鋼管磁特性對(duì)渦流檢測(cè)影響的研究進(jìn)展

宋 凱，康宜華，張麗攀，彭旭釗

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330063)

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鋼管磁特性對(duì)渦流檢測(cè)影響的研究進(jìn)展

宋 凱，康宜華，張麗攀，彭旭釗

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330063)

鋼管應(yīng)用于多個(gè)重要工業(yè)領(lǐng)域，工況惡劣復(fù)雜，對(duì)其實(shí)施無(wú)損檢測(cè)則尤為重要。渦流檢測(cè)由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)，增添磁飽和器是檢測(cè)鋼管的常用方法，但目前檢測(cè)時(shí)忽視了鋼管磁特性的獨(dú)特影響，認(rèn)為在飽和磁化后鋼管成為非鐵磁性管道，機(jī)理認(rèn)識(shí)不足會(huì)引起缺陷量化評(píng)價(jià)的失真。簡(jiǎn)述了鋼管渦流檢測(cè)的機(jī)理和方法，分析討論了影響渦流檢測(cè)信號(hào)的缺陷漏磁場(chǎng)和缺陷區(qū)域畸變的磁導(dǎo)率等磁特性因素。指出了鋼管內(nèi)壁缺陷檢出造成現(xiàn)有評(píng)價(jià)手段的混亂，并總結(jié)了當(dāng)前研究的發(fā)展趨勢(shì)，為鋼管渦流檢測(cè)的未來(lái)研究方向提供借鑒。

漏磁場(chǎng)；磁導(dǎo)率；磁特性；鋼管；無(wú)損檢測(cè)

我國(guó)鋼管產(chǎn)量和用量極大，其用途各異，工況復(fù)雜，易誘發(fā)裂紋，因此國(guó)內(nèi)外相關(guān)無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)都要求鋼管出廠前必須進(jìn)行100%探傷[1]，以預(yù)防管體斷裂故障和防止重大惡性事故的發(fā)生。渦流檢測(cè)以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，適用于導(dǎo)體材料的無(wú)損檢測(cè)，導(dǎo)體表面或近表面的缺陷影響渦流場(chǎng)強(qiáng)度和分布，導(dǎo)致線圈阻抗發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)缺陷表征。

渦流檢測(cè)法無(wú)需耦合劑，檢測(cè)靈敏度高、速度快，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，鋁管和銅管等非鐵磁管道的在線檢測(cè)幾乎大部分都采用該技術(shù)，然而對(duì)鋼管采取了迥然不同的處理方式：增添磁飽和器[2,3]。一直以來(lái)，學(xué)者們和工程界大多認(rèn)為飽和磁化后的鋼管與非磁性管道并無(wú)差別，導(dǎo)致缺陷評(píng)價(jià)方面也未引起特殊關(guān)注，因此研究鋼管渦流檢測(cè)機(jī)理和缺陷評(píng)價(jià)方法有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

鋼管采用飽和磁化法實(shí)施渦流檢測(cè)由來(lái)已久[4]，Sukhikh等[5]應(yīng)用該方法檢測(cè)核電站和冷凝管，發(fā)現(xiàn)了超標(biāo)缺陷，并對(duì)不施加飽和磁化場(chǎng)條件進(jìn)行了比較。美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)[6]對(duì)此方法也進(jìn)行了專門(mén)論述。經(jīng)過(guò)多年的工程實(shí)踐，許多國(guó)家都發(fā)布了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)范其方法的實(shí)施，如GB/T 7735—2004(中國(guó))[7]，ASTM E309—2011(美國(guó))[8]和ISO 10893-2—2011(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)[9]等，而美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)的ASTM E309是其中的典型代表，得到了世界各國(guó)的認(rèn)同。

非鐵磁性管道的數(shù)學(xué)模型、探頭和儀器研制、缺陷反演和工程檢測(cè)實(shí)踐的研究均十分豐富，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者取得了大量突破性的研究成果[10-13]。然而就鋼管而言，大多認(rèn)為是非鐵磁性管道檢測(cè)機(jī)理和檢測(cè)方法的直接外延拓展，機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不系統(tǒng)，影響因素分析互有矛盾，現(xiàn)有的評(píng)估缺陷的方法也相對(duì)簡(jiǎn)單，甚至長(zhǎng)期造成缺陷量化評(píng)價(jià)失真?；诖?，本文提出了質(zhì)疑，并就其影響因素和缺陷評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了分析。

1 鋼管渦流檢測(cè)機(jī)理和方法

渦流檢測(cè)原本用于非鐵磁性管道如鋁管的缺陷探傷，基于磁飽和法拓展應(yīng)用到鋼管無(wú)損檢測(cè)獲得了較好的探傷效果，故鋼管的獨(dú)特性易被忽視，研究鋼管渦流檢測(cè)機(jī)理對(duì)缺陷量化評(píng)價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)制定和工程檢測(cè)應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

鋼管渦流檢測(cè)系統(tǒng)相比鋁管而言，僅增添了磁飽和線圈，檢測(cè)探頭和信號(hào)調(diào)理及軟件系統(tǒng)都未作改變，因?yàn)樯?jí)成本低，同時(shí)檢測(cè)速度快，因此應(yīng)用較廣泛。這種方法的理論支撐在于，當(dāng)鋼管被磁化至飽和時(shí)，磁導(dǎo)率μ接近或近似等于真空磁導(dǎo)率μ0，鋼管整體磁特性具有均一性，如圖1(a)所示，此時(shí)鋼管被視同為鋁管等非鐵磁管道[5,6,14]，后者的電磁特性如圖1(b)所示，相對(duì)磁導(dǎo)率μ為1，缺陷處的電導(dǎo)率因其材料的缺口而有變化，而磁特性因與空氣一致未有差異，當(dāng)渦流探頭掃查通過(guò)時(shí)，磁特性并不會(huì)擾動(dòng)渦流，因此基于非鐵磁性管道的理論模型和檢測(cè)工藝便可移植使用。

圖1 鐵磁性管道與非鐵磁管道檢測(cè)機(jī)理 (a)鋼管；(b)鋁管Fig.1 Mechanism on ferromagnetic pipe and non-ferromagnetic pipe (a)steel pipe；(b)Al pipe

ASTME309則進(jìn)一步指出了其檢測(cè)機(jī)理，明確指出渦流檢測(cè)信號(hào)與鋼管磁特性無(wú)關(guān)，僅與鋼管電導(dǎo)率和缺陷參量有關(guān)。ASTME309標(biāo)準(zhǔn)雖僅對(duì)檢測(cè)原理和檢測(cè)方法做出了原則性規(guī)定，但事實(shí)上鋼管磁飽和法的推廣實(shí)施還是主要來(lái)源于該標(biāo)準(zhǔn)歷屆版本內(nèi)容的貢獻(xiàn)。

在上述標(biāo)準(zhǔn)制定和實(shí)施的過(guò)程中，學(xué)者們對(duì)鋼管磁飽和法的檢測(cè)方法和信號(hào)特性也開(kāi)展了研究，如Kelha等[15]采用了2.4～360kA/m的勵(lì)磁場(chǎng)磁化鋼管，鋼管的直徑為0.5～2.5mm通孔檢測(cè)信號(hào)信噪比較高；Ghaemi[16]和李富成[17]利用磁飽和技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊管和鋼管的渦流探傷，后者在原有用于奧氏體不銹鋼管的系統(tǒng)上升級(jí)，增加了磁飽和線圈、退磁線圈，達(dá)到一套系統(tǒng)能對(duì)鐵磁與非鐵磁材料均能探傷的目的。美國(guó)Testex公司研制了低頻渦流檢測(cè)儀器，并用于罐底板全面腐蝕探傷，還研制了飽和磁化下的低頻渦流檢測(cè)設(shè)備，在壓力容器[18,19]和油田等領(lǐng)域取得了大量應(yīng)用。

在常規(guī)渦流檢測(cè)方法應(yīng)用磁飽和技術(shù)已成習(xí)慣，以至于學(xué)者們研究新渦流檢測(cè)方法時(shí)也采用這一手段，如Schenk[20]申請(qǐng)鐵磁材料涂層測(cè)厚的專利采用了磁飽和法，偏置強(qiáng)磁場(chǎng)抑制了鐵磁性基體的磁導(dǎo)率波動(dòng)。Atherton等[21]針對(duì)通常的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)探傷速度慢及裝置過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，提出在檢測(cè)裝置的激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈區(qū)域分別施加強(qiáng)磁化場(chǎng)。Tian等[22，23]實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，使用僅能檢測(cè)非鐵磁性材料的脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)，采用直流線圈和U型永磁體作為磁化器，能檢出試件內(nèi)部缺陷。

上述標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)研究中都強(qiáng)調(diào)“磁飽和”，但相關(guān)資料中都尚未有明確定義，大多提及為在管道被檢區(qū)域產(chǎn)生足夠的強(qiáng)磁場(chǎng)滿足檢測(cè)需要，或者使對(duì)比試樣的人工缺陷信噪比為最大。張八虎[24]指出在鋼管自動(dòng)渦流探傷時(shí)給出了確定磁飽和電流的經(jīng)驗(yàn)做法，即調(diào)節(jié)磁化電流將渦流信號(hào)顯示恢復(fù)到未接入鋼管時(shí)的平衡值。然而在“磁飽和”條件下，含有缺陷的鋼管被檢區(qū)域在該磁場(chǎng)下是否處于磁化均勻狀態(tài)，如不均勻，其缺陷區(qū)域的磁導(dǎo)率對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)是否會(huì)有貢獻(xiàn)，這些問(wèn)題目前尚未有完整而系統(tǒng)的研究，對(duì)其深入分析則有助于解釋鋼管渦流檢測(cè)的獨(dú)特機(jī)理，進(jìn)一步可實(shí)現(xiàn)缺陷的量化評(píng)價(jià)。

2 鋼管渦流檢測(cè)的影響因素研究

渦流檢測(cè)經(jīng)典理論分析了電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、試件幾何尺寸、激勵(lì)頻率和缺陷等因素的影響，歸一化阻抗圖中不同因素的信號(hào)響應(yīng)方向互有差異，這是選擇最優(yōu)檢測(cè)工藝的重要分析方法。對(duì)于飽和磁化狀態(tài)下的鋼管，檢測(cè)信號(hào)變化較為復(fù)雜，除上述影響因素外，強(qiáng)磁化引入的參量如漏磁場(chǎng)、畸變磁導(dǎo)率可能都會(huì)干擾檢測(cè)信號(hào)，影響檢測(cè)信號(hào)特征。

2.1 漏磁場(chǎng)

從“激勵(lì)”的角度看，對(duì)鋼管采取的磁飽和措施與漏磁檢測(cè)法相一致，若在渦流探頭處增添磁敏元件甚至利用渦流探頭的檢測(cè)線圈就可獲得缺陷的漏磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍約為幾十至幾百高斯，比渦流的弱激勵(lì)場(chǎng)要大許多倍。

當(dāng)其磁場(chǎng)快速掃查通過(guò)渦流探頭時(shí)，因?yàn)榇磐康淖兓瘯?huì)在探頭內(nèi)引起感應(yīng)電壓，對(duì)探頭電路的總平衡電壓產(chǎn)生影響[25]。利用渦流探頭檢測(cè)受磁場(chǎng)作用的鐵磁性、不銹鋼和銅試件時(shí)，鐵磁試件的渦流信號(hào)變化最大[26]。而監(jiān)測(cè)磁懸浮系統(tǒng)動(dòng)/定子間隙變化時(shí)，其間隙磁通密度的波動(dòng)及轉(zhuǎn)子剩磁均也會(huì)干擾渦流測(cè)量探頭的檢測(cè)信號(hào)[27]。

然而也有學(xué)者針對(duì)漏磁檢測(cè)法無(wú)法區(qū)分儲(chǔ)罐底板內(nèi)、外壁缺陷信號(hào)的問(wèn)題，提出渦流和漏磁復(fù)合探傷法，利用不同濾波通道分離信號(hào)，達(dá)到渦流法只檢測(cè)與探頭同側(cè)的表面缺陷，而漏磁法能發(fā)現(xiàn)兩側(cè)缺陷，該方法實(shí)質(zhì)是認(rèn)為漏磁場(chǎng)對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)無(wú)影響[28]。還有研究表明，當(dāng)渦流探頭位于U型磁軛激發(fā)的強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)測(cè)試鐵磁材料的磁異常區(qū)，觀察到施加磁場(chǎng)前后信號(hào)幅值變化不大[29]。

縱覽相關(guān)的國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此問(wèn)題僅有簡(jiǎn)單的論述，如GB/T7735-2004中提到“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)”。進(jìn)一步的研究表明鋼管不同尺寸缺陷在磁飽和后渦流檢測(cè)信號(hào)相位無(wú)法分辨主要是因?yàn)槿毕萋┐艌?chǎng)掩蓋了渦流效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)[30]。美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)則在第一章《電磁檢測(cè)引言》中論述“渦流檢測(cè)指示與材料性能和缺陷的關(guān)系”時(shí)明確指出“鋼和鐵磁性材料中的剩磁也會(huì)影響渦流檢測(cè)指示”[6]。而ASTME309認(rèn)為工件磁特性并不引起渦流檢測(cè)信號(hào)變化[8]。

由此可見(jiàn)，對(duì)漏磁場(chǎng)作用貢獻(xiàn)的看法不一致，是否影響并未取得共識(shí)。如果確有作用，其貢獻(xiàn)比例也未取得共識(shí)，其是否會(huì)導(dǎo)致缺陷誤判甚至評(píng)價(jià)的失效，這些方面均沒(méi)有進(jìn)一步的理論和試驗(yàn)證實(shí)及系統(tǒng)研究。

2.2 磁導(dǎo)率

經(jīng)典渦流檢測(cè)的理論模型[31]認(rèn)為：磁導(dǎo)率對(duì)計(jì)算特征頻率和趨膚深度尤為關(guān)鍵，是影響渦流檢測(cè)強(qiáng)度和分布的重要因素，一般將模型中圓柱形工件的磁導(dǎo)率視為定值。采用定義有效磁導(dǎo)率或分離變量法[32]等技術(shù)手段，可得線圈歸一化阻抗值。

對(duì)于非鐵磁性圓柱體，填充系數(shù)為1時(shí)單位長(zhǎng)度歸一化復(fù)阻抗圖即為有效磁導(dǎo)率復(fù)平面圖，線圈有載時(shí)其阻抗實(shí)部和虛部均小于空載時(shí)對(duì)應(yīng)值。鐵磁性材料磁導(dǎo)率發(fā)生變化對(duì)線圈阻抗具有雙重影響：一方面跳躍到新的阻抗曲線上，另一方面在同一條曲線上移動(dòng)新的位置，總體效果是使其沿曲線的弦向方向[33]。磁導(dǎo)率大小會(huì)影響到阻抗的大小，不會(huì)改變其變化規(guī)律，但由于受提離效應(yīng)或直徑效應(yīng)的影響，渦流探頭一般距離工件較近，方能獲得較佳的信號(hào)響應(yīng)。

磁飽和技術(shù)應(yīng)用緣由是鋼管磁導(dǎo)率波動(dòng)引起信號(hào)噪聲[34]，說(shuō)明磁導(dǎo)率異常區(qū)域?qū)z測(cè)信號(hào)產(chǎn)生干擾：退火的45#鋼受疲勞載荷時(shí)，誘發(fā)的塑性變形的材料區(qū)域引起信號(hào)響應(yīng)[35]；核電站換熱器管道會(huì)出現(xiàn)局部磁相變，通過(guò)深入研究設(shè)計(jì)了新型探頭，可有效區(qū)分核電站換熱器管的磁相變區(qū)域和缺陷，解決了常規(guī)渦流探頭難以識(shí)別的難題[36]。飽和磁化后鋼管一般都認(rèn)為其磁導(dǎo)率具有均勻一致性，即便存在宏觀缺陷，也不改變磁導(dǎo)率分布特征。

然而鋼管磁飽和后磁特性并非標(biāo)準(zhǔn)和常規(guī)想象所述之分布，即便勵(lì)磁場(chǎng)已經(jīng)極強(qiáng)，且已遠(yuǎn)大于磁飽和法的要求程度，其內(nèi)、外壁環(huán)形刻槽部分區(qū)域仍處于不飽和狀態(tài)[37]，缺陷區(qū)域周圍相對(duì)磁導(dǎo)率分布如圖2所示，這種磁導(dǎo)率非均勻性對(duì)檢測(cè)結(jié)果有重要影響。

圖2 鋼管磁飽和后的磁導(dǎo)率分布[37](a)鋼管外壁刻槽；(b)鋼管內(nèi)壁刻槽Fig.2 Permeability distribution of steel pipe after magnetic saturation[37] (a)outer groove of steel pipe; (b)inner groove of steel pipe

相對(duì)于圖2所示鋼管電磁特性的分布，相關(guān)研究工作還開(kāi)展得較少。一般模型中即使不是使用均勻性媒質(zhì)，其特性也僅為厚度方向呈某種規(guī)律變化，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)磁導(dǎo)率增大時(shí)阻抗變化隨之增加，若渦流激勵(lì)頻率足夠高，磁導(dǎo)率變化對(duì)阻抗影響較小[38]；進(jìn)一步的多層球形導(dǎo)體的渦流檢測(cè)數(shù)學(xué)模型在球體徑向?qū)崿F(xiàn)了更加豐富的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率設(shè)置[39]。在鋼管渦流檢測(cè)中還曾將Globus模型引入考慮磁滯的渦流檢測(cè)模型，計(jì)算結(jié)果認(rèn)為當(dāng)外磁場(chǎng)小于某值時(shí)而材料無(wú)剩磁時(shí)渦流信號(hào)變化較大，而當(dāng)外磁場(chǎng)較大時(shí)，材料的微分磁導(dǎo)率最大時(shí)渦流檢測(cè)信號(hào)達(dá)到極值[40]。

綜上所述，鋼管渦流檢測(cè)的相關(guān)研究多集中于缺陷的檢出，其信號(hào)來(lái)源還少有探討；而鋼管磁化后缺陷區(qū)域磁導(dǎo)率的非均勻性分布，使信號(hào)與缺陷的關(guān)系更趨復(fù)雜化，由于尚未有相應(yīng)的計(jì)算模型，缺陷漏磁場(chǎng)和磁導(dǎo)率畸變等因素對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)的影響還需進(jìn)一步系統(tǒng)考量，只有獲得鋼管渦流檢測(cè)時(shí)的多因素影響的普適規(guī)律，才能對(duì)缺陷實(shí)現(xiàn)高精度的評(píng)價(jià)。

3 缺陷評(píng)價(jià)方法

渦流檢測(cè)信號(hào)有幅值和相位兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于非鐵磁性材料而言，相位參量很關(guān)鍵，主要用于評(píng)價(jià)缺陷的深度信息[41]，幅值參量與缺陷的體積有一定關(guān)系。對(duì)于鋼管缺陷的診斷評(píng)價(jià)，相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)明確如GB/T7735提出僅利用信號(hào)幅值作為缺陷評(píng)價(jià)指標(biāo)。究其原因，并非是檢測(cè)裝備落后而不具備相位顯示，通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于外徑為87mm、壁厚為6mm的鋼管，其外壁刻槽缺陷深度盡管從0.5mm改變到1mm，在飽和磁化下，如圖3所示，缺陷信號(hào)相位相差僅為3°，進(jìn)一步的系統(tǒng)試驗(yàn)研究表明，相位參量在磁飽和條件因相差太小，造成無(wú)法識(shí)別而失效[42]，這也是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未采用相位評(píng)價(jià)缺陷的主要原因。

圖3 鋼管外壁不同深度刻槽缺陷的渦流檢測(cè)結(jié)果 (a)0.5mm；(b)1mmFig.3 Results of eddy current testing on the defects of different groove depth for the outer steel pipes (a)0.5mm；(b)1mm

也有研究采用不進(jìn)行強(qiáng)磁化的方法，如Helifa等[43]在材料表面進(jìn)行打磨拋光等處理獲得了穩(wěn)定的檢測(cè)信號(hào)。瑞士ROSEN工程檢測(cè)公司[44]開(kāi)發(fā)了輸油管道的漏磁與渦流復(fù)合探傷系統(tǒng)，渦流探頭為專門(mén)設(shè)計(jì)用于檢測(cè)油管內(nèi)壁淺腐蝕坑缺陷(ShallowInternalCorrosion，簡(jiǎn)稱SIC探頭)。漏磁法探頭與SIC探頭是分開(kāi)放置的，兩種物理場(chǎng)無(wú)耦合關(guān)系，漏磁法探頭可檢測(cè)內(nèi)外壁缺陷，SIC探頭通過(guò)信號(hào)幅值評(píng)價(jià)內(nèi)壁淺腐蝕坑缺陷的大小。這些方法事實(shí)上或材質(zhì)要求高或降低檢測(cè)靈敏度，在工程實(shí)踐中應(yīng)用受到局限，不是主要評(píng)價(jià)缺陷的方法。

若在磁化狀態(tài)下，改變磁化強(qiáng)度和渦流激勵(lì)信號(hào)頻率，缺陷對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。Kim等[45]研究了磁化電流由小至大時(shí)鋼管渦流檢測(cè)的信號(hào)變化規(guī)律，認(rèn)為與渦流擾動(dòng)程度、磁化程度有關(guān)。馮少東[46]在測(cè)試試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，激勵(lì)頻率在低頻范圍時(shí)缺陷深度與信號(hào)幅值呈線性關(guān)系，而高頻段檢測(cè)信號(hào)對(duì)外部缺陷較為靈敏，但對(duì)深度3～7mm盲孔檢測(cè)信號(hào)不敏感。Sakamoto等[47]比較了非鐵磁性不銹鋼TP316與磁化狀態(tài)下的合金鋼之間的渦流檢測(cè)信號(hào)特性，發(fā)現(xiàn)激勵(lì)頻率大于1kHz用來(lái)檢測(cè)合金鋼時(shí)，不同深度的裂紋從相位上幾乎無(wú)法分辨。

盡管鋼管渦流檢測(cè)的量化評(píng)價(jià)模型已經(jīng)開(kāi)展了長(zhǎng)期的探索，相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也形成多年，且較為詳盡地從探頭、檢測(cè)設(shè)備、磁飽和線圈和檢測(cè)實(shí)施方式進(jìn)行了規(guī)定，但鋼管電磁特性的磁飽和模型目前尚未開(kāi)展，因此各種檢測(cè)模型多為簡(jiǎn)化，與實(shí)際情況不相符合。鋼管渦流檢測(cè)實(shí)際存在著電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互耦合的問(wèn)題，由于缺陷的存在導(dǎo)致其附近鋼管區(qū)域磁導(dǎo)率發(fā)生畸變，且也伴隨空間漏磁場(chǎng)的出現(xiàn)，鋼管缺陷、畸變的磁導(dǎo)率和空間漏磁場(chǎng)都可對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生影響，其作用效果又相互融合難以辨識(shí)，雖然強(qiáng)磁化對(duì)應(yīng)的漏磁效應(yīng)機(jī)理和交變激勵(lì)對(duì)應(yīng)的渦流效應(yīng)機(jī)理都易理解，但對(duì)于鋼管不同層次位置的缺陷檢測(cè)則增加復(fù)雜性，如10mm厚鋼管的0.5mm深的內(nèi)壁刻槽有清晰信號(hào)顯示[48]。按照渦流趨膚深度計(jì)算，即使飽和磁化后相對(duì)磁導(dǎo)率為1，也仍不符合渦流檢測(cè)之原理。

現(xiàn)有的理論模型可對(duì)外壁缺陷的檢出和評(píng)價(jià)進(jìn)行分析和解釋，但內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)信號(hào)及特征還難以給出準(zhǔn)確的評(píng)述，是何因素參與其中有待進(jìn)一步深入剖析，但必須指出的是由于內(nèi)壁缺陷的檢出，且相位與外壁缺陷具有高度相似性，導(dǎo)致僅采用幅值評(píng)價(jià)的方法失去評(píng)價(jià)之基礎(chǔ)，對(duì)于任一信號(hào)已無(wú)法評(píng)價(jià)其當(dāng)量大小。只有深入分析影響檢測(cè)信號(hào)的影響因素，才能對(duì)不同層次位置的缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的量化評(píng)價(jià)。

4 研究發(fā)展趨勢(shì)

采用磁飽和技術(shù)的鋼管渦流檢測(cè)法在工程上已經(jīng)應(yīng)用幾十年，ASTM檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也形成多年，但一直以來(lái)，研究學(xué)者和工程技術(shù)人員大多將其視為非鐵磁性管道，未考慮作為鐵磁材料的獨(dú)特特性，而內(nèi)壁缺陷的檢出又對(duì)其缺陷評(píng)價(jià)方法提出了挑戰(zhàn)。盡管應(yīng)用時(shí)日已久，鋼管渦流檢測(cè)方法仍存在檢測(cè)機(jī)理、影響因素和量化評(píng)價(jià)方法方面認(rèn)識(shí)仍不完善的問(wèn)題，若要取得進(jìn)一步的進(jìn)展，形成有效可靠的鋼管渦流檢測(cè)方法，應(yīng)深入研究以下問(wèn)題：

(1)強(qiáng)磁化下鐵磁構(gòu)件的數(shù)值計(jì)算模型及缺陷區(qū)域磁導(dǎo)率和漏磁場(chǎng)的特性。鐵磁材料磁化后缺陷處有泄漏磁場(chǎng)，其邊緣磁導(dǎo)率也具有非均勻特性，但在不同類型和尺寸缺陷下的分布規(guī)律，特別是磁化場(chǎng)由弱到強(qiáng)再到極強(qiáng)狀態(tài)時(shí)的變化趨勢(shì)，將對(duì)解析出各參量對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)的貢獻(xiàn)提供重要理論基礎(chǔ)。

(2)考慮鋼管的缺陷磁導(dǎo)率非均勻性和漏磁場(chǎng)特性，研究渦流探頭的響應(yīng)信號(hào)規(guī)律，深入剖析磁飽和下鋼管渦流檢測(cè)的機(jī)理。幾種電、磁和磁場(chǎng)參量對(duì)渦流信號(hào)影響的研究在各個(gè)領(lǐng)域雖有開(kāi)展，但頗為零散，甚至各自矛盾。若能構(gòu)建擾動(dòng)磁導(dǎo)率源和磁源參量對(duì)鋼管檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)所述穿過(guò)式渦流探頭影響的仿真和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析其影響?guī)律，進(jìn)而研究磁飽和下鋼管規(guī)則缺陷的信號(hào)響應(yīng)與各參量作用貢獻(xiàn)，就可揭示其檢測(cè)機(jī)理。

(3)改進(jìn)和優(yōu)化檢測(cè)方法，建立鋼管不同層次位置及尺寸參數(shù)的典型缺陷的辨識(shí)模型。由于鋼管磁飽和后所有缺陷的渦流檢測(cè)信號(hào)相位非常相近，使得相位參量評(píng)價(jià)失效。若能改進(jìn)磁化方法和磁化強(qiáng)度，研究信號(hào)相位與缺陷的響應(yīng)規(guī)律，就能實(shí)現(xiàn)不同層次位置缺陷的區(qū)分辨識(shí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)鋼管渦流檢測(cè)方法盡管工程應(yīng)用多年，并已形成檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，但一直忽視鐵磁材料磁特性的獨(dú)特影響，對(duì)其影響機(jī)理認(rèn)識(shí)還不完善，影響了缺陷的準(zhǔn)確評(píng)估。本文分析了鋼管實(shí)施渦流檢測(cè)時(shí)機(jī)理、方法和影響因素，也指出了當(dāng)前存在的認(rèn)識(shí)差異性。

(2)鋼管渦流檢測(cè)方法在不同層次位置缺陷區(qū)分辨識(shí)、缺陷量化評(píng)價(jià)和檢測(cè)規(guī)范修訂等方面亟待開(kāi)展研究，同時(shí)其研究方法和手段也適用于其他電磁檢測(cè)技術(shù)在直流磁化或復(fù)合磁化條件下實(shí)施檢測(cè)時(shí)的機(jī)理和方法研究，有助于解決多參量耦合的技術(shù)難題。

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Research Progress in Magnetic Properties of Steel Pipeon the Eddy Current Testing Signal

SONG Kai,KANG Yi-hua,ZHANG Li-pan,PENG Xu-zhao

(Key Laboratory of Non-destructive Test (Ministry of Education), Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063，China)

It is particularly important to conduct the non-destructive testing on steel pipes used in many important industries under severe and complicated working conditions. Eddy current testing method with many advantages is a common method for detection of steel pipe after adding saturated magnetic device, but at present, the unique effect of pipe magnetic properties is neglected. It is incomplete to consider that steel pipes will become non ferromagnetic pipeline after magnetic saturation, the lack of understanding the mechanism will cause the distortion in quantitative evaluation on defects. The mechanism and method of eddy current testing on steel pipes were presented. Some magnetic properties parameters, such as magnetic flux leakage field and distortional magnetic permittivity near the defect area which can influence the eddy current testing signal were analyzed. It indicates the inner defect detection of steel pipe will cause a chaos of the existing evaluation methods. The current developing tendency of eddy current testing on steel pipes were summarized, which provides a reference for their future development.

magnetic flux leakage;magnetic permeability;magnetic property;steel pipe;non-destructive testing

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.11.017

TG115.28

A

1001-4381(2015)11-0106-07

國(guó)家自然科學(xué)基金(51265041)；江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ12406，GJJ12444);無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(ZD201029003)

2014-05-28；

2015-04-20

康宜華(1965—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)及儀器，聯(lián)系地址：江西省南昌市豐和南大道696號(hào)南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(330063)，E-mail：yhkang@263.net