鐵磁性管材近場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀

夏清友 李濤 陳勝宇

【摘 要】近場(chǎng)渦流檢測(cè)方法是用于翅片管和鐵磁性管材檢測(cè)的一種電磁檢測(cè)技術(shù)。本文通過近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)的分析，總結(jié)了近場(chǎng)渦流檢測(cè)的一般工作原理和檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)比幾種電磁檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了近場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】近場(chǎng)渦流;遠(yuǎn)場(chǎng)渦流;陣列渦流;鐵磁性管

中圖分類號(hào)： TE98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）04-0264-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.103

Near-field Testing Technology and Development Status of Ferromagnetic Tubes

XIA Qing-you1 LI Tao2 CHEN Sheng-yu2

（1.Research Institute of Nuclear Power Operation，Wuhan，430223;

2.China Nuclear Power Operation Technology Corporation，Ltd.，Wuhan，430223）

【Abstract】The near-field testing method is an electromagnetic testing technique for testing fin-fan tubes and ferromagnetic tubes.Through the analysis of near-field and far-field testing techniques，the general working principle and detection advantages of near-field testing are summarized.By comparing the advantages and disadvantages of several electromagnetic testing methods，the current status and application prospects of near-field testing technology are introduced.

【Key words】Near-field testing;Far-field testing;Array testing;Ferromagnetic tube

0 前言

渦流檢測(cè)是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的一種常規(guī)無損檢測(cè)方法，它適用于導(dǎo)電材料。在實(shí)際檢測(cè)中，利用電磁場(chǎng)同金屬間電磁感應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。目前對(duì)于換熱管的檢查主要采用渦流檢測(cè)。對(duì)于鐵磁性換熱管，由于極強(qiáng)的趨膚效應(yīng)，常規(guī)渦流不能對(duì)其實(shí)施檢測(cè)。目前對(duì)其檢測(cè)的主要方法是遠(yuǎn)場(chǎng)（RFT）渦流檢測(cè)。隨著近場(chǎng)（NFT）渦流檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，近場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)開始在翅片管及鐵磁性管材的檢測(cè)中發(fā)揮出了其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過近場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)與幾種電磁檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比的研究，可以幫助我們更好的了解近場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)，并為檢測(cè)鐵磁性管材提供除遠(yuǎn)場(chǎng)渦流方法以外的其他檢測(cè)方法，并推動(dòng)近場(chǎng)渦流的檢測(cè)應(yīng)用。

1 近場(chǎng)渦流的一般原理

為了更好的了解近場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)，首先需要理解遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的基本原理。近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)渦流是在相同的頻率范圍下工作的，均以低頻滲透受檢材料，且不需要飽或部分飽和來降低材料的磁導(dǎo)率。首先看一下遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)的基本原理：

1.1 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流原理

RFT渦流探頭見圖1，一般由激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈構(gòu)成，激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈相距2～3倍管內(nèi)徑的長度。激勵(lì)線圈通以低頻交流電，產(chǎn)生磁場(chǎng)，檢測(cè)線圈用以接收發(fā)自激勵(lì)線圈的磁場(chǎng)、渦流信號(hào)，利用接收到的信號(hào)能有效的判斷出金屬管道內(nèi)外壁缺陷和管壁的厚薄情況。

激勵(lì)線圈通以低頻交流電時(shí)，在激勵(lì)線圈的周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)緩慢變化的時(shí)變磁場(chǎng)B，時(shí)變磁場(chǎng)又會(huì)激發(fā)出一個(gè)時(shí)變渦旋的電場(chǎng)E，在該電場(chǎng)的作用下，在金屬管壁內(nèi)會(huì)形成渦流Je，同樣由于電磁感應(yīng)，渦流會(huì)在其周圍產(chǎn)生一個(gè)時(shí)變磁場(chǎng)，因此金屬管壁內(nèi)外的磁場(chǎng)是由線圈內(nèi)的傳導(dǎo)電流J和金屬管壁內(nèi)的渦流Je產(chǎn)生的磁場(chǎng)的矢量和。通常遠(yuǎn)場(chǎng)渦流不是檢測(cè)線圈的阻抗變化，而是測(cè)量檢測(cè)線圈的感應(yīng)電壓與激勵(lì)電流之間的相位差。

接下來，我們通過遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)圖來輔助理解近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的關(guān)系。從圖2可以看出，隨著兩個(gè)線圈間距的增大，檢測(cè)線圈感應(yīng)電壓的幅值開始急劇下降，然后逐漸變緩，并且相位存在躍變。通常把信號(hào)幅值急劇下降后變化趨緩而相位發(fā)生躍變的之后的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，信號(hào)幅值急劇下降區(qū)域稱為近場(chǎng)區(qū)，近場(chǎng)區(qū)與遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)之間的相位發(fā)生較大躍變的區(qū)域稱為過渡區(qū)。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的能量耦合可能存在兩種方式：一是在管子內(nèi)部對(duì)激勵(lì)線圈的直接耦合;二是通過管壁與激勵(lì)線圈間接耦合。近場(chǎng)區(qū)直接耦合占優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)簡(jiǎn)介耦合占優(yōu)勢(shì)。

1.2 近場(chǎng)渦流

NFT探頭同樣使用兩個(gè)線圈一個(gè)激勵(lì)和一個(gè)檢測(cè)。通常，檢測(cè)線圈靠近激勵(lì)線圈，利用激勵(lì)線圈的近場(chǎng)區(qū)（直接耦合區(qū)），即激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在管壁軸向和徑向上產(chǎn)生強(qiáng)渦流的區(qū)域。

鐵磁性管材近場(chǎng)渦流檢測(cè)時(shí)，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)靠近探頭的檢測(cè)線圈，因此，不會(huì)受到與遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)相類似的問題。遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，電磁場(chǎng)從激勵(lì)線圈產(chǎn)生，穿過管壁并沿管外壁經(jīng)過，再穿過管壁返回到檢測(cè)線圈。在激勵(lì)和檢測(cè)線圈間的管板、支撐板、鋁制翅片阻礙電磁場(chǎng)的傳遞路徑，更降低了這些區(qū)域的檢測(cè)靈敏度。

由于近場(chǎng)渦流的電磁場(chǎng)靠近檢測(cè)線圈，信號(hào)從激勵(lì)線圈向外通過管壁并返回到接收線圈，而不需要沿管材軸向傳遞，因此，近場(chǎng)渦流的電磁場(chǎng)不會(huì)受到支撐結(jié)構(gòu)的阻礙，具有準(zhǔn)確測(cè)量靠近支撐結(jié)構(gòu)處的缺陷的能力。NFT探頭在與RFT探頭在相同的頻率范圍內(nèi)工作。NFT特別適用于檢測(cè)碳鋼油管內(nèi)的腐蝕、腐蝕和點(diǎn)蝕。近場(chǎng)技術(shù)是翅片式風(fēng)扇管熱交換器的理想檢測(cè)手段，因?yàn)闇u流不會(huì)通過管壁，對(duì)靠近支撐板和管板等結(jié)構(gòu)的缺陷也更加敏感。

2 核電站鐵磁性材料的檢測(cè)現(xiàn)狀

2.1 核電站常用鐵磁性管材

目前國內(nèi)外核電站熱交換器換熱管大部分為非鐵磁性材料。但也有一部分換熱器管材使用鐵磁性材料，如M310型機(jī)組的高加、低加熱交換器換熱管，鈉冷快堆蒸發(fā)器換熱管等。還有一些特殊的熱交換器用到的特殊換熱管，如核電廠常規(guī)島疏水箱中的翅片管，空氣冷卻熱交換器的翅片管等。目前，鐵磁性換熱管一般使用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流進(jìn)行檢測(cè)，這些特殊的換熱管無法使用常規(guī)渦流檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，而翅片管目前只能使用泄漏檢測(cè)，典型的翅片管示意圖見圖3。

2.2 遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)方法的局限性

鐵磁性管材常用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)，該方法對(duì)大范圍壁厚缺損，其檢測(cè)靈敏度和精確度較高，精度可以達(dá)到2%～5%，但對(duì)于小體積的缺陷，如腐蝕凹坑等，其檢測(cè)靈敏度的高低取決于被檢測(cè)管道的材質(zhì)、壁厚、磁導(dǎo)率的均勻性、檢測(cè)頻率和探頭的拉出速度等因素。以某電廠高加換熱管遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)為例，其中一支管子打壓發(fā)現(xiàn)泄漏，一支管子焊縫裂開，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流信號(hào)未發(fā)現(xiàn)明顯異常顯示。結(jié)合近年來的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)來看，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流并不一定能檢測(cè)出某些實(shí)際遇到的缺陷。

3 近場(chǎng)渦流檢測(cè)現(xiàn)狀

3.1 近場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)實(shí)用性

近場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)特別適用于碳鋼翅片空冷管，這項(xiàng)新技術(shù)依靠簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)-拾取渦流探頭設(shè)計(jì)，分析起來更簡(jiǎn)單。其特別適用于檢測(cè)碳鋼管材內(nèi)部腐蝕、侵蝕或點(diǎn)蝕。NFT探頭檢測(cè)“提離效應(yīng)”或“填充系數(shù)”，并將其轉(zhuǎn)換為基于幅值的信號(hào)。由于渦流穿透僅限于管內(nèi)表面，NFT探頭不受管外翅片等支撐結(jié)構(gòu)的影響。

雖然該技術(shù)主要檢測(cè)管內(nèi)表面缺陷，但國外已有相關(guān)的試驗(yàn)證明，近場(chǎng)渦流可以有效檢測(cè)出鐵磁性管材的外壁缺陷。相關(guān)試驗(yàn)對(duì)象為1020碳鋼，外徑22.2mm，壁厚1.25mm。試驗(yàn)人工缺陷包含不同深度的外壁環(huán)槽及平底孔，見表1。通過近場(chǎng)渦流檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，外環(huán)槽均可以被有效檢測(cè)出來，平底孔中60%以上較容易發(fā)現(xiàn)，40%與20%缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，但40%缺陷信噪比也接近3。并且近場(chǎng)渦流可以通過類似常規(guī)渦流檢測(cè)非鐵磁管的相位方法區(qū)分內(nèi)外壁缺陷。

結(jié)合國外相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，近場(chǎng)渦流技術(shù)可以很好的彌補(bǔ)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流無法區(qū)分內(nèi)外壁缺陷，及小體積缺陷的不足。

3.2 近場(chǎng)陣列渦流檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

陣列渦流檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟并開始在近場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)上得到應(yīng)用，近場(chǎng)陣列（NFA）探頭將多個(gè)檢測(cè)線圈呈360°周向陣列分布，工作原理為多個(gè)激勵(lì)-檢測(cè)線圈組采用分時(shí)激勵(lì)的方式使電磁場(chǎng)及渦流場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。這種探頭具有較高的檢測(cè)靈敏度，對(duì)表面缺陷非常敏感，而且有利于發(fā)現(xiàn)取向不同的線性缺陷，并能在數(shù)據(jù)分析軟件中形成三維顯示供數(shù)據(jù)分析。

檢測(cè)時(shí)探頭和管子為非接觸式電磁耦合并在軟件中形成C掃圖，直觀的觀察和測(cè)量缺陷，如圖4所示。

與其他檢測(cè)技術(shù)相比，近場(chǎng)陣列檢測(cè)技術(shù)也更容易實(shí)施。近場(chǎng)陣列探頭不含磁飽和裝置，可以很輕松的從管子里推進(jìn)拉出。為減小提離效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響，填充系數(shù)一般不小于85%，以及適當(dāng)?shù)奶筋^對(duì)中裝置。如果配合軸向編碼器使用，C掃圖生成的圖像會(huì)更好。近場(chǎng)陣列檢測(cè)技術(shù)將很好的補(bǔ)充遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)鐵磁性管的不足。相比遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)，它有更高的檢測(cè)靈敏度，更好的周向和軸向分辨率，且易于實(shí)施。

4 幾種檢測(cè)技術(shù)能力對(duì)比

常見的管材檢測(cè)方法有常規(guī)渦流ECT（Bobbin）、常規(guī)渦流陣列檢測(cè)（ECA）、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)（RFT）、漏磁檢測(cè)技術(shù)（MFL）、近場(chǎng)渦流檢測(cè)（NFT）、近場(chǎng)陣列檢測(cè)（NFA）、旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)（IRIS）等，它們各自的特點(diǎn)。幾種檢測(cè)技術(shù)的適用性及檢測(cè)能力對(duì)比表見表2和表3?？梢钥闯鼋鼒?chǎng)檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)鐵磁性管材方面有較好的檢測(cè)能力。

5 結(jié)束語

鐵磁性管材擁有價(jià)格低廉、換熱性能優(yōu)良的特點(diǎn)，常被用于換熱器的換熱管材料進(jìn)行使用。但是受制于檢測(cè)方法的限制，常用的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)過程中并不能完全滿足缺陷檢出的要求。近場(chǎng)渦流具有與遠(yuǎn)場(chǎng)渦流相同的低頻工作頻率，具有獨(dú)特的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，可以作為遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)方法的補(bǔ)充。隨著陣列技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，近場(chǎng)陣列渦流檢測(cè)技術(shù)還可以對(duì)檢測(cè)出來的缺陷進(jìn)行定性，大大提高了鐵磁性管材渦流檢驗(yàn)的靈敏度及測(cè)量測(cè)量等要求。對(duì)鐵磁性管材更廣泛的使用及安全檢測(cè)提供了技術(shù)支持。

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