渦流無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究

李禹東

（天津騰飛鋼管有限公司，天津 300301）

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要通過(guò)多種化學(xué)與物理原理，在不損害檢測(cè)對(duì)象的前提下，完成檢測(cè)任務(wù)，從而確認(rèn)檢測(cè)對(duì)象的可靠性與完整性。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有助于保障設(shè)備維持安全的運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)給被測(cè)試件帶來(lái)質(zhì)量問(wèn)題，常見(jiàn)無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)包括超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦流檢測(cè)、磁粉檢測(cè)以及滲透檢測(cè)等。現(xiàn)主要研究渦流無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況。

1 渦流無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)

1.1 基本原理

渦流檢測(cè)是在電磁感應(yīng)原理的理論基礎(chǔ)上建立的，在交變磁場(chǎng)中放置一塊導(dǎo)體，導(dǎo)體周邊會(huì)形成感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流催生渦流。當(dāng)導(dǎo)體在缺陷、尺寸、形狀、磁導(dǎo)率與電導(dǎo)率等方面產(chǎn)生變動(dòng)之后，渦流也會(huì)在其影響下出現(xiàn)變化，依靠這種現(xiàn)象即可實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)體狀態(tài)與性質(zhì)的有效檢測(cè)，這種檢測(cè)方式就是渦流檢測(cè)[1]。渦流檢測(cè)只能對(duì)具有導(dǎo)電性的材料進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，利用檢測(cè)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(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)與線圈磁場(chǎng)的作用方向相反，同時(shí)還會(huì)改變待檢工件線圈的原本阻抗，分析阻抗變化即可確定導(dǎo)體是否出現(xiàn)缺陷。渦流檢測(cè)原理圖如圖1。

圖1 渦流檢測(cè)原理圖Fig.1 Schematic diagram of eddy current testing

1.2 主要特點(diǎn)

其一，非接觸性。渦流檢測(cè)線圈在激勵(lì)作用后產(chǎn)生的電磁場(chǎng)實(shí)際是一種粒子性與波動(dòng)性突出的電磁波，運(yùn)用渦流檢測(cè)技術(shù)時(shí)，并不需要直接接觸待檢對(duì)象，同時(shí)不需要使用耦合劑，檢測(cè)效率高，能夠滿足當(dāng)前的自動(dòng)化檢測(cè)需求。其二，支持高溫檢測(cè)。當(dāng)導(dǎo)電性試件處于高溫條件下時(shí)，其導(dǎo)電性質(zhì)更加突出，給渦流檢測(cè)創(chuàng)造了良好的應(yīng)用環(huán)境，將溫度提高到居里點(diǎn)以上后，鋼材能夠免受磁導(dǎo)率帶來(lái)的影響，即使是非磁性金屬材料也可以通過(guò)渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)探傷。其三，靈敏性強(qiáng)。渦流檢測(cè)技術(shù)在趨膚效應(yīng)下，能夠以極高的靈敏度實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的近表面與表面缺陷的探傷檢測(cè)。其四，應(yīng)用范圍廣。影響渦流實(shí)際大小的因素有很多種，這也使渦流檢測(cè)能夠在多種領(lǐng)域中發(fā)揮作用。除了對(duì)工件、材料進(jìn)行探傷檢測(cè)之外，還可以檢測(cè)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(yīng)用效益高。

盡管渦流檢測(cè)技術(shù)具有多方面使用優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際的探傷應(yīng)用過(guò)程中還存在一定的缺陷，給檢測(cè)效果帶來(lái)不利影響。受到趨膚效應(yīng)的影響，若激勵(lì)頻率較高，渦流能夠集中到試件表面；降低激勵(lì)頻率后，雖然渦流滲透深度隨之增加，但是檢測(cè)技術(shù)的靈敏性會(huì)因此而被削弱；渦流檢測(cè)容易受到客觀因素的影響，因此在檢測(cè)過(guò)程中需要通過(guò)將干擾因素一一消除，來(lái)保障檢測(cè)的精準(zhǔn)度，同時(shí)對(duì)缺陷進(jìn)行定性與定量評(píng)價(jià)時(shí)難度較高；渦流檢測(cè)技術(shù)只能夠?qū)梢愿猩鷾u流的非金屬類材料以及具有導(dǎo)電性的金屬材料實(shí)施檢測(cè)；渦流檢測(cè)技術(shù)難以對(duì)金屬材料內(nèi)部深層缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

2 渦流無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用情況

2.1 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)屬于內(nèi)穿式檢測(cè)技術(shù)，比如在檢測(cè)金屬管道時(shí)，借助低頻信號(hào)促使渦流之間從管壁穿入，從而掌握內(nèi)外壁缺陷與壁厚等信號(hào)。這種渦流檢測(cè)技術(shù)能夠有效檢測(cè)管道的內(nèi)外管壁上的缺陷，不會(huì)過(guò)多地受到趨膚效應(yīng)的影響[2]。具體實(shí)施方法如下：檢測(cè)前需要將兩個(gè)線圈放置到與管道同軸的位置，其中的激勵(lì)線圈需要通入低頻交流電，這一線圈可將磁場(chǎng)能量傳遞到管道兩端，需要經(jīng)過(guò)間接耦合與直接耦合兩種耦合路徑。激勵(lì)線圈周邊的管壁能夠形成感應(yīng)周向渦流，以極快的速度向管道外壁擴(kuò)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(chǎng)之后將繼續(xù)向外擴(kuò)散，受到管道內(nèi)外衰減速度差的影響，管道外的磁場(chǎng)也會(huì)被生成感應(yīng)渦流，穿透管壁向管道內(nèi)部擴(kuò)散，并且再次形成相位滯后與幅值衰減，從而提供可檢測(cè)缺陷的信號(hào)。

2.2 脈沖渦流檢測(cè)

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)中的激勵(lì)信號(hào)主要為脈沖信號(hào)，運(yùn)用方波比來(lái)替代頻率相對(duì)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(guò)分析感應(yīng)電壓達(dá)到峰值的過(guò)零時(shí)刻與具體時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)，其檢測(cè)信號(hào)可提供極為豐富的試件缺陷信息，信號(hào)處理工作也更容易實(shí)現(xiàn)[3]。脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)可以使金屬材質(zhì)的試件中形成瞬態(tài)磁場(chǎng)，擴(kuò)大擴(kuò)散范圍，同時(shí)使磁場(chǎng)呈現(xiàn)出快速衰減的狀態(tài)，檢測(cè)線圈能夠感應(yīng)到處于變化狀態(tài)的電壓，若工件出現(xiàn)缺陷，瞬態(tài)磁場(chǎng)也會(huì)形成相應(yīng)的變化。

2.3 多頻/低頻渦流檢測(cè)

多頻渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在對(duì)傳感器線圈進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，需要運(yùn)用多個(gè)頻率的信號(hào)，因此相比其他渦流檢測(cè)技術(shù)，其抗干擾能力更強(qiáng)。運(yùn)用多頻渦流探傷檢測(cè)技術(shù)手段時(shí)，可結(jié)合具體的待檢試件，對(duì)其多個(gè)部位的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并將其中的干擾信號(hào)排除，選擇數(shù)個(gè)不同頻率的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈的激勵(lì)，同時(shí)放大相應(yīng)的參數(shù)輸出信號(hào)，根據(jù)頻率濾波完成解調(diào)處理，組合解調(diào)信號(hào)上的分量，確保信號(hào)檢測(cè)通道僅能夠準(zhǔn)確地輸出關(guān)聯(lián)待檢測(cè)參數(shù)的信號(hào)。

低頻渦流檢測(cè)技術(shù)相比傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)深度得到提高，其通過(guò)低頻率來(lái)對(duì)趨膚效應(yīng)起到抑制作用，主要被運(yùn)用到管道內(nèi)表面與鋼板的探傷檢測(cè)工作中。

2.4 渦流列陣檢測(cè)

渦流列陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，需要加入多個(gè)不同的傳感器，依照待檢試件的具體結(jié)構(gòu)來(lái)排布傳感器，從而輔助檢測(cè)工作，這種檢測(cè)技術(shù)靈敏度更高，檢測(cè)效率也更快。運(yùn)用渦流列陣檢測(cè)計(jì)劃書可以對(duì)較大面積的金屬材料表面上的缺陷進(jìn)行快速檢測(cè)，調(diào)節(jié)傳感器的排布方式后，可從多個(gè)方向切入開(kāi)展檢測(cè)工作，對(duì)于小型且構(gòu)造較為復(fù)雜的試件也能夠起到良好的檢測(cè)效果。檢測(cè)線圈與激勵(lì)線圈之間的電磁場(chǎng)傳遞方向是相互垂直的；渦流列陣檢測(cè)探頭中的線圈數(shù)量多，距離近，必須要避免線圈磁場(chǎng)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(cè)探頭。

3 渦流無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 渦流檢測(cè)設(shè)備

3.1.1 渦流檢測(cè)儀器

金屬管材探傷是渦流檢測(cè)技術(shù)的重要用途之一，借助渦流檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)整個(gè)批次的金屬管材實(shí)施無(wú)損檢測(cè)。渦流檢測(cè)儀的組成部分包括電源、顯示器、信號(hào)處理器、放大器、信號(hào)輸出電路、探頭與振蕩器等[4]。

探傷檢測(cè)中使用的主要是自動(dòng)化探傷裝置，其具有自動(dòng)停車、自動(dòng)分選、自動(dòng)記錄與自動(dòng)報(bào)警等功能，探傷儀能夠結(jié)合試件上的具體缺陷給線圈阻抗帶來(lái)的不同變化狀況，來(lái)檢測(cè)試件近表面與表面缺陷的發(fā)展情況。手動(dòng)渦流儀需要技術(shù)人員手持檢測(cè)探頭，掃查試件表面，依照示波管展現(xiàn)的圖形分析缺陷問(wèn)題，其檢測(cè)范圍更廣，缺點(diǎn)主要是檢測(cè)效率不高；自動(dòng)化渦流儀雖然檢測(cè)效率高，但是要求檢測(cè)對(duì)象具有規(guī)則的形狀，一般在檢測(cè)絲材、管材與棒形試件時(shí)使用這種檢測(cè)儀器。

3.1.2 渦流檢測(cè)線圈

渦流檢測(cè)線圈也被稱為傳感器與探頭，常用的檢測(cè)線圈主要有外穿過(guò)式線圈、內(nèi)穿過(guò)式線圈以及探頭式線圈。外穿過(guò)式線圈需要檢測(cè)對(duì)象從線圈中穿過(guò)，從而檢測(cè)外表面產(chǎn)生的物性變化與缺陷，檢測(cè)對(duì)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(guò)；內(nèi)通過(guò)線圈借助試件內(nèi)孔實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)，可檢測(cè)孔壁部位的缺陷問(wèn)題，在對(duì)完成安裝的管材或者直徑較小的厚壁管內(nèi)壁、螺旋孔與深鉆孔的表面質(zhì)量進(jìn)行探傷檢測(cè)時(shí)，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(duì)象表面缺陷的檢測(cè)，其具有聚焦磁場(chǎng)的性質(zhì)，檢測(cè)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(shí)，可采用這種檢測(cè)線圈。

針對(duì)不同管徑的管材需要為其選擇不同的檢測(cè)線圈。直徑低于或者等于75 mm 的小直徑管材可選擇穿過(guò)式感應(yīng)型線圈；若管材材質(zhì)屬于鐵磁性材料，需要將磁飽和型線圈添加到感應(yīng)型穿過(guò)式線圈的外部，依靠直流電來(lái)磁化管材，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋、折疊、發(fā)裂與凹坑等缺陷的檢測(cè)，檢測(cè)速度可達(dá)到0.5m/s[5]。穿過(guò)式線圈在檢測(cè)管材近表面與表面的縱向裂紋時(shí)能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的靈敏度，其感生的渦流保持周向流動(dòng)狀態(tài)，因此檢測(cè)周向裂紋的效果稍差。若探傷檢測(cè)對(duì)象為管徑偏小的管材，選擇線圈直徑應(yīng)比管外徑大，線圈與管件應(yīng)保持同心的放置方式，平穩(wěn)送進(jìn)，維持均勻的速度。如果強(qiáng)度過(guò)大，試件可能面臨推進(jìn)困難的問(wèn)題。如果檢測(cè)對(duì)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(huì)隨之降低。

3.1.3 對(duì)比試樣

依照預(yù)設(shè)用途制作出的存在人為缺陷的試樣是對(duì)比試樣，主要是為了在渦流檢測(cè)中開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比試樣可以對(duì)作為重要檢測(cè)工具的渦流檢測(cè)儀的主要性能進(jìn)行確認(rèn)，包括末端不可檢測(cè)長(zhǎng)度、分辨力與靈敏度；對(duì)比試樣還有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)靈敏度的調(diào)節(jié)，選擇合適的檢測(cè)條件，達(dá)到預(yù)期的缺陷檢測(cè)效果；驗(yàn)收試件質(zhì)量時(shí)，借助對(duì)比試樣可以根據(jù)設(shè)備的指示信號(hào)，判定產(chǎn)品是否符合加工標(biāo)準(zhǔn)。可直接從待檢對(duì)象上獲取對(duì)比試樣，以此確保待檢對(duì)象與對(duì)比試樣的表面狀態(tài)、熱處理狀態(tài)、尺寸、形狀與材質(zhì)均保持一致；對(duì)比試樣表面的人工缺陷需盡可能地接近自然缺陷，同時(shí)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(duì)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(cè)技術(shù)要點(diǎn)

針對(duì)金屬管材實(shí)施探傷檢測(cè)時(shí)，可以啟動(dòng)自動(dòng)化上料進(jìn)給裝置，使金屬管材以同心、等速的方式直接進(jìn)入到渦流檢測(cè)線圈之中，系統(tǒng)中的分選下料機(jī)構(gòu)即可依照渦流檢測(cè)結(jié)果，根據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將已經(jīng)完成探傷檢測(cè)的管材分別傳輸?shù)綇U品料槽、次級(jí)品槽與合格品槽。

首先，需要在渦流探傷檢測(cè)前期做好準(zhǔn)備工作。針對(duì)待檢試件開(kāi)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(zhì)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(yīng)采取校正措施，從而將干擾信號(hào)消除，預(yù)防誤判缺陷的情況。分析試件的具體檢測(cè)要求、結(jié)構(gòu)尺寸、加工方法與材質(zhì)，進(jìn)而選擇合適的檢測(cè)儀器、檢測(cè)線圈與檢測(cè)方法；若所用的渦流檢測(cè)儀設(shè)有傳送系統(tǒng)，應(yīng)預(yù)先調(diào)節(jié)送進(jìn)程度，確認(rèn)試件是否對(duì)準(zhǔn)中心部位，控制振動(dòng)情況，確保試件在檢測(cè)期間維持勻速平穩(wěn)的送進(jìn)狀態(tài)。了解檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)要求與判廢標(biāo)準(zhǔn)后，選擇對(duì)比試樣。

其次，需要明確檢測(cè)頻率。當(dāng)試件的尺寸、形狀與材質(zhì)存在差異時(shí)，為其選擇的檢測(cè)頻率也各不相同，檢測(cè)頻率直接決定檢測(cè)探傷的靈敏度。如果試件對(duì)檢測(cè)頻率有指定要求，應(yīng)當(dāng)依照實(shí)際檢測(cè)深度來(lái)選擇檢測(cè)頻率，使其被控制到合理范圍之內(nèi)。檢測(cè)頻率會(huì)給試件與檢測(cè)線圈間形成的耦合效率構(gòu)成影響，當(dāng)檢測(cè)頻率比較低時(shí)，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)靈敏度也不高，難以檢測(cè)出面積較小的缺陷。頻率與監(jiān)測(cè)線圈的相位變化值、阻抗幅值變化值均存在關(guān)聯(lián)。

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

應(yīng)用渦流檢測(cè)技術(shù)時(shí)，可能會(huì)因故障問(wèn)題無(wú)法接收檢測(cè)信號(hào)。面對(duì)這種情況，可先確定檢測(cè)頻率是否超過(guò)預(yù)設(shè)范圍，若邊緣效應(yīng)、試件缺陷等形成信號(hào)進(jìn)行疊加，相位差被消除，飽和狀態(tài)隨之出現(xiàn)。造成這種問(wèn)題原因可能是頻率過(guò)高，或者平衡線圈與探頭線圈之間出現(xiàn)沖突，可將激勵(lì)電壓適當(dāng)調(diào)低，使探傷設(shè)備輸出的電壓在探頭的承受范圍內(nèi)；還可調(diào)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(wèn)題。當(dāng)信噪比較高時(shí)，可將尺寸合適的泡沫、橡膠材料或者海綿插到孔內(nèi)表面與線圈之間，以此提高靈敏度，減輕噪音問(wèn)題。

應(yīng)用脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)厚度為8 mm 的鋁板與銅板進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(guò)檢測(cè)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(yīng)磁場(chǎng)最大值形成的時(shí)間也會(huì)隨之增長(zhǎng)；不同深度的表面裂紋的磁場(chǎng)最大值出現(xiàn)的時(shí)間基本一致。因此，可以確定脈沖渦流在檢測(cè)表面下深層裂紋，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以結(jié)合測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)將時(shí)間與深度的對(duì)應(yīng)曲線繪制出來(lái)，確定最大值出現(xiàn)的時(shí)間，而后即可掌握缺陷對(duì)應(yīng)的深度。

4 結(jié)論

渦流無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)具有多樣化的特點(diǎn)，檢測(cè)人員可以結(jié)合檢測(cè)要求與試件的具體情況來(lái)選擇合適的渦流檢測(cè)技術(shù)與檢測(cè)輔助工具，同時(shí)重視前期準(zhǔn)備工作，減少檢測(cè)過(guò)程中的干擾因素，檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行正確操作，完成檢測(cè)后做好記錄，準(zhǔn)確地判定試件的缺陷情況。可將多種渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的深層次檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，從而促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品提高質(zhì)量，提升生產(chǎn)加工效益。