鋼管渦流探傷可靠性分析

趙仁順 張東（天津鋼管集團股份有限公司,天津 300301）

鋼管渦流探傷可靠性分析

趙仁順 張東（天津鋼管集團股份有限公司,天津 300301）

從原理上分析了鋼管渦流探傷中采用穿過式自比差動線圈對縱向裂紋類缺陷檢出率低的原因，并通過試驗進行了驗證。闡述了影響鋼管渦流探傷可靠性的因素，提出了改善鋼管渦流探傷可靠性的幾點建議。

鋼管 渦流探傷 可靠性 自比差動線圈 分析

1 前言

渦流探傷在金屬材料及鋼管中的應用較為廣泛。在鋼管渦流探傷中，穿過式（即線圈環繞被檢鋼管外部，鋼管在線圈中通過）自比差動線圈法由于檢測速度高而常常被采用，然而，實踐證明，它難以檢測出鐵磁性鋼管中的縱向裂紋類缺陷。對于鋼管中經常產生的“外折”類缺陷，不少渦流儀與探頭也常常發現不了，常常出現肉眼明顯可見的裂紋或外折缺陷卻無法用渦流探傷正常檢出的尷尬想象，因而造成漏檢，不能滿足鋼管生產要求。在檢測孔洞及橫向缺陷時，由于受各種因素的影響及設備參數設定等原因，也有缺陷漏檢的現象發生，因此，渦流探傷可靠性的提高是一個亟待解決的問題。

2 自比差動線圈原理

采用同一檢測試件的不同部分作為比較標準，故稱為自比式，如圖1所示。兩個相鄰安置的線圈，同時對同一試件相鄰部位進行檢測時，該檢測部位的物理性能及幾何參數變化通常是比較小的，對線圈阻抗影響也比較微弱。如果將兩個線圈差動聯接，這種微小變化的影響便幾乎被抵消掉，如果試件存在缺陷，當線圈經過缺陷（裂紋）時將輸出相應急劇變化的信號，且第一個線圈或第二個線圈分別經過同一缺陷時所形成的渦流信號方向相反。即兩個線圈同時作用在同一個缺陷（縱向裂紋）上時，所產生的信號被抵消掉，這就是自比差動線圈對縱向裂紋、外折類缺陷檢出率低的原因。

自比式線圈可抑制試件尺寸和電導率等緩慢變化的信號，對提離間隙變化、工件傳輸時的抖動以及周圍環境溫度的影響的敏感性也較低，也就是說探頭的抗干擾能力較強，而對突然變化的缺陷信號有明顯反應[1]。

3 標準樣管試驗情況

從自比差動線圈原理可知，用自比差動線圈無法檢測出縱向較長的缺陷，對于較短的縱向缺陷是否能夠檢出我們進行了現場試驗。

試驗設備型號：TECHNOFOUR FLAWMARK-EC

樣管規格：Φ88.9×6.45 mm。

人工傷類型：通孔和不同長度的縱向槽。

人工傷個數：9個。

人工傷尺寸：通孔?0.8 mm；槽傷深度為壁厚的5%，寬度0.8 mm，長度見注。

測試樣管示意圖如圖2所示。

2.1 試驗情況一

激勵頻率5 kHz，相位42°，增益42 dB，報警閘門設定50%，前置放大器正常。探傷波形圖如圖3所示。

從試驗情況可以看出，通孔（1#、4#、5#、6#、9#缺陷）能夠正常報警，但噪聲較高，信噪比不滿足YB/ T4083-2000[2]標準的要求（標準要求信噪比不小于10 dB，而試驗情況的信噪比最大為8 dB。），而4個縱向刻槽（2#、3#、7#、8#缺陷）均未報警，甚至沒有波形顯示。

2.2 試驗情況二

將激勵頻率改為10 kHz，其它參數不變，探傷波形圖與2.1情況基本一致。保持其它參數不變，將激勵頻率改為50 kHz，試驗結果仍然是孔傷全部報警，槽傷只有兩個較短的2#（5 mm長）和8#（2.5 mm長）有較低的波形顯示，但也沒達到報警高度，而觀察此時的波形顯示，噪聲明顯增高，對探傷不利。探傷波形圖如圖4所示。

2.3 試驗情況三

將相位改為45°、50°和55°，保持其它參數不變分別進行試驗，試驗情況與2.1的情況基本相同，槽傷仍然全部未報警。

從以上三種試驗情況看，當采用自比差動線圈測試標準樣管時，不論怎樣改變激勵頻率、相位等參數，對縱向裂紋類缺陷均不敏感，即使縱向缺陷只有2.5 mm長。同時也可以看出，雖然渦流探傷對孔狀缺陷相對較敏感，但孔徑大小是影響探傷靈敏度和信噪比的重要因素。從試驗情況看，此套設備對?0.8 mm的通孔檢測效果不是很理想。

3 影響渦流探傷可靠性的因素

穿過式自比差動線圈渦流探傷雖然對縱向缺陷不敏感，但對孔洞類缺陷和橫向缺陷的檢測靈敏度相對較高，但檢測的可靠性受各種因素及參數設定等原因影響，因此，如何保證渦流探傷的可靠性顯得尤為重要。下面就對影響鋼管渦流探傷的可靠性因素進行分析。

結合鋼管渦流探傷方式、探傷工藝以及實際檢測中缺陷漏、誤報率原因分析，將影響鋼管渦流探傷可靠性的因素歸納為以下幾點：

（1）儀器性能指標：儀器信號處理能力、儀器各單元電路的功能等；

（2）機械傳動系統：傳輸輥道的同心度；

（3）渦流探頭：探頭形式、靈敏度、接線方式及磁飽和電流的強弱；

（4）噪聲干擾：環境噪聲、系統噪聲、振動噪聲、鋼管電導率和磁導率變化以及鋼管直徑或壁厚變化引起的噪聲；

（5）被檢鋼管：平直度、橢圓度、彎曲抖動；

（6）樣管：傷型（孔、槽）、傷尺寸、傷個數：

（7）工藝方法：磁飽和電流、探傷速度、激勵頻率、填充系數；

（8）人員素質：技術水平、質量意識、復探情況等。

除上述因素以外，正確分析和處理探傷中所獲得的信息也是至關重要的。

5 信息分析和可靠性的關系

渦流檢測同其它無損檢測方法一樣，使用被檢鋼管和樣管兩者之間產生的信息做比較而得到被檢鋼管的結論。然而，二者信息差異有時是我們感興趣的因素即缺陷引起的，有時則是不希望有的干擾因引起的，例如，鋼管直徑的變化、截面的變化、鋼管磁導率及電導率的變化、填充系數、端頭效應以及鋼管彎曲造成的抖動等都會引起獲得信息的變化（諸如我們平時所說的誤報），這種信息當然是我們不希望得到的。因此，在探傷過程中，就要求探傷人員正確分析各種報警信息，正確區分何為缺陷報警，何為誤報，如果不能正確區分，就會造成誤檢或漏檢，降低探傷結果的可靠性。通常，渦流探傷儀信號處理方法分為相位分析法、調制分析法、幅度分析法三種。為了抑制鋼管傳送時的振動產生的噪聲，通常采用相位分析法；為了抑制由鋼管的尺寸（如直徑、壁厚）變化或電磁特性變化引起的噪聲，以及鋼管與檢測線圈之間相對運動引起的振動噪聲，通常采用調制分析法；為了抑制儀器的系統噪聲和環境的干擾噪聲，通常采用幅度分析法。探傷人員應根據實際探傷情況，有針對性地進行信息分析，達到將缺陷信息和噪聲信息分開的目的。如果采取的信息分析方法不得當，直接導致的結果是缺陷漏檢或誤檢。由此可見，正確分析探傷信息對保證渦流探傷的可靠性也是十分重要的。

6 影響可靠性因素分析

以上對影響可靠性的因素作了綜合闡述，下面就從幾個方面具體論述如何提高鋼管渦流探傷可靠性，以提高缺陷的檢出率及綜合性能指標。

6.1 激勵頻率

渦流探傷標準滲透深度為：

式中：σ——電導率，單位為1／μΩ·cm

f——激勵頻率，單位為Hz

由（1）式可知，增大激勵頻率f，滲透深度δ減小，鋼管表面的渦流密度增加，可以提高對表面缺陷的探傷靈敏度，而對近表面缺陷的探傷靈敏度降低。對鋼管，以σ=0.06（μΩ·cm）-1為例，當f=5 kHz時，δ= 2.90mm；當f=10 kHz時，δ=2.05 mm；當f=50 kHz時，δ=0.92 mm。一般渦流的滲透深度都不大，要想增加渦流探傷的深度，可以通過降低頻率來實現，但降低頻率會使線圈與鋼管之間的耦合能量降低，從而使檢測靈敏度下降。所以，在選擇激勵頻率時，應兼顧考慮渦流滲透深度和檢測靈敏度兩個因素。通常，在選擇激勵頻率時，除了要考慮所需檢出缺陷的位置（內或外）、形狀和大小，還要考慮檢測線圈的長度、探傷速度等因素。

6.2 探頭與鋼管的間隙

渦流探頭即指檢測線圈，它的主要作用是在鋼管上建立磁場，激勵出渦流，傳遞探傷信息。當采用穿過式線圈時，渦流探傷的靈敏度是隨著線圈與鋼管間隙的增加而降低。為了提高探傷靈敏度就需盡量減小線圈與鋼管之間的間隙，但如果間隙太小會阻止鋼管在線圈中自由通過，甚至損壞探頭。線圈與鋼管之間的間隙大小用填充系數η表示：

式中：d——鋼管外徑

D——線圈內徑

通常，當η=0.85～0.65范圍內時，對小口徑管η小，大口徑管η可大一些。在選擇η時，要綜合考慮探傷靈敏度、探傷速度、鋼管的直徑大小和鋼管的彎曲度等各種因素。

6.3 磁飽和電流

由于鐵磁性鋼管的磁導率μ值很大，對線圈阻抗的影響很明顯，為了消除磁導率波動對渦流信號的影響，必須對鐵磁性鋼管施加強的直流磁化場，使鋼管磁化達到飽和，同時還可以提高信噪比。然而，磁化電流大小的選擇是磁飽和成功與否的關鍵。通常，在進行直流磁飽和時，磁化電流的大小能夠滿足消除磁導率分布不均勻即可，深度飽和（μ=1）是不可取的，因為深度飽和往往會使探傷靈敏度降低。通常，使檢測線圈附近的磁通密度達到使鋼管飽和磁化所需磁通密度的80%以上即可。另外，磁飽和電流過強，還會給鋼管前進帶來困難。

探傷前應根據鋼管的材質和規格選擇磁飽和電流。初次設定時，磁飽和電流的選擇通常是在通過對比樣管的狀態下進行的。在實際操作中，可以將帶有人工缺陷的樣管通過磁飽和裝置的檢測線圈，隨著逐步增大磁飽和電流的同時，觀察儀器顯示的噪聲信號和人工缺陷信號的變化，當噪聲信號最小，人工缺陷信號最大時，磁飽和電流即為基本合適。記下此時的磁飽和電流，在以后對同樣材質和規格的鋼管進行探傷時，就可按此數值設定磁飽和電流。按一般規律，外徑越大，壁厚越厚，材料磁特性越軟，所需磁飽和電流就越大，反之則越小。

6.4 設備同心度

同心度指樣管、導套和探頭的同心程度，同心度差將導致鋼管與探頭之間的間隙一邊大、一邊小，使周向靈敏度差值增大，這樣極易導致漏、誤報。另外，每組傳動輥道的水平度偏差也將導致同心度變差，并使鋼管在前進過程中產生抖動，產生干擾信號。消除這種干擾信號的辦法無疑是提高傳動系統的機械精度，具體的辦法如下。

6.4.1 校驗調整主機及前后輥道的同心度、水平度及直線度，使主機偏差不大于0.3 mm，輥道偏差不大于0.5 mm，保證樣管中部三孔（圖2中4#、5#、6#通孔）波幅高度基本一致。

6.4.2 若輥道V形輥磨損或有溝槽，尤其主機附近的應及時更換，輥輪磨損嚴重破壞同心度、水平度，需大修調整，定期檢查校驗。

6.5 探傷工藝和操作方法

6.5.1 改進探傷工藝

（1）將B級樣管中心三孔起始報警靈敏度提高3～6 dB做為搜索靈敏度，防止漏檢。

（2）適當增大磁飽和電流及填充系數，磁飽和電流可隨鋼管外徑及壁厚增加而增大。

（3）視被檢鋼管的壁厚選擇激勵頻率，根據標準滲透深度（5 kHz時，δ為2.90 mm；10 kHz時，δ為2.05 mm；50 kHz時，δ為0.92 mm），當壁厚小于5 mm時，激勵頻率可用10 kHz，壁厚較厚時（5 mm～10 mm），選用5 kHz。

（4）定期對探傷設備進行綜合性能測試，保證周向靈敏度差、信噪比、漏誤報率、不可探區及穩定性符合YB/T4083-2000的要求，若不符合應重新調整校驗。

6.5.2 改進操作方法

（1）探傷樣管應按GB/T7735-2004[3]標準制作，選平直度好、材質均勻且無自然缺陷的鋼管作為樣管，鉆孔要與管軸向垂直，若鉆孔變形或樣管彎曲須更換，這樣才能獲得較好的信噪比。

（2）探頭與儀器接口連接牢固，避免接觸不良，探頭安裝位置要保證與鋼管、導套做到三同心。

（3）準確調整儀器參數，選取適合的磁飽和電流和適當的填充系數，儀器調零、報警電平、相位、濾波、靈敏度等都應調到最佳狀態，且要與設定的探傷速度相匹配。

（4）更換鋼管規格時，應選用相應的適配器和導套，重新調整主機高度，根據現有規格重新選擇合適的磁飽和電流。

（5）檢測過程中，出現可疑的檢測信號或對檢測結果不確定時，應重新用標準樣管進行校驗，隨時觀察檢測過程中信號的變化情況，如發現異常應立即停機檢查，待異常排除且重新校驗后再進行探傷。

6.6 人員素質

如果探傷儀和探頭及外部環境性能參數均滿足要求，那么探傷可靠性就取決于探傷人員的素質了。因此，探傷人員的技術水平和綜合素質的高低對探傷結果的影響是很重要的，建議實際工作中要做到以下幾點。

6.6.1 認真貫徹GB/T7735-2004標準及工藝技術文件的要求，提高探傷人員的質量意識和工作責任心。

6.6.2 做好探傷人員的培訓工作，豐富理論知識，提高探傷人員技術水平及綜合業務素質。

6.6.3 加強管理、嚴肅工藝紀律，實行探傷工藝巡檢制度。事實表明，中、夜班比白班探傷質量差，漏檢率高，原因是夜班人員容易困倦，操作可能不經心；其次，是自覺性差的表現，因為夜班很少有人檢查勞動紀律、工藝紀律等。

6.6.4 加強儀器使用、維護、保養、管理及檢修。電氣、機械人員應熟知設備性能及易出現的常見故障，且對設備做好維護，確保性能指標滿足標準要求。

6.6.5 改善探傷環境條件，提高探傷人員待遇，重視技術改造，保證現場所需備品備件供應，提高探傷質量。這一條不只針對渦流探傷，其他方法的自動線探傷同樣適用。

7 結論

7.1 鋼管渦流探傷采用穿過式自比差動線圈，對裂紋類縱向缺陷檢出率極低，即使縱向裂紋只有2.5 mm長。但在實際探傷中，若信噪比有足夠的余量，可以通過提高探傷靈敏度、改變探傷速度等手段進行彌補。

7.2 在提高探傷人員素質的同時，通過改進探傷工藝和改進操作方法，能夠降低探傷漏、誤檢率，保證探傷結果的可靠性。

7.3 渦流探傷儀器和主機同心度是提高鋼管渦流探傷可靠性的關鍵。同時，在實際探傷前，應正確設定和調整好儀器的各種參數。

[1]范宏.金屬材料的渦流檢測[M].北京：中國科學技術出版社，2006.57.

[2]YB/T4083-2000，鋼管自動渦流探傷系統綜合性能測試方法[S].

[3]GB/T7735-2004，鋼管渦流探傷檢驗方法[S].

Analysis on Pipe Eddy Current Detection Reliability

Zhao Renshun,Zhang Dong

The authors analyze from the principle the reasons for low detectable rate of longitudinal crack by feedthrough type self-comparison differential coil at pipe eddy current detection,which are proved with tests.They expound the factors influencing the reliability of pipe eddy current detection and make some suggestion on improving the detection reliability as well.

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（收稿 2011－03－22責編趙實鳴）

趙仁順，男，大本，高級工程師，現在天津鋼管集團股份有限公司質量保證部，探傷管理科科長，主要從事鋼管的無損檢測技術管理工作。