渦流檢測(cè)

只看該作者 · 2012-4-16 10:37:10

電磁渦流檢測(cè)是六大常規(guī)無損檢測(cè)方法之一，雖然發(fā)展較晚，但由于它的一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在許多工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，尤其近年來隨著電腦技術(shù)的發(fā)展和遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)的推廣，其應(yīng)用日益普及，尤其在石化系統(tǒng)更成為一種不可或缺的無損檢測(cè)手段。

一．渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)技術(shù)所依據(jù)的原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。因此檢測(cè)對(duì)象必須是導(dǎo)體。檢測(cè)儀產(chǎn)生一個(gè)高頻交變電流，周圍就會(huì)有交變電磁場(chǎng)，于是附近的導(dǎo)體工件就會(huì)感應(yīng)出旋渦狀電流---渦流。渦流的幅值和相位與工件的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、幾何形狀、內(nèi)部缺陷等因素有關(guān)。這些因素都影響渦流的變化，從而也使檢測(cè)線圈的電壓和阻抗發(fā)生變化，測(cè)出這些變化，就可分析出工件的缺陷壁厚等信息。

由于影響渦流的因素很多，實(shí)際上，凡是能使渦流發(fā)生變化的因素，都能被檢測(cè)到，所以渦流的應(yīng)用范圍很廣。例如：缺陷檢查，尺寸(壁厚)測(cè)量，電導(dǎo)率測(cè)量、材料分選、涂層測(cè)厚、葉片裂紋檢查、在線質(zhì)量控制等等。

渦流檢測(cè)原理的幾個(gè)基本理論表達(dá)式如下：

由交變電流產(chǎn)生磁場(chǎng)：安培環(huán)路定理

由交變磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)：法拉第電磁感應(yīng)定律

感生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生渦電流

關(guān)于激勵(lì)線圈和渦流的電壓電流磁場(chǎng)的相位關(guān)系如下圖：

二．渦流檢測(cè)的幾個(gè)問題

1．趨膚效應(yīng)

渦流在工件內(nèi)并不是均勻分布的，隨著深度的增加，渦流密度呈指數(shù)規(guī)律衰減，其相位呈線性滯后。式中δ為標(biāo)準(zhǔn)滲透深度

標(biāo)準(zhǔn)滲透深度與電流頻率材料電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率有關(guān)

在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)滲透深度處的渦流密度衰減到表面渦流密度的37%。

同時(shí)隨著深度增加，渦流相位也線性滯后。

由此可知，渦流檢測(cè)適用于表面及近表面的缺陷檢測(cè)，對(duì)于工件內(nèi)部較深處的缺陷由于渦流很弱，就不易檢測(cè)到。一般認(rèn)為，對(duì)于非鐵磁性工件，15mm以下的缺陷就很難發(fā)現(xiàn)了。

2．提離效應(yīng)、填充系數(shù)、末端效應(yīng)

反映檢測(cè)探頭與工件之間電磁耦合情況的參數(shù)——提離效應(yīng)。當(dāng)探頭與工件緊密接觸時(shí)，耦合最好，渦流也最強(qiáng)；探頭與工件離開一定距離時(shí)，電磁耦合變差，渦流也急劇衰減。一般探傷檢測(cè)應(yīng)盡量減少提離效應(yīng)，使探頭與工件盡可能緊密耦合，但有時(shí)也可利用提離效應(yīng)，例如進(jìn)行表面涂層測(cè)厚。

對(duì)于管棒形工件而言，檢測(cè)探頭與工件的耦合程度——填充系數(shù)，即探頭線圈有效面積與管內(nèi)截面積的比值。為保證檢測(cè)效果，填充系數(shù)越大越好，因此在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)換熱器管子時(shí)，被測(cè)管必須事先進(jìn)行有效的清洗，以保證探頭的順利插入及適當(dāng)?shù)臋z測(cè)精度。

在工件邊緣或管子的末端，由于電磁場(chǎng)的畸變，使渦流檢測(cè)不能有效進(jìn)行，——末端效應(yīng)，即存在一定的檢測(cè)盲區(qū)。根據(jù)檢測(cè)探頭和具體工件的不同，這個(gè)盲區(qū)有大有小，一般應(yīng)采取措施盡量減小末端效應(yīng)，例如可減小探頭線圈，對(duì)探頭加屏蔽等。

3．頻率選擇

對(duì)渦流檢測(cè)的參數(shù)來說，最重要的是檢測(cè)頻率的選擇。由上述趨膚效應(yīng)可知：頻率越高，則渦流的滲透深度越小，但信號(hào)的相位可分離性越好；反之頻率降低，雖然渦流的滲透深度增加，但信號(hào)相位不易分離，且渦流強(qiáng)度也會(huì)降低，因此恰當(dāng)?shù)剡x擇檢測(cè)頻率是非常重要的。對(duì)于管子檢測(cè)而言，通常采用如下的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中為檢測(cè)頻率為被測(cè)管電阻率為管壁厚度

4．多頻檢測(cè)技術(shù)

在役設(shè)備檢測(cè)中常會(huì)遇到許多干擾信號(hào)，采用多頻檢測(cè)技術(shù)可以有效抑制干擾，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

多頻技術(shù)采用兩個(gè)或多個(gè)頻率施加在探頭上，利用缺陷與干擾在不同頻率下的相位和幅值差異，經(jīng)過技術(shù)處理來抵消掉干擾信號(hào)而保留真實(shí)缺陷信號(hào)。例如在管子檢測(cè)中可以抵消管外支撐板信號(hào)，這在實(shí)際檢測(cè)中很有用。

5．渦流信號(hào)的判別

根據(jù)檢測(cè)目的不同，檢測(cè)工件不同，檢測(cè)線圈的形式不同，所測(cè)得的信號(hào)阻抗圖也不同。以檢測(cè)換熱器列管為例，對(duì)列管探傷時(shí)的信號(hào)阻抗圖為不同幅值和相位的“8”字形，其相位與缺陷深度相對(duì)應(yīng)，而幅值主要對(duì)應(yīng)于缺陷體積及走向。見下圖：

6.關(guān)于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)

在常規(guī)渦流檢測(cè)中，由于趨膚效應(yīng)的存在，對(duì)于磁導(dǎo)率很高的碳鋼等鐵磁性材料基本無法進(jìn)行有效的檢測(cè)。以前都是采用局部磁飽和方法，但局限性很大。后來在對(duì)渦流電磁場(chǎng)的深入研究中發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象，并發(fā)展了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)。

研究表明：在檢測(cè)線圈附近的電磁場(chǎng)最強(qiáng)，渦流的絕大部分能量也都集中在這里，稱之為近場(chǎng)區(qū)；但同時(shí)還有約1%的能量會(huì)穿透管壁向外發(fā)散并沿管壁傳播，此處直接耦合的近場(chǎng)能量為零，稱之為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，若在此處放置高靈敏度的檢測(cè)線圈，即可檢測(cè)到傳播路徑上的管壁缺損。這種遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)碳鋼管道檢測(cè)十分有效，尤其是對(duì)體積型缺陷。缺點(diǎn)是檢測(cè)速度較慢，對(duì)于微細(xì)裂紋型缺陷，一般效果很差。而且由于檢測(cè)探頭較長(zhǎng)，它的末端效應(yīng)也比較嚴(yán)重，造成較長(zhǎng)的渦流檢測(cè)盲區(qū)。

三．對(duì)比試樣

渦流檢測(cè)是一種比較式測(cè)量，因此檢測(cè)前必須按照標(biāo)準(zhǔn)先制作對(duì)比試樣。制作試樣的材質(zhì)和規(guī)格尺寸必須與被測(cè)工件完全相同，并嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加工，有時(shí)也可根據(jù)被測(cè)工件的實(shí)際腐蝕缺陷來加工，甚至有時(shí)也可直接以現(xiàn)場(chǎng)獲得的有典型缺陷的工件作為對(duì)比試樣。

對(duì)比試樣的作用有兩個(gè)：

1．用來對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。

2．用來作為檢測(cè)出的缺陷信號(hào)的判別依據(jù)。

根據(jù)被測(cè)工件的形狀，對(duì)比試樣可分為管棒類、平板類等。

典型的管狀對(duì)比試樣如下圖：

下圖為平板裂紋對(duì)比試樣：

四．關(guān)于檢測(cè)探頭

就探頭的形狀來劃分，針對(duì)不同形狀的被測(cè)工件，需要制作相匹配的檢測(cè)探頭。常用的有平面式、點(diǎn)式、外穿式、內(nèi)插式、馬鞍形等。

按探頭線圈的連接方式分，可分為差動(dòng)式和絕對(duì)式等。

五．最基本的渦流檢測(cè)設(shè)備組成

渦流檢測(cè)系統(tǒng)必須要有高頻電流產(chǎn)生、傳感器（檢測(cè)探頭）及信號(hào)處理單元。

典型的渦流檢測(cè)系統(tǒng)方框圖如下：

六．渦流檢測(cè)的特點(diǎn)

1．非接觸測(cè)量，無需耦合劑

由于檢測(cè)線圈通過電磁感應(yīng)使被測(cè)工件產(chǎn)生渦流，故不需要任何耦合劑，探頭也不必接觸到工件，可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。

2．檢測(cè)速度快，可應(yīng)用于生產(chǎn)線上零件的快速檢測(cè)

3．可直接與電腦連接處理數(shù)據(jù)

4．測(cè)量范圍廣凡是影響工件內(nèi)渦流的因素都可以被檢測(cè)到

5．一般來說，只適用于表面和近表面的缺陷檢測(cè)

6．檢測(cè)結(jié)果不直觀，需專門的阻抗圖分析

7.需要有與被檢測(cè)管完全一樣的對(duì)比樣管（包括材質(zhì)和尺寸）

七．渦流檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域

1．機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)線的產(chǎn)品快速檢測(cè)。如管棒材、汽車零件加工等。

2．航空工業(yè)飛機(jī)檢修，渦輪葉片裂紋及蒙皮下裂紋、起落架檢測(cè)。

3．石化系統(tǒng)、電力系統(tǒng)的各類熱交換器列管役前檢查及在役檢測(cè)。

4．核電站、核潛艇的核島部分蒸發(fā)器列管檢測(cè)。

5．材料工業(yè)的材料分選、熱處理狀態(tài)、應(yīng)力測(cè)量等。

6．各種零件設(shè)備的表面涂層測(cè)厚。

八、公司檢測(cè)業(yè)績(jī)

我公司從事渦流檢測(cè)已經(jīng)二十五年（并且我們一直都是專門進(jìn)行渦流檢測(cè)）。檢測(cè)的范圍包括：換熱器管束的列管探傷、測(cè)厚，汽輪機(jī)葉片探傷，襯里焊縫缺陷探傷及空冷器翅片管束的探傷和測(cè)厚。到目前為止，我公司已檢測(cè)設(shè)備約兩千多臺(tái)（檢測(cè)管束約三百萬根），并且我們現(xiàn)在每年約檢測(cè)設(shè)備兩百五十多臺(tái)（管束約二十五萬根）。

在冷換設(shè)備檢測(cè)方面，針對(duì)空冷器翅片管束的檢測(cè)是我公司的一大特色，目前國(guó)內(nèi)還沒有其他單位進(jìn)行過有效的檢測(cè)。我們的檢測(cè)結(jié)果通過與合肥通用所合作進(jìn)行的解剖分析結(jié)果完全一致。

目前，我們已經(jīng)檢測(cè)的設(shè)備材料包括：碳鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、雙相鋼和銅管、鈦管、鋯管、INCONEL系列、INCOLOY、哈氏合金等系列材料以及雙金屬?gòu)?fù)合管等。應(yīng)該說，對(duì)于所有導(dǎo)電材料的換熱管束，只要設(shè)計(jì)加工出對(duì)比樣管，都可以進(jìn)行渦流檢測(cè)。到目前為止我們檢測(cè)的冷換設(shè)備管束的尺寸：外徑為Φ12mm-Φ42mm，管壁厚尺寸為1mm-8mm。

我公司目前已擁有各種材質(zhì)及尺寸的對(duì)比樣管三百多支。

針對(duì)板狀設(shè)備的檢測(cè)，我們也具有相應(yīng)的筆式探頭和馬鞍形探頭。

我公司每年檢測(cè)的業(yè)務(wù)領(lǐng)域包括：石化、石油、電力、海洋油田、機(jī)械制造及冶金行業(yè)等，業(yè)務(wù)涉及全國(guó)各地各類企業(yè)（包括國(guó)有、民營(yíng)、合資及外資獨(dú)資企業(yè)）。

在檢驗(yàn)檢測(cè)資質(zhì)方面，我們已取得ISO9001及國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的渦流檢測(cè)資質(zhì)證書。

九．渦流檢測(cè)的實(shí)際案例

1．甲銨冷凝器列管的應(yīng)力腐蝕裂紋檢測(cè)及解剖驗(yàn)證

在化肥裝置中的甲銨冷凝器列管，由于殼側(cè)冷凝液中氯離子的影響，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生外壁的應(yīng)力腐蝕裂紋。裂紋一旦穿透管壁就會(huì)泄漏造成設(shè)備腐蝕而停車。為此經(jīng)常監(jiān)測(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展情況十分必要。而渦流檢測(cè)目前是唯一行之有效的手段。

下圖為列管易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的位置圖：

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷信號(hào)圖：

對(duì)有嚴(yán)重缺陷信號(hào)的列管，采取堵管或接管修復(fù)的方法處理，所拔出的管子在指定位置都能看到明顯的裂紋，還有些管子表面看不明顯，經(jīng)解剖后的金相照片可清楚看到微細(xì)裂紋的形態(tài)和走向。有些已明顯穿通管壁。

下面是幾根已拔出的管子裂紋的外觀照片：

經(jīng)解剖，裂紋的金相照片如下圖：

對(duì)于這種設(shè)備來說，影響其使用壽命的主要因素就是列管的應(yīng)力腐蝕裂紋，因此通過定期進(jìn)行渦流檢測(cè)，可提前發(fā)現(xiàn)列管應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生和發(fā)展，并及時(shí)進(jìn)行修理或更換，杜絕了因泄露造成停車，有效保證了長(zhǎng)周期運(yùn)行。

2．汽提塔鈦管腐蝕減薄測(cè)量

在某類尿素裝置的汽提塔中，列管材質(zhì)為純鈦。使用中發(fā)現(xiàn)，在管子上部一特定位置，總會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的均勻腐蝕減薄現(xiàn)象，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，爆管的情況也時(shí)有發(fā)生。但利用渦流檢測(cè)來監(jiān)測(cè)壁厚的減薄情況，即可隨時(shí)掌握壁厚的變化，典型的檢測(cè)曲線如下圖：

經(jīng)拔管解剖，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)部位管內(nèi)壁嚴(yán)重減薄并形成一道深深的溝槽，如圖：

我們對(duì)急劇減薄的環(huán)形槽部位鋸開，并仔細(xì)測(cè)量該截面各個(gè)方位壁厚值

結(jié)果如下圖：

八個(gè)方位的壁厚平均值為1.09mm，而儀器檢測(cè)的數(shù)值為1.05mm，可見誤差范圍在允許的范圍之內(nèi)。這種檢測(cè)精度在工程上已完全滿足使用要求了。

由此可知，渦流測(cè)厚所給出的數(shù)據(jù)是每根管子最薄截面的各個(gè)方位壁厚的平均值。對(duì)于均勻腐蝕減薄，誤差不大，但有時(shí)遇到管子單邊減薄或局部方位減薄時(shí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)就不能完全反映最危險(xiǎn)點(diǎn)的壁厚了。

在此例中，每年檢測(cè)管壁的變化情況，找出年平均腐蝕率，即可及時(shí)進(jìn)行處理，杜絕爆管情況的發(fā)生。

3．空冷器翅片管腐蝕減薄測(cè)量

在煉油廠有大量的空冷器，其換熱主要依靠帶有鋁質(zhì)翅片的換熱管。由于管內(nèi)油品會(huì)對(duì)管壁造成沖刷腐蝕，管壁會(huì)出現(xiàn)較大面積的凹坑，使管壁減薄，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)堋?/font>

但由于翅片管主體一般為碳鋼材質(zhì)，且外帶鋁質(zhì)翅片，其結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，這就給渦流檢測(cè)帶來很大困難。我們經(jīng)過多次檢測(cè)實(shí)踐，不斷改進(jìn)檢測(cè)探頭設(shè)計(jì)并調(diào)整檢測(cè)參數(shù)，結(jié)合遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)抽管解剖進(jìn)行分析驗(yàn)證，終于形成了一套針對(duì)翅片管的比較成熟的專門檢測(cè)技術(shù)。

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，翅片管的主要問題是管內(nèi)壁沖刷腐蝕減薄和局部的腐蝕坑，而這種減薄是不均勻的，我們的檢測(cè)雖能測(cè)出最薄的壁厚點(diǎn)，但所得的數(shù)值是該截面壁厚的平均值，經(jīng)解剖驗(yàn)證也證明壁厚偏心減薄的情況。

下面是幾個(gè)實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的翅片管減薄現(xiàn)象的檢測(cè)曲線：

實(shí)際解剖翅片管的照片如下圖：

可看出，上圖是明顯的管壁局部減薄，其縱向解剖如下圖：

對(duì)某一根已經(jīng)爆管翅片管檢測(cè)曲線如下圖：

由圖可見，雖然該管測(cè)厚讀數(shù)為1.50mm，但實(shí)際已經(jīng)爆管，就是由于測(cè)厚的平均效應(yīng)所致，但從圖上仍可清楚看到該管的嚴(yán)重問題。

2010年1月，某煉油廠加氫裂化裝置的兩臺(tái)高壓空冷器連續(xù)運(yùn)行了3年，裝置大修期間委托我們公司對(duì)這兩臺(tái)空冷器的翅片管束進(jìn)行渦流檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果我們認(rèn)為這兩臺(tái)空冷器翅片管束除了少數(shù)管子內(nèi)壁有沖刷淺溝槽信號(hào)外，管子的壁厚未發(fā)現(xiàn)有明顯的異常腐蝕減??；后來廠家對(duì)這臺(tái)設(shè)備抽取了部分列管進(jìn)行解剖驗(yàn)證，結(jié)果證明除了管束內(nèi)部有輕微沖刷痕跡外，列管沒有明顯的異常，直接驗(yàn)證了我們的檢測(cè)結(jié)果。

從上面的解剖圖可以看出，管子的壁厚沒有明顯的腐蝕減薄。

4．某石化廠冷卻器碳鋼管泄漏遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢查

某石化煉廠空冷器發(fā)生了泄漏，但該廠不知究竟是哪根管子泄漏，因而也無法進(jìn)行堵漏修理，為此請(qǐng)我們?nèi)z測(cè)。由于該設(shè)備列管為碳鋼材質(zhì)，必須采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)檢測(cè)。在先進(jìn)行了管壁厚度檢查后，并未發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)一步進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)探傷檢測(cè)，終于在一根管子的靠近管板附近位置發(fā)現(xiàn)一明顯缺陷信號(hào)。后對(duì)該管進(jìn)行堵管處理，開車后發(fā)現(xiàn)泄漏完全消除。

如圖：

5．CO2汽提塔列管腐蝕減薄拔管驗(yàn)證

在大化肥廠的尿素裝置中，汽提塔是一關(guān)鍵設(shè)備。其中發(fā)生的主要問題是列管的均勻腐蝕減薄問題，為保證設(shè)備安全運(yùn)行，不致因爆管而停車，必須經(jīng)常對(duì)列管壁厚進(jìn)行監(jiān)測(cè)，找到其腐蝕變化規(guī)律，并找出壁厚最薄和檢測(cè)速率最快的列管進(jìn)行處理。這就要求快速準(zhǔn)確的進(jìn)行渦流檢測(cè)。由于列管數(shù)量很大，檢測(cè)工作量也很大，這時(shí)渦流檢測(cè)就顯示出獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，檢測(cè)速度快，電腦數(shù)據(jù)處理使得數(shù)千根管子檢測(cè)在兩三個(gè)工作日即可完成。

通常的檢測(cè)曲線如下：

實(shí)際上，這種列管的壁厚減薄規(guī)律是從上管口開始逐漸減薄（外徑不變，內(nèi)徑增大），到約4～5米處壁厚減薄最嚴(yán)重，一過最薄截面再向下，減薄迅速減少，至壁厚毫無減薄，并出現(xiàn)內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢層最后可達(dá)1 mm。如圖：

檢測(cè)精度的實(shí)驗(yàn)分析：根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)所測(cè)管子進(jìn)行當(dāng)場(chǎng)拔管檢驗(yàn)是最可靠的方法。舉例如下：拔管管號(hào) 61-26

實(shí)測(cè)壁厚值最薄截面 1.65mm

A截面 1.80mm

B截面 1.85mm

C截面 1.95mm

拔管后實(shí)測(cè)（用游標(biāo)卡尺，精度0.02mm）

由以上四個(gè)截面的解剖驗(yàn)證數(shù)值與儀器檢測(cè)結(jié)果相對(duì)比，可以看出：

1）對(duì)截面八個(gè)方位壁厚測(cè)量的平均值與儀器讀數(shù)誤差均不超過0.05mm。

2）每個(gè)截面各方位壁厚不可能完全一樣，總有壁厚值的微小變化，說明腐蝕不可能完全均勻。

3）因此實(shí)際的最危險(xiǎn)部位（最薄點(diǎn)）還不能以檢測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，必須考慮一個(gè)誤差量。

4）冷換設(shè)備管束壁厚檢測(cè)是我公司經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)際檢測(cè)摸索出的獨(dú)有檢測(cè)技術(shù)，并形成了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前中外都沒有相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

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