渦流檢測

電磁渦流檢測是六大常規(guī)無損檢測方法之一，雖然發(fā)展較晚，但由于它的一些獨特優(yōu)點，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)展和遠場渦流技術(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手段。

一．       渦流檢測原理

渦流檢測技術(shù)所依據(jù)的原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。因此檢測對象必須是導(dǎo)體。檢測儀產(chǎn)生一個高頻交變電流，周圍就會有交變電磁場，于是附近的導(dǎo)體工件就會感應(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，從而也使檢測線圈的電壓和阻抗發(fā)生變化，測出這些變化，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，實際上，凡是能使渦流發(fā)生變化的因素，都能被檢測到，所以渦流的應(yīng)用范圍很廣。例如：缺陷檢查，尺寸(壁厚)測量，電導(dǎo)率測量、材料分選、涂層測厚、葉片裂紋檢查、在線質(zhì)量控制等等。

                              

  渦流檢測原理的幾個基本理論表達式如下：

由交變電流產(chǎn)生磁場：安培環(huán)路定理     

由交變磁場產(chǎn)生感生電動勢：法拉第電磁感應(yīng)定律      

感生電動勢產(chǎn)生渦電流   

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

        

二．渦流檢測的幾個問題

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%。

同時隨著深度增加，渦流相位也線性滯后。

由此可知，渦流檢測適用于表面及近表面的缺陷檢測，對于工件內(nèi)部較深處的缺陷由于渦流很弱，就不易檢測到。一般認為，對于非鐵磁性工件，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，耦合最好，渦流也最強；探頭與工件離開一定距離時，電磁耦合變差，渦流也急劇衰減。一般探傷檢測應(yīng)盡量減少提離效應(yīng)，使探頭與工件盡可能緊密耦合，但有時也可利用提離效應(yīng)，例如進行表面涂層測厚。

對于管棒形工件而言，檢測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。為保證檢測效果，填充系數(shù)越大越好，因此在檢測現(xiàn)場換熱器管子時，被測管必須事先進行有效的清洗，以保證探頭的順利插入及適當(dāng)?shù)臋z測精度。

在工件邊緣或管子的末端，由于電磁場的畸變，使渦流檢測不能有效進行，——末端效應(yīng)，即存在一定的檢測盲區(qū)。根據(jù)檢測探頭和具體工件的不同，這個盲區(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，對探頭加屏蔽等。

3．頻率選擇

對渦流檢測的參數(shù)來說，最重要的是檢測頻率的選擇。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，但信號相位不易分離，且渦流強度也會降低，因此恰當(dāng)?shù)剡x擇檢測頻率是非常重要的。對于管子檢測而言，通常采用如下的經(jīng)驗公式：

    式中 為檢測頻率   為被測管電阻率   為管壁厚度

4．多頻檢測技術(shù)

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

多頻技術(shù)采用兩個或多個頻率施加在探頭上，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而保留真實缺陷信號。例如在管子檢測中可以抵消管外支撐板信號，這在實際檢測中很有用。

5．渦流信號的判別

根據(jù)檢測目的不同，檢測工件不同，檢測線圈的形式不同，所測得的信號阻抗圖也不同。以檢測換熱器列管為例，對列管探傷時的信號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應(yīng)，而幅值主要對應(yīng)于缺陷體積及走向。見下圖：

6.關(guān)于遠場渦流檢測

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

研究表明：在檢測線圈附近的電磁場最強，渦流的絕大部分能量也都集中在這里，稱之為近場區(qū)；但同時還有約1%的能量會穿透管壁向外發(fā)散并沿管壁傳播，此處直接耦合的近場能量為零，稱之為遠場區(qū)，若在此處放置高靈敏度的檢測線圈，即可檢測到傳播路徑上的管壁缺損。這種遠場檢測技術(shù)對碳鋼管道檢測十分有效，尤其是對體積型缺陷。缺點是檢測速度較慢，對于微細裂紋型缺陷，一般效果很差。而且由于檢測探頭較長，它的末端效應(yīng)也比較嚴重，造成較長的渦流檢測盲區(qū)。

   

三．對比試樣

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

對比試樣的作用有兩個：

1．用來對儀器進行校準(zhǔn)。

2．用來作為檢測出的缺陷信號的判別依據(jù)。

根據(jù)被測工件的形狀，對比試樣可分為管棒類、平板類等。

典型的管狀對比試樣如下圖：

下圖為平板裂紋對比試樣：

四．關(guān)于檢測探頭

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

按探頭線圈的連接方式分，可分為差動式和絕對式等。

五．最基本的渦流檢測設(shè)備組成

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

典型的渦流檢測系統(tǒng)方框圖如下：

   

六．渦流檢測的特點

     1．非接觸測量，無需耦合劑

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

2．檢測速度快，可應(yīng)用于生產(chǎn)線上零件的快速檢測

3．可直接與電腦連接處理數(shù)據(jù)

4．測量范圍廣  凡是影響工件內(nèi)渦流的因素都可以被檢測到

5．一般來說，只適用于表面和近表面的缺陷檢測

6．檢測結(jié)果不直觀，需專門的阻抗圖分析

7.需要有與被檢測管完全一樣的對比樣管（包括材質(zhì)和尺寸）

七．渦流檢測的應(yīng)用領(lǐng)域

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

2．航空工業(yè)飛機檢修，渦輪葉片裂紋及蒙皮下裂紋、起落架檢測。

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。

4．核電站、核潛艇的核島部分蒸發(fā)器列管檢測。

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

6．各種零件設(shè)備的表面涂層測厚。

八、公司檢測業(yè)績

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

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

目前，我們已經(jīng)檢測的設(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復(fù)合管等。應(yīng)該說，對于所有導(dǎo)電材料的換熱管束，只要設(shè)計加工出對比樣管，都可以進行渦流檢測。到目前為止我們檢測的冷換設(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)及尺寸的對比樣管三百多支。

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

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

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

九．渦流檢測的實際案例

1．甲銨冷凝器列管的應(yīng)力腐蝕裂紋檢測及解剖驗證

   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)常會產(chǎn)生外壁的應(yīng)力腐蝕裂紋。裂紋一旦穿透管壁就會泄漏造成設(shè)備腐蝕而停車。為此經(jīng)常監(jiān)測應(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：

檢測發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷信號圖：

   

對有嚴重缺陷信號的列管，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，因此通過定期進行渦流檢測，可提前發(fā)現(xiàn)列管應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生和發(fā)展，并及時進行修理或更換，杜絕了因泄露造成停車，有效保證了長周期運行。

2．汽提塔鈦管腐蝕減薄測量

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，總會發(fā)生較嚴重的均勻腐蝕減薄現(xiàn)象，若不能及時發(fā)現(xiàn)并處理，爆管的情況也時有發(fā)生。但利用渦流檢測來監(jiān)測壁厚的減薄情況，即可隨時掌握壁厚的變化，典型的檢測曲線如下圖：

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

  

我們對急劇減薄的環(huán)形槽部位鋸開，并仔細測量該截面各個方位壁厚值

結(jié)果如下圖：

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

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

在此例中，每年檢測管壁的變化情況，找出年平均腐蝕率，即可及時進行處理，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)油品會對管壁造成沖刷腐蝕，管壁會出現(xiàn)較大面積的凹坑，使管壁減薄，嚴重時甚至?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，這就給渦流檢測帶來很大困難。我們經(jīng)過多次檢測實踐，不斷改進檢測探頭設(shè)計并調(diào)整檢測參數(shù)，結(jié)合遠場渦流技術(shù)通過現(xiàn)場抽管解剖進行分析驗證，終于形成了一套針對翅片管的比較成熟的專門檢測技術(shù)。

檢測發(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，我們的檢測雖能測出最薄的壁厚點，但所得的數(shù)值是該截面壁厚的平均值，經(jīng)解剖驗證也證明壁厚偏心減薄的情況。

下面是幾個實際檢測發(fā)現(xiàn)的翅片管減薄現(xiàn)象的檢測曲線：

實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：

  

對某一根已經(jīng)爆管 翅片管檢測曲線如下圖：

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

2010年1月，某煉油廠加氫裂化裝置的兩臺高壓空冷器連續(xù)運行了3年，裝置大修期間委托我們公司對這兩臺空冷器的翅片管束進行渦流檢測，檢測結(jié)果我們認為這兩臺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外，管子的壁厚未發(fā)現(xiàn)有明顯的異常腐蝕減薄；后來廠家對這臺設(shè)備抽取了部分列管進行解剖驗證，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，直接驗證了我們的檢測結(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場渦流檢查

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，因而也無法進行堵漏修理，為此請我們?nèi)z測。由于該設(shè)備列管為碳鋼材質(zhì)，必須采用遠場渦流技術(shù)檢測。在先進行了管壁厚度檢查后，并未發(fā)現(xiàn)問題，進一步進行遠場探傷檢測，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。后對該管進行堵管處理，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)備安全運行，不致因爆管而停車，必須經(jīng)常對列管壁厚進行監(jiān)測，找到其腐蝕變化規(guī)律，并找出壁厚最薄和檢測速率最快的列管進行處理。這就要求快速準(zhǔn)確的進行渦流檢測。由于列管數(shù)量很大，檢測工作量也很大，這時渦流檢測就顯示出獨特的優(yōu)點，檢測速度快，電腦數(shù)據(jù)處理使得數(shù)千根管子檢測在兩三個工作日即可完成。

通常的檢測曲線如下：

實際上，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1 mm。如圖：

檢測精度的實驗分析：根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對所測管子進行當(dāng)場拔管檢驗是最可靠的方法。舉例如下：拔管管號 61-26

實測壁厚值  最薄截面  1.65mm

            A截面    1.80mm

            B截面    1.85mm

            C截面    1.95mm

拔管后實測（用游標(biāo)卡尺，精度0.02mm）

   

   由以上四個截面的解剖驗證數(shù)值與儀器檢測結(jié)果相對比，可以看出：

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

2）每個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）因此實際的最危險部位（最薄點）還不能以檢測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，必須考慮一個誤差量。

4）冷換設(shè)備管束壁厚檢測是我公司經(jīng)過長期實際檢測摸索出的獨有檢測技術(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)的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

                                          南京優(yōu)悅科技有限公司

                                         

周亞波 發(fā)表于 2014-4-27 20:16
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周亞波 發(fā)表于 2013-8-31 09:38
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