鋼管渦流探傷中缺陷信號的相位分辨

林俊明,賴傳理,任吉林(.愛德森(廈門)電子有限公司,廈門 6004;.東方鍋爐(集團)股份有限公司,自貢 6400;.南昌航空大學,南昌 006)

1 問題的引出

渦流無損檢測技術在管道的無損探傷中得到了廣泛的應用。到目前為止,阻抗分析法是渦流檢測中應用最廣泛的一種方法。阻抗分析法是以分析渦流效應引起線圈阻抗的變化及其相位變化之間的密切關系為基礎,從而鑒別各影響因素效應的一種分析方法。對于管道渦流探傷,一般要求在阻抗平面圖上不同種類的缺陷信號(內、外壁缺陷,通孔)之間要有一定的相位差,以便對缺陷種類進行分辨[1]。

對于非鐵磁性材料的管道,如銅、鈦和不銹鋼管的渦流探傷,假設使用外穿過式線圈(如圖1所示),探傷結果中管壁上通孔缺陷信號的阻抗平面圖形一般設定為與水平軸呈40°的相位差,而內壁缺陷和外壁缺陷信號則一般分別落在40°～170°和 0°～40°的相位范圍內,如圖2所示。如果探傷探頭采用內穿過式線圈,則通孔缺陷信號的相位位置不變,而內壁缺陷和外壁缺陷信號的相位位置范圍與前述相反。

對鐵磁性材料管道(如鋼管),參照 GB/T 7735—2004《鋼管渦流探傷檢驗方法》進行渦流探傷時,需要對鋼管進行飽和磁化。在實際的檢測應用中發現,正常的飽和磁化過程下,鋼管渦流探傷的各缺陷信號阻抗平面圖形的位置分布與圖2相似,即不同類型缺陷信號之間相位分辨清楚,可以通過缺陷信號在阻抗平面圖中的相位角來判定缺陷的類別。然而,當鋼管材料磁化強度過飽和時,渦流探傷結果中的通孔以及內外壁缺陷信號在阻抗平面上相位重疊,沒有相位差,相互之間無法分辨,如圖3所示,此時與激勵頻率無關。因而,鋼管在過飽和磁化狀態下,不能通過相位分辨來對缺陷的類型進行識別。

本文將對上述提及的鋼管在過飽和磁化狀態下,缺陷檢測結果中出現的信號相位無法分辨的問題進行初步分析。

2 鋼管渦流探傷中的飽和磁化

與非鐵磁性管道渦流探傷不同,鋼管渦流探傷中通常需要對鐵磁性鋼管進行飽和磁化。這是由于被檢材料磁導率的變化會產生噪聲信號,一般來講,磁噪聲對線圈阻抗的影響往往遠大于缺陷的影響,為缺陷的檢出帶來困難。另外,鐵磁性金屬的集膚效應很強,因而渦流滲入深度很淺,可探傷深度大約只是非鐵磁性金屬的1/100～1/1 000。由此可見,鐵磁性金屬大而變化的磁導率對探傷而言可視為一種干擾因素。克服鐵磁性金屬磁導率對探傷影響的方法是對其進行飽和磁化。鋼管的渦流檢測通常采用的磁飽和裝置為通有直流電的線圈,如圖4所示。鋼管材料經飽和磁化后既消除了磁導率不均勻的現象,也使渦流的透入深度大大增加。經過飽和處理的鐵磁性材料可作為非鐵磁性材料對待。為了充分利用線圈產生的磁場,磁化裝置一般都有鐵磁性材料(如純鐵)制作的外殼。由于純鐵的磁導率很大,磁阻很小,這樣泄漏在空間中的磁力線會被引導到管道的檢測部位[1]。

鋼管等鐵磁材料在外磁化場作用下可被強烈磁化,且存在磁滯的特征,即磁化場作用停止后,材料仍保留磁化狀態。用圖形表示鐵磁物質磁滯現象的曲線稱為磁滯回線,如圖5所示。

如果將鋼管從磁中性狀態開始,逐步提高磁化場強度的最大值Hm進行磁鍛煉,可以得到面積由小到大向外擴張的一簇磁滯回線,如圖6所示,這些磁滯回線頂點(a1、a2、a3、a4…)的連線稱為基本磁化曲線[3]。

3 相位分辨問題的分析與實驗

3.1 相位分辨問題的機理分析

鋼管渦流探傷由于引入了鋼管材料的飽和磁化過程,因而檢測中的空間磁場狀態與非鐵磁性材料檢測時不相同。事實上,筆者已經在GB/T 7735—2004附錄A“渦流檢查方法的局限性及其他 說明”中指出：“采用磁飽和裝置的鋼管渦流探傷,存在著兩種檢測機理,其一是渦流效應,其二是漏磁效應”。這兩種效應在檢測過程中同時存在,并且隨磁化狀態的不同,兩者所體現的主導地位不同。

對鋼管施加飽和磁化,當磁化至合適的強度時,如圖6所示的I區,此時管壁中由渦流效應產生的磁場在探頭檢測線圈中感應的信號強于缺陷漏磁場所引起的信號,即渦流效應在檢測結果中占主導地位。因而,檢測結果阻抗平面圖上的各缺陷信號的形式與非鐵磁性渦流探傷結果類似,缺陷相位分辨清楚。

圖4 鋼管飽和磁化示意圖

圖5 鐵磁材料磁滯回線圖

圖6 不同退磁位置時的磁滯回線

如果鋼管的磁化強度過飽和,如圖6所示的Ⅱ區,此時缺陷的漏磁場在探頭檢測線圈中產生的信號強于渦流效應產生的渦流信號(因為漏磁場是磁化場的一部分,但對于運動的鋼管而言,該部分磁通可認為不隨時間變化),即漏磁效應在檢測線圈中感應的磁場強度占主導地位。雖然此時渦流效應依然存在,但渦流信號湮沒在漏磁信號中。由于缺陷的漏磁信號不含有相位信息,因而檢測結果阻抗平面圖上各類缺陷信號混疊在一起,造成信號相位之間無法分辨的問題。事實上,這種狀態下阻抗平面上的檢測信號結果并非一般所理解的渦流效應的響應信號,而是缺陷的靜態漏磁場信號。

3.2 鋼管飽和磁化過程中的渦流檢測試驗

為了觀察鋼管飽和磁化過程中的渦流探傷結果,組建圖7所示的鋼管渦流探傷試驗系統。系統采用EEC-30S型渦流探傷儀,通過調整直流激勵源輸入磁飽和線圈中電流的大小,從而控制鋼管的磁化強度。需要注意的是,由于磁飽和線圈中的電流很大,會使線圈發熱而導致線圈材料電導率變化,因此,直流激勵源一般采用恒流源而非恒壓源,以保證磁飽和線圈中電流值的穩定,產生穩恒磁化磁場。

圖7 鋼管渦流檢測實驗示意圖

試驗中在φ57mm×9.5mm標準試件鋼管,其上加工有不同的缺陷(通孔、盲孔和人工槽)(如圖8所示)。樣管上共有六個人工缺陷,分別為φ1.4mm的通孔;φ2.2mm 的通孔;φ2.8mm 的外表面盲孔,孔深為5.4mm;φ4.8mm的外表面盲孔,孔深為 3.5mm;外表面半個圓槽,槽深為1.1mm;內表面環形槽,槽深為0.5mm。檢測時采用內徑φ60mm的外穿探頭。

圖8 樣管示意圖

向磁飽和線圈中施加1～3A的磁化電流,使鋼管處于不同的磁化狀態,觀察探傷儀上檢測結果的阻抗平面圖顯示。檢測結果表明,當電流值接近1 A時,內外壁缺陷信號的相位可以清楚地分辨,如圖9(a)～(f)所示。1號和2號通孔缺陷相位分別為48°和40°;3號,4號和5號外表面缺陷相位分別為27°,15°和14°;6號內表面缺陷的相位為154°。此時鋼管磁化狀態處于圖6所示的I區,渦流效應占主導地位;當電流值增加至約3A時,內外壁缺陷信號的相位重疊,無法分辨缺陷種類,此時鋼管磁化狀態處于圖6所示的Ⅱ區,漏磁效應占主導地位。另外,大量的實驗以及實踐經驗表明：當鋼管磁化至飽和磁化強度的60%～70%時,渦流探傷效果最佳。

4 結語

在鋼管渦流探傷中,由于管道磁飽和過程的引入,會在實際的檢測過程中出現缺陷信號在阻抗平面圖上相位無法分辨的問題。實質上,這是由于漏磁效應的作用強于渦流效應的原因。為了更好地進行鋼管的渦流探傷,就要避免鋼管處于過飽和磁化狀態,這對于缺陷的檢出至關重要。以上研究內容也可以看成是對GB/T7735—2004《鋼管渦流探傷檢驗方法》標準的補充說明。

[1]任吉林,林俊明.電磁無損檢測[M].北京：科學出版社,2008.

[2]雷銀照.電磁場[M].北京：高等教育出版社,2008.

[3]GB/T7735—2004 鋼管渦流探傷檢驗方法[S].