基于渦流檢測方法的焊縫疲勞監測系統的設計研究

朱勝君，丁小九，李國忠，許曉紅，周月林

（中信泰富特鋼集團股份有限公司興澄特鋼，江蘇 江陰 214400）

工業管道主要是通過焊接方式所進行連接的，其長期處在外部環境中容易出現裂縫的問題，焊縫斷裂情況的出現影響裝置停車，且造成企業的經濟損失，嚴重情況下會危害到人們的生命安全，為此應當對工業管理出現的焊縫進行疲勞監測，能有效減少事故的發生。

1 渦流檢測基本理論

1.1 渦流檢測的原理

渦流測試是一系列電磁檢測。這是一種基于電磁感應現象的非破壞性測試方法。它僅適用于電磁感應線圈上方的導電材料和金屬導體，并且它們彼此接觸。當線圈通過時，AC I1將在線圈周圍產生交流磁場。由于存在交替磁場，它將在金屬導體表面上產生電流I2，稱為渦電流。有許多相關因素：交流電I1的強度，電磁頻率，電導率，磁通量，距線圈到金屬表面的距離，電磁線圈的質量等。

1.2 阻抗平面分析法

在檢測渦流過程中的檢測信號主要是來自線圈的阻抗變化或次級線圈的感應電壓變化，而會影響阻抗和電壓變化的因素很多，如導電性、磁導率和電壓變化導體材料等，且每個因素的影響程度不盡相同，為可以從這些因素中提取有價值的檢測信息，渦流檢測設備必須具有傳感信號和消除干擾阻抗平面分析的手段和方法，它使渦流檢測的精度大幅提高，該項技術發展迅猛。在渦流測試中，測試線圈和物體之間的電感耦合關系可以被視為它們之間的結合關系。由線圈檢測的對象被視為主要對象線圈。輸入和分析了初級電流測試終級線圈與測試線圈的電磁參數關系。阻抗線圈分析是必要的。理想線圈的阻抗應該是電感，而線圈的電阻應該是電阻，但實際上，線圈由線組成，因此電線的電阻范圍非常寬，并且在不同的線圈之間存在分布式電容。因此，實際上，線圈的阻抗應由電感，電容和串聯電阻組成，在兩個線圈彼此耦合時，當初級線圈與AC電流I1和電壓U連接時，次級線圈根據電磁感應原理產生感應電流，并且感應電流依次影響終級線圈。是的，初級側和電壓線圈電感之間的電流反映了二級線圈電路的阻抗和初級線圈在線圈電路上的效果。當初級線圈連接到初級線圈時，終級線圈與終級線圈連接，并且于終級線圈產生感應電流。使用信號時，感應電流將影響二級線圈。阻抗的變化可以通過分析由互激引起的阻抗的變化，初級線圈由電路中的電壓、電流和阻抗的變化來獲得。正弦曲線的位置與初級線圈本身的阻抗有關。初級線圈的每個阻抗值是不同的，或者耦合系數不具有相同的兩個線圈。即使激發頻率是不同的，也有一個具有不同波峰和點位置的交變曲線。在阻抗后，它返回在第一變換后，主要曲線是線圈阻抗和線圈激發頻率對阻抗位置的影響的振動曲線，這大大促進了各種情況下阻抗波動曲線的分析。

2 影響渦流檢測的因素

在實際的渦流檢測過程中，其關鍵問題主要是對檢測線圈的阻抗進行分析，對檢測線圈的關鍵是對檢測線圈磁場變化的分析，而磁場的變化會對檢測線圈進行現場影響以及各種干擾，如導電性、磁導率、測試材料的阻抗等。比如，設備穩定性和各種噪聲信號，更有效，更可靠，電導率變化對阻抗的影響主要是由于有效透射率的影響。阻抗值的位置僅位于曲線上。因此，當其他檢測條件不變時，材料電導率的變化將影響測量阻抗值。線圈沿阻尼曲線變化，獲得不同的信號。當前導電性的增加，線圈的阻抗值根據該特性沿阻抗曲線向上移動，渦流檢測速率測量和金屬材料分類可用于測量材料的導電性。渦流檢測是基于電磁感應原理的一種測試方法，因此測試信號將受到磁導率的影響，渦流測試主要集中于金屬材料，金屬材料一般分為鐵磁材料和非鐵磁材料。鐵磁材料的實際值主要取決于外磁場的大小。在測試高磁導率材料時，磁場變化小產生的噪聲大，因此，需要大量的低噪聲磁飽和器件實現恒定磁，降低測試結果的噪聲透射率。對于未使用的測試部件，有不同的檢測方案，通常使用放置在測試板上的探針零件。測試圓柱形材料時，線圈阻抗的變化主要取決于試件的直徑或電阻試件二次直徑的變化不僅影響有效載荷的變化磁導率的大小，還會影響填充系數，從而偏移阻抗曲線，綜合的結果就是線圈阻抗曲線會在系統中發生變化，這使得阻抗的磁導率很難通過半徑或線圈的變化來區分圓柱形試件的變化。在檢測渦流過程中的電磁感應線圈工作頻率的選擇有著十分重要的意義。電磁頻率對試驗結果的影響主要表現在兩個方面，主要影響渦流傳感器的靈敏度和材料的類型。因此，有必要選擇電磁頻率，電磁頻率應根據不同的試驗要求確定。

3 渦流探頭設計

在設計渦流傳感器時，通常是根據具體的測量結果設計一個特定的傳感器對象。根據渦流檢測原理，渦流傳感器通過檢測反映感應磁場的變化信號，靈敏度在傳感器的設計中，線性范圍在渦流監測系統的設計中，最重要的是檢測勞累了，所以傳感器的靈敏度成為渦流檢測的重要因素，設計中為可以提高渦流傳感器的靈敏度，有必要測量磁場變化的敏感分量。為可以提高渦流傳感器的靈敏度，需要一個敏感元件來測量磁場的變化基于字段對不同的物理效應，有多種磁場檢測方法元素。當前渦流檢測中最常用的磁場測量元件是傳感器線圈類型和霍爾元件類型根據霍爾效應原理，設計了基于霍爾元件的磁場傳感元件。霍爾元件型霍爾效應是指當電流通過導體并垂直于外加磁場時，會產生垂直于磁場端部的電位差表面之間當前端的其他兩個端面。

3.1 探頭的設計方法

以檢測的物理條件為例，根據技術要求和檢測環境（具體形狀和尺寸）確定檢測線圈和電磁線圈的應用線圈。線圈形狀、尺寸（軸向高度、內徑、外徑）、截面參數等。渦流探頭的設計方法主要包括實驗設計法、數值設計法與解析設計法。在渦流探頭的早期設計中，由于計算機軟件的開發限制和渦流理論的缺陷，實驗經驗也是在摸索中，這通常以這種形式使用。這種方法需要很多研究。實驗后，數據大，重復校正，渦度可靠。

3.2 渦流檢測探頭結構形式

在渦流檢測系統的設計中，有必要明確其工作原理結構。這個選擇主要取決于測試對象和環境。在為可以適應各種形狀和尺寸的試驗要求、材料的要求，必須正確選擇探頭結構。各種各樣的渦流探頭線圈也可稱為渦流線圈，主要用于檢測桿件表面、靠近桿件表面或內表面以及管道的缺陷。該線圈可以設計得非常小。通過在線圈中間添加磁芯，可以有效地克服由小線圈直徑引起的磁場強度的影響，并且還可以發揮聚焦磁場的目的。因此，它具有高的檢測靈敏度。內通過線圈主要用于檢測管道的內部缺陷，或檢測深孔，厚壁和小直徑測量管的表面質量。因為內通過線圈插入管孔中，所以線圈尺寸參數通常根據物體孔徑的尺寸確定。在渦流檢測中，需要在試件上產生交變磁場，這就要求對試件采用激勵線圈。因此可以檢測磁場中渦流的變化，線圈必須的勵磁線圈和測量線圈可以是兩個或一個，即勵磁線圈和試驗線圈。如果線圈功能沒有區別，測量線圈和勵磁線可以從所有線圈中分離出來作為檢測基于線圈在不同的電氣連接方式或繞組方式下，檢測線圈有兩種：絕對式和差動式第二種不同的連接方式決定了不同的檢測性能，兩個檢測線圈相反在一起，并且差動線圈也可以分為根據兩個檢測線圈的放電裝置的標準比較式和自比較式。標準比較式是兩個，根據放電裝置，兩個檢測線圈，標準比較型是兩種，并且存在反向檢測差動線圈的兩個檢測線圈，或者可以分為自比較式，并且是根據兩個檢測線圈/U003E設計的比較標準兩個放電裝置。設計參數全部以反向連接的形式連接，兩個檢測軸一般不重疊，主要是檢測到的物體的表面形狀，然后將兩個檢測線圈連接到檢測工件，標準測試部件，如果沒有信號輸出，標準測試差部和工件表面。

4 結語

由上可知，利用到相敏檢測技術能夠準確地提出到信號中額幅值以及相位差的信息，且能夠通過相關的計算評估出焊縫裂紋的情況，系統能夠準確地檢測出裂縫的具體情況，這樣能夠為工業管道的檢修工作奠定良好的基礎。