渦流無損探傷檢測技術的應用研究

李禹東

（天津騰飛鋼管有限公司，天津 300301）

無損檢測技術主要通過多種化學與物理原理，在不損害檢測對象的前提下，完成檢測任務，從而確認檢測對象的可靠性與完整性。無損檢測技術有助于保障設備維持安全的運行狀態(tài)，不會給被測試件帶來質量問題，常見無損探傷檢測技術包括超聲檢測、射線檢測、渦流檢測、磁粉檢測以及滲透檢測等。現(xiàn)主要研究渦流無損探傷檢測技術的實際應用情況。

1 渦流無損探傷檢測技術

1.1 基本原理

渦流檢測是在電磁感應原理的理論基礎上建立的，在交變磁場中放置一塊導體，導體周邊會形成感應電流，這種感應電流催生渦流。當導體在缺陷、尺寸、形狀、磁導率與電導率等方面產(chǎn)生變動之后，渦流也會在其影響下出現(xiàn)變化，依靠這種現(xiàn)象即可實現(xiàn)對導體狀態(tài)與性質的有效檢測，這種檢測方式就是渦流檢測[1]。渦流檢測只能對具有導電性的材料進行檢測，實際檢測過程中，利用檢測線圈接近待檢工件，線圈上存在交變電流，工件能夠形成渦流，并且還會產(chǎn)生磁場，這個磁場與線圈磁場的作用方向相反，同時還會改變待檢工件線圈的原本阻抗，分析阻抗變化即可確定導體是否出現(xiàn)缺陷。渦流檢測原理圖如圖1。

圖1 渦流檢測原理圖Fig.1 Schematic diagram of eddy current testing

1.2 主要特點

其一，非接觸性。渦流檢測線圈在激勵作用后產(chǎn)生的電磁場實際是一種粒子性與波動性突出的電磁波，運用渦流檢測技術時，并不需要直接接觸待檢對象，同時不需要使用耦合劑，檢測效率高，能夠滿足當前的自動化檢測需求。其二，支持高溫檢測。當導電性試件處于高溫條件下時，其導電性質更加突出，給渦流檢測創(chuàng)造了良好的應用環(huán)境，將溫度提高到居里點以上后，鋼材能夠免受磁導率帶來的影響，即使是非磁性金屬材料也可以通過渦流檢測技術進行精準探傷。其三，靈敏性強。渦流檢測技術在趨膚效應下，能夠以極高的靈敏度實現(xiàn)對試件的近表面與表面缺陷的探傷檢測。其四，應用范圍廣。影響渦流實際大小的因素有很多種，這也使渦流檢測能夠在多種領域中發(fā)揮作用。除了對工件、材料進行探傷檢測之外，還可以檢測工件涂層厚度、熱處理狀態(tài)與幾何尺寸，支持材料分類工作，綜合應用效益高。

盡管渦流檢測技術具有多方面使用優(yōu)勢，但是在實際的探傷應用過程中還存在一定的缺陷，給檢測效果帶來不利影響。受到趨膚效應的影響，若激勵頻率較高，渦流能夠集中到試件表面；降低激勵頻率后，雖然渦流滲透深度隨之增加，但是檢測技術的靈敏性會因此而被削弱；渦流檢測容易受到客觀因素的影響，因此在檢測過程中需要通過將干擾因素一一消除，來保障檢測的精準度，同時對缺陷進行定性與定量評價時難度較高；渦流檢測技術只能夠對可以感生渦流的非金屬類材料以及具有導電性的金屬材料實施檢測；渦流檢測技術難以對金屬材料內部深層缺陷進行檢測。

2 渦流無損探傷檢測技術的應用情況

2.1 遠場渦流檢測

遠場渦流檢測屬于內穿式檢測技術，比如在檢測金屬管道時，借助低頻信號促使渦流之間從管壁穿入，從而掌握內外壁缺陷與壁厚等信號。這種渦流檢測技術能夠有效檢測管道的內外管壁上的缺陷，不會過多地受到趨膚效應的影響[2]。具體實施方法如下：檢測前需要將兩個線圈放置到與管道同軸的位置，其中的激勵線圈需要通入低頻交流電，這一線圈可將磁場能量傳遞到管道兩端，需要經(jīng)過間接耦合與直接耦合兩種耦合路徑。激勵線圈周邊的管壁能夠形成感應周向渦流，以極快的速度向管道外壁擴散，并顯現(xiàn)出相位滯后與幅值衰減的現(xiàn)象。渦流接觸到外壁上的電磁場之后將繼續(xù)向外擴散，受到管道內外衰減速度差的影響，管道外的磁場也會被生成感應渦流，穿透管壁向管道內部擴散，并且再次形成相位滯后與幅值衰減，從而提供可檢測缺陷的信號。

2.2 脈沖渦流檢測

脈沖渦流檢測技術中的激勵信號主要為脈沖信號，運用方波比來替代頻率相對單一的正弦波，方波能夠以連續(xù)化的方式傳遞頻譜信息，通過分析感應電壓達到峰值的過零時刻與具體時間來實現(xiàn)對信號的檢測，其檢測信號可提供極為豐富的試件缺陷信息，信號處理工作也更容易實現(xiàn)[3]。脈沖渦流檢測系統(tǒng)可以使金屬材質的試件中形成瞬態(tài)磁場，擴大擴散范圍，同時使磁場呈現(xiàn)出快速衰減的狀態(tài)，檢測線圈能夠感應到處于變化狀態(tài)的電壓，若工件出現(xiàn)缺陷，瞬態(tài)磁場也會形成相應的變化。

2.3 多頻/低頻渦流檢測

多頻渦流無損檢測技術在對傳感器線圈進行激勵時，需要運用多個頻率的信號，因此相比其他渦流檢測技術，其抗干擾能力更強。運用多頻渦流探傷檢測技術手段時，可結合具體的待檢試件，對其多個部位的信號進行檢測，并將其中的干擾信號排除，選擇數(shù)個不同頻率的電流來實現(xiàn)對線圈的激勵，同時放大相應的參數(shù)輸出信號，根據(jù)頻率濾波完成解調處理，組合解調信號上的分量，確保信號檢測通道僅能夠準確地輸出關聯(lián)待檢測參數(shù)的信號。

低頻渦流檢測技術相比傳統(tǒng)的渦流檢測技術，檢測深度得到提高，其通過低頻率來對趨膚效應起到抑制作用，主要被運用到管道內表面與鋼板的探傷檢測工作中。

2.4 渦流列陣檢測

渦流列陣檢測技術應用過程中，需要加入多個不同的傳感器，依照待檢試件的具體結構來排布傳感器，從而輔助檢測工作，這種檢測技術靈敏度更高，檢測效率也更快。運用渦流列陣檢測計劃書可以對較大面積的金屬材料表面上的缺陷進行快速檢測，調節(jié)傳感器的排布方式后，可從多個方向切入開展檢測工作，對于小型且構造較為復雜的試件也能夠起到良好的檢測效果。檢測線圈與激勵線圈之間的電磁場傳遞方向是相互垂直的；渦流列陣檢測探頭中的線圈數(shù)量多，距離近，必須要避免線圈磁場之間出現(xiàn)相互影響的情況，因此要在線圈與線圈間形成充足的空間列陣渦流檢測探頭。

3 渦流無損探傷檢測技術應用要點

3.1 渦流檢測設備

3.1.1 渦流檢測儀器

金屬管材探傷是渦流檢測技術的重要用途之一，借助渦流檢測技術可以對整個批次的金屬管材實施無損檢測。渦流檢測儀的組成部分包括電源、顯示器、信號處理器、放大器、信號輸出電路、探頭與振蕩器等[4]。

探傷檢測中使用的主要是自動化探傷裝置，其具有自動停車、自動分選、自動記錄與自動報警等功能，探傷儀能夠結合試件上的具體缺陷給線圈阻抗帶來的不同變化狀況，來檢測試件近表面與表面缺陷的發(fā)展情況。手動渦流儀需要技術人員手持檢測探頭，掃查試件表面，依照示波管展現(xiàn)的圖形分析缺陷問題，其檢測范圍更廣，缺點主要是檢測效率不高；自動化渦流儀雖然檢測效率高，但是要求檢測對象具有規(guī)則的形狀，一般在檢測絲材、管材與棒形試件時使用這種檢測儀器。

3.1.2 渦流檢測線圈

渦流檢測線圈也被稱為傳感器與探頭，常用的檢測線圈主要有外穿過式線圈、內穿過式線圈以及探頭式線圈。外穿過式線圈需要檢測對象從線圈中穿過，從而檢測外表面產(chǎn)生的物性變化與缺陷，檢測對象多為具有規(guī)則形狀的線材、棒材與管材，其均可以從線圈中直接穿過；內通過線圈借助試件內孔實現(xiàn)檢測目標，可檢測孔壁部位的缺陷問題，在對完成安裝的管材或者直徑較小的厚壁管內壁、螺旋孔與深鉆孔的表面質量進行探傷檢測時，也可采用這種線圈；探頭式線圈接觸試件表面后，即可完成待檢對象表面缺陷的檢測，其具有聚焦磁場的性質，檢測區(qū)域較小，靈敏度極高，為形狀較為特殊的試件或者直徑較大的管材探傷時，可采用這種檢測線圈。

針對不同管徑的管材需要為其選擇不同的檢測線圈。直徑低于或者等于75 mm 的小直徑管材可選擇穿過式感應型線圈；若管材材質屬于鐵磁性材料，需要將磁飽和型線圈添加到感應型穿過式線圈的外部，依靠直流電來磁化管材，實現(xiàn)對裂紋、折疊、發(fā)裂與凹坑等缺陷的檢測，檢測速度可達到0.5m/s[5]。穿過式線圈在檢測管材近表面與表面的縱向裂紋時能夠表現(xiàn)出較強的靈敏度，其感生的渦流保持周向流動狀態(tài)，因此檢測周向裂紋的效果稍差。若探傷檢測對象為管徑偏小的管材，選擇線圈直徑應比管外徑大，線圈與管件應保持同心的放置方式，平穩(wěn)送進，維持均勻的速度。如果強度過大，試件可能面臨推進困難的問題。如果檢測對象屬于大管徑型管材，缺陷面積占被檢面積的比重較小，這種線圈的靈敏度也會隨之降低。

3.1.3 對比試樣

依照預設用途制作出的存在人為缺陷的試樣是對比試樣，主要是為了在渦流檢測中開展對比試驗。通過對比試樣可以對作為重要檢測工具的渦流檢測儀的主要性能進行確認，包括末端不可檢測長度、分辨力與靈敏度；對比試樣還有助于實現(xiàn)對靈敏度的調節(jié)，選擇合適的檢測條件，達到預期的缺陷檢測效果；驗收試件質量時，借助對比試樣可以根據(jù)設備的指示信號，判定產(chǎn)品是否符合加工標準。可直接從待檢對象上獲取對比試樣，以此確保待檢對象與對比試樣的表面狀態(tài)、熱處理狀態(tài)、尺寸、形狀與材質均保持一致；對比試樣表面的人工缺陷需盡可能地接近自然缺陷，同時人工缺陷之間以及斷面與人工缺陷之間均需要有足夠的距離；選取的對比試樣必須具有規(guī)則的形狀，表面不可出現(xiàn)凸起、凹陷、變形與劃傷等其他缺陷。

3.2 渦流檢測技術要點

針對金屬管材實施探傷檢測時，可以啟動自動化上料進給裝置，使金屬管材以同心、等速的方式直接進入到渦流檢測線圈之中，系統(tǒng)中的分選下料機構即可依照渦流檢測結果，根據(jù)質量標準，將已經(jīng)完成探傷檢測的管材分別傳輸?shù)綇U品料槽、次級品槽與合格品槽。

首先，需要在渦流探傷檢測前期做好準備工作。針對待檢試件開展校正與清理工作，將試件表面上的金屬粉末、氧化膜、鐵磁性物質以及其他附著物徹底清除；若試件存在變形或者彎曲的情況，應采取校正措施，從而將干擾信號消除，預防誤判缺陷的情況。分析試件的具體檢測要求、結構尺寸、加工方法與材質，進而選擇合適的檢測儀器、檢測線圈與檢測方法；若所用的渦流檢測儀設有傳送系統(tǒng)，應預先調節(jié)送進程度，確認試件是否對準中心部位，控制振動情況，確保試件在檢測期間維持勻速平穩(wěn)的送進狀態(tài)。了解檢測標準、檢測要求與判廢標準后，選擇對比試樣。

其次，需要明確檢測頻率。當試件的尺寸、形狀與材質存在差異時，為其選擇的檢測頻率也各不相同，檢測頻率直接決定檢測探傷的靈敏度。如果試件對檢測頻率有指定要求，應當依照實際檢測深度來選擇檢測頻率，使其被控制到合理范圍之內。檢測頻率會給試件與檢測線圈間形成的耦合效率構成影響，當檢測頻率比較低時，對應的檢測靈敏度也不高，難以檢測出面積較小的缺陷。頻率與監(jiān)測線圈的相位變化值、阻抗幅值變化值均存在關聯(lián)。

最后，應完整地做好檢測記錄。需要記錄的信息包括試件情況、探測條件、探測結果等。記錄人員應了解試件的名稱、數(shù)量、表面狀態(tài)、尺寸與規(guī)格，并進行記錄；探測條件包括磁飽和電流、拒斥電平、濾波器頻率、相位、送進速度、檢測頻率等基本參數(shù)，線圈與檢測工具型號也在記錄范圍。

應用渦流檢測技術時，可能會因故障問題無法接收檢測信號。面對這種情況，可先確定檢測頻率是否超過預設范圍，若邊緣效應、試件缺陷等形成信號進行疊加，相位差被消除，飽和狀態(tài)隨之出現(xiàn)。造成這種問題原因可能是頻率過高，或者平衡線圈與探頭線圈之間出現(xiàn)沖突，可將激勵電壓適當調低，使探傷設備輸出的電壓在探頭的承受范圍內；還可調節(jié)探頭裝置的電纜連接線，并查看探頭與連接線接口處是否出現(xiàn)受損的問題。當信噪比較高時，可將尺寸合適的泡沫、橡膠材料或者海綿插到孔內表面與線圈之間，以此提高靈敏度，減輕噪音問題。

應用脈沖渦流無損檢測技術對厚度為8 mm 的鋁板與銅板進行監(jiān)測，在鋁板與銅板上分別加工深度為8 mm、6 mm 與4 mm 的人工缺陷，經(jīng)過檢測確定缺陷分別為表面下裂紋與表面裂紋，表面下裂紋的深度逐步加深，其感應磁場最大值形成的時間也會隨之增長；不同深度的表面裂紋的磁場最大值出現(xiàn)的時間基本一致。因此，可以確定脈沖渦流在檢測表面下深層裂紋，實際應用過程中，可以結合測量獲得的數(shù)據(jù)將時間與深度的對應曲線繪制出來，確定最大值出現(xiàn)的時間，而后即可掌握缺陷對應的深度。

4 結論

渦流無損探傷檢測技術具有多樣化的特點，檢測人員可以結合檢測要求與試件的具體情況來選擇合適的渦流檢測技術與檢測輔助工具，同時重視前期準備工作，減少檢測過程中的干擾因素，檢測過程中進行正確操作，完成檢測后做好記錄，準確地判定試件的缺陷情況。可將多種渦流檢測技術進行結合，實現(xiàn)對檢測對象的深層次檢測，通過檢測及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，從而促進工業(yè)產(chǎn)品提高質量，提升生產(chǎn)加工效益。