淺析鋼管渦流探傷之相位分辨

林俊明

（愛(ài)德森（廈門(mén)）電子有限公司，廈門(mén) 361004）

1 問(wèn)題的引出

渦流檢測(cè)技術(shù)在管道的無(wú)損探傷中得到了廣泛的應(yīng)用。到目前為止，阻抗分析法是渦流檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛的一種方法。阻抗分析法是以分析渦流效應(yīng)引起線圈阻抗的變化及其相位變化之間的密切關(guān)系為基礎(chǔ)，從而鑒別各影響因素效應(yīng)的一種分析方法。對(duì)于管道渦流探傷，一般要求在阻抗平面圖上不同種類(lèi)的缺陷信號(hào)（內(nèi)、外壁缺陷，通孔）之間要有適當(dāng)?shù)南辔徊?，以便?duì)缺陷種類(lèi)進(jìn)行分辨［1］。

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

圖2 管壁缺陷渦流阻抗平面示意圖（外穿式線圈）

對(duì)鐵磁性材料管道，如鋼管，參照 GB／T 7735—2004《鋼管渦流探傷檢驗(yàn)方法》進(jìn)行渦流探傷時(shí)，需要對(duì)鋼管進(jìn)行飽和磁化。在實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：正常的飽和磁化過(guò)程下，鋼管渦流探傷的各缺陷信號(hào)阻抗平面圖形的位置分布與圖2相似，即不同類(lèi)型缺陷信號(hào)之間相位分辨清楚，可以通過(guò)缺陷信號(hào)在阻抗平面圖中的相位角來(lái)判定缺陷的類(lèi)別。然而，當(dāng)鋼管材料磁化強(qiáng)度過(guò)飽和時(shí)，渦流探傷結(jié)果中的通孔以及內(nèi)外壁缺陷信號(hào)在阻抗平面上相位重疊，沒(méi)有相位差，相互之間無(wú)法分辨，如圖3所示，此時(shí)與激勵(lì)頻率無(wú)關(guān)。因而，鋼管在過(guò)飽和磁化狀態(tài)下，不能通過(guò)缺陷檢測(cè)信號(hào)對(duì)缺陷的類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別。

圖3 過(guò)飽和狀態(tài)下缺陷信號(hào)阻抗平面圖

筆者將對(duì)上述提及的鋼管在過(guò)飽和磁化狀態(tài)下，缺陷檢測(cè)結(jié)果中出現(xiàn)的信號(hào)相位無(wú)法分辨的問(wèn)題進(jìn)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，鋼管渦流探傷中需要對(duì)鐵磁性鋼管進(jìn)行飽和磁化。這是由于被檢材料磁導(dǎo)率的變化會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)，一般來(lái)講，磁噪聲對(duì)線圈阻抗的影響往往遠(yuǎn)大于缺陷的影響，為缺陷的檢出帶來(lái)困難。另外，鐵磁性金屬的集膚效應(yīng)很強(qiáng)，因而渦流透入深度很淺，可探傷深度大約只是非鐵磁性金屬的1／100～1／1000。由此可見(jiàn)，鐵磁性金屬大而變化的磁導(dǎo)率對(duì)探傷而言可視為一種干擾因素?？朔F磁性金屬磁導(dǎo)率對(duì)探傷影響的方法是對(duì)管道進(jìn)行飽和磁化。

鋼管的渦流檢測(cè)通常采用的磁飽和裝置為通有直流電的線圈，如圖4所示，它可產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng)H。當(dāng)H達(dá)到一定值后，鋼管的磁感應(yīng)強(qiáng)度B不再增加，趨于飽和狀態(tài)，而磁導(dǎo)率降至最小值。鋼管材料經(jīng)飽和磁化后既消除了磁導(dǎo)率不均勻的現(xiàn)象，也使渦流的透入深度大大增加，經(jīng)過(guò)飽和處理的鐵磁性材料可作為非鐵磁性材料對(duì)待。為了充分利用線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，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(dǎo)率很大，磁阻很小，這樣泄漏在空間中的磁力線會(huì)被引導(dǎo)到管道的檢測(cè)部位［1］。

圖4 鋼管飽和磁化示意圖

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

圖5 鐵磁材料磁滯回線圖

當(dāng)磁化場(chǎng)H逐漸增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B將沿OM 曲線增加。當(dāng)H增大到Hm時(shí)，B達(dá)到飽和值Bm。此時(shí)再將磁化場(chǎng)H減小，B并不沿原來(lái)的曲線原路返回，而是沿MR曲線下降，即使磁化場(chǎng)H減小到零時(shí)，B仍保留一定的數(shù)值Br，稱(chēng)為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)反向磁化場(chǎng)達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度才降到零。當(dāng)反向繼續(xù)增加磁化場(chǎng)，反向磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和點(diǎn)M′，再逐漸減小反向磁化場(chǎng)時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度又逐漸增大。圖中磁化、退磁、反向磁化、反向退磁、正向磁化這一循環(huán)過(guò)程形成的閉合曲線MRCM′R′C′M 稱(chēng)為磁滯回線。

如果將鋼管從磁中性狀態(tài)開(kāi)始，逐步提高Hm值進(jìn)行磁鍛煉，可以得到面積由小到大向外擴(kuò)張的一簇磁滯回線，如圖6所示，這些磁滯回線頂點(diǎn)（a1，a2，a3，a4…）的連線稱(chēng)為基本磁化曲線［2］。

圖6 不同退磁位置時(shí)的磁滯回線

3 相位分辨問(wèn)題的分析與試驗(yàn)

3.1 相位分辨問(wèn)題的機(jī)理分析

鋼管渦流探傷由于引入了鋼管材料的飽和磁化過(guò)程，因而檢測(cè)中的空間磁場(chǎng)狀態(tài)與非鐵磁性材料檢測(cè)時(shí)不相同。筆者在GB／T 7735—2004附錄A“渦流檢查方法的局限性及其他說(shuō)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(cè)機(jī)理，其一是渦流效應(yīng)，其二是漏磁效應(yīng)”。這兩種效應(yīng)在檢測(cè)過(guò)程中同時(shí)存在，并且隨磁化狀態(tài)的不同，兩者所發(fā)揮的主導(dǎo)地位不同。

對(duì)鋼管施加飽和磁化，當(dāng)磁化至合適的強(qiáng)度時(shí)，如圖6所示的I區(qū)，此時(shí)管壁中由渦流效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)在探頭檢測(cè)線圈中感應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)于缺陷漏磁場(chǎng)所引起的信號(hào)，即渦流效應(yīng)在檢測(cè)結(jié)果中占主導(dǎo)地位。因而，檢測(cè)結(jié)果阻抗平面圖上的各缺陷信號(hào)的形式與非鐵磁性渦流探傷結(jié)果類(lèi)似，缺陷相位分辨清楚。

如果鋼管的磁化強(qiáng)度過(guò)飽和，如圖6所示的Ⅱ區(qū)，此時(shí)缺陷的漏磁場(chǎng)在探頭檢測(cè)線圈中產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)于渦流效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)（因?yàn)槁┐艌?chǎng)是磁化場(chǎng)的一部分，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)的鋼管而言，與渦流信號(hào)的頻率相比，該部分磁通可認(rèn)為不隨時(shí)間變化），即漏磁效應(yīng)在檢測(cè)線圈中感應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度占主導(dǎo)地位，從而使檢測(cè)線圈的磁場(chǎng)趨于飽和，雖然此時(shí)渦流效應(yīng)依然存在，但渦流信號(hào)湮沒(méi)在漏磁信號(hào)中，由于缺陷的漏磁信號(hào)不含有相位信息，因而檢測(cè)結(jié)果阻抗平面圖上各類(lèi)缺陷信號(hào)混疊在一起，造成信號(hào)相位之間無(wú)法分辨的問(wèn)題。事實(shí)上，這種狀態(tài)下阻抗平面上的檢測(cè)信號(hào)結(jié)果并非一般所理解的渦流效應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)，而是缺陷的靜態(tài)漏磁場(chǎng)信號(hào)。

3.2 鋼管飽和磁化過(guò)程中的渦流檢測(cè)試驗(yàn)

為了觀察鋼管飽和磁化過(guò)程中的渦流探傷結(jié)果，組建圖7所示的鋼管渦流探傷試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)采用愛(ài)德森（廈門(mén)）電子有限公司的EEC－24型渦流探傷儀及磁飽和器和直徑為51mm，壁厚4.5mm的無(wú)縫鋼管。直流激勵(lì)源通過(guò)調(diào)節(jié)輸入磁飽和線圈中電流的大小，從而控制鋼管的磁化強(qiáng)度。需要注意的是，由于磁飽和線圈中的電流很大，會(huì)使線圈發(fā)熱而導(dǎo)致線圈材料電導(dǎo)率變化，因此，直流激勵(lì)源一般采用恒流源而非恒壓源，來(lái)保證磁飽和線圈中電流值的穩(wěn)定，產(chǎn)生穩(wěn)恒磁化磁場(chǎng)。

圖7 鋼管渦流檢測(cè)試驗(yàn)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(tài)，觀察探傷儀上檢測(cè)結(jié)果的阻抗平面圖形顯示。檢測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)電流值接近1A時(shí)，內(nèi)外壁缺陷信號(hào)的相位之間可以清楚地分辨，此時(shí)鋼管磁化狀態(tài)處于圖6所示的Ⅰ區(qū)，渦流效應(yīng)占主導(dǎo)地位；當(dāng)電流值增加至約3A時(shí)，內(nèi)外壁缺陷信號(hào)的相位重疊，分不開(kāi)，無(wú)法對(duì)缺陷種類(lèi)分辨，此時(shí)鋼管磁化狀態(tài)處于圖6所示的Ⅱ區(qū)，漏磁效應(yīng)占主導(dǎo)地位。另外，大量的試驗(yàn)以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)鋼管磁化至飽和磁化強(qiáng)度的60%～70%時(shí)，渦流探傷結(jié)果最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼管渦流探傷中管道磁飽和過(guò)程的引入，使得在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)了缺陷信號(hào)在阻抗平面圖上相位無(wú)法分辨的問(wèn)題。實(shí)質(zhì)上，這是由于漏磁效應(yīng)的作用強(qiáng)于渦流效應(yīng)的原因。為了更好地實(shí)施鋼管的渦流探傷，就要避免鋼管處于過(guò)飽和磁化狀態(tài)，這對(duì)于缺陷的檢出至關(guān)重要。另外，從生產(chǎn)應(yīng)用的角度講，采用渦流與專(zhuān)用漏磁檢測(cè)（或超聲檢測(cè)）集成技術(shù)將是未來(lái)發(fā)展的一大趨勢(shì)（特別是對(duì)大口徑、厚壁管的檢測(cè)，其深部缺陷已無(wú)法用電磁法檢出），這一點(diǎn)已在現(xiàn)代鋼管生產(chǎn)線上得到印證。國(guó)家特檢培訓(xùn)考試基地從長(zhǎng)期發(fā)展考慮，選用EEC－508渦流／漏磁／超聲一體化儀器用于培訓(xùn)考核。

以上內(nèi)容也可以看成是對(duì)GB／T 7735—2004標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充說(shuō)明。

［1］任吉林，林俊明.電磁無(wú)損檢測(cè)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［2］雷銀照.電磁場(chǎng)［M］.北京：高等教育出版社，2008.