鋼管渦流探傷可靠性分析

趙仁順 張東（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司,天津 300301）

鋼管渦流探傷可靠性分析

趙仁順 張東（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司,天津 300301）

從原理上分析了鋼管渦流探傷中采用穿過式自比差動(dòng)線圈對(duì)縱向裂紋類缺陷檢出率低的原因，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。闡述了影響鋼管渦流探傷可靠性的因素，提出了改善鋼管渦流探傷可靠性的幾點(diǎn)建議。

鋼管 渦流探傷 可靠性 自比差動(dòng)線圈 分析

1 前言

渦流探傷在金屬材料及鋼管中的應(yīng)用較為廣泛。在鋼管渦流探傷中，穿過式（即線圈環(huán)繞被檢鋼管外部，鋼管在線圈中通過）自比差動(dòng)線圈法由于檢測(cè)速度高而常常被采用，然而，實(shí)踐證明，它難以檢測(cè)出鐵磁性鋼管中的縱向裂紋類缺陷。對(duì)于鋼管中經(jīng)常產(chǎn)生的“外折”類缺陷，不少渦流儀與探頭也常常發(fā)現(xiàn)不了，常常出現(xiàn)肉眼明顯可見的裂紋或外折缺陷卻無法用渦流探傷正常檢出的尷尬想象，因而造成漏檢，不能滿足鋼管生產(chǎn)要求。在檢測(cè)孔洞及橫向缺陷時(shí)，由于受各種因素的影響及設(shè)備參數(shù)設(shè)定等原因，也有缺陷漏檢的現(xiàn)象發(fā)生，因此，渦流探傷可靠性的提高是一個(gè)亟待解決的問題。

2 自比差動(dòng)線圈原理

采用同一檢測(cè)試件的不同部分作為比較標(biāo)準(zhǔn)，故稱為自比式，如圖1所示。兩個(gè)相鄰安置的線圈，同時(shí)對(duì)同一試件相鄰部位進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，該檢測(cè)部位的物理性能及幾何參數(shù)變化通常是比較小的，對(duì)線圈阻抗影響也比較微弱。如果將兩個(gè)線圈差動(dòng)聯(lián)接，這種微小變化的影響便幾乎被抵消掉，如果試件存在缺陷，當(dāng)線圈經(jīng)過缺陷（裂紋）時(shí)將輸出相應(yīng)急劇變化的信號(hào)，且第一個(gè)線圈或第二個(gè)線圈分別經(jīng)過同一缺陷時(shí)所形成的渦流信號(hào)方向相反。即兩個(gè)線圈同時(shí)作用在同一個(gè)缺陷（縱向裂紋）上時(shí)，所產(chǎn)生的信號(hào)被抵消掉，這就是自比差動(dòng)線圈對(duì)縱向裂紋、外折類缺陷檢出率低的原因。

自比式線圈可抑制試件尺寸和電導(dǎo)率等緩慢變化的信號(hào)，對(duì)提離間隙變化、工件傳輸時(shí)的抖動(dòng)以及周圍環(huán)境溫度的影響的敏感性也較低，也就是說探頭的抗干擾能力較強(qiáng)，而對(duì)突然變化的缺陷信號(hào)有明顯反應(yīng)[1]。

3 標(biāo)準(zhǔn)樣管試驗(yàn)情況

從自比差動(dòng)線圈原理可知，用自比差動(dòng)線圈無法檢測(cè)出縱向較長(zhǎng)的缺陷，對(duì)于較短的縱向缺陷是否能夠檢出我們進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)：TECHNOFOUR FLAWMARK-EC

樣管規(guī)格：Φ88.9×6.45 mm。

人工傷類型：通孔和不同長(zhǎng)度的縱向槽。

人工傷個(gè)數(shù)：9個(gè)。

人工傷尺寸：通孔?0.8 mm；槽傷深度為壁厚的5%，寬度0.8 mm，長(zhǎng)度見注。

測(cè)試樣管示意圖如圖2所示。

2.1 試驗(yàn)情況一

激勵(lì)頻率5 kHz，相位42°，增益42 dB，報(bào)警閘門設(shè)定50%，前置放大器正常。探傷波形圖如圖3所示。

從試驗(yàn)情況可以看出，通孔（1#、4#、5#、6#、9#缺陷）能夠正常報(bào)警，但噪聲較高，信噪比不滿足YB/ T4083-2000[2]標(biāo)準(zhǔn)的要求（標(biāo)準(zhǔn)要求信噪比不小于10 dB，而試驗(yàn)情況的信噪比最大為8 dB。），而4個(gè)縱向刻槽（2#、3#、7#、8#缺陷）均未報(bào)警，甚至沒有波形顯示。

2.2 試驗(yàn)情況二

將激勵(lì)頻率改為10 kHz，其它參數(shù)不變，探傷波形圖與2.1情況基本一致。保持其它參數(shù)不變，將激勵(lì)頻率改為50 kHz，試驗(yàn)結(jié)果仍然是孔傷全部報(bào)警，槽傷只有兩個(gè)較短的2#（5 mm長(zhǎng)）和8#（2.5 mm長(zhǎng)）有較低的波形顯示，但也沒達(dá)到報(bào)警高度，而觀察此時(shí)的波形顯示，噪聲明顯增高，對(duì)探傷不利。探傷波形圖如圖4所示。

2.3 試驗(yàn)情況三

將相位改為45°、50°和55°，保持其它參數(shù)不變分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)情況與2.1的情況基本相同，槽傷仍然全部未報(bào)警。

從以上三種試驗(yàn)情況看，當(dāng)采用自比差動(dòng)線圈測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)樣管時(shí)，不論怎樣改變激勵(lì)頻率、相位等參數(shù)，對(duì)縱向裂紋類缺陷均不敏感，即使縱向缺陷只有2.5 mm長(zhǎng)。同時(shí)也可以看出，雖然渦流探傷對(duì)孔狀缺陷相對(duì)較敏感，但孔徑大小是影響探傷靈敏度和信噪比的重要因素。從試驗(yàn)情況看，此套設(shè)備對(duì)?0.8 mm的通孔檢測(cè)效果不是很理想。

3 影響渦流探傷可靠性的因素

穿過式自比差動(dòng)線圈渦流探傷雖然對(duì)縱向缺陷不敏感，但對(duì)孔洞類缺陷和橫向缺陷的檢測(cè)靈敏度相對(duì)較高，但檢測(cè)的可靠性受各種因素及參數(shù)設(shè)定等原因影響，因此，如何保證渦流探傷的可靠性顯得尤為重要。下面就對(duì)影響鋼管渦流探傷的可靠性因素進(jìn)行分析。

結(jié)合鋼管渦流探傷方式、探傷工藝以及實(shí)際檢測(cè)中缺陷漏、誤報(bào)率原因分析，將影響鋼管渦流探傷可靠性的因素歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）儀器性能指標(biāo)：儀器信號(hào)處理能力、儀器各單元電路的功能等；

（2）機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)：傳輸輥道的同心度；

（3）渦流探頭：探頭形式、靈敏度、接線方式及磁飽和電流的強(qiáng)弱；

（4）噪聲干擾：環(huán)境噪聲、系統(tǒng)噪聲、振動(dòng)噪聲、鋼管電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率變化以及鋼管直徑或壁厚變化引起的噪聲；

（5）被檢鋼管：平直度、橢圓度、彎曲抖動(dòng)；

（6）樣管：傷型（孔、槽）、傷尺寸、傷個(gè)數(shù)：

（7）工藝方法：磁飽和電流、探傷速度、激勵(lì)頻率、填充系數(shù)；

（8）人員素質(zhì)：技術(shù)水平、質(zhì)量意識(shí)、復(fù)探情況等。

除上述因素以外，正確分析和處理探傷中所獲得的信息也是至關(guān)重要的。

5 信息分析和可靠性的關(guān)系

渦流檢測(cè)同其它無損檢測(cè)方法一樣，使用被檢鋼管和樣管兩者之間產(chǎn)生的信息做比較而得到被檢鋼管的結(jié)論。然而，二者信息差異有時(shí)是我們感興趣的因素即缺陷引起的，有時(shí)則是不希望有的干擾因引起的，例如，鋼管直徑的變化、截面的變化、鋼管磁導(dǎo)率及電導(dǎo)率的變化、填充系數(shù)、端頭效應(yīng)以及鋼管彎曲造成的抖動(dòng)等都會(huì)引起獲得信息的變化（諸如我們平時(shí)所說的誤報(bào)），這種信息當(dāng)然是我們不希望得到的。因此，在探傷過程中，就要求探傷人員正確分析各種報(bào)警信息，正確區(qū)分何為缺陷報(bào)警，何為誤報(bào)，如果不能正確區(qū)分，就會(huì)造成誤檢或漏檢，降低探傷結(jié)果的可靠性。通常，渦流探傷儀信號(hào)處理方法分為相位分析法、調(diào)制分析法、幅度分析法三種。為了抑制鋼管傳送時(shí)的振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，通常采用相位分析法；為了抑制由鋼管的尺寸（如直徑、壁厚）變化或電磁特性變化引起的噪聲，以及鋼管與檢測(cè)線圈之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)噪聲，通常采用調(diào)制分析法；為了抑制儀器的系統(tǒng)噪聲和環(huán)境的干擾噪聲，通常采用幅度分析法。探傷人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際探傷情況，有針對(duì)性地進(jìn)行信息分析，達(dá)到將缺陷信息和噪聲信息分開的目的。如果采取的信息分析方法不得當(dāng)，直接導(dǎo)致的結(jié)果是缺陷漏檢或誤檢。由此可見，正確分析探傷信息對(duì)保證渦流探傷的可靠性也是十分重要的。

6 影響可靠性因素分析

以上對(duì)影響可靠性的因素作了綜合闡述，下面就從幾個(gè)方面具體論述如何提高鋼管渦流探傷可靠性，以提高缺陷的檢出率及綜合性能指標(biāo)。

6.1 激勵(lì)頻率

渦流探傷標(biāo)準(zhǔn)滲透深度為：

式中：σ——電導(dǎo)率，單位為1／μΩ·cm

f——激勵(lì)頻率，單位為Hz

由（1）式可知，增大激勵(lì)頻率f，滲透深度δ減小，鋼管表面的渦流密度增加，可以提高對(duì)表面缺陷的探傷靈敏度，而對(duì)近表面缺陷的探傷靈敏度降低。對(duì)鋼管，以σ=0.06（μΩ·cm）-1為例，當(dāng)f=5 kHz時(shí)，δ= 2.90mm；當(dāng)f=10 kHz時(shí)，δ=2.05 mm；當(dāng)f=50 kHz時(shí)，δ=0.92 mm。一般渦流的滲透深度都不大，要想增加渦流探傷的深度，可以通過降低頻率來實(shí)現(xiàn)，但降低頻率會(huì)使線圈與鋼管之間的耦合能量降低，從而使檢測(cè)靈敏度下降。所以，在選擇激勵(lì)頻率時(shí)，應(yīng)兼顧考慮渦流滲透深度和檢測(cè)靈敏度兩個(gè)因素。通常，在選擇激勵(lì)頻率時(shí)，除了要考慮所需檢出缺陷的位置（內(nèi)或外）、形狀和大小，還要考慮檢測(cè)線圈的長(zhǎng)度、探傷速度等因素。

6.2 探頭與鋼管的間隙

渦流探頭即指檢測(cè)線圈，它的主要作用是在鋼管上建立磁場(chǎng)，激勵(lì)出渦流，傳遞探傷信息。當(dāng)采用穿過式線圈時(shí)，渦流探傷的靈敏度是隨著線圈與鋼管間隙的增加而降低。為了提高探傷靈敏度就需盡量減小線圈與鋼管之間的間隙，但如果間隙太小會(huì)阻止鋼管在線圈中自由通過，甚至損壞探頭。線圈與鋼管之間的間隙大小用填充系數(shù)η表示：

式中：d——鋼管外徑

D——線圈內(nèi)徑

通常，當(dāng)η=0.85～0.65范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)小口徑管η小，大口徑管η可大一些。在選擇η時(shí)，要綜合考慮探傷靈敏度、探傷速度、鋼管的直徑大小和鋼管的彎曲度等各種因素。

6.3 磁飽和電流

由于鐵磁性鋼管的磁導(dǎo)率μ值很大，對(duì)線圈阻抗的影響很明顯，為了消除磁導(dǎo)率波動(dòng)對(duì)渦流信號(hào)的影響，必須對(duì)鐵磁性鋼管施加強(qiáng)的直流磁化場(chǎng)，使鋼管磁化達(dá)到飽和，同時(shí)還可以提高信噪比。然而，磁化電流大小的選擇是磁飽和成功與否的關(guān)鍵。通常，在進(jìn)行直流磁飽和時(shí)，磁化電流的大小能夠滿足消除磁導(dǎo)率分布不均勻即可，深度飽和（μ=1）是不可取的，因?yàn)樯疃蕊柡屯鶗?huì)使探傷靈敏度降低。通常，使檢測(cè)線圈附近的磁通密度達(dá)到使鋼管飽和磁化所需磁通密度的80%以上即可。另外，磁飽和電流過強(qiáng)，還會(huì)給鋼管前進(jìn)帶來困難。

探傷前應(yīng)根據(jù)鋼管的材質(zhì)和規(guī)格選擇磁飽和電流。初次設(shè)定時(shí)，磁飽和電流的選擇通常是在通過對(duì)比樣管的狀態(tài)下進(jìn)行的。在實(shí)際操作中，可以將帶有人工缺陷的樣管通過磁飽和裝置的檢測(cè)線圈，隨著逐步增大磁飽和電流的同時(shí)，觀察儀器顯示的噪聲信號(hào)和人工缺陷信號(hào)的變化，當(dāng)噪聲信號(hào)最小，人工缺陷信號(hào)最大時(shí)，磁飽和電流即為基本合適。記下此時(shí)的磁飽和電流，在以后對(duì)同樣材質(zhì)和規(guī)格的鋼管進(jìn)行探傷時(shí)，就可按此數(shù)值設(shè)定磁飽和電流。按一般規(guī)律，外徑越大，壁厚越厚，材料磁特性越軟，所需磁飽和電流就越大，反之則越小。

6.4 設(shè)備同心度

同心度指樣管、導(dǎo)套和探頭的同心程度，同心度差將導(dǎo)致鋼管與探頭之間的間隙一邊大、一邊小，使周向靈敏度差值增大，這樣極易導(dǎo)致漏、誤報(bào)。另外，每組傳動(dòng)輥道的水平度偏差也將導(dǎo)致同心度變差，并使鋼管在前進(jìn)過程中產(chǎn)生抖動(dòng)，產(chǎn)生干擾信號(hào)。消除這種干擾信號(hào)的辦法無疑是提高傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械精度，具體的辦法如下。

6.4.1 校驗(yàn)調(diào)整主機(jī)及前后輥道的同心度、水平度及直線度，使主機(jī)偏差不大于0.3 mm，輥道偏差不大于0.5 mm，保證樣管中部三孔（圖2中4#、5#、6#通孔）波幅高度基本一致。

6.4.2 若輥道V形輥磨損或有溝槽，尤其主機(jī)附近的應(yīng)及時(shí)更換，輥輪磨損嚴(yán)重破壞同心度、水平度，需大修調(diào)整，定期檢查校驗(yàn)。

6.5 探傷工藝和操作方法

6.5.1 改進(jìn)探傷工藝

（1）將B級(jí)樣管中心三孔起始報(bào)警靈敏度提高3～6 dB做為搜索靈敏度，防止漏檢。

（2）適當(dāng)增大磁飽和電流及填充系數(shù)，磁飽和電流可隨鋼管外徑及壁厚增加而增大。

（3）視被檢鋼管的壁厚選擇激勵(lì)頻率，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)滲透深度（5 kHz時(shí)，δ為2.90 mm；10 kHz時(shí)，δ為2.05 mm；50 kHz時(shí)，δ為0.92 mm），當(dāng)壁厚小于5 mm時(shí)，激勵(lì)頻率可用10 kHz，壁厚較厚時(shí)（5 mm～10 mm），選用5 kHz。

（4）定期對(duì)探傷設(shè)備進(jìn)行綜合性能測(cè)試，保證周向靈敏度差、信噪比、漏誤報(bào)率、不可探區(qū)及穩(wěn)定性符合YB/T4083-2000的要求，若不符合應(yīng)重新調(diào)整校驗(yàn)。

6.5.2 改進(jìn)操作方法

（1）探傷樣管應(yīng)按GB/T7735-2004[3]標(biāo)準(zhǔn)制作，選平直度好、材質(zhì)均勻且無自然缺陷的鋼管作為樣管，鉆孔要與管軸向垂直，若鉆孔變形或樣管彎曲須更換，這樣才能獲得較好的信噪比。

（2）探頭與儀器接口連接牢固，避免接觸不良，探頭安裝位置要保證與鋼管、導(dǎo)套做到三同心。

（3）準(zhǔn)確調(diào)整儀器參數(shù)，選取適合的磁飽和電流和適當(dāng)?shù)奶畛湎禂?shù)，儀器調(diào)零、報(bào)警電平、相位、濾波、靈敏度等都應(yīng)調(diào)到最佳狀態(tài)，且要與設(shè)定的探傷速度相匹配。

（4）更換鋼管規(guī)格時(shí)，應(yīng)選用相應(yīng)的適配器和導(dǎo)套，重新調(diào)整主機(jī)高度，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)格重新選擇合適的磁飽和電流。

（5）檢測(cè)過程中，出現(xiàn)可疑的檢測(cè)信號(hào)或?qū)z測(cè)結(jié)果不確定時(shí)，應(yīng)重新用標(biāo)準(zhǔn)樣管進(jìn)行校驗(yàn)，隨時(shí)觀察檢測(cè)過程中信號(hào)的變化情況，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停機(jī)檢查，待異常排除且重新校驗(yàn)后再進(jìn)行探傷。

6.6 人員素質(zhì)

如果探傷儀和探頭及外部環(huán)境性能參數(shù)均滿足要求，那么探傷可靠性就取決于探傷人員的素質(zhì)了。因此，探傷人員的技術(shù)水平和綜合素質(zhì)的高低對(duì)探傷結(jié)果的影響是很重要的，建議實(shí)際工作中要做到以下幾點(diǎn)。

6.6.1 認(rèn)真貫徹GB/T7735-2004標(biāo)準(zhǔn)及工藝技術(shù)文件的要求，提高探傷人員的質(zhì)量意識(shí)和工作責(zé)任心。

6.6.2 做好探傷人員的培訓(xùn)工作，豐富理論知識(shí)，提高探傷人員技術(shù)水平及綜合業(yè)務(wù)素質(zhì)。

6.6.3 加強(qiáng)管理、嚴(yán)肅工藝紀(jì)律，實(shí)行探傷工藝巡檢制度。事實(shí)表明，中、夜班比白班探傷質(zhì)量差，漏檢率高，原因是夜班人員容易困倦，操作可能不經(jīng)心；其次，是自覺性差的表現(xiàn)，因?yàn)橐拱嗪苌儆腥藱z查勞動(dòng)紀(jì)律、工藝紀(jì)律等。

6.6.4 加強(qiáng)儀器使用、維護(hù)、保養(yǎng)、管理及檢修。電氣、機(jī)械人員應(yīng)熟知設(shè)備性能及易出現(xiàn)的常見故障，且對(duì)設(shè)備做好維護(hù)，確保性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.6.5 改善探傷環(huán)境條件，提高探傷人員待遇，重視技術(shù)改造，保證現(xiàn)場(chǎng)所需備品備件供應(yīng)，提高探傷質(zhì)量。這一條不只針對(duì)渦流探傷，其他方法的自動(dòng)線探傷同樣適用。

7 結(jié)論

7.1 鋼管渦流探傷采用穿過式自比差動(dòng)線圈，對(duì)裂紋類縱向缺陷檢出率極低，即使縱向裂紋只有2.5 mm長(zhǎng)。但在實(shí)際探傷中，若信噪比有足夠的余量，可以通過提高探傷靈敏度、改變探傷速度等手段進(jìn)行彌補(bǔ)。

7.2 在提高探傷人員素質(zhì)的同時(shí)，通過改進(jìn)探傷工藝和改進(jìn)操作方法，能夠降低探傷漏、誤檢率，保證探傷結(jié)果的可靠性。

7.3 渦流探傷儀器和主機(jī)同心度是提高鋼管渦流探傷可靠性的關(guān)鍵。同時(shí)，在實(shí)際探傷前，應(yīng)正確設(shè)定和調(diào)整好儀器的各種參數(shù)。

[1]范宏.金屬材料的渦流檢測(cè)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2006.57.

[2]YB/T4083-2000，鋼管自動(dòng)渦流探傷系統(tǒng)綜合性能測(cè)試方法[S].

[3]GB/T7735-2004，鋼管渦流探傷檢驗(yàn)方法[S].

Analysis on Pipe Eddy Current Detection Reliability

Zhao Renshun,Zhang Dong

The authors analyze from the principle the reasons for low detectable rate of longitudinal crack by feedthrough type self-comparison differential coil at pipe eddy current detection,which are proved with tests.They expound the factors influencing the reliability of pipe eddy current detection and make some suggestion on improving the detection reliability as well.

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（收稿 2011－03－22責(zé)編趙實(shí)鳴）

趙仁順，男，大本，高級(jí)工程師，現(xiàn)在天津鋼管集團(tuán)股份有限公司質(zhì)量保證部，探傷管理科科長(zhǎng)，主要從事鋼管的無損檢測(cè)技術(shù)管理工作。