涡流检测技术概述

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2018-07-20
简介
本文阐述了关于涡流检测技术的相关内容,涡流技术是非接触检,能穿透非导体的覆盖层,且灵敏度高,从而缩短了检测周期,降低了成本。本文并对流检测按激励方式和检测原理的分类方式,将其分为单频涡流、多频涡流、脉冲涡流、远场涡流等,根据监测技术发展的情况进行简要分析等。详细内容,请阅读全文!

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涡流检测技术概述涡流技术由于具有的很多优点而被广泛应用。首先,它是非接触检测,而且能穿透非导体的覆盖层,这就使得在检测时不需要做特殊的表面处理,因此缩短了检测周期,降低了成本。同时,涡流检测的灵敏度非常高。涡流检测按激励方式和检测原理的不同可以分为单频涡流、多频涡流、脉冲涡流、远场涡流等,下面对这些技术的发展简要的加以介绍。传统的涡流采用单频激励的方式,主要来对表面及近表面的缺陷进行检测,根据被测材料及缺陷深度的不同,激励频率的范围从几赫兹到几兆赫兹不等,为了得到良好的检测信号,激励线圈必须在缺陷的附近感应出最大的涡流,感应电流的大小和激励频率、电导率、磁导率、激励线圈的尺寸和形状以及激励电流的大小有关,通过测量阻抗或电压的变化来实现对缺陷的检测。然而,由于其它参数也很敏感,这就影响了对缺陷的检测。为了克服单频涡流的缺点,1970年美国人Libby提出了多频涡流的技术(Multi-frequencyEddyCurrent,MFEC),多频涡流是同时用几个频率信号激励探头,较单频激励法可获取更多的信号,这样就可以抑制实际检测中的许多干扰因素,如热交换管管道中的支撑板、管板、凹痕、沉积物、表面锈斑和管子冷加工产生的干扰噪声,汽轮机大轴中心孔、叶片表面腐蚀坑、氧化层等引起的电磁噪声,以及探头晃动提离噪声等。理论与实践表明,被测工件的缺陷和上述干扰因素对不同频率的激励信号各有不同的反应,可反应出不同的涡流阻抗平面。利用这一原理,用两个(或多个)不同频率的正弦波同时激励探头,然后由两个(或多个)通道分别进行检波、放大和旋转等处理,此后,通过多个混合单元的综合运算,就可以有效的去除信号干扰,准确的获取缺陷信号。但是,多频涡流只能提供有限的检测数据,很难以可视化的方式实现对缺陷的成像检测。70年代中后期,脉冲涡流技术(PulsedEddyCurrent,PEC)在世界范围内得到广泛的研究,PEC最早由密苏里大学的Waidelich在20世纪50年代初进行研究,脉冲涡流的激励电流为一个脉冲,通常为具有一定占空比的方波,施加在探头上的激励方波会感应出脉冲涡流在被测试件中传播,根据电磁感应原理,此脉冲涡流又会感应出一个快速衰减的磁场,随着感生磁场的衰减,检测线圈上就会感应出随时间变化的电压,由于脉冲包含很宽的频谱,感应的电压信号中就包含重要的深度信息。脉冲涡流主要有以下几个特点:不需要改变测试参数的设置,一次扫描就可以完成对大面积复杂结构的检测;探头上可施加较大的能量来实现对深层缺陷的检测;与多频涡流相比,仪器的成本低。远场涡流检测技术(RemoteFieldEddyCurrent,RFEC)是基于远场涡流效应的原理,通常使用内通过式探头,由两个线圈组成,一个为激励线圈,通以低频交流电,另一个为检测线圈,但检测线圈不象一般的涡流探头那样紧靠激励线圈,而是置于远离激励线圈两到三倍管内径以外的二次穿透区,这样才具有实现穿透管壁的检测能力。但远场涡流的探头长度较长,信号幅度太低,为提高信号的幅度必须采用较大的激励功率,而过低的激励频率又限制了检测的扫描速度,这就构成了远场涡流检测中相互制约的突出弱点。80年代中后期,超导量子干涉仪器(SuperconductingQuantumInterferenceDevice,SQUID)开始被应用到无损检测领域。SQUID是一种用于涡流检测的磁场传感器,在低温时也具有很高的灵敏度,其几乎不受频率的影响,高的磁场灵敏度使其在低频时能检测位于深层的缺陷。但其在使用时必须首先冷却到低温,该技术目前还处于实验室的阶段。从涡流检测仪器的发展历程来看,共经历了五个阶段。第一代产品是以分立元件为基础,采用简单谐振方式的一维显示模拟仪器,只有一种检测频率;第二代产品是以阻抗分析法为基础,部分采用集成电路技术;第三代产品是多频涡流仪,利用不同频率下被检金属材料反射阻抗不同的原理,提高了对材料特性或缺陷的检测能力,并通过混频处理抑制干扰信号,达到去伪存真的目的;第四代产品是以计算机技术为基础的智能化、数字化产品,具备频谱分析、涡流成像等功能;第五代产品是以DSP技术、阵列技术、多通道技术、通信传输技术及其它无损检测技术相互融合为一体的多功能仪器,它能够对缺陷进行检测、分析和判断,并通过其他技术的辅助检测,以验证其结果的正确性。近年来,随着科学技术的发展,涡流检测技术在开发使用方面取得了突破性进展。从硬件技术方面来看,大规模、超大规模集成电路的应用大大缩小了仪器的体积和功耗;从软件技术方面看,计算机微处理器的性能大幅度提高,以“软”代“硬”成为一种趋势,整机的智能化水平有了很大提高,从而大大降低了对仪器使用者操作技能的要求。目前,涡流技术已被广泛应用到对不同材料和结构的检测,主要包括:对飞机结构的检测、压力容器的检测、焊接结构的检测,除此之外,还被用来对位移进行测量。常规涡流方法对导电金属构件表面和近表面裂纹的检测灵敏度较高。但由于存在趋肤效应,涡流渗透能力不足,难以满足对管壁较厚的天然气管道内外表面及管壁内部裂纹检测的需要。近年来,围绕对天然气管道裂纹的检测和量化,人们在远场涡流检测技术方面也开展了一些研究。不同于常规涡流检测技术,它是利用两次穿越管壁的低频磁场作为检测信号,不受集肤效应的限制,对管道内外表面裂纹缺陷具有相同的检测灵敏度,能有效克服常规涡流检测法的局限性。且远场涡流探头一般是内穿过式探头,因此比较适合对天然气管道表面裂纹的检测。目前,美国多家研究机构,包括美国天然气技术研究所、西南研究所和Battelle公司等,都在积极致力于天然气管道裂纹远场涡流检测器的研制,美国国家运输部和能源部都对该技术的研究给予了专项资助。由于国内油气管道质量参差不齐,管道内表面工况较差,限制了需要耦合剂的内检测方法的使用,比如超声波检测法。电磁超声检测法不需要耦合剂,但是其探头功率很大,限制了它在长距离管道在线检测上的应用。漏磁法在裂纹方面的检测能力有限,尤其是无法检测天然气管道中的闭合裂纹,而远场涡流在这些方面要更优一些。一、远场涡流基本原理远场涡流是专门用于金属管道缺陷检测的特殊涡流检测技术。典型的远场涡流检测装置如图1.1所示,主要包括一个与管道同轴放置的低频交流线圈和相距2~3倍管道直径外的同轴检测线圈,以及一些必要的机械和电子装置。远场涡流是发生在金属管道中的独特现象:在管道中与管道同轴放置通以低频交流电的激励线圈,它所产生的磁场能量向管道的两端传播时有两个不同的耦合路径,分析这两个能量传播和耦合途径,是理解远场涡流技术的关键。管道内的直接耦合能量,受铁磁性的管壁的强导磁作用的影响,近似为指数衰减。另外一条能量耦合和传播途径是指磁场在管壁中激发出周向涡流,磁场能量扩散到管道外面并沿管道传播,又会在管壁中激发出涡流,穿越管壁到达检测线圈,称为间接耦合能量路径。管道内激励线圈附近是直接耦合能量占据主导位置,但由于直接耦合能量比管壁外的间接耦合能量衰减更快,随着与激励线圈的距离逐渐增加,间接耦合能量逐渐成为主导。因此在激励线圈两侧分别划分两个区域:直接耦合能量占主导的区域称为近场区,间接耦合能量占主导的区域称为远场区,两个区域的分界处位置由管壁的厚度、磁导率、电导率和激励频率等因素决定,通常在离开激励线圈大概2倍管道直径D的位置如图1.2所示。有时还在近场区和远场区之间划分出一个过渡区。图1.2远、近场区示意图图1.3为远场涡流检测线圈的检测信号电压幅值和相位与离开激励线圈距离的变化曲线,在近场区检测信号的幅值呈现快速的指数衰减,在远场区,管内壁和外壁处表现为同样速率的指数衰减,比近场区要慢。检测信号的相位除在过渡区出现跃变外,与检测线圈离激励线圈的轴向距离呈现线性变化。远场区的磁场主要来自于间接耦合,磁场能量由激励线圈出发两次穿越管壁,其中携带了管壁的结构信息,成为远场涡流检测方法的依据。在其它参数保持不变的情况下,内径处的磁场强度与管壁的厚度密切相关,其幅值的对数和相位与壁厚为线性关系。如果管壁内出现裂纹等缺陷,相当于管壁的局部等效壁厚发生变化,导致内壁附近的磁场的大小和相位发生变化,从而可以检测出来。远场涡流检测技术与传统的涡流检测技术相比,它不受涡流集肤深度的限制,能够以同样灵敏度检测管壁内表面和外表面的缺陷。2003年全国涡流无损检测技术专业委员会已正式更名为电磁(涡流)检测技术专业委员会,这表明电磁检测技术已进入一个全新的发展时代,它不仅包括涡流检测技术,还包括漏磁、磁记忆、微波等多种检测方法。从发展趋势来看,电磁检测仪器将朝着小型化、多功能化、智能化方向发展,并将进一步融入超声检测、涡流成像、阵列涡流和磁光涡流等诸多功能。此外,多信息融合以及网络化技术的应用,使我们在不久的将来可以实现动态跟踪检测,即时获取被检对象的相关数据。毋庸置疑,电磁(涡流)检测技术具有乐观的发展前景。二、本院涡流检测应用前景:1、无缝钢管制造检验为使无缝钢管在整个圆周面上都能进行探伤检查,可使用穿过式线圈涡流探伤技术,或者使用旋转钢管(扁平式线圈涡流探伤技术),见图1.4和图1.5所示。当使用穿过式线圈对钢管进行探伤时,被检钢管的最大外径一般不超过180mm。当使用旋转钢管(扁平式线圈)对钢管进行探伤时,被检钢管和检查线圈应彼此相对移动,以使整个钢管表面都能被扫描到。使用这种探伤技术时,被检钢管的最大外径是没有限制的。图1.4穿过式线圈涡流检测示意图图1.5旋转的钢管/扁平线圈涡流探伤简图2、容器小管道检验容器小管道应用与新制钢管的涡流检测方法不同,在用换热器管的涡流检测只能采用内穿过式探头,由于钢管口径较小,内穿过式探头采用磁饱和装置非常困难,因此对于在用换热器铁磁性钢管通常采用远场流检测方法,而不采用磁饱和状态下的常规涡流检测技术。由此可见,远场涡流检测在管道检测方面具有很大的优势,他对铁磁性管道的内外壁缺陷具有相同的灵敏度且不受集肤效应的限制,能同时检测凹坑、裂纹和壁厚减薄等多种缺陷,被认为是一种最有发展前途的管道检测技术。远场涡流检测在热交换管的应用如图1.6。图1.6热交换管检验实例3、压力容器焊缝的检验金属压力容器在投入使用后,在应力、疲劳载荷、内部工作介质或外部工作环境的作用下,易在焊缝和热影响区部位产生应力腐蚀开裂或疲劳等表面裂纹,目前在定期检验中检测表面和近表面裂纹最常用的方法为磁粉检测和渗透检测,这种检测方法灵敏度高,但在检测过程中必需对检测区域的表面进行打磨处理,去除表面的油漆、喷涂等防腐层和氧化物。然而,在目前的压力容器定期检验中,有95%以上的压力容器在经过焊缝表面打磨和磁粉或渗透检测后未发现任何表面裂纹,即使发现表面裂纹的压力容器,一般也是只存在几处表面裂纹,占焊缝总长的1%以下,因此大量的打磨一方面增加了压力容器停产检验的时间和费用,另一方面也减小了压力容器焊缝部位壳体的壁厚。另外,由于绝大部分在用压力容器不能进行打磨,因此这两种方法均不能用于压力容器的在线检测。采用涡流技术可以在不去除表面涂层的情况下探测金属材料的表面裂纹,然而,常规涡流方法只适用来检测表面光滑的母材上的裂纹,对焊缝上的裂纹检测却会因焊缝在高温熔合时产生的铁磁性变化和焊缝表面高低不平而出现杂乱无序的磁干扰而无法实施。针对这些问题,人们研究出基于复平面分析的金属材料焊逢涡流(电磁)检测技术,在有防腐层的情况下,也可采用特殊的点式探头对焊缝表面进行快速扫描检测,这时提离效应对检测结果的影响很小,该方法今后研究发展前景广阔。
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