涡流无损检测

1无损检测(NondestructiveTesting,NDT)是一门涉及多学科的综合性应用技术，它以不损害被检对象的内部结构和使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，对各种工程材料、零部件、结构件进行有效地检验和测试，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，进而评价它们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能【1-6]。无损检测技术是现代工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反应了一个国家的工业发展水平，其重要性己得到世界范围内广泛公认。无损检测技术的应用范围十分广泛，遍布工业发展的各个领域，在机械、建筑、冶金、电力、石油、造船、汽车、宇航、核能、铁路等行业中被普遍采用，成为不可或缺的质量保证手段，其在产品设计、生产和使用的各个环节中己被卓有成效的运用[4,7-16]。2以德国科学家伦琴1895年发现X射线为标志，无损检测作为应用型技术学科己有一百多年的历史[l7]01900年，法国海关开始应用X射线检验物品;1922年，美国建立了世界第一个工业射线实验室，用X射线检查铸件质量，以后在军事工业和机械制造业等领域得到了广泛应用，射线检测技术至今仍然是许多工业产品质量控制的重要手段。1912年，超声波检测技术最早在航海中用于探查海面上的冰山;1929年，将其应用于产品缺陷的检测，目前仍是锅炉压力容器、铁轨等重要机械产品的主要检测手段。1930年后，开始采用磁粉检测方法来检测车辆的曲柄等关键部件，以后在钢结构上广泛应用磁粉探伤方法，使磁粉检测得以普及到各种铁磁性材料的表面检测。毛细管现象是土壤水分蒸发的一种常见现象，随着工业化大生产的出现，将“毛细管现象”成功地应用于金属和非金属材料开口缺陷的检测，其灵敏度与磁粉检测相当，它的最大好处是可以检测非铁磁性物质。经典的电磁感应定律和涡流趋肤效应的发现，促进了现代导电材料涡流检测方法的产生。1935年，第一台涡流探测仪器研究成功。到了二十世纪中期，建立了以射线检测(RadiographicTesting,RT、超声检测(UltrasonicTesting,UT、磁粉检测(MagneticTesting,MT、渗透检测(PenetrantTesting,PT)和涡流检测(EddyCurrentTest,ECT五大常规检测技术为代表的无损检测体系【‘“]。作为五大常规无损检测方法之一的涡流检测技术，是建立在电磁感应原理基础上的一种无损检测方法，主要适用于导电材料(如金属材料、可感生涡流的非金属材料等)近表面缺陷的检测，其具有以下特点[y,2,i9,2o}.1.非接触检测，能穿透非导体涂镀层，可以在不清除零件表面油脂、积碳和保护层的情况下进行检测。2.检测无需祸合介质，可以在高温状态下进行检测。探头可伸入到远处作业，故可对工件的狭窄区域、深孔壁等进行检测。3.对工件表面或近表面的缺陷，有很高的检出灵敏度，且在一定的范围内具有良好的线性指示，可对大小不同的缺陷进行评价。4.可以对工件表面涂层厚度进行测量，如测量导电覆盖层或非导电涂层的厚度;可以对导体的电导率进行测量，进行材料的分类。5.由于检测信号为电信号，所以可对检测结果进行数字化处理，并将处理后的结果进行存储、再现及进行数据比较分析。多频涡流检测(Multi-FrequencyEddyCurrentTesting,MFECT)技术是一种涡流检测新技术，它用多个频率激励传感器，比用单个频率作为激励信号的常规涡流检测技术能获取更多信息【i,2,2i-23}。检测中如何充分利用所获取的信息，对其进行特征提取分析是多频涡流检测技术的关键问题，其检测结果比常规涡流检测技术可以更有效地实现干扰抑制或者多参数检测。31.2涡流检测技术的研究进展1.2.1涡流检测技术的发展历程涡流现象的发现己经有近二百年的历史。奥斯特(Oersted、安培(Ampere),法拉弟(Faraday、麦克斯韦(Maxwell)等世界著名科学家通过研究电磁作用实验，发现了电磁感应原理，建立了系统严密的电磁场理论，为涡流无损检测奠定了理论基础[l]。1879年，体斯(Hughes)首先将涡流检测应用于实际一一判断不同的金属和合金，进行材质分选。自1925年起，在美国有不少电磁感应和涡流检测仪获得专利权，其中，Karnz直接用涡流检测技术来测量管壁厚度;Farraw首次设计成功用于钢管探伤的涡流检测仪器。但这些仪器都比较简单，通常采用60Hz,110V的交流电路，使用常规仪表(如电压计、安培计、瓦特计等)，所以其工作灵敏度较低、重复性较差。二战期间，多个工业部门的快速发展促进了涡流检测仪器的进步。涡流检测仪器的信号发生器、放大器、显示和电源装置等部件的性能得到了很大改进，问世了一大批各种形式的涡流探伤仪器和钢铁材料分选装置，较多地应用于航空及军工企业部门。当时尚未从理论和设备研制中找到抑制干扰因素的有效方法，所以，在以后很长一段时间内涡流检测技术发展缓慢。直到1950年以后，以德国科学家福斯特(Foster)博士为代表提出了利用阻抗分析方法来鉴别涡流检测中各种影响因素的新见解，为涡流检测机理的分析和设备的研制提供了新的理论依据，极大地推动了涡流检测技术的发展。福斯特也因此当之无愧地被称为“现代涡流检测之父”。由于福斯特的卓越贡献，自20世纪50年代起，美国、前苏联、法国、英国等工业发达国家的科学家积极开展涡流检测技术研究。到20世纪70年代以后，电子技术和计算机技术飞速发展，有效地带动了涡流检测仪器技术性能的改进，进一步突现了涡流检测技术在探测导电材料表面或近表面缺陷应用中的优越性。世界各国相继开展了大量的涡流检测技术研究和仪器开发工作，发表了大量的研究论文，并研制生产了一些高性能的涡流检测仪器[L=}l。我国从20世纪60年代开展涡流检测技术的研究工作，并先后研制成功了一系列涡流检测仪器，如厦门爱德森公司的系列涡流检测仪器。涡流检测技术的发展得到实质性的突破并步入实用化阶段。此后，随着电子技术尤其是计算机和信息处理技术的进一步发展，影响和促进了涡流检测技术与仪器的不断更新和进步。从涡流检测仪器的发展历程来看，可分为五代产品[fall。第一代产品是以分立元件为基础，采用简单谐振方式的一维显示模拟仪器，只有一种检测频率。第二代产品是以阻抗平面分析法为基础，部分采用集成电路技术的二维显示模拟仪器，检测时可以选择不同的激励频率以适应不同检测材料的要求。第三代产品是多频涡流检测仪器，检测时对探头施加两个或两个以上不同的检测频率，利用不同频率下被检导体材料反射阻抗不同的原理，提高了对材料特性或缺陷的检测能力，并通过混和运算抑制干扰信号，达到去伪存真的目的。第四代产品是以计算机技术为基础的智能化、数字化产品，其特点是能够大大简化操作，提高检测效率和数据处理能力，并具备频谱分析、涡流成像等功能。第五代产品是DSP技术、阵列技术、多通道技术、通信传输技术及其它无损检测技术相互融合为一体的多功能仪器，它能够对缺陷进行检测、分析、判断，并通过其它技术的辅助检测，验证其结果的正确性。涡流检测技术己进入一个全新的发展时代，具有乐观的发展前景。41.2.2涡流检测新技术随着人类科技不断进步，工业化程度不断提高，对材料和产品的质量检测要求也不断提高，常规涡流检测技术自身存在的一些局限性，如对提离效应敏感、检测速度慢、探测深度小等问题，发展并提出了一些新的涡流检测技术[}a,aa,as-3a}除本文研究的多频涡流检测技术以外，还有交变磁场测量(AlternatingCurrentFieldMeasurement,ACFM)技术、脉冲涡流检测(PulsedEddyCurrentTesting,PELT技术、远场涡流检测(RemoteFieldEddyCurrentTesting,RFECT)技术、涡流阵列检测(EddyCurrentArrayTesting,ECAT)技术、磁光/涡流成像检测(Magneto-OpticalEddyCurrentImager,MOI)技术等。这些新的涡流检测技术以各自独特的优点在不同的行业得到了广泛应用，弥补了常规涡流检测技术的不足。下面对这几种涡流检测新技术作简单介绍。1.2.2.1交变磁场测量技术交变磁场测量技术是近几年兴起的精确测量表面裂纹的无损检测方法，它由交流电势降(AlternatingCurrentPotentialDrop,ACPD)技术发展而来，其突出优点是能测量裂纹尺寸[[33-35]oACFM法结合ACPD法能测定裂纹尺寸和涡流法无需同工件接触的优点，无需人工标定试块，具有精确理论依据的数学模型，能够实现缺陷的定量检测。当载有交变电流的检测线圈靠近导体时，交变电流在周围的空间中产生交变磁场，被检对象表面感应出交变涡流;当表面无缺陷时，表面涡流线彼此平行，形成近似匀强涡流场，在周围空间产生近似匀强的交变电磁场;当被检对象表面存在缺陷时，由于电阻率的变化，涡流场发生畸变，匀强涡流分布受到破坏，进而匀强磁场发生变化，测量该扰动磁场的变化，即可判断出缺陷。在20世纪80年代后期，ACFM法首先被应用于石油和天然气的水下结构和海上平台设备的无损检测中，用来探测结构关键部位焊缝和表面涂层。现己被广泛应用于石油化工、海上平台、铁路运输、电力工业及航空航天等十分广泛的领域中，并取得显著效果[[36-40]1.2.2.2脉冲涡流检测技术脉冲涡流检测技术采用脉冲信号激励，通常为具有一定占空比的周期矩形波，施加在探头上的激励信号会感应出脉冲涡流在被检对象中传播。根据电磁感应原理，此脉冲涡流又会感应出一个快速衰减的磁场;随着感生磁场的衰减，检测线圈上就会感应出随时间变化的电压[[41-43]。与传统的常规涡流检测技术相比，脉冲涡流检测技术具有许多优势。常规涡流检测技术采用单一频率的正弦信号作为激励，主要对感应磁场进行稳态分析，即通过测量感应电压的幅值和相位来识别缺陷;而脉冲涡流检测技术主要对感应电压信号进行时域的瞬态分析，提取信号特征量，分析缺陷尺寸、类型和结构参数等变化。在理论上，由于脉冲涡流检测技术中的激励信号可以看成一系列不同频率正弦谐波的合成信号，具有很宽的频谱，广义上可以认为其是一种多频涡流检测技术，所以，可以比常规涡流检测技术提供更多信息[[44-51]。脉冲涡流检测技术主要应用于导体较深层缺陷、飞机机身多层结构等的探测[[52-54]1.2.2.3远场涡流检测技术远场涡流检测技术是一种能穿透金属管壁的低频涡流检测技术[[55,56]。探头通常为内通式，由激励线圈和检测线圈构成，检测线圈与激励线圈相距约2-3倍管内径长度;激励线圈通以低频交流电流，感应出的磁力线穿过管壁向外扩散，在远场区又再次穿过管壁向管内扩散，被检测线圈接收，从而有效地检测金属管子的内、外壁缺陷和管壁厚薄变化等情况[[57-60]。远场效应是20世纪40年代发现的，各国科学家对远场涡流检测技术进行了不断的探索，使远场涡流理论得到了逐步完善和实验验证。直至2000年，美国试验与材料学会(AmericanSocietyforTestingandMaterials,ASTM)颁布了“StandardPracticeforInSituExaminationofFerromagneticHeat-ExchangerTubesUsingRemoteFieldTesting”的标准，标志着远场涡流检测技术正式被接受成为一项有效的管道无损检测方法[[61,62]。远场涡流检测技术主要应用于核反应堆压力管、石油及天然气输送管和城市煤气管道等结构的探伤[63-65]1.2.2.4涡流阵列检测技术与常规涡流检测技术相比，涡流阵列检测技术的主要不同点是探头由多个独立工作的线圈构成，这些线圈按照特殊的方式排布，且激励线圈与检测线圈之间形成两种方向相互垂直的电磁场传递方式，有利于发现取向不同的线性缺陷[[66,67]涡流阵列探头中包含几个或几十个线圈，不论是激励线圈，还是检测线圈，相互之间距离都非常近，保证各个激励线圈的激励磁场之间、检测线圈的感应磁场之间不相互干扰，是涡流阵列检测技术的关键。在检测过程中，