渦流檢測技術在1780生產線的應用

苗雨

摘要：結合本鋼集團北營公司軋鋼廠1780生產線采用的H2003-II渦流檢測設備在磨輥間的使用，簡要介紹了軋輥渦流檢測技術的基本原理、系統組成以及實際應用。

關鍵詞：電磁感應；渦流檢測； 渦流探傷儀；軋輥缺陷

Application of Eddy Current Testing Technique in 1780 production line

MIAO Yu

（Beiying rolling mill of BX Steel，Benxi，Liaoning，117017）

Abstract：Combining with 1780 production line by using H2003-II eddy current testing equipment in the grinding room， this paper briefly introduces the basic principles of roll eddy current detecting technology， system composition and application.

Key Words： electromagnetic induction； eddy current testing； eddy current detector； roll defects

在北營1780熱軋生產線，軋輥是軋鋼設備的重要部件，其質量對軋制產品的表面質量及軋鋼機的軋制效率有著重大的影響。為了確保軋輥質量，生產線對軋輥的質量提出了日益增多的要求，對在役軋輥的檢測也愈加重視。對軋輥開展有效的定期檢查，可以及時發現隱患，避免因軋輥在承載工作條件下產生的應力裂紋，擴展至內部的工作層形成體積性剝落，導致軋輥損壞而影響生產的經濟損失。渦流探傷檢測技術以電磁感應為原理，能在軋輥的表面和近表面區域，檢測出因軋制過程中承載復雜的應力與應變而生成的裂紋及材質軟點或表面擦傷等影響軋輥使用壽命的種種動態參數，經過修復直至消除軋輥的表面缺陷，我廠采用的全部都是渦流探傷檢測設備，很好地滿足在軋鋼過程中對軋輥檢測的要求。

一、渦流檢測原理

在渦流探傷檢測中，通常用探頭線圈產生激勵磁場，計算通過探頭線圈的正弦電流ip 為：

ip=Imsin（ωt）（1）

式中，Im為正弦電流幅值。

該正弦電流所產生的磁通量Φp也按正弦規律變化，令相對于Im的磁通量為Φm。正弦電流產生的磁通量Φp按下式計算：

Φp=Φmsin（ωt）（2）

將探頭線圈靠近導體材料（如軋輥）時，在磁場作用范圍內的導體表層就產生與此交變磁場相交的電渦流，渦流磁場總是阻礙激勵磁場的變化。有導體存在時，探頭線圈中的總磁通量ΦE為：

ΦE=Φp-Φs（3）

式中，ΦE為探頭線圈中的總磁通量；Φs為渦流的磁通量。

如果檢測時保持Φp不變，則由于材料性質引起的渦流變化，會導致線圈總磁通量ΦE的變化。所以，渦流檢測實質上就是對探頭線圈阻抗的變化量的測量。通過檢測探頭線圈阻抗的變化，就可以檢驗導體材料的材質和完整性。

當渦流線圈導線的電阻不能忽略時，其等效電路是一個由線圈電感和電阻串聯的電路，其中電阻由線圈中導線電阻和電纜電阻組成。總阻抗為：

Z=R0+ωL0（4）

式中，Z為渦流線圈總阻抗；R0為線圈電阻；ωL0為線圈電抗。

圖1用直角坐標平面顯示探頭線圈的阻抗

Fig.1 Impedance of the probe coil shown

by rectangular coordinate plane

圖1所示為用直角坐標平面顯示的探頭線圈的阻抗，橫坐標表示阻抗的實數分量，即電阻分量；縱坐標表示阻抗的虛數分量，即電抗分量。此矢量圖被稱為阻抗平面圖，它是渦流檢測中常用的重要工具。圖中阻抗矢量的端點P0稱為“工作點”。

如果將探頭線圈接近導體材料，由于電磁感應現象和渦流磁場的作用，使探頭線圈的阻抗發生變化，阻抗矢量的端點產生移動，例如從P0移到P1。若導體材料有缺陷或材質差異改變了渦流狀況，阻抗矢量的端點又會在P1點的基點上產生變化。

通過對接近導體材料后的探頭線圈等效電路的分析，可以得到上述阻抗變化的基本規律，再通過一系列的電路來實現利用渦流檢測軋輥表面缺陷的目標。

二、渦流探傷檢測系統結構及運行原理

渦流探傷檢測系統比較復雜，圖2所示為軋輥渦流檢測系統框圖，具體可以分為以下幾個部分：

圖2軋輥渦流檢測系統框圖

Fig.2 Block diagram of roll eddy current detecting system

1.探頭總成

由三個部分組成，分別是渦流檢測線圈，剩磁檢測線圈和定位傳感器。其中渦流檢測線圈用于檢測軋輥表面的裂紋和軟點損傷狀況，剩磁檢測線圈用于檢測軋輥材質中剩磁的影響程度，定位傳感器用于保證探頭與軋輥探測面之間距離的合理位移值。

2.渦流檢測控制儀

專用軋輥渦流檢測控制儀是整套探傷設備的核心組成部件，它由用于監測和評估軋輥損傷程度的電子元器件構成，其中內置主板和輔板等控制和檢測單元，作用是用來接收、處理并轉換探頭總成發來的缺陷檢測信息和對探頭位置控制與保護，并保持與計算機系統的通訊。

3.計算機系統

將檢測的結果通過計算機系統進行數據匯總與分析，并在管理軟件上進行顯示、存儲，通過在計算機系統中的參數設定可以及時彌補檢測元件使用上的誤差，保證探傷結果的準確性。

4.坐標系統

坐標系統是缺陷定位的工具。通過對缺陷的定位，可以局部掃查復核或手工探傷復核；缺陷分布記錄也為探傷工提供了質量評估的參考。

5.模擬輥校正裝置

由于環境和溫度等因素的影響會造成元器件參數的改變，可以定期用模擬輥對系統的靈敏度進行校正。模擬輥上有人工已經制作好的裂紋和軟點，通過測試，及時對探傷儀的增益進行調整。

三、渦流探傷檢測技術的應用

目前，在1780生產線的磨輥間內，共有3臺國產險峰磨床配備了H2003-II渦流檢測設備，下面簡要介紹一下這些設備的使用情況。

1.校正系統

由于我廠1780生產線處于氣候多變的東北地區，季節性的溫差變化對設備及軋輥的影響較大，所以需要定期對渦流檢測系統的靈敏度進行校正。通過以規定深度的人工裂紋的模擬輥對整個系統功能進行校正，主要參數中增益值設定為18db，多次校正后輸出的結果差異不能超出±0.2，一般情況下，每個月進行一次校正操作。

2.坐標系統

坐標系統采用Z軸光電傳感器作為檢測元件，以軋輥的頭到尾長度為定長，實現軋輥工作面的區域劃分，可以有效地對整個軋輥表面損傷的分布情況作出定位。這種方式比較簡單，有時可能會有微小的誤差的影響，在今后的改造中可以引入獨立的坐標系統增強檢測的穩定性和準確度。

3.通訊系統

現有探傷儀系統使用的是串行通訊系統，這種通信方式比較方便但數據傳輸速率較差，今后還可以升級為以太網通訊方式提高探傷儀與其他設備間的通信速率。

4.探傷系統

探傷儀的執行系統的有幾個重要參數，其中工藝門限這個參數與軋輥的材質，軋輥的工位和工況，生產線的軋制工藝，產品的規格與要求等多方面因素有關；軋輥轉速會影響檢測的結果，一般講線速度控制在0.5米/秒以上；磨床托板速度也會影響探頭檢測的準確性，所以我們這里一般把托板的速度都設定的比較低，這樣可以得到非常準確的檢測結果。另外， 軋輥在生產過程中可能會產生剩磁，這會影響探傷后的真實顯示結果，當出現這種情況時要進行徹底的消磁確保檢測結果準確。

四、應用效果

從我廠渦流檢測設備在磨輥間的使用情況來看，此項技術發揮了不可替代的作用。依據檢測結果，提前分析并判斷出工作輥裂紋及軟點的產生原因，為生產線對軋輥的使用情況提供了重要的數據；通過渦流檢測，可以降低超聲波探傷的使用頻率，只有軋輥的裂紋深度較深時才使用超聲波探傷設備檢測，避免了不必要的使用情況；另外，渦流檢測的邊磨邊探功能可以有效控制磨削量，減少輥耗。

五、結束語

渦流檢測技術既不需要接觸工件也不需要耦合劑，可以在高溫下進行檢測，同時探頭可以延伸至遠處檢測，不僅可以對軋輥進行檢測，對管、棒、線材的檢測也易于實現自動化檢測。但渦流檢測也有其局限，如只適用于檢測軋輥表面及近表面缺陷，不能檢測工件深層的內部缺陷；渦流效應的影響因數多，目前對缺陷的定性和定量還比較困難。作為技術人員只有充分掌握渦流檢測的多方面技術知識，才能更好地發揮設備的使用特性，創造更多的價值。

參考文獻：

[1]任吉林，林俊明，徐可北.渦流檢測[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[2]陳連生.熱軋薄板生產技術[M]. 北京：冶金工業出版社，2006.