電渦流檢測技術在地鐵車輛檢測中的應用

程中國 張小林 左旭濤

摘 要：電渦流檢測技術作為一種常規無損檢測技術，易于實現對多個方向缺陷的高速自動化檢測，具有簡便、無需耦合劑等優點，常用于發現導電工件表面及近表面缺陷。文章重點介紹電渦流檢測的工作原理、檢測儀器及檢測方法，并對地鐵車輛轉向架表面和車鉤位置表面及近表面缺陷進行電渦流檢測實驗，定量評估缺陷的大致深度。通過實驗，進一步驗證了電渦流檢測技術在地鐵車輛金屬表面及涂層覆蓋下裂紋缺陷檢測的優勢及重要作用。

關鍵詞：地鐵;車輛;電渦流檢測;趨膚深度;車鉤;轉向架

中圖分類號：U231.94

當檢測線圈中通有交變電流時，在線圈周圍會產生交變磁場;當磁場內的磁力線穿過下方待加熱試件時，便會形成回路，從而在其橫截面內產生感應電流，該電流又被稱作“渦流”。當接通交流電的線圈靠近被檢測工件表面后，其工件表面會出現電磁渦流，從而產生1個與原電磁場方向相反的感應磁場，抵消原磁場的強度，導致檢測感應線圈的電阻和電感分量發生變化。因此，通過檢測感應線圈的阻抗變化值便可以非破壞性地評價導體的物理和工藝性能。

1 電渦流檢測原理

電渦流檢測是建立在電磁感應基礎上的一種無損檢測方法，該檢測的實質是檢測感應線圈的阻抗值變化。

電渦流檢測系統主要由以下3部分組成：①通交流電的線圈式探頭;②檢測電流的儀器;③被檢測的金屬工件。其檢測原理如圖1所示，在檢測過程中，如果在金屬表面存在缺陷或者其他不均勻性問題時，就會阻斷電渦流的流動，從而影響到局部表面的溫度及感應磁場的強度，使得線圈阻抗發生變化。因此，利用電磁感應原理，可基于檢測線圈阻抗的變化來推斷被檢測工件表面及近表面是否發生損傷，只需檢測出這個變化的數值就可以判別金屬表面有無缺陷。

當工件表面產生的感應電渦流在檢測工件表面流動時，垂直于渦流流向的裂紋會阻擋其流動，從而引起反射磁場強度的變化，導致檢測線圈阻抗和電壓改變，從而檢測出缺陷。如果裂紋的走向和電渦流流動的方向相互平行，那么缺陷被檢出的可能性就較低。因此，電渦流檢測必須從多個方向進行檢測，以便發現不同走向的表面缺陷。

2 電渦流檢測儀器

電渦流檢測儀器的種類很多，根據不同的檢測目的可以將其分為導電儀、測厚儀和探傷儀。雖然它們各自的內部電路設計有所不同，但是在實際應用過程中往往需要承擔相同的任務：①產生高頻的激勵信號;②檢測試件表面的電渦流變化情況;③呈現檢測結果及缺陷信息。

根據不同檢測對象的結構形狀及材料屬性，需要變更使用不同類型的線圈探頭。如圖2所示，常見的檢測線圈探頭類型分為以下3類。

（1）穿過式線圈（圖2a）：主要用于檢測管道，其為棒材等需要從線圈內部通過的導電試件。

（2）內通過式線圈（圖2b）：此類線圈直接穿過被檢測試件的內部，適合檢出管件、小孔徑鉆孔、螺紋孔或厚壁管內部的表層缺陷。

（3）放置式線圈（圖2c）：分為點式或探頭式線圈。探傷檢測時需要放置于被檢測工件表面，此類線圈的體積較小，線圈內部一般帶有磁芯并且靈敏度較高，適合檢測各種板材及管材的表面，同時可針對復雜形狀試件的指定位置處進行檢測。

3 電渦流檢測方法

在實際檢測過程中，被測工件的金屬特性決定其表面感應電渦流的密度及滲透深度，即電渦流所能到達工件表面以下的實際距離。通常，該距離直接影響電渦流檢測能力（即檢測精度）。由于檢測缺陷的深度受到被測對象的趨膚效應影響，因此，電渦流法通常便于檢測近表面缺陷。

3.1 趨膚深度

感應電渦流的密度隨著被試工件表面距離的增大而減小，其變化取決于激勵端的頻率、被測工件的電導率和磁導率等參數。在平面電磁波進入到半無窮大的金屬導體中時，電渦流密度及能量將隨著感應渦流滲透的深度變化呈現指數型衰減趨勢：

式（1）中，Jx 表示距離工件表面x深度處的渦流密度;J0表示起始金屬表面的電渦流密度;e為底數常數;μ表示試件的磁導率;f表示感應線圈的交流電頻率;σ表示被檢測材料的電導率特性。

當導線中通直流電時，電流在導體中的分布是均勻的，然而當通交流電時，電流在導體截面上將不再成均勻分布，導體表面上各點的電流密度較大，而中心軸線上的電流密度較小，電流集中在導體的“皮膚”部分的這種現象叫做趨膚效應。在高頻電路中采用空心導線代替實心導線，此導線的厚度被稱為趨膚深度。通常情況下，感應電渦流能到達的距離為被檢測表面3～4個趨膚深度。因此，該技術不適用于檢測位于表層以下過深位置處的缺陷。

3.2 滲透深度

通常情況下，將渦流密度衰減為其表面密度總量的1/e時所對應的深度定義為滲透深度[3]，該值將決定渦流檢測的靈敏度，其數學表達式為：

該值表示不同電導率的金屬標準滲透深度與頻率之間的關系。如圖3所示，對于給定的材料，需要根據材料的相關物理性質選擇合適的感應激勵頻率。

電渦流檢測的激勵頻率選擇范圍大致可以從200 Hz到6 MHz。對于大多數的非磁性材料的檢測，通常選擇數千赫茲頻率，而對于磁性材料則選擇較低頻率。實際檢測過程中若檢測的缺陷位于試件的表面及近表面，采用高頻激勵信號;若待檢缺陷位于距離表面一定位置處，則采用低頻激勵信號。

3.3 提離效應抑制

在渦流檢測過程中，探頭的提離及晃動、檢測表面的粗糙度等因素都會引起檢測信號的變化。而電渦流的大小隨著變化電磁場與導體的距離改變而變化，這被稱為提離效應。這種效應對實際檢測過程中的阻抗信號值影響非常大，常見的抑制提離信號的方法就是加裝固定形狀的模具，以便檢測時保持電渦流探頭距離下方被檢工件表面高度穩定且不變。

4 電渦流檢測技術在地鐵車輛檢測中的應用

4.1 地鐵車輛無損檢測現狀

目前，國內地鐵車輛檢修采用日常維修和定期檢修相結合的檢修制度，根據《地鐵設計規范》（GB 50157-2013）相關規定，地鐵車輛架修和大修周期分別為5年（或60萬 km）和10年（120萬 km），實際會根據車輛整體情況做出調整。對于一些累計運行時間較長的地鐵車輛，需要增派人員組成專項小組對其轉向架特殊部位（架體兩側及地面部分）進行人工目視檢測，排除隱患。另外，當遇到表面被污染或者噴漆情況，如若需要檢測其表面或近表面是否存在缺陷，往往需進行表面除漆工作及局部噴涂磁粉來復核確認缺陷。因此，為了提高檢測準確率及效率，減少人力消耗，同時降低磁粉檢測對人體安全的危害，地鐵車輛檢測對無損檢測技術有較大需求。

本次重點針對地鐵車輛轉向架表面和車鉤位置表面及近表面缺陷開展電渦流測試。

4.2 實驗過程分析

4.2.1 實驗設備

實驗選取NORTEC 600奧林巴斯便攜式高性能渦流探傷儀，選擇常用筆式形狀探頭連接渦流探傷儀，系統自動識別探頭類型，自主選擇應用模式并切換至表面缺陷檢測。屏幕顯示方式為阻抗顯示，即幅值信息反映缺陷及其深度。

4.2.2 實驗步驟及注意事項

（1）通過趨膚深度計算選擇280 kHz的激勵頻率，完成標定試塊缺陷檢測及數據記錄;

（2）調整提離信號方向，保證缺陷信號分離;

（3）將相位和幅值歸零，依次調節水平、垂直增益和相位角等;

（4）使用電渦流探頭掃查表面，注意保持探頭與金屬表面接觸穩定，降低探頭提離影響，保證檢測結果的準確性。

4.3 實驗結果

4.3.1 轉向架檢測結果

如圖4所示，利用電渦流探頭針對轉向架表面及焊縫位置進行掃查，發現檢測缺陷位于漆層下面（即工件近表面），通過電渦流測試儀電壓信號出現的起止點位置測量，發現該內部缺陷的縱向長度大約為1 cm。

事先通過標準試塊對電渦流的檢測精度進行標定（即依次測量深度為0.5 mm、1 mm及1.5 mm的表面人工缺陷），建立電壓信號幅值比對結果。實際檢測過程中，缺陷的檢出情況需要根據被檢測對象的物理性質決定。電渦流探頭的激勵頻率為280kHz，由此計算出的趨膚深度大致為1mm。通過電渦流探頭針掃查對比發現該內部缺陷的深度大致為1.5 mm。

4.3.2 車鉤缺陷檢測結果

如圖5所示，針對車鉤位置處表面開口裂紋進行電渦流探傷實驗，檢測結果如圖6所示，最深深度約為1 mm，長度為75mm。針對該缺陷進行超聲波無損檢測，判斷其最深深度在1.2～1.4 mm，表面開口長度為73mm，與電渦流檢測結果相當。

4.4 小結

采用電渦流檢測技術，由于電渦流探頭體積較小，可在轉向架底部狹小空間內針對局部位置進行檢測，適應性較強;針對噴漆或涂層覆蓋下表面缺陷及裂紋識別檢出效果明顯，車鉤表面部分較長且較深的缺陷也可被檢出，相比于其他需要前期表面處理的無損探傷技術是一大優勢。

5 結語

目前，國內地鐵車輛車體底部關鍵部位的無損探傷技術的發展前景廣闊，特別是針對車體轉向架表面、焊縫及有涂層覆蓋部位的探傷需求較高，而電渦流無損檢測技術依靠電磁感應原理，可以快速高效地判別缺陷。未來，電渦流檢測技術將配合其他諸如超聲波檢測技術等，向自動化、集成化的方向不斷發展。

參考文獻

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收稿日期 2019-09-20

責任編輯 宗仁莉