1、第第5章章 電磁渦流檢測新技術電磁渦流檢測新技術5.15.1遠場渦流新技術遠場渦流新技術50年代末，遠場渦流檢測技術首先用于檢測油井的套管。但當時由于人們對遠場渦流技術的認識很有限，且電子技術也不太發達，遠場渦流檢測法未能得到充分的發展。直到80年代中期，隨著遠場渦流理論的逐步完善和實驗驗證，遠場技術用于管道（特別是鐵磁性管道）檢測的優越性才被人們廣泛認識，一些先進的遠場渦流檢測系統也開始出現，并在核反應堆壓力管、石油及天然氣輸送管和城市煤氣管道的檢測中得到實際應用。目前認為遠場渦流檢測是管道在役檢測最有前途的技術。5.1.1 遠場渦流特點遠場渦流特點 圖5-1 遠場渦流檢測探頭 采用穿過式探

2、頭（見圖5-1），檢測線圈與激勵線圈分開，且二者的距離是所測管道內徑的二至三倍；采用低頻渦流技術能穿過管壁；主要用于石油天然氣管道和油井管道等；需要檢測的不是線圈的需要檢測的不是線圈的阻抗變化阻抗變化，通常是測量檢測線圈的感應電壓與激勵電流之間的相位差；激勵信號功率較大，但檢測到的信號卻十分微弱（一般為微狀）；能以相同的靈敏度檢測管壁內外表面的缺陷和管壁變薄情況，而不受趨膚效應的影響；檢測信號與激勵信號的相位差與管壁厚度近似成正比，“提離效應”很小。 采用遠場技術進行檢測，其靈敏度幾乎不隨激勵與檢測線圈間距離變化而變化，探頭的偏擺、傾斜對結果影響很小。此外，這種檢測方法由于采用很低的頻率，檢測

3、速度慢，不宜用于短管檢測，且只適用于內穿過式探頭。若采用外穿過式探頭，靈敏度將下降。實驗表明，采用外穿過式探頭，靈敏度將下降50%左右。 5.1.2 遠場渦流檢測系統的組成遠場渦流檢測系統的組成 遠場渦流檢測設備一般由下列五個部分組成： 振蕩器：作為驅動線圈的激勵源，同時提供相位測量的參考信號。功率放大器：用來提高激勵源的功率。探頭的驅動定位裝置：它包括探頭和確定探頭軸向位置的編碼和數據計算系統。相位及幅值檢測器：通常選用鎖相放大器來測量檢測線圈的信號。微型計算機：用于儲存、處理和顯示檢測信號和數據。圖5-2 遠場渦流檢測系統原理框圖 1管外壁檢測信號幅值 2管內壁檢測信號幅值 3管壁內壁檢測

4、信號相位曲線圖2-3 檢測線圈信號特征 由圖可以看出，隨兩線圈間距的增加，檢測線圈感應電壓的幅值開始急劇下降，然后變化趨于緩慢，而相位存在一個躍變。通常把信號幅值急劇下降后變化趨緩而相位發生躍變之后的區域稱為遠場區遠場區；靠近激勵線圈信號幅值急劇下降區域稱為近場區近場區；近場區與遠場區之間的相位發生較大躍變的區域稱為過渡區域過渡區域。5.2脈沖渦流檢測技術 渦流檢測的有效性和可達性密切依賴于激勵信號的渦流檢測的有效性和可達性密切依賴于激勵信號的頻率。頻率。 一般地，頻率越高，則渦流趨于被檢測對象的表面一般地，頻率越高，則渦流趨于被檢測對象的表面分布，對于表面微小缺陷的檢出能力越高，但由于隨著透

5、分布，對于表面微小缺陷的檢出能力越高，但由于隨著透入深度的增大而高頻渦流急劇衰減，因此對于表面下具有入深度的增大而高頻渦流急劇衰減，因此對于表面下具有一定深度的近表面缺陷則難以產生有效的響應；相反，頻一定深度的近表面缺陷則難以產生有效的響應；相反，頻率越低，則渦流在被檢測對象表面下的透入深度增大，可率越低，則渦流在被檢測對象表面下的透入深度增大，可對試件近表面一定深度范圍內的缺陷產生響應，但對于表對試件近表面一定深度范圍內的缺陷產生響應，但對于表面缺陷的檢測靈敏度隨激勵信號頻率的降低而明顯下降。面缺陷的檢測靈敏度隨激勵信號頻率的降低而明顯下降。 以以降低檢測靈敏度來提高渦流檢測深度，或以減小渦

6、降低檢測靈敏度來提高渦流檢測深度，或以減小渦流透入深度來提高檢測靈敏度，長期以來一直是常規渦流流透入深度來提高檢測靈敏度，長期以來一直是常規渦流檢測應用中在二者之間權衡取舍的焦點檢測應用中在二者之間權衡取舍的焦點。5.2.1 前言前言 寬帶脈沖信號可按傅立葉級數變換理論分解為無限多寬帶脈沖信號可按傅立葉級數變換理論分解為無限多低、中、高頻的正弦波之和；低、中、高頻的正弦波之和； 以重復的寬帶脈沖（如方波）代替正弦交變信號進行以重復的寬帶脈沖（如方波）代替正弦交變信號進行激勵和檢測的脈沖渦流響應信號中包含有被檢測對象被檢激勵和檢測的脈沖渦流響應信號中包含有被檢測對象被檢測對象表面、近表面和表層一

7、定深度范圍內的質量信息，測對象表面、近表面和表層一定深度范圍內的質量信息，較好地解決了常規渦流所不能兼顧的檢測靈敏度和檢測深較好地解決了常規渦流所不能兼顧的檢測靈敏度和檢測深度的矛盾；度的矛盾； 近年來成為國內外渦流檢測技術與應用研究中最受關近年來成為國內外渦流檢測技術與應用研究中最受關注的熱點領域之一。注的熱點領域之一。5.2.2 脈沖渦流檢測的基本原理脈沖渦流檢測的基本原理 脈沖渦流通常是脈沖渦流通常是以一定占空比的方波以一定占空比的方波作為激勵信號施作為激勵信號施加于初級線圈，當載有方波電信號的初級線圈接近導電材加于初級線圈，當載有方波電信號的初級線圈接近導電材料或試件時，在導體中感應料

8、或試件時，在導體中感應產生瞬變的渦流和再生磁場產生瞬變的渦流和再生磁場。瞬時渦流的大小、衰減狀況與導體的電磁特性、幾何形狀瞬時渦流的大小、衰減狀況與導體的電磁特性、幾何形狀及耦合狀況相關，次級線圈（或電磁傳感器）接收到的渦及耦合狀況相關，次級線圈（或電磁傳感器）接收到的渦流再生磁場包含有被檢測對象導電率、磁導率及形狀尺寸流再生磁場包含有被檢測對象導電率、磁導率及形狀尺寸的相關信息，據此可實現脈沖渦流的檢測與評價。的相關信息，據此可實現脈沖渦流的檢測與評價。 圖圖4 脈沖渦流的產生及檢測信號的拾取過程脈沖渦流的產生及檢測信號的拾取過程 檢測信號，即瞬態感應電壓Vf的大小可根據法拉第電磁感應定律計

9、算得出： 其中，Vp為理想點線圈的感應電壓，其表達式為： .(2).A)A(BVldltdstdstp1).(.)(VVdrdzdrdzr,z,tpf圖圖5 5 脈沖渦流典型時域波形及特征參數脈沖渦流典型時域波形及特征參數 圖圖6 6 脈沖渦流時域信號在不同頻段的功率譜曲線脈沖渦流時域信號在不同頻段的功率譜曲線 5.2.5.2.3 3 脈沖渦流檢測技術研究的近況脈沖渦流檢測技術研究的近況 3.1 脈沖渦流特征的研究 在同一材料的圓柱形金屬導體直徑方向不同位置上預制了相同尺寸的人工缺陷，利用磁場測量裝置測量并記錄了個人工缺陷響應信號的特征值，如表1所列數據。 表表1 脈沖渦流對于不同位置缺陷響應

10、的時域和頻域特征值脈沖渦流對于不同位置缺陷響應的時域和頻域特征值1表表2 不同重復頻率的特征值不同重復頻率的特征值1 3.2 3.2 脈沖渦流傳感器的設計與制作脈沖渦流傳感器的設計與制作 常規渦流線圈通常由激勵線圈和檢測線圈組成，常規渦流線圈通常由激勵線圈和檢測線圈組成，一般均采用線徑很細的銅漆包線繞制。一般均采用線徑很細的銅漆包線繞制。 脈沖渦流檢測中，除了采用上述傳統方式設計、脈沖渦流檢測中，除了采用上述傳統方式設計、制作激勵線圈和檢測線圈外，還較多地采用以銅線制作激勵線圈和檢測線圈外，還較多地采用以銅線繞制激勵線圈，用霍爾片制作探測元件。繞制激勵線圈，用霍爾片制作探測元件。零件表面和近表

11、面裂紋缺陷檢測線圈的設計、制作參數：零件表面和近表面裂紋缺陷檢測線圈的設計、制作參數： 激勵線圈為用直徑為激勵線圈為用直徑為0.24mm0.24mm的漆包線繞制，內徑為的漆包線繞制，內徑為10.2mm10.2mm、外徑為、外徑為22.4mm22.4mm、高為、高為10mm10mm，纏繞圈數為，纏繞圈數為400400匝，檢匝，檢測線圈用直徑為測線圈用直徑為0.07mm0.07mm的漆包線繞制，內徑為的漆包線繞制，內徑為2mm2mm、外徑為、外徑為5mm5mm、高為、高為2mm2mm，纏繞圈數為，纏繞圈數為800800匝。從獲得均勻磁場和較大匝。從獲得均勻磁場和較大透入深度考慮，設計、制作了一種幾

12、何尺寸為透入深度考慮，設計、制作了一種幾何尺寸為40mm40mm20mm20mm20mm20mm（長（長寬寬高）、厚度為高）、厚度為1mm1mm的矩形線圈，的矩形線圈，共繞了共繞了400400匝，并在線圈中加了磁芯以增大磁場強度；在保匝，并在線圈中加了磁芯以增大磁場強度；在保證較好靈敏度的前提下，較小尺寸的檢測線圈有利于提高證較好靈敏度的前提下，較小尺寸的檢測線圈有利于提高測量分辨率和精確度，因此檢測線圈的設計、制作參數為：測量分辨率和精確度，因此檢測線圈的設計、制作參數為：內徑內徑1.5mm1.5mm、外徑、外徑3mm3mm、高、高2mm2mm，共繞了，共繞了800800匝。匝。 針對普通的

13、脈沖渦流傳感器在腐蝕檢測中出現的信號針對普通的脈沖渦流傳感器在腐蝕檢測中出現的信號變化復雜、特征量難以提取的問題，研究人員還設計、制變化復雜、特征量難以提取的問題，研究人員還設計、制作了一種作了一種新型斜角式陣列傳感器新型斜角式陣列傳感器。 這種這種傳感器的激勵線圈為矩形，檢測線圈陣列是由多傳感器的激勵線圈為矩形，檢測線圈陣列是由多個直徑很小的圓柱形線圈組成，并排位于激勵線圈底部的個直徑很小的圓柱形線圈組成，并排位于激勵線圈底部的中線上。直角式陣列探頭的檢測線圈與激勵線圈的底面相中線上。直角式陣列探頭的檢測線圈與激勵線圈的底面相互垂直，與之不同，斜角式陣列探頭的檢測線圈與激勵線互垂直，與之不同

14、，斜角式陣列探頭的檢測線圈與激勵線圈的底面之間形成一個小的夾角圈的底面之間形成一個小的夾角。試驗發現，這種結構的。試驗發現，這種結構的改變時的感應信號的波形發生了根本性變化，脈沖渦流信改變時的感應信號的波形發生了根本性變化，脈沖渦流信號的各項特征值的提取變得非常簡單。號的各項特征值的提取變得非常簡單。 基于霍爾傳感器具有小型化、可以實現對磁場的直接基于霍爾傳感器具有小型化、可以實現對磁場的直接測量，并且在較寬的低頻范圍內具有比檢測線圈更高靈敏測量，并且在較寬的低頻范圍內具有比檢測線圈更高靈敏度的特點，較多的研究試驗采用度的特點，較多的研究試驗采用細的銅漆包線繞制激勵線細的銅漆包線繞制激勵線圈、

15、以霍爾傳感器作為探測元件而構成了另一類脈沖渦流圈、以霍爾傳感器作為探測元件而構成了另一類脈沖渦流檢測用傳感器。檢測用傳感器。 與常規渦流檢測線圈類似，有用一個霍爾片作為檢測與常規渦流檢測線圈類似，有用一個霍爾片作為檢測單元的單元的“絕對式絕對式”霍爾傳感器，也有將兩個反向連接的霍爾霍爾傳感器，也有將兩個反向連接的霍爾片作為檢測單元的片作為檢測單元的“差動式差動式”霍爾傳感器。近年來研究人員霍爾傳感器。近年來研究人員還采用了集成的霍爾傳感器，如還采用了集成的霍爾傳感器，如95A型、型、UGN3505型等線型等線性集成傳感器。性集成傳感器。 3.3 3.3 脈沖渦流檢測參數的優化脈沖渦流檢測參數的

16、優化 脈沖渦流檢測參數的優化主要包括脈沖渦流檢測參數的優化主要包括脈沖重復頻率脈沖重復頻率、脈沖方波占空比脈沖方波占空比等條件的選擇。等條件的選擇。 xfey x b ay 脈沖渦流檢測參數的優化主要包括脈沖渦流檢測參數的優化主要包括脈沖重復頻率、脈沖重復頻率、脈沖方波占空比等條件的選擇。脈沖方波占空比等條件的選擇。 5.2.5.2.4 4 脈沖渦流檢測技術應用的進展脈沖渦流檢測技術應用的進展 到目前為止，國內尚沒有商品化的脈沖渦流檢測到目前為止，國內尚沒有商品化的脈沖渦流檢測儀，本節所述的脈沖渦流檢測技術的應用研究進展，儀，本節所述的脈沖渦流檢測技術的應用研究進展，主要是指相關研究人員利用主

17、要是指相關研究人員利用自行設計、制作的簡單脈自行設計、制作的簡單脈沖渦流儀和傳感器沖渦流儀和傳感器，針對模擬一些實際需求中的問題，針對模擬一些實際需求中的問題在實驗室以帶有人工缺陷的試樣為對象，開展脈沖渦在實驗室以帶有人工缺陷的試樣為對象，開展脈沖渦流檢測應用研究的情況。此外，對流檢測應用研究的情況。此外，對利用進口的脈沖渦利用進口的脈沖渦流儀在不去除隔熱層和保護層條件下檢測輸油管線和流儀在不去除隔熱層和保護層條件下檢測輸油管線和蒸汽管道的實際應用情況作簡要說明。蒸汽管道的實際應用情況作簡要說明。（1）金屬表面、近表面裂紋缺陷的模擬檢測）金屬表面、近表面裂紋缺陷的模擬檢測 針對表面和次表面兩類

18、裂紋缺陷，在針對表面和次表面兩類裂紋缺陷，在8mm8mm厚的銅合金和厚的銅合金和鋁合金板上分別加工制作了寬度為鋁合金板上分別加工制作了寬度為2mm2mm，深度為，深度為2mm2mm、4 mm4 mm和和6 mm6 mm人工缺陷。試驗結果表明：對于表面下裂紋，隨著人工缺陷。試驗結果表明：對于表面下裂紋，隨著缺陷深度的增大，感應磁場最大值出現的時間就會越長；缺陷深度的增大，感應磁場最大值出現的時間就會越長；但是，對于表面裂紋，不同深度裂紋的感應磁場最大值出但是，對于表面裂紋，不同深度裂紋的感應磁場最大值出現的時間幾乎相同。現的時間幾乎相同。 這說明脈沖渦流更適用于表面下深層裂紋的定量檢這說明脈沖渦

19、流更適用于表面下深層裂紋的定量檢測。在實際應用中，可根據不同深度人工缺陷的響應數據測。在實際應用中，可根據不同深度人工缺陷的響應數據繪制出深度與感應磁場最大值出現時間的對應曲線，實際繪制出深度與感應磁場最大值出現時間的對應曲線，實際檢測中測出缺陷響應信號最大值出現的時間后，對應到參檢測中測出缺陷響應信號最大值出現的時間后，對應到參考曲線上就可以確定缺陷的深度。考曲線上就可以確定缺陷的深度。 （2）腐蝕缺陷的定量檢測及掃描成像）腐蝕缺陷的定量檢測及掃描成像 利用利用峰值掃描波形對腐蝕缺陷長度峰值掃描波形對腐蝕缺陷長度的定量檢測，利用的定量檢測，利用瞬態感應電壓瞬態感應電壓信號的過零時間對腐蝕缺陷

20、深度信號的過零時間對腐蝕缺陷深度的定量檢測，利用的定量檢測，利用瞬態感應電壓信號瞬態感應電壓信號的峰值對腐蝕缺陷體積的峰值對腐蝕缺陷體積的定量檢測。的定量檢測。 采用在激勵線圈底部的正中央，按照電流的流向對稱的排列了采用在激勵線圈底部的正中央，按照電流的流向對稱的排列了8 8個個檢測線圈的渦流陣列線圈掃查加工有模擬腐蝕缺陷試樣時，對稱位置檢測線圈的渦流陣列線圈掃查加工有模擬腐蝕缺陷試樣時，對稱位置上的兩個檢測線圈接收到渦流響應信號最大峰值的比值之間存在的規上的兩個檢測線圈接收到渦流響應信號最大峰值的比值之間存在的規律：對于不同的腐蝕深度律：對于不同的腐蝕深度, ,當探頭陣列完全經過腐蝕掃描時，

21、比值都當探頭陣列完全經過腐蝕掃描時，比值都大于或等于大于或等于0.50.5；當探頭陣列不完全經過腐蝕掃描時，比值都小于或；當探頭陣列不完全經過腐蝕掃描時，比值都小于或等于等于0.20.2。因此，可以將這個比值作為一個特征參數，來判斷檢測線。因此，可以將這個比值作為一個特征參數，來判斷檢測線圈是否經過腐蝕，對于沒有經過腐蝕的探頭，在顯示腐蝕圖像的時候圈是否經過腐蝕，對于沒有經過腐蝕的探頭，在顯示腐蝕圖像的時候，其經過的掃描路徑將不會被顯示出來，這樣就可有效地消除圖像的，其經過的掃描路徑將不會被顯示出來，這樣就可有效地消除圖像的失真失真。（3 3）在役管線、管道的實際檢測）在役管線、管道的實際檢測

22、 凝析油管線：凝析油管線： 規格為直徑規格為直徑=80mm=80mm、壁厚、壁厚=7.6mm=7.6mm，材質為鐵磁性，材質為鐵磁性鋼，在管線外面包有鋼，在管線外面包有38mm38mm厚的海綿狀玻璃體隔熱層和厚的海綿狀玻璃體隔熱層和1mm1mm厚的鋁合金外表保護層。厚的鋁合金外表保護層。 在不去除保護層和隔熱層狀態下，采用脈沖在不去除保護層和隔熱層狀態下，采用脈沖渦流技術檢測內部管線的腐蝕情況，與利用超聲波在去渦流技術檢測內部管線的腐蝕情況，與利用超聲波在去保護層和隔熱材料條件下的檢測結果比較，對于腐蝕深保護層和隔熱材料條件下的檢測結果比較，對于腐蝕深度測量的最大誤差僅有度測量的最大誤差僅有0.4mm0.4mm，檢測精度接近達到，檢測精度接近達到5%5%。 蒸汽管道：蒸汽管道： 規格為直徑規格為直徑=400mm、壁厚、壁厚=10mm，材料為，材料為20號鋼，號鋼，在管道外面包有在管道外面包有100mm厚的巖棉隔熱層和約為厚的巖棉隔熱層和約為1mm厚的鋁合厚的鋁合金外表保護層。金外表保護層。 在不去除保護層和隔熱層狀態下，采用脈沖渦流技術檢在不去除保護