、成本高等诸多不足之处，且更多的应用在表面探测，所以在船舶行业应用相对较少，船舶水管路的涡流探伤技术实际使用受到较大的阻碍^{[3 − 6]}。

为此，基于电涡流高频反射原理，进行船舶海水管路的无损探测技术研究。进行硬件整体架构设计，利用虚拟仪器技术方案，克服传统涡流检测检测精度低、检测成本高、抗干扰能力差等诸多缺点，为船舶海水管路的探伤预防工作提供了解决思路。

1 高频平面反射涡流无损探伤检测原理

根据楞次定律可知，金属处于变化的磁场中时，在其表面会形成闭合的电涡流，由于这种涡流效应的存在，会导致电磁波在传播过程中遇到金属介质会产生能量衰减的现象，从而反作用于原磁场^{[7 − 8]}。由于船舶所用的海水管路为金属所制，管路腐蚀严重的位置管壁较薄，与正常的管路管壁厚度上存在差异，因此通过检测电磁波反馈能量的大小，进而实现船舶海水管路的无损检测。

在电涡流探伤检测中，选用探头式检测线圈。探头式线圈适用于管材、板材、钻孔等表面或内表面的探伤，还可用于检测材料的厚度和磁导率等。相比于其他检测线圈，探头式线圈应用范围广，可以对不同形状的物体进行检测，还可以对空间移动的物体进行检测。探头式线圈在金属体内产生涡流的渗透深度与线圈激励电流的频率有关，主要可分为高频反射式和低频透射式。由于管路分布的大部分空间位置都相对狭小，受管路的限制，因此采用高频反射涡流探伤技术，即空间上发射线圈（外）与接收线圈（内）同轴共面，建立模型如图1所示。

在一个工作周期中，系统的整体储能与能耗的比值，称为检测线圈品质因数Q，由于电涡流效应会在检测的金属导体上产生热损，这就使得检测线圈的品质因数也会变化，而存在腐蚀较为严重的位置也会与正常的位置之间存在差异。

$ Q=\dfrac{2\text{π} f{L}_{1}}{{R}_{1}}\cdot \dfrac{1-\dfrac{{L}_{2}{(2\text{π} f)}^{2}{M}^{2}}{{L}_{1}Z_{2}^{2}{}_{}}}{1+\dfrac{{R}_{2}{(2\text{π} f)}^{2}}{{R}_{1}Z_{2}^{2}{}_{}}} 。$

(1)

式中：M为互耦线圈的互感系数；L为线圈的电感；R₁为测线圈的电阻；R₂为金属检测物电阻；Z为金属检测线圈阻抗；f为检测线圈电压频率。

2 高频反射探伤硬件构建

探伤检测装置硬件设计可以根据功能划分成2个功能区，即信号检测装置和采集处理装置。其硬件架构设计如图2所示。

其中信号发射装置主要用于发射线圈输入波形的发生及功率的放大，采集处理装置主要实现接收线圈信号的滤波及放大采集，随后上位机将采集的信号进行信号处理，并对异常信号进行报警提示。为实现信号检测装置的小体积及轻量化要求，高频正弦波的发生与放大选用SGP3002微型信号发生器与FPA1016功率放大器。实物图如图3所示。

根据毕奥萨伐尔定理推理计算得到式(2)，可以发现发生磁场B的大小主要取决于电流大小与发射线圈的匝数。由于受到供电设备及功率放大设备的限制，过度增大发射电流会产生烧毁设备的问题，为满足船舶部分大管径海水管路的要求，在功率允许的范围内，合理增加发射线圈的匝数以保证探伤的距离及深度。

$ {B}_{N}=N\times \frac{{\mu }_{0}{\mu }_{r}{R}^{2}{I}_{m}}{2{({{x}^{2}}+{{R}^{2}})}^{\frac{3}{2}}}\sin (\omega t+\phi ) 。$

(2)

式中：N为线圈匝数；μ为磁导率；R为特征半径；I_m为驱动电流最大值；x为空间中某一点距线圈中心距离；$\varphi$为正弦波信号初始相位；ω为正弦波信号角频率。

由于船舶上除海水管路外金属物众多，实际检测时，容易因为管路外的其他金属装置干扰而形成不必要的杂波进而影响检测效果。为此，为实现多余杂波对于采集信号的影响，将接收线圈的接收信号经Mini-Circuit抗干扰滤波，后由AD623模块信号放大后经数据采集卡实现模拟信号的数字化处理转化。

3 信号数据处理

由于检测接收信号是一个连续变量函数，为在较强的背景噪声下提取真正的信号或信号特征，首先将原始的接收模拟信号做如下处理，如图4所示。

虽然接收信号已经通过Mini-Circuit带通滤波器进行杂波的过滤与处理，但受到带通滤波器自身硬件性能的限制，在实际应用过程中单纯的硬件滤波并不能完全消除因周围环境、震动等因素产生的所有干扰杂波，最终依旧不能得到规整的波形，所以在硬件滤波的基础之上，需要将处理后的波形进行2次软件滤波。以LabView作为虚拟仪器技术方案的软件开发平台，用以代替真实的物理仪器，以进一步降低检测环境的干扰，提高检测信号的精准度，达到小空间和低成本完成受损管路的检测判断的目的^{[9 − 11]}。首先将接收的原始信号进行数据的采集并通过进行示波，随后对信号进行归一化等处理，通过处理信号的波形显示与设定阈值的对比查询，进而判断管壁内部的受损程度。相较于噪声而言，检测信号的幅值较小且变化极其微弱，属于微弱信号检测。研究微弱信号的方法主要是分析噪声的产生原因及规律，研究被测信号特点、相关性以及噪声统计特性，最终在背景噪声中寻找有用信号。因此对于接收的原始信号处理如图5所示。

由于管路的分布位置及周围的设备工况不一，因此对于检测信号会出现随机性扰动。且电涡流自身对于原有磁场的影响较为微弱，单靠幅值差异检测可能影响检测的可靠性，因此对于处理后的微弱信号变化以概率统计的方式，对连续信号波形取样，以自相关函数对相邻时域的信号相似性进行对比^{[12 − 14]}。假设信号$ x(t) $自相关函数$ {R}_{x}({t}_{1},{t}_{2}) $是时域特性的平均度量，其值表示了信号在$ {t}_{1} $和$ {t}_{2} $时刻的相关程度，对于连续的信号来讲，其统计的特征量与时间起点无关。令$ {t}_{1}=t $，$ {t}_{2}=t-\tau $，则自相关函数$ {R}_{x}({t}_{1},{t}_{2}) $计为$ {R}_{x}(\tau ) $，推理计算得到自相关函数$ {R}_{x}(\tau ) $经归一化处理后，对比同一信号不同时刻的相互关系，$ {R}_{x}(\tau ) $测量模块测量属性为峰峰值，测量值输出后与标定值进行比较，以此达到管路损伤探测的目的。

$ {R}_{x}(\tau )=\underset{T\rightarrow \infty }{\lim } \frac{1}{2T}\int _{-T}^{{T}}\left[x(t)x(t-\tau )\right]{{\mathrm{d}}}{t}。$

(3)

式中：T为正弦波周期；x(t)为某一时刻的信号序列；τ为时间延迟。

由于接收到的信号为正弦波，是周期信号。因此可以对一个周期上的波形进行自相关分析。设接收到的正弦信号为$ x(t)=A\mathit{\sin } (\omega t+\tau ) $，且周期为T，对式(3)求解可得自相关函数：

$ \begin{split}{R}_{x}(\tau )=\; &\underset{T\rightarrow \infty }{\mathit{\lim }} \frac{1}{T}\int_{0}^{\mathrm{{T}}}A\mathit{\sin } (\omega t+\tau )A\mathit{\sin } \times\\ &[\omega (t+\tau )+\varphi ]{\mathrm{{d}}}{t}=\frac{{A}^{2}}{2}\cos \omega t。\end{split}$

(4)

根据式(4)可知，理想的正弦波函数自相关函数为余弦函数，且幅值大小为原信号幅值平方的1/2。自相关函数的频率与原信号频率相同，但也无法保留原有信号的相位信息。而检测系统分析和判断的依据是信号幅值的变化，因此相角的丢失对于系统没有影响。

由于噪声信号一般都是无规律变化的非周期函数，各个时刻的噪声信号也各不相同，因此噪声信号本身并不具备时间上的相似性。而自相关函数的算法即是原函数和时移信号函数乘积的平均值，这种算法相当于放大了这种相关程度的变化。根据相关计算可以得知，噪声信号的自相关函数会随着时间逐渐衰减为0，从而实现对接收信号的提取，并过滤掉了不具有相关性的余下噪声信号。

以接收波形的稳定时刻为初始点，并将在正常无损管段的自相关正峰值$ {R}_{x}(0) $作为设定的阈值参数进行比对和判断。由于受损管段出管壁较薄，由于对磁场削弱作用的差异，其自相关正峰值与标准设定的阈值之间会存在偏差，以此作为依据从而实现受损管段的探测。

4 实验论证及结果分析

船舶常用的海水管路主要包含海水冷却管路、压载水管路及舱底水管路等，以较为常见的铜合金海水管路为研究对象，选取长度500 mm的DN150管段进行实验，并提前标记腐蚀相对严重的位置^[15]。通过计算可得，实验结果主要取决于发射装置的信号参数、线圈直径及线圈匝数。

4.1 信号发生装置的参数分析

涡流探伤的效果主要与波形发生信号的频率及电压幅值密切相关，因此通过控制变量的方式，考虑到船舶海水管路的探测空间限制，选用直径300 mm激励线圈，匝数设置为50匝，接收线圈直径为180 mm，匝数150匝，正弦波的发射电压峰值为10 V，采样率为500 KPS，周期采样点数为50000，通过调节信号发生频率的大小，来测量受损管段与正常管段之间的自相关变化量，如图6所示。

可知，在波形发生器的输出频率的范围内，随着高频发射频率的不断增大，自相关变化量呈现先增加后降低的趋势，当信号频率在80 kHz时，自相关的变化量最大。后保持输出频率为80 kHz，通过调节输出电压的峰值，进一步测量输出电压对于受损管段与正常管段之间的自相关变化量，如图7所示。

可以看出，自相关变化量随着激励电压的不断增大呈现先增大后趋于平稳的趋势。当电压较小时，激励装置的激励作用较为微弱，收激励信号的影响，接收信号同样较弱，因此自相关变化幅度小。随着激励电压的不断增大，自相关变化量也随之增大，当增大到一定程度后逐渐趋于稳定，因此将发射电压的幅值选取为10 V。

4.2 发射与接收线圈尺寸分析

为分析线圈匝数对于实验结果的影响，同时兼顾考虑船舶管路的实际，选取直径为300、350、400 mm的激励线圈和直径150、300、450 mm的接收线圈进行组合实验（见表1），对比分析不同尺寸的线圈对于实验结果的影响。

因为发射线圈与接收线圈同轴共面，因此两线圈直降会随之而产生一定程度的互感现象。通过对比实验结果发现可得，在发射线圈为400 mm，接收线圈为250 mm时，接收信号的幅值变化最为明显，其自相关变化量达26146，因此将发射线圈的直径固定为400 mm，接收线圈的直径固定为250 mm。

4.3 发射与接收线圈匝数分析

将信号发生的幅值设定为10 V，发射频率设定为80 kHz，发射线圈直径为400 mm，接收线圈直径设定为250 mm，对比分析匝数分别为50、100、150、200、250匝的激励线圈和150、200、250、300、350、400匝的接收线圈其自相关变化情况（见表2）。

通过对比分析发现，自相关的变化量与线圈的匝数成正比关系，但如果不断增加匝数，因为线圈自身产生的能量损耗也随之增加，所以其自相关的变化情况呈现先增加后降低的现象，最终在发射线圈150匝、接收线圈300匝时，其接收信号的变化量最大。最终将幅值电压为10 V，频率为80 kHz的正弦波信号经功率放大后输入直径为400 mm的100匝发射线圈，选用直径为250 mm的300匝为接收线圈，在DN150铜合金压载水管路管进行腐蚀（腐蚀深度约为0.6 mm）对比实验，探测距离控制为25 cm，并以船舶常用的1台空压机及1台离心泵作为周围环境的扰动，得到其波形及自相关的变化情况如图8所示。

通过上述实验可得，在选定的设备涡流平面反射原理的自相关探测方法对于船舶海水管路的腐蚀探伤具有显著作用，其接收信号的幅值和自相关的阈值在正常管段与腐蚀管段之间会产生明显变化，其中波形幅值从4.83 V变化为4.51 V，自相关的数值从13840变化为79176，如图9所示。

4.4 不同腐蚀深度探伤对比分析

为进一步研究不同腐蚀程度的船舶海水管路对于实验结果的影响，在以上实验的基础之上，将幅值电压为10 V、频率为20 MHz的正弦波信号经功率放大后输入直径为400 mm的100匝发射线圈，选用直径为250 mm的300匝作为接收线圈，在DN150铜合金压载水管路管分别人为制造腐蚀深度约为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm的10处腐蚀位置，通过其自相关的变化量，进一步检测检测装置的可靠性。经实验对比，其自相关的数值变化如图10所示。

可以发现，其自相关变化量成不断增加的现象，且随着腐蚀深度的不断增加，其自相关变化速度不断变快。主要原因在于腐蚀程度越大处管壁厚度越低，涡流差异愈发明显，因此其探测效果越明显。因此，平面高频涡流反射自相关检测在一定范围内可以实现艇用海水管路的腐蚀探伤作用。

5 结　语

根据当前船舶海水管路易腐蚀的现状，提出基于电涡流高频反射的管路探伤方案。采用虚拟仪器技术方案，将数字信号处理时域检测的相关性检测理论应用在涡流探伤接收线圈周期性信号检测中，改变传统管路涡流探伤仪器的成本高、体积大、精度及抗干扰能力差的缺点。通过控制变量的方式发射线圈与接收线圈的匝数、尺寸及发射信号的评率幅值等主要参数进行确定，并对不同腐蚀程度的受损管段自相关变化关系进行实验分析，为船舶海水管路的日常无损探测提供了相应解决方法。