遠場渦流檢測技術(shù)

1、遠場渦流檢測技術(shù)遠場渦流檢測技術(shù) 遠場遠場渦流檢測技術(shù)渦流檢測技術(shù) 遠場渦流遠場渦流（RFEC.Remote Field Eddy Current）檢測技術(shù)是一種能穿透金屬管壁的能穿透金屬管壁的低頻渦流檢測技術(shù)。探頭通常為內(nèi)通過式，低頻渦流檢測技術(shù)。探頭通常為內(nèi)通過式，由激勵線圈和檢測線圈構(gòu)成，檢測線圈與激由激勵線圈和檢測線圈構(gòu)成，檢測線圈與激勵線圈相距約二倍管內(nèi)徑的長度，激勵線圈勵線圈相距約二倍管內(nèi)徑的長度，激勵線圈通以低頻交流電，檢測線圈能拾取發(fā)自激勵通以低頻交流電，檢測線圈能拾取發(fā)自激勵線圈穿過管壁后又返回管內(nèi)的渦流信號，從線圈穿過管壁后又返回管內(nèi)的渦流信號，從而有效地檢測金屬管子的內(nèi)、

2、外壁缺陷和管而有效地檢測金屬管子的內(nèi)、外壁缺陷和管壁的厚薄情況壁的厚薄情況。50年代末，遠場渦流檢測技術(shù)首先用于檢測油井的套管。但當(dāng)時由于人們對遠場渦流技術(shù)的認識很有限，且電子技術(shù)也不太發(fā)達，遠場渦流檢測法未能得到充分的發(fā)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(shù)用于管道（特別是鐵磁性管道）檢測的優(yōu)越性才被人們廣泛認識，一些先進的遠場渦流檢測系統(tǒng)也開始出現(xiàn)，并在核反應(yīng)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(yīng)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(shù)。2.1 遠場渦流特點遠場渦流特點 2.1.1 特點特點 2.1.2 遠場渦流檢測系統(tǒng)的組成

3、遠場渦流檢測系統(tǒng)的組成 2.1.1 特點特點 采用穿過式探頭（見圖2-120），檢測線圈與激勵線圈分開，且二者的距離是所測管道內(nèi)徑的二至三倍；采用低頻渦流技術(shù)能穿過管壁；主要用于石油天然氣管道和油井管道等；需要檢測的需要檢測的不是線圈的阻抗變化不是線圈的阻抗變化，通常是測量檢測線圈的感應(yīng)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(nèi)外表面的缺陷和管壁變薄情況，而不受趨膚效應(yīng)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(yīng)”很小。 圖2-120 遠場渦流檢測探頭 采用遠場技術(shù)進行檢測，其靈敏度幾乎不隨激勵與檢測線

4、圈間距離變化而變化，探頭的偏擺、傾斜對結(jié)果影響很小。此外，這種檢測方法由于采用很低的頻率，檢測速度慢，不宜用于短管檢測，且只適用于內(nèi)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。 2.1.2 遠場渦流檢測系統(tǒng)的組成遠場渦流檢測系統(tǒng)的組成 遠場渦流檢測設(shè)備一般由下列五個部分組成： 振蕩器：作為驅(qū)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(qū)動定位裝置：它包括探頭和確定探頭軸向位置的編碼和數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)。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(shù)據(jù)。

5、圖2-121是遠場渦流檢測系統(tǒng)原理框圖。遠場渦流檢測線圈感應(yīng)電壓及其相位隨兩線圈間距變化特性曲線如圖2-122所示。由圖可以看出，隨兩線圈間距的增加，檢測線圈感應(yīng)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(fā)生躍變之后的區(qū)域稱為遠場區(qū)遠場區(qū)；靠近激勵線圈信號幅值急劇下降區(qū)域稱為近場區(qū)近場區(qū)；近場區(qū)與遠場區(qū)之間的相位發(fā)生較大躍變的區(qū)域稱為過渡過渡區(qū)域區(qū)域。圖2-121 遠地渦流檢測系統(tǒng)原理框圖 1管外壁檢測信號幅值 2管內(nèi)壁檢測信號幅值 3管壁內(nèi)壁檢測信號相位曲線圖2-122 檢測線圈信號特征2.2 遠場渦流方程遠場渦流方程 在圖2-12中

6、，當(dāng)?shù)皖l交流電通過激勵線圈，它應(yīng)在線圈周圍空間產(chǎn)生一個緩慢變化的時變磁場B，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，時變磁場B又在其周圍空間激發(fā)出一個時變渦旋電場E，在該電場的作用下，在金屬管壁內(nèi)形成渦流場Je，同樣，渦電流會在其周圍空間產(chǎn)生一個時變的磁場，因此，在激勵線圈附近金屬管壁內(nèi)外空間的磁場是由線圈內(nèi)的傳導(dǎo)電流場J和金屬管壁管渦流場Je產(chǎn)生的磁場的矢量和。因為是低頻，所以時變渦旋電場產(chǎn)生的位移電流完全可以忽略，于是，激勵線圈周圍空間的電磁場滿足下面麥克斯韋方程組，即： (2-106) 引入矢量磁位A，則有 (2-107) 將式（2-107）代入式（2-106）中的第二個方程，并不考慮恒定場，則得 (2

7、-108) 又因： (2-109)將式（2-109）代入式（2-106）中的第一個方程可得 (2-110) 式（2-110）是在激勵線圈的附近金屬管壁內(nèi)外區(qū)域，描述遠場渦流現(xiàn)象的擴散方程，式中，是金屬管材的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。 對于時諧電磁場，由矢量恒等式，并考慮到，則式（2-110）可簡化為 (2-111)式中，分別是傳導(dǎo)電流密度矢量和矢量磁位的復(fù)振幅矢量。 在圓柱坐標(biāo)中，均只有方向分量，且只是r，z的函數(shù)，因此，在軸對稱的情況下，式（2-111）可簡化為 (2-112) 采用“有限元”法求解方程式（2-112），借助電子計算，即可求得遠場渦流的空間分布。2.3 遠場渦流圖遠場渦流圖 圖2-12

8、3是一個載流線圈在三種條件下有限元計算出的磁場空間分布圖。其中圖a是空氣中載流線圈的磁分布圖，磁場只是由線圈中的傳導(dǎo)電流產(chǎn)生，圖b是在非導(dǎo)電磁性管材影響下線圈中傳導(dǎo)電流的磁場分布圖，圖c中的磁場則是線圈中的傳導(dǎo)電流和磁性導(dǎo)體管壁中的渦電流二者產(chǎn)生的磁場矢量和。 a) 空氣中 b) 非導(dǎo)電性磁管中 c) 導(dǎo)電性磁管中圖2-123 處于不同情況下載流線圈的磁場分布為了更好的了解遠場渦流分布特性，把圖2-128c局部放大，如圖2-124所示，有限元計算結(jié)果表明，90%的磁通被緊緊的束縛在激勵線圈附的磁通被緊緊的束縛在激勵線圈附近，近，9%的磁通在距離激勵線圈一個管徑以內(nèi)的的磁通在距離激勵線圈一個管徑

9、以內(nèi)的區(qū)域，只有區(qū)域，只有1%甚至更少的磁通向管內(nèi)的遠處擴甚至更少的磁通向管內(nèi)的遠處擴散，而對遠場渦流檢測線圈起作用的磁通大約只散，而對遠場渦流檢測線圈起作用的磁通大約只占占0.1%的總磁通的總磁通（具體數(shù)值隨檢測線圈的位置和管壁厚度而定），所以檢測線圈的感應(yīng)電壓只有微伏級，因此，這一無損檢測技術(shù)實際上是“渦渦流檢測的弱場效應(yīng)流檢測的弱場效應(yīng)”。 圖2-124 “遠場效應(yīng)”中的強場區(qū)和弱場區(qū) 由圖（2-125）可以看出，在距激勵線圈12倍管直徑的過渡區(qū)域內(nèi)，存在一個深而窄的“磁位同峽谷磁位同峽谷”（簡稱“位谷”），在這個位谷中，矢量磁位A幅值達到極?。煌瑫r，圍繞位谷，矢量磁位A的相位發(fā)生突然改

10、變，因此，位谷處又稱為“相位結(jié)點相位結(jié)點”，隨著激勵頻率的升高，還會出現(xiàn)多個“相位結(jié)點”的現(xiàn)象，如激勵頻率為960Hz，在過渡區(qū)域內(nèi)就有三個“相位結(jié)點”。 圖2-125 檢測線圈感應(yīng)電壓特性曲線 圖2-125是在f=40Hz的條件下，檢測線圈感應(yīng)電壓幅值與相位隨兩線圈間的距離Z變化的特性曲線。由圖可以看出，在靠近激勵線圈附近，檢測線圈的感應(yīng)電壓幅值急劇下降，而在二倍管直徑之外，感應(yīng)電壓幅值減小緩慢，感應(yīng)電壓的相位大約在二倍管直徑處發(fā)生跳躍式變化，這個相位突變處正是“相位結(jié)點”處。 另外，檢測線圈感應(yīng)電壓還有以下特點：檢測線圈感應(yīng)電壓還有以下特點：激勵頻率的增加（f=10160Hz），近區(qū)感應(yīng)電

11、壓幅值增加，遠區(qū)則減小；其相位隨頻率增加而增加，且過渡區(qū)移離激勵線圈。被檢管內(nèi)內(nèi)徑增加（保持壁厚不變），感應(yīng)電壓幅值衰減減小，而相位則不隨管子直徑增加而增加。 管壁厚度增加，近區(qū)感應(yīng)電壓幅值衰減變化很小，在遠區(qū)則衰減增大，且過渡區(qū)移離激勵線圈，相位滯后隨壁厚增加而增大。管子缺陷影響，遠場渦流探頭無論是對內(nèi)徑管壁不均勻性還是對外徑管壁不均勻性都有同等的靈敏度。探頭在管內(nèi)移動速度變化的影響，速度在以10m/s下，磁場畸變不太明顯，當(dāng)速度大于50m/s時，磁場有相當(dāng)大的畸變，因而會影響探頭的響應(yīng)曲線。 2.4 遠場渦流效應(yīng)的機理遠場渦流效應(yīng)的機理 1）似穩(wěn)場 2）擴散場）擴散場滯后效應(yīng)滯后效應(yīng)1）似

12、穩(wěn)場滿足式2-110的電磁場稱為似穩(wěn)電磁場，或者說，與傳導(dǎo)電流相比，位移電流可以忽略的電磁場稱為似穩(wěn)場。 空氣中激勵線圈周圍的似穩(wěn)場有以下特點空氣中激勵線圈周圍的似穩(wěn)場有以下特點：滯后效應(yīng)可忽略。在似穩(wěn)區(qū)域內(nèi)，電磁場傳播時相位滯后可忽略，或者說，在似穩(wěn)區(qū)域內(nèi)各點的電磁場的相位與激勵電流是同樣的，這是因為，電磁場是以光速傳播氫在靠近激勵線圈周圍傳播的時間可忽略。設(shè)流過線圈的電流i=Imsint （2-113）則有 H=eHHm（r，z）sint （2-114）式中，Hm（r，z）是磁強度的復(fù)振幅，它是空間坐標(biāo)的函數(shù)；eH是H方向上的單位矢量。 線圈周圍磁場的瞬時空間分布與直流線圈的恒定磁場空間分

13、布完全相似。束縛場令矢量磁位為A=eAAm（r，z）sint （2-115）則 E=（-eE）Am（r，z）cost=（-eE）Em（r，z）cost （2-116）于是，坡印亭矢量為Pm=EH=eppmsin2t （2-117）式中，Pm=EmHmsin，是E和H之間的夾角；Ep=（-eE）eH是P方向上的單位矢量。 圖2-126 線圈磁場分布和坡印亭矢量 圖2-127 線圈似穩(wěn)電磁場和功率流密度曲線由圖2-126和圖2-127可以看出，當(dāng)正弦電流i通過激勵線圈時，在第一個1/4周期內(nèi)，電流由零逐漸增大到最大值，線圈吸收能量，并把該能量轉(zhuǎn)化為磁場能量。在這個過程中，磁力線向外擴張，坡印亭矢量

14、也指向外，其值為正。在第二個1/4周期內(nèi)，電流i由最大值逐漸減到零，線圈象個電源把能量放出。第三、四兩個1/4周期與第一、二兩個1/4周期情況相似，所不同的是電流和磁場方向兩者相反，可見激勵線圈周圍的電磁能量受電源束縛，在電流的每個周期內(nèi)，兩次往返反于電源與電磁場之間，或者說，電磁場能量在電源與電磁場之間來回振蕩，其頻率是交變電流頻率的2倍，坡印亭矢量的周期平均值為零，即 （2-118）這說明，線圈周圍的似穩(wěn)電磁場受電源束縛，不能向外傳播，故有時又稱為束縛場或感應(yīng)場。 2）擴散場）擴散場滯后效應(yīng)滯后效應(yīng)當(dāng)激勵線圈置于導(dǎo)電磁性管內(nèi)時，如圖2-120所示，這時線圈周圍的磁場分布變得極為復(fù)雜，為了理

15、解金屬管壁中的電磁場運動過程，我們先來看看最簡單的一維渦流場的特性。當(dāng)半無限大導(dǎo)體表面有一平行y方向上的交變磁場為 則通過角一維渦流方程，可求得導(dǎo)體中的電磁場和渦流場為 （2-119） （2-120） （2-121）式中，是趨膚深度，是導(dǎo)體表面處的渦流密度。 上式（2-119）（2-121）可以看出，導(dǎo)體中的渦流場和電磁場是擴散場，由于渦流引起的損耗，電磁場在擴散過程中，不但振幅隨向?qū)w內(nèi)深入而按指數(shù)衰減，而且相位也越來越滯后，這種因衰減引起“滯后效應(yīng)”使得導(dǎo)體內(nèi)的電磁場具有似波性，即具有： 擴散速度v，由相位滯后可求得相移速度或擴散速度為 （2-122） 當(dāng)f=40Hz，r=250，=0.7

16、1071/m時，由式（2-128）算得：v=0.479m/s。可見電磁場在導(dǎo)體中擴散速度遠小于電磁場在空氣中的傳播速度，且不同頻率的電磁場的擴散速度不同。 擴散能量流。在導(dǎo)體中，通過與電磁場傳播的方向垂直的單位面積的周期平均能量流密度為： （2-123） 可見，電磁能量由導(dǎo)體表面向其內(nèi)部傳播，且隨著向?qū)w內(nèi)深入而按指數(shù)規(guī)律衰減。在導(dǎo)體中，磁能密度遠大于電能密度。金屬管壁中的渦流是極其復(fù)雜的軸地稱二維場，其中，電磁場的運動與一維場類似，在管壁內(nèi)形成一個由內(nèi)向外的擴散電磁場，隨著向管壁內(nèi)部深入產(chǎn)生相位滯后，并以類似于式（2-122）決定的速度形成擴散能量流。當(dāng)擴散電磁場穿出管外壁后，徑向擴散能量流

17、立即消失， 經(jīng)過管壁的擴散損耗，在穿出管外的磁場中主要是緊靠激勵線圈占總磁通量90%的那部分磁場，作為二次源，這部分磁場在磁性導(dǎo)管的引導(dǎo)下沿管外表面向前傳播，但同時仍受致電源的束縛，在磁力線向內(nèi)收縮時，又由管壁外表面窗入管壁內(nèi)，并再次形成向管內(nèi)擴散的能量流。 在直接耦合區(qū)的管壁內(nèi)，這股向管內(nèi)的擴散能量流與向外擴散的能量流相比小得多；在過渡區(qū)的管壁區(qū)，兩者大小可能相當(dāng)，因此，在某處兩股反向擴散的能量流相遇，相互抵消形成“位谷”；在遠區(qū)的管壁內(nèi)，向內(nèi)擴散的能量流是主要的，當(dāng)它穿過管壁進入管內(nèi)后，其中的磁力線穿過檢測線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。 若管壁厚度為h，則磁場兩次穿過管壁造成的振幅衰減和相位滯后由下

18、式?jīng)Q定。 （2-124）在管壁無缺陷時，檢測線圈的感應(yīng)電壓與激勵電在管壁無缺陷時，檢測線圈的感應(yīng)電壓與激勵電流間的相位滯后正比于壁厚與趨膚深度倒數(shù)的乘流間的相位滯后正比于壁厚與趨膚深度倒數(shù)的乘積，管壁存在裂紋、凹坑及腐蝕等缺陷時，管壁積，管壁存在裂紋、凹坑及腐蝕等缺陷時，管壁厚度減小，因而導(dǎo)致檢測信號相位差減小和幅值厚度減小，因而導(dǎo)致檢測信號相位差減小和幅值增大，于是管道缺陷被發(fā)現(xiàn)增大，于是管道缺陷被發(fā)現(xiàn)。由于磁場在管外表面和管內(nèi)經(jīng)過的途徑差異不會產(chǎn)生相位滯后，所以檢測信號的相位差只與管壁厚度有關(guān)，而與“提離效應(yīng)”無關(guān)，且對管壁內(nèi)外表面的缺陷具有相同的檢測靈敏度，而不受“趨膚效應(yīng)”的影響。 但

19、是，這并不是說“趨膚效應(yīng)”不影響遠場渦流檢測，相反，正是由于存在“趨膚效應(yīng)”，使得檢測信號極其微弱，例如在圖2-123，當(dāng)管壁厚為0.2in（=5.08mm）時，經(jīng)過兩次在管壁中的擴散衰減，磁場強度減小為原來的4.8%。 擴散運動的似波性擴散運動的似波性，往往被誤認為電磁場在管壁中以電磁波的形式傳播。盡管電磁場在管壁中沿擴散方向形成相位滯后和能量以一定的速度向前傳播，但是，這個擴散場仍然是似穩(wěn)場，而不是輻射場，即不是電磁波。原因之一是，時變磁場可以在管壁中產(chǎn)生時變電場，但是反過來，時變電場對磁場的影響卻微乎其微，因而不能形成磁場和電場相互激勵產(chǎn)生電磁波；原因之二是，磁場的邊界效應(yīng)遵循恒定磁場在

20、邊界面上的折射定律，即 （2-125） 圖2-128是有限元計算出的激勵線圈附近的磁場分布（管外徑=50.8mm，管內(nèi)徑=38.1mm）。 a）=500 b）=0圖2-128 不同磁導(dǎo)率分布圖圖a是磁性導(dǎo)電管，管壁內(nèi)外表面的磁力線幾乎與管壁垂直，鐵磁性管壁內(nèi)外表面近似是個等磁位面；圖b是非磁性導(dǎo)管，磁力線直穿內(nèi)外管壁表面，不改變?nèi)魏畏较颉＿@兩種邊界情況，磁力線完全遵循恒定磁場的折射定律，不產(chǎn)生任何反射。而電磁波在不同介質(zhì)的分界上是要產(chǎn)生反射和折射的，并遵循光學(xué)的反射折射定理。 激勵線圈周圍的磁場，是線圈中的激勵電流i和管壁中的渦流場Je二者產(chǎn)生的磁場矢量和。設(shè)二者的矢量磁位分別為A1和A2，A

21、1和i同相，A2是沿管徑向及軸向衰減的復(fù)雜的體分布渦流場Je產(chǎn)生的磁矢位的矢量和，且在管壁內(nèi)沿徑向各點的振幅和相位都不相同。管壁內(nèi)外任一點的矢量磁位為A=A1+A2 （2-126） 在緊靠激勵線圈的近區(qū)，A由A1主宰，就是說近區(qū)內(nèi)的磁場主要由激勵電流決定，因此，近區(qū)管壁內(nèi)矢量磁位A與i同相，即初相角1為零；在遠場區(qū)，A由A2主宰，該區(qū)內(nèi)的磁場主要由渦流場Je決定。有限元計算結(jié)果表明，在遠區(qū)管壁內(nèi)，A2的初相角2接近180，可以想象，在過渡區(qū)的管壁內(nèi)存在這樣一點：A1=A2，1=0，2=180，因此A1=0，顯然，這一點就是“位谷”，或相位結(jié)，越過相位結(jié)點，A的相位將改變180。 2.5 遠場渦

22、流探頭遠場渦流探頭 目前，遠場渦流探頭存在的問題問題，一是探頭長度太長，難以在彎管中通過；二是檢測線圈信號幅度太低，通常只有幾微伏到幾十微伏，因此，信號提取和處理很困難；三是激勵電流都采用低頻，這樣就限制了它的掃描速度，為解決以上問題，人們采用了以下幾種辦法辦法。 1) 在檢測線圈和激勵線圈之間設(shè)置屏蔽盤。 2) 應(yīng)用磁飽和技術(shù) 3) 應(yīng)用平衡技術(shù)1) 在檢測線圈和激勵線圈之間設(shè)置屏蔽盤。 為了縮短探頭的長度，必須盡量縮短直接耦合區(qū)和過渡區(qū)域，也就是縮短由管外向管內(nèi)擴散的能量流壓倒由管內(nèi)向管外擴散能量流的途徑，在靠近激勵線圈放置屏蔽盤(如圖2-129所示)可以加劇直接耦合區(qū)磁場的衰減，計算結(jié)果

23、表明，當(dāng)放置一個鋁鐵氧體鋁三層屏蔽盤時，有可能把遠場區(qū)移到激勵線圈一倍管內(nèi)徑處，且對2倍管內(nèi)徑以外的遠場分布幾乎沒有影響。 圖2-129 帶有屏蔽盤的遠場渦流裝置 2) 應(yīng)用磁飽和技術(shù)用常規(guī)渦流檢測鐵磁性材料時，為了抑制磁導(dǎo)率變化產(chǎn)生的干擾信號，常采用磁飽和技術(shù)。圖2-130表示遠場渦流檢測鐵磁性管材采用磁飽和技術(shù)的示意圖。由圖可以看出，在靠近激勵和檢測線圈處能量傳播的路徑上設(shè)置餉窗。計算結(jié)果表明，設(shè)置磁飽和窗后，趨膚效應(yīng)減低有利于能量的傳遞，過渡區(qū)向激勵線圈移近，信號幅度增大，如果仍然維持信號幅值與無磁飽和窗時相同，則有磁飽和窗時工作頻率可以提高，只在激勵線圈處設(shè)置飽和窗，頻率可由30Hz提高到50Hz；只在檢測線圈處設(shè)置磁飽和窗，頻率可提高到55Hz；若在兩處同時設(shè)置磁飽和窗，工作頻率可由30Hz提高到95Hz，從而提高檢測時的掃描速度。圖2-130 磁飽和窗遠場