涡流检测远场涡流

磁力线的疏密表示磁场的强弱，由图 可以看出，由磁力线分布看出基本的磁
场强弱分布： 管道内部近场区的磁场最强， 其次是管道外面的空气， 管道内部的远场区磁磁力线之间的间隔及其发散程度不再表示磁场的强 弱，而表示磁场变化速度的大小，等距排列的对数磁力 线表示磁场在磁力线方向无变化，在与磁力线垂直的方 向成指数变化。 由对数磁力线图可以看出各个区域的磁场方向，管道壁 和管道内的远场区的磁场基本上是轴线方向。 由对数磁力线图还可以看出磁场的变化速率，图中在不 同区域有不同间距基本等距排列的对数磁力线，表示在 这些区域磁场沿磁力线垂直的方向成不同速率的指数变 化。 其中管道壁中的磁力线最密，表示磁场在管道的径向衰 减最快， 其次是近场区的轴线方向，衰减最慢的是管道外面的空 气中。在这些区的磁力线方向，磁场变化更加缓慢。
检测线圈中感应电势值以及该电势与激励 电压之间相位差随两线圈之间距离（ 以管的内 径的倍数表示）变化曲线，称之为信号一距离 特性曲线
信号－距离特性曲线
• 当检测线圈到激励线圈的距离<l. 8D区域，感应电动 势是随着距离的增大而锐减，这是因为检测线圈与激 励线圈直接耦合剧减所致，符合一般的涡流检测理论， 称其为近场区或直接耦合区。 • 当检测线圈到激励线圈的距离增大到3D以外，幅值与 相位均以较小的速率下降，且管内外相同，其相位滞 后大致正比于穿过的管壁厚，这个区域称为远场区， 对于这个区域的规律，传统的涡流概念已无法解释， 称之为远场涡流效应。
超声波检 测
优点 检测非常厚 （十几个厘米） 的导电和非导 电材料
射线检测
常规涡 流检测
远场涡流
检测厚的导电和非导电 无需耦合介 材料，检测结果易保存， 质，简单可 对气孔、夹渣、未焊透 靠 等缺陷较为敏感
远场涡流检测仪对内 外管壁缺损有相同的 检测灵敏度,对填充 系数要求低,对有障 碍物和凹痕的管子检 测效果很好，无需耦 合介质，简单可靠, 对提离效应不敏感
远场区的相位滞后
• • 远场区的相位滞后可以近似用一维集肤效应公 式来计算: 2h f
式中， 为感应电动势的相位滞后，h为管壁 厚，f为激励频率，σ为管壁材料的磁导率，为 管壁材料的电导率。 • 很明显，只要测出激励信号和检测信号的相位差， 从上面的公式中就可以计算出管壁厚，进而可以 得缺陷的深度信息(裂纹和管壁减薄都可以看做 是) 。 • 正是利用远场涡流信号在远场区的检测信号与激 励信号的相位差与管壁的厚度成正比这一显著特 点可以检测管壁的厚度，进而可探知管壁的腐蚀， 缺陷等信息。
远场涡流
• 80年代，远场涡流在若干发达国家引起重 视，美、加、英、日等国都投入大量人力 物力进行研究和开发。与此同时，有限元 法和计算机数值分析技术的应用进一步推 动了远场涡流机理的研究。 • 远场涡流检测技术一直是国内外研究的 热点，并且广泛的应用于电力、石化和特 种设备等行业。
标准件
现场利用远场涡流检测技术对热交换管进行检测
远场涡流的对数磁力线分布
远场涡流检测系统框图
检测信号有两个特征量: 幅值和相位 对检测信号的显示常用的有两种方式： 1.分别将幅值和相位进行波形显示。 2.在复平面下以阻抗图的形式显示。
通过幅值和相位的变化就可以 判断缺陷的相关情况
幅值和相位 的直接显示
幅值和相位图的局部放大
阻抗图形式
远场涡流与常用检测方法的比较
穿孔、凹陷等缺陷
远场涡流的基本原理
远场涡流的基本原理图
远场涡流的基本原理
远场涡流一种特殊的电磁现象：在管道中与管道同轴放置通以低 频交流电的激励线圈，它所产生的磁场能量在管道传播时有两 个不同的耦合路径： 1. 直接能量耦合路径：管道内沿着中心轴传播的直接耦合能量通 道，并且随着距离激励线圈距离的增加呈现指数式的衰减； 2. 间接能量耦合路径：是存在能量的两次穿过管壁的非直接祸合 路径，它源于激励线圈附近区域管壁中感应的周向涡流，此周 向涡流迅速扩散到管外壁，同时幅值衰减、相位滞后，而到达 管外壁的电磁场又向管外扩散 由于管外场强的衰减较管内直接祸合区衰减速度慢得多，因此管 外场又在管外壁感应产生涡流，穿过管壁向管内扩散，再次产 生幅值衰减与相位滞后，这也就是远场区检测到的信号又会在 管壁中激发出涡流，穿越管壁到达检测线圈，称为间接耦合能 量路径。
缺点
对材料的表面 裂纹不太敏感，而且对 要求比较光滑， 人体造成辐射伤害 而且需要耦合 介质，对表面 有一定的检测 盲区
只能检测表 面缺陷，而 且检测结果 容易受到提 离效应的影 响
不能准确的判断缺陷 的位置
未来研发与设计方向
• 接收线圈信号幅值太低,通常为微伏或数十微伏数量级,信号的分辨和处理 很困难。如何利用三维涡流场有限元法分析远场涡流现象和设计制造高灵 敏度、高抗干扰能力、高信噪比的新型远场涡流探头,及研制造价不太昂 贵的远场涡流检测系统,是远场涡流技术应用于实际的最重要的研究课题。 • 探头是远场涡流检测系统的重要组成部分,D.L.Atherton 和T. R. Schmidt 等人提出,使用饱和磁 技术,可以提高扫描速度和工作频率，应用平衡技可 以抑制或消除某些噪声因素对缺陷信号的干此外需要从探头的结构及其它 途径分析探头的缺损响应特性,如利用多频激励的方法来解决,但多频涡流 是否具有常规涡流检测的优点,可行性如何,需要进一步研究。 • 接收线圈只能反映圆周缺损变化的平均,一般多用于直径较小的管子。对 于直径较大的管子,由于管内空间大,必须设置三维探头,采用圆周分布的一 组接收线圈,直接敏感三维缺损,才能改善缺损特征的表达效果。 • 远场涡流检测技术对管内壁和管外壁缺陷具有相同的灵敏度,但缺陷的位 置是在内壁还是在外壁,目前的技术尚无法回答。如何在管道检测中实现 自动化,也是目前远场涡流检测技术研究的一项迫切任务。 • 将远场涡流应用到管道以外的其他类型的工件，如平板类的工件等。 • 将远场涡流和其他无损检测技术的集成。
远场涡流
远场涡流
• 远场涡流(Remote field eddy current, RFEC)技术最早发表于1951年美国W.R. Maclean 的一篇专利报告中； • • 20世纪50年代末60年代初,壳牌公司的T.R. Schmidt 教授研制成功第一个在役远场涡流 检测系统，用于直径178～203mm、壁厚 9.5～12.7mm的油井套管检测。
远场区的相位滞后
远场区的相位滞后可以近似用一维集肤效应公式来 计算:
2h f
为感应电动势的相位滞后，h为管壁厚，f为 式中， 激励频率， 为管壁材料的磁导率， 为管壁材料的 电导率。 很明显，只要测出激励信号和检测信号的相位差，从上 面的公式中就可以计算出管壁厚，进而可以得缺陷的 深度信息(裂纹和管壁减薄都可以看做是)。 正是利用远场涡流信号在远场区的检测信号与激励信号 的相位差与管壁的厚度成正比这一显著特点可以检测 管壁的厚度，进而可探知管壁的腐蚀，缺陷等信息。 10