鋼管渦流探傷中缺陷信號(hào)的相位分辨

林俊明,賴傳理,任吉林(.愛(ài)德森(廈門)電子有限公司,廈門 6004;.東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司,自貢 6400;.南昌航空大學(xué),南昌 006)

1 問(wèn)題的引出

渦流無(wú)損檢測(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的缺陷信號(hào)(內(nèi)、外壁缺陷,通孔)之間要有一定的相位差,以便對(duì)缺陷種類進(jìn)行分辨[1]。

對(duì)于非鐵磁性材料的管道,如銅、鈦和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°的相位差,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°的相位范圍內(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,而內(nèi)壁缺陷和外壁缺陷信號(hào)的相位位置范圍與前述相反。

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)際的檢測(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)相位分辨來(lái)對(duì)缺陷的類型進(jìn)行識(shí)別。

本文將對(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,鋼管渦流探傷中通常需要對(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),因而渦流滲入深度很淺,可探傷深度大約只是非鐵磁性金屬的1/100～1/1 000。由此可見,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)其進(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。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]。

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)象的曲線稱為磁滯回線,如圖5所示。

如果將鋼管從磁中性狀態(tài)開始,逐步提高磁化場(chǎng)強(qiáng)度的最大值Hm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…)的連線稱為基本磁化曲線[3]。

3 相位分辨問(wèn)題的分析與實(shí)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。事實(shí)上,筆者已經(jīng)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,兩者所體現(xiàn)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)果類似,缺陷相位分辨清楚。

圖4 鋼管飽和磁化示意圖

圖5 鐵磁材料磁滯回線圖

圖6 不同退磁位置時(shí)的磁滯回線

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)生的渦流信號(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,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。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)。系統(tǒng)采用EEC-30S型渦流探傷儀,通過(guò)調(diào)整直流激勵(lì)源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,以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)實(shí)驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)中在φ57mm×9.5mm標(biāo)準(zhǔn)試件鋼管,其上加工有不同的缺陷(通孔、盲孔和人工槽)(如圖8所示)。樣管上共有六個(gè)人工缺陷,分別為φ1.4mm的通孔;φ2.2mm 的通孔;φ2.8mm 的外表面盲孔,孔深為5.4mm;φ4.8mm的外表面盲孔,孔深為 3.5mm;外表面半個(gè)圓槽,槽深為1.1mm;內(nèi)表面環(huán)形槽,槽深為0.5mm。檢測(cè)時(shí)采用內(nèi)徑φ60mm的外穿探頭。

圖8 樣管示意圖

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)果的阻抗平面圖顯示。檢測(cè)結(jié)果表明,當(dāng)電流值接近1 A時(shí),內(nèi)外壁缺陷信號(hào)的相位可以清楚地分辨,如圖9(a)～(f)所示。1號(hào)和2號(hào)通孔缺陷相位分別為48°和40°;3號(hào),4號(hào)和5號(hào)外表面缺陷相位分別為27°,15°和14°;6號(hào)內(nèi)表面缺陷的相位為154°。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,無(wú)法分辨缺陷種類,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,大量的實(shí)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),渦流探傷效果最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

在鋼管渦流探傷中,由于管道磁飽和過(guò)程的引入,會(huì)在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)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。為了更好地進(jìn)行鋼管的渦流探傷,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。以上研究?jī)?nèi)容也可以看成是對(duì)GB/T7735—2004《鋼管渦流探傷檢驗(yàn)方法》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.

[3]GB/T7735—2004 鋼管渦流探傷檢驗(yàn)方法[S].