基于渦流檢測(cè)方法的焊縫疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

朱勝君，丁小九，李國(guó)忠，許曉紅，周月林

（中信泰富特鋼集團(tuán)股份有限公司興澄特鋼，江蘇 江陰 214400）

工業(yè)管道主要是通過(guò)焊接方式所進(jìn)行連接的，其長(zhǎng)期處在外部環(huán)境中容易出現(xiàn)裂縫的問(wèn)題，焊縫斷裂情況的出現(xiàn)影響裝置停車(chē)，且造成企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重情況下會(huì)危害到人們的生命安全，為此應(yīng)當(dāng)對(duì)工業(yè)管理出現(xiàn)的焊縫進(jìn)行疲勞監(jiān)測(cè)，能有效減少事故的發(fā)生。

1 渦流檢測(cè)基本理論

1.1 渦流檢測(cè)的原理

渦流測(cè)試是一系列電磁檢測(cè)。這是一種基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的非破壞性測(cè)試方法。它僅適用于電磁感應(yīng)線(xiàn)圈上方的導(dǎo)電材料和金屬導(dǎo)體，并且它們彼此接觸。當(dāng)線(xiàn)圈通過(guò)時(shí)，AC I1將在線(xiàn)圈周?chē)a(chǎn)生交流磁場(chǎng)。由于存在交替磁場(chǎng)，它將在金屬導(dǎo)體表面上產(chǎn)生電流I2，稱(chēng)為渦電流。有許多相關(guān)因素：交流電I1的強(qiáng)度，電磁頻率，電導(dǎo)率，磁通量，距線(xiàn)圈到金屬表面的距離，電磁線(xiàn)圈的質(zhì)量等。

1.2 阻抗平面分析法

在檢測(cè)渦流過(guò)程中的檢測(cè)信號(hào)主要是來(lái)自線(xiàn)圈的阻抗變化或次級(jí)線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓變化，而會(huì)影響阻抗和電壓變化的因素很多，如導(dǎo)電性、磁導(dǎo)率和電壓變化導(dǎo)體材料等，且每個(gè)因素的影響程度不盡相同，為可以從這些因素中提取有價(jià)值的檢測(cè)信息，渦流檢測(cè)設(shè)備必須具有傳感信號(hào)和消除干擾阻抗平面分析的手段和方法，它使渦流檢測(cè)的精度大幅提高，該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅猛。在渦流測(cè)試中，測(cè)試線(xiàn)圈和物體之間的電感耦合關(guān)系可以被視為它們之間的結(jié)合關(guān)系。由線(xiàn)圈檢測(cè)的對(duì)象被視為主要對(duì)象線(xiàn)圈。輸入和分析了初級(jí)電流測(cè)試終級(jí)線(xiàn)圈與測(cè)試線(xiàn)圈的電磁參數(shù)關(guān)系。阻抗線(xiàn)圈分析是必要的。理想線(xiàn)圈的阻抗應(yīng)該是電感，而線(xiàn)圈的電阻應(yīng)該是電阻，但實(shí)際上，線(xiàn)圈由線(xiàn)組成，因此電線(xiàn)的電阻范圍非常寬，并且在不同的線(xiàn)圈之間存在分布式電容。因此，實(shí)際上，線(xiàn)圈的阻抗應(yīng)由電感，電容和串聯(lián)電阻組成，在兩個(gè)線(xiàn)圈彼此耦合時(shí)，當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈與AC電流I1和電壓U連接時(shí)，次級(jí)線(xiàn)圈根據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生感應(yīng)電流，并且感應(yīng)電流依次影響終級(jí)線(xiàn)圈。是的，初級(jí)側(cè)和電壓線(xiàn)圈電感之間的電流反映了二級(jí)線(xiàn)圈電路的阻抗和初級(jí)線(xiàn)圈在線(xiàn)圈電路上的效果。當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈連接到初級(jí)線(xiàn)圈時(shí)，終級(jí)線(xiàn)圈與終級(jí)線(xiàn)圈連接，并且于終級(jí)線(xiàn)圈產(chǎn)生感應(yīng)電流。使用信號(hào)時(shí)，感應(yīng)電流將影響二級(jí)線(xiàn)圈。阻抗的變化可以通過(guò)分析由互激引起的阻抗的變化，初級(jí)線(xiàn)圈由電路中的電壓、電流和阻抗的變化來(lái)獲得。正弦曲線(xiàn)的位置與初級(jí)線(xiàn)圈本身的阻抗有關(guān)。初級(jí)線(xiàn)圈的每個(gè)阻抗值是不同的，或者耦合系數(shù)不具有相同的兩個(gè)線(xiàn)圈。即使激發(fā)頻率是不同的，也有一個(gè)具有不同波峰和點(diǎn)位置的交變曲線(xiàn)。在阻抗后，它返回在第一變換后，主要曲線(xiàn)是線(xiàn)圈阻抗和線(xiàn)圈激發(fā)頻率對(duì)阻抗位置的影響的振動(dòng)曲線(xiàn)，這大大促進(jìn)了各種情況下阻抗波動(dòng)曲線(xiàn)的分析。

2 影響渦流檢測(cè)的因素

在實(shí)際的渦流檢測(cè)過(guò)程中，其關(guān)鍵問(wèn)題主要是對(duì)檢測(cè)線(xiàn)圈的阻抗進(jìn)行分析，對(duì)檢測(cè)線(xiàn)圈的關(guān)鍵是對(duì)檢測(cè)線(xiàn)圈磁場(chǎng)變化的分析，而磁場(chǎng)的變化會(huì)對(duì)檢測(cè)線(xiàn)圈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)影響以及各種干擾，如導(dǎo)電性、磁導(dǎo)率、測(cè)試材料的阻抗等。比如，設(shè)備穩(wěn)定性和各種噪聲信號(hào)，更有效，更可靠，電導(dǎo)率變化對(duì)阻抗的影響主要是由于有效透射率的影響。阻抗值的位置僅位于曲線(xiàn)上。因此，當(dāng)其他檢測(cè)條件不變時(shí)，材料電導(dǎo)率的變化將影響測(cè)量阻抗值。線(xiàn)圈沿阻尼曲線(xiàn)變化，獲得不同的信號(hào)。當(dāng)前導(dǎo)電性的增加，線(xiàn)圈的阻抗值根據(jù)該特性沿阻抗曲線(xiàn)向上移動(dòng)，渦流檢測(cè)速率測(cè)量和金屬材料分類(lèi)可用于測(cè)量材料的導(dǎo)電性。渦流檢測(cè)是基于電磁感應(yīng)原理的一種測(cè)試方法，因此測(cè)試信號(hào)將受到磁導(dǎo)率的影響，渦流測(cè)試主要集中于金屬材料，金屬材料一般分為鐵磁材料和非鐵磁材料。鐵磁材料的實(shí)際值主要取決于外磁場(chǎng)的大小。在測(cè)試高磁導(dǎo)率材料時(shí)，磁場(chǎng)變化小產(chǎn)生的噪聲大，因此，需要大量的低噪聲磁飽和器件實(shí)現(xiàn)恒定磁，降低測(cè)試結(jié)果的噪聲透射率。對(duì)于未使用的測(cè)試部件，有不同的檢測(cè)方案，通常使用放置在測(cè)試板上的探針零件。測(cè)試圓柱形材料時(shí)，線(xiàn)圈阻抗的變化主要取決于試件的直徑或電阻試件二次直徑的變化不僅影響有效載荷的變化磁導(dǎo)率的大小，還會(huì)影響填充系數(shù)，從而偏移阻抗曲線(xiàn)，綜合的結(jié)果就是線(xiàn)圈阻抗曲線(xiàn)會(huì)在系統(tǒng)中發(fā)生變化，這使得阻抗的磁導(dǎo)率很難通過(guò)半徑或線(xiàn)圈的變化來(lái)區(qū)分圓柱形試件的變化。在檢測(cè)渦流過(guò)程中的電磁感應(yīng)線(xiàn)圈工作頻率的選擇有著十分重要的意義。電磁頻率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，主要影響渦流傳感器的靈敏度和材料的類(lèi)型。因此，有必要選擇電磁頻率，電磁頻率應(yīng)根據(jù)不同的試驗(yàn)要求確定。

3 渦流探頭設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)渦流傳感器時(shí)，通常是根據(jù)具體的測(cè)量結(jié)果設(shè)計(jì)一個(gè)特定的傳感器對(duì)象。根據(jù)渦流檢測(cè)原理，渦流傳感器通過(guò)檢測(cè)反映感應(yīng)磁場(chǎng)的變化信號(hào)，靈敏度在傳感器的設(shè)計(jì)中，線(xiàn)性范圍在渦流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，最重要的是檢測(cè)勞累了，所以傳感器的靈敏度成為渦流檢測(cè)的重要因素，設(shè)計(jì)中為可以提高渦流傳感器的靈敏度，有必要測(cè)量磁場(chǎng)變化的敏感分量。為可以提高渦流傳感器的靈敏度，需要一個(gè)敏感元件來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的變化基于字段對(duì)不同的物理效應(yīng)，有多種磁場(chǎng)檢測(cè)方法元素。當(dāng)前渦流檢測(cè)中最常用的磁場(chǎng)測(cè)量元件是傳感器線(xiàn)圈類(lèi)型和霍爾元件類(lèi)型根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了基于霍爾元件的磁場(chǎng)傳感元件?；魻栐突魻栃?yīng)是指當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體并垂直于外加磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生垂直于磁場(chǎng)端部的電位差表面之間當(dāng)前端的其他兩個(gè)端面。

3.1 探頭的設(shè)計(jì)方法

以檢測(cè)的物理?xiàng)l件為例，根據(jù)技術(shù)要求和檢測(cè)環(huán)境（具體形狀和尺寸）確定檢測(cè)線(xiàn)圈和電磁線(xiàn)圈的應(yīng)用線(xiàn)圈。線(xiàn)圈形狀、尺寸（軸向高度、內(nèi)徑、外徑）、截面參數(shù)等。渦流探頭的設(shè)計(jì)方法主要包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、數(shù)值設(shè)計(jì)法與解析設(shè)計(jì)法。在渦流探頭的早期設(shè)計(jì)中，由于計(jì)算機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)限制和渦流理論的缺陷，實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)也是在摸索中，這通常以這種形式使用。這種方法需要很多研究。實(shí)驗(yàn)后，數(shù)據(jù)大，重復(fù)校正，渦度可靠。

3.2 渦流檢測(cè)探頭結(jié)構(gòu)形式

在渦流檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，有必要明確其工作原理結(jié)構(gòu)。這個(gè)選擇主要取決于測(cè)試對(duì)象和環(huán)境。在為可以適應(yīng)各種形狀和尺寸的試驗(yàn)要求、材料的要求，必須正確選擇探頭結(jié)構(gòu)。各種各樣的渦流探頭線(xiàn)圈也可稱(chēng)為渦流線(xiàn)圈，主要用于檢測(cè)桿件表面、靠近桿件表面或內(nèi)表面以及管道的缺陷。該線(xiàn)圈可以設(shè)計(jì)得非常小。通過(guò)在線(xiàn)圈中間添加磁芯，可以有效地克服由小線(xiàn)圈直徑引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，并且還可以發(fā)揮聚焦磁場(chǎng)的目的。因此，它具有高的檢測(cè)靈敏度。內(nèi)通過(guò)線(xiàn)圈主要用于檢測(cè)管道的內(nèi)部缺陷，或檢測(cè)深孔，厚壁和小直徑測(cè)量管的表面質(zhì)量。因?yàn)閮?nèi)通過(guò)線(xiàn)圈插入管孔中，所以線(xiàn)圈尺寸參數(shù)通常根據(jù)物體孔徑的尺寸確定。在渦流檢測(cè)中，需要在試件上產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，這就要求對(duì)試件采用激勵(lì)線(xiàn)圈。因此可以檢測(cè)磁場(chǎng)中渦流的變化，線(xiàn)圈必須的勵(lì)磁線(xiàn)圈和測(cè)量線(xiàn)圈可以是兩個(gè)或一個(gè)，即勵(lì)磁線(xiàn)圈和試驗(yàn)線(xiàn)圈。如果線(xiàn)圈功能沒(méi)有區(qū)別，測(cè)量線(xiàn)圈和勵(lì)磁線(xiàn)可以從所有線(xiàn)圈中分離出來(lái)作為檢測(cè)基于線(xiàn)圈在不同的電氣連接方式或繞組方式下，檢測(cè)線(xiàn)圈有兩種：絕對(duì)式和差動(dòng)式第二種不同的連接方式?jīng)Q定了不同的檢測(cè)性能，兩個(gè)檢測(cè)線(xiàn)圈相反在一起，并且差動(dòng)線(xiàn)圈也可以分為根據(jù)兩個(gè)檢測(cè)線(xiàn)圈的放電裝置的標(biāo)準(zhǔn)比較式和自比較式。標(biāo)準(zhǔn)比較式是兩個(gè)，根據(jù)放電裝置，兩個(gè)檢測(cè)線(xiàn)圈，標(biāo)準(zhǔn)比較型是兩種，并且存在反向檢測(cè)差動(dòng)線(xiàn)圈的兩個(gè)檢測(cè)線(xiàn)圈，或者可以分為自比較式，并且是根據(jù)兩個(gè)檢測(cè)線(xiàn)圈/U003E設(shè)計(jì)的比較標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)放電裝置。設(shè)計(jì)參數(shù)全部以反向連接的形式連接，兩個(gè)檢測(cè)軸一般不重疊，主要是檢測(cè)到的物體的表面形狀，然后將兩個(gè)檢測(cè)線(xiàn)圈連接到檢測(cè)工件，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試部件，如果沒(méi)有信號(hào)輸出，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試差部和工件表面。

4 結(jié)語(yǔ)

由上可知，利用到相敏檢測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確地提出到信號(hào)中額幅值以及相位差的信息，且能夠通過(guò)相關(guān)的計(jì)算評(píng)估出焊縫裂紋的情況，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出裂縫的具體情況，這樣能夠?yàn)楣I(yè)管道的檢修工作奠定良好的基礎(chǔ)。