渦流類技術(shù)在承壓設(shè)備帶涂層表面檢測中的應(yīng)用分析

金澤宇,范高廷,劉飛

(1.江蘇特檢科技有限公司,江蘇 南京 210000;2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院,江蘇 南京 210000)

壓力容器、管道、鍋爐、氣瓶等承載一定壓力的密閉設(shè)備或管狀設(shè)備被稱為承壓類特種設(shè)備。承壓類特種設(shè)備數(shù)量眾多,根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局的統(tǒng)計數(shù)據(jù),截至 2021年年底,我國登記在冊的壓力容器有469.49萬臺,壓力管道有75.75萬km,鍋爐有34.71萬臺,氣瓶有2.02億只。此外,受冶煉水平、材料性能及惡劣工作環(huán)境等方面影響,在制造和使用過程中,承壓設(shè)備不可避免存在一些缺陷,從而可能導(dǎo)致其失效,甚至發(fā)生安全事故。僅2021年,我國承壓設(shè)備共發(fā)生事故13起,死亡18人,同時,因承壓設(shè)備事故導(dǎo)致的經(jīng)濟損失不可估量?；诖?對承壓設(shè)備進行定期檢測非常重要。

無損檢測,或稱為無損探傷技術(shù),是利用被測物引起的聲、光、電、熱等的變化,在不破壞被測物的情況下,來檢測設(shè)備表面的狀態(tài)、性能、結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部不連續(xù)性等相關(guān)信息的現(xiàn)代檢測技術(shù),其可為判斷被檢測設(shè)備的安全狀態(tài)及是否能繼續(xù)服役提供技術(shù)支持。現(xiàn)有常用于承壓設(shè)備檢測的無損檢測技術(shù)主要包括磁粉、滲透和超聲檢測技術(shù)。然而,由于出于防腐等需要,承壓設(shè)備外常涂有涂層,這導(dǎo)致這些技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用中存在以下問題:1)檢測前需要清楚設(shè)備表面涂層,檢測后還需要恢復(fù),影響了設(shè)備檢修檢驗的時間,同時去除與恢復(fù)涂層需要一定的成本,因此導(dǎo)致其效率低、成本高;2)現(xiàn)代無損檢測技術(shù)正在向著不停機快速檢測方向發(fā)展,而清除涂層一般需要在停機狀態(tài)下進行,無法滿足其需求;3)后補的局部涂料不僅防腐效果達不到原始水平,且外觀也不美觀?；诖?尋找有效的方法,在不破壞承壓設(shè)備外部涂層的前提下,實現(xiàn)帶涂層設(shè)備缺陷的快速檢測,并對其建立一個有效完善的評價體系具有十分重要的意義。

1 渦流檢測原理

渦流檢測是利用渦流效應(yīng)實現(xiàn)導(dǎo)電物件缺陷檢測或者對被測導(dǎo)體性能進行無損評估的一種方法。渦流技術(shù)檢測速度快、自動化程度高、對表面要求低、缺陷檢出率高、綠色環(huán)保,可用于帶涂層承壓設(shè)備的檢測。渦流檢測的基本原理如圖1所示:在激勵線圈中通有交變電流,并將其靠近受檢導(dǎo)電物件;受檢物件與激勵線圈電流激發(fā)的磁場H1相互作用,從而在被檢物件感生出渦流,且試件的物理性能、缺陷、激勵源的頻率以及試件與線圈之間的耦合程度等會影響感生渦流的分布狀況;同時感生渦流產(chǎn)生一個與H1方向相反的感生磁場H2,H2反過來又會影響空間磁場分布;用接收元件,如圖1所示的接收線圈接收空間磁場,并將其轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電壓信號,則通過分析線圈上感應(yīng)電壓的變化,可判斷受檢物件缺陷的情況。

圖1 渦流檢測原理示意圖

然而,為了實現(xiàn)在不去除或損壞涂層且涂層厚度未知的情況下對承壓設(shè)備缺陷進行檢測的目的,常規(guī)的渦流檢測技術(shù)還不能滿足需求。其主要原因在于常規(guī)渦流采用單個頻率的正弦波進行激勵,激勵頻率單一,導(dǎo)致檢測信號的信噪比較低;同時,檢測信號容易受到探頭提離高度的影響,同樣導(dǎo)致檢測信號信噪比低。因此,擬將渦流檢測技術(shù)應(yīng)用到帶涂層承壓設(shè)備檢測,需要對常規(guī)渦流檢測技術(shù)進行改進,以提高其檢測精度及信噪比。

對于渦流檢測技術(shù)的改進,已有大量學(xué)者展開了相關(guān)研究,并衍生出了很多新的方法和技術(shù),大概可歸納為兩個方向:1)對激勵信號的優(yōu)化,對應(yīng)產(chǎn)生了很多渦流檢測新方法;2)利用渦流檢測中的其他效應(yīng),衍生出的檢測方法主要包括遠場渦流、交流電磁場、渦流脈沖熱成像檢測等。下面將分別對上述幾種方法的檢測原理和特點進行分析。

2 不同激勵方式的渦流檢測新方法

常規(guī)渦流激勵信號的頻率一般為1 kHz～1 MHz,在該頻率范圍內(nèi)既能兼顧物體表面微小缺陷的檢測,同時又能檢測到物體表面下一定深度的缺陷[1]。然而,對于更深層的缺陷,受限于趨膚效應(yīng),常規(guī)渦流的檢測效果并不是很好。為獲得被測件更深層的缺陷信息,需要降低渦流的激勵頻率,基于此,激勵頻率為幾Hz～1 kHz的低頻渦流檢測技術(shù)被提出。然而,激勵頻率越低,產(chǎn)生的渦流效應(yīng)越微弱,從而導(dǎo)致檢測信號同樣微弱。因此,低頻渦流檢測技術(shù)檢測精度較低、不適用于微小缺陷檢測[2]。為提高渦流檢測精度,需提高激勵頻率,高頻渦流檢測技術(shù)得到了應(yīng)用。高頻渦流技術(shù)所使用的激勵信號的頻率通常高于1 MHz,其產(chǎn)生的渦流主要集中在被測物體的表面,因此高頻渦流技術(shù)通常用于檢測金屬表面的微小形變、微小缺陷以及覆蓋層厚度等。日本東京工業(yè)大學(xué)的Mizukami將高頻渦流技術(shù)應(yīng)用于特種天線鈮板表面平整度的探測,可清晰分辨出鈮板表面1 μm的凹凸變化[3]。

然而,上述技術(shù)均采用單一頻率的激勵,采集到的信號容易受到提離等干擾因素的影響,檢測精度較低。為減小提離效應(yīng),同時獲取被測件更多信息,可采用多個頻率的信號作為激勵,因此,多頻渦流檢測技術(shù)在工業(yè)中得到了應(yīng)用。顧名思義,多頻渦流技術(shù)是指采用多個頻率的激勵信號同時進行激勵[4]。根據(jù)趨膚效應(yīng),其一次檢測可以獲得更多的檢測信息,同時可有效抑制檢測中干擾因素的影響,增強了渦流技術(shù)的檢測能力[5-6]。然而,為簡化信號合成與解調(diào)的復(fù)雜性,多頻渦流的激勵各個頻率一般成倍數(shù)關(guān)系,這樣可能會存在最優(yōu)激勵頻率不易決定的情況。掃頻渦流檢測技術(shù)是采用某一特定頻段內(nèi)的正弦信號作為激勵,與多頻渦流技術(shù)相比,掃頻技術(shù)激勵信號頻率的帶寬非常寬,變化范圍通?？梢詮膸资掌澋綆资缀掌?且激勵信號的頻率是連續(xù)的,因此,不僅可使最優(yōu)激勵頻率容易決定,并且可保證檢測的連續(xù)性[7-10]。掃頻渦流技術(shù)常用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件的檢測。2016年,廈門愛德森公司研制了一套掃頻渦流儀,其激勵頻率可達到30 MHz,為復(fù)雜被測件的高精度質(zhì)量評估提供了檢測手段[11]。另外,為進一步解決常規(guī)渦流應(yīng)用范圍窄、信號弱的缺點,脈沖渦流檢測技術(shù)被應(yīng)用。脈沖渦流采用具有一定占空比的脈沖方波進行激勵,根據(jù)傅里葉變換,其相當于無限多個正弦激勵的疊加。因此,脈沖渦流檢測技術(shù)的頻率范圍更寬、檢測深度更大[12-15]。

然而,上述提到的渦流檢測方法中,大部分方法的檢測深度和檢測精度不能兼容。一般檢測深度較大的檢測精度就比較低,因此在檢測中需根據(jù)實際情況合理選擇。如在帶涂層的承壓設(shè)備檢測中,如需對涂層較薄設(shè)備的表面裂紋等微小缺陷進行檢測,可采用高頻渦流、多頻渦流和掃頻渦流等技術(shù);而針對厚涂層設(shè)備的腐蝕坑等大面積缺陷檢測,可采用脈沖渦流等技術(shù)。

3 利用渦流檢測其他效應(yīng)的新方法

上述介紹的不同激勵方式的渦流檢測技術(shù),其均利用試件中的渦流擴散來評估和定量缺陷。然而,在正弦或方波信號的激勵下,試件中不僅存在渦流擴散效應(yīng),還同時存在其他效應(yīng),如遠場效應(yīng)、磁效應(yīng)、熱效應(yīng)等?；谶@些效應(yīng),一些新的檢測技術(shù)如遠場渦流、交流電磁場和渦流熱成像等技術(shù)被提出和應(yīng)用。

3.1 遠場渦流技術(shù)

遠場渦流技術(shù)最早發(fā)現(xiàn)于管道之中,不同于常規(guī)渦流技術(shù),其利用激勵和接收信號在遠場區(qū)域的幅值和相位差來檢測和定量缺陷[16],檢測原理見圖2。

圖2 遠場渦流檢測原理圖

如圖2所示,所謂遠場區(qū)指激勵和接收線圈之間的距離大于2倍管道直徑的區(qū)域。在這一區(qū)域,激勵磁場先穿出管壁,又穿入管壁,隨后穿入管壁的磁場被接收線圈接收。由于磁場兩次穿透管壁產(chǎn)生衰減,導(dǎo)致其幅值和相位較激勵信號的幅值和相位發(fā)生變化,則分析激勵信號與接收信號之間的幅值和相位變化即可獲取被測管道壁厚與缺陷等信息。通過上述分析可知,由于遠場渦流不依賴渦流的衰減,其不受趨膚效應(yīng)的影響,可克服傳統(tǒng)渦流檢測因集膚效應(yīng)存在的局限性;另外,遠場渦流能夠以近似相等的靈敏度檢測管壁內(nèi)部或外部的缺陷,因此其被廣泛應(yīng)用于鐵磁性和非鐵磁性管材檢測。如加拿大Eddyfi公司針對高溫、潮濕環(huán)境下鐵磁管材的腐蝕、侵蝕等缺陷的檢測開發(fā)了RFT Single-Driver Flexible Probes遠場渦流檢測儀器。奧林巴斯公司的MultiScanTMMS 5800遠場渦流儀器可實現(xiàn)4個不同頻率的實時監(jiān)測,被應(yīng)用于熱交換管、蒸汽管、鍋爐管的檢測。IMTT公司的通用型遠場渦流探頭適用于飛機鋁合金、鈦合金材料的檢測,被各大航空公司所使用推廣。此外,遠場渦流也可應(yīng)用到平板構(gòu)件檢測。孫雨施和愛荷華州立大學(xué)的Udpa等人[17-18]通過設(shè)計屏蔽結(jié)構(gòu)減少磁場直接耦合的能量,成功將遠場渦流技術(shù)運用到金屬平板的探測。南京航空航天大學(xué)的王海濤等人設(shè)計了平板遠場渦流檢測探頭,實現(xiàn)了深層缺陷的檢測[19]。

3.2 交流電磁場檢測技術(shù)

將渦流檢測與交流電壓降技術(shù)結(jié)合的渦流檢測新技術(shù)為交流電磁場檢測(Alternating Current Field Measurement),其檢測原理為:通過激勵探頭在待測試件表面感應(yīng)出均勻交變電流,電流的擴散會在被測件表面感應(yīng)出均勻磁場,當被測件中有缺陷時,缺陷的存在會影響均勻交變電流的分布,從而引起感應(yīng)磁場的畸變,通過測量缺陷附近的磁場畸變信號即可得到缺陷的信息[20]。由于工件表面感應(yīng)均勻電流能夠在較小開裂及淺層凹坑不連續(xù)區(qū)域產(chǎn)生明顯擾動,采用高精度傳感器拾取擾動引起的二次畸變磁場,可實現(xiàn)缺陷的高精度檢測。另外,該技術(shù)對提離不敏感,易于實現(xiàn)自動化檢測。目前,該技術(shù)在工業(yè)儲罐、鐵路、水下油氣處理設(shè)備等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了應(yīng)用。如Technical Software Conltants公司設(shè)計了一種可遠程操控的交流電磁場檢測探頭陣列實現(xiàn)了對核工業(yè)儲罐和儲罐焊接點的缺陷檢測[21-22]。Rowshandel 等開發(fā)出了一套基于交流電磁場檢測的鐵路裂紋自動檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)可用于自動檢測鐵路裂紋,并可提高鐵路裂紋定量精度[23]。Papaelias 等研發(fā)出了適用于鐵路軌道檢測的高速交流電磁場檢測系統(tǒng)[24]。在國內(nèi),中國石油大學(xué)陳國明教授等[25-26]對交流電磁場技術(shù)進行了大量研究,并將其應(yīng)用于海洋平臺、隔水管、海底管道的檢測。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的羅路飛等人[27]對交流電磁場檢測技術(shù)檢測機理及儀器研發(fā)等方面進行了大量的研究工作。南昌航空大學(xué)任尚坤等人[28]針對交流電磁場檢測技術(shù)的電路設(shè)計等檢測系統(tǒng)設(shè)計方面進行了多方位研究,促進了檢測儀器智能化趨勢的發(fā)展。

3.3 渦流脈沖熱成像檢測技術(shù)

將渦流檢測技術(shù)與熱成像檢測技術(shù)結(jié)合起來的渦流脈沖熱成像(Eddy Current Pulsed Thermography,ECPT)具有檢測精度高、速度快、范圍廣等優(yōu)點,因此也可用于帶涂層的承壓設(shè)備檢測。渦流脈沖熱成像技術(shù)利用變化磁場產(chǎn)生的渦流加熱導(dǎo)體,利用紅外相機對導(dǎo)體進行拍照,根據(jù)不同的熱度來判斷導(dǎo)體情況。該方法可同時進行金屬表面檢測及內(nèi)部檢測缺陷,且在國外的研究機構(gòu)和高校已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和研究。如:德國弗朗霍菲無損檢測研究院[29-30]、奧地利的萊奧本大學(xué)[31-32]、加拿大拉瓦勒大學(xué)[33]、英國紐斯卡爾大學(xué)[34]等。美國的波音公司也將該技術(shù)應(yīng)用到航空工業(yè)的機器和零部件的涂層脫落情況的檢測[35]。在國內(nèi),針對脈沖渦流熱成像無損檢測技術(shù)的研究下也取得了不錯的成績。上海交通大學(xué)研究了鐵磁性材料中裂紋的分布情況對脈沖渦流熱成像技術(shù)的成像效果的影響[36]。南京航空航天大學(xué)與英國紐斯卡爾大學(xué)合作對脈沖渦流熱成像技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、超聲檢測技術(shù)和渦流檢測技術(shù)在復(fù)合材料的缺陷檢測和定位方面的應(yīng)用進行了研究[37]。

4 結(jié)論

渦流類檢測技術(shù)由于具有檢測速度快、自動化程度高、對表面要求低、缺陷檢出率高、綠色環(huán)保,可用于帶涂層承壓設(shè)備的檢測。然而常規(guī)渦流檢測技術(shù)檢測精度較低,且容易受到提離效應(yīng)的影響。這導(dǎo)致其不能直接應(yīng)用到帶涂層承壓設(shè)備檢測。基于此,本文對渦流類檢測新技術(shù)進行了系統(tǒng)的分析,介紹了其原理及特點,分析了其在帶涂層承壓設(shè)備檢測中的可行性。本文可為帶涂層承壓設(shè)備的在線檢測提供技術(shù)支持。