远场涡流技术

远场涡流无损检测技术的发展历史及特点远场效应是20世纪40年代发现的。1951年Maclean W.R.获得了此项技术的美国专利[1]（见图1）。50年代壳牌公司的Schmidt T.R.独立地再发现了远场涡流无损检测技术，在世界上首次研制成功检测井下套管的探头（见图2），并用来检测井下套管的腐蚀情况[2]，1961年他将此项技术命名为“远场涡流检测”，以区别于普通涡流检测。壳牌公司开发部向Maclean购买了该专利权，在探头的研制中获得了很大的成功，并用来检测井下套管。20世纪60年代初期，壳牌公司应用远场涡流检测技术来检测管线，检测设备包括信号功率源、信号测量、信号记录和处理，做成管内能通过的形式，像活塞一样，加动力之后即可在管线内运动，取名“智能猪”（见图3）。此装置于1961年5月9日第一次试用，一次可以检测80公里或更长的管线。[3]

壳牌公司在80年代促进了此项技术的商业化。一些制造商立刻认可了此项技术的价值，开始生产远场涡流检测设备。[4]

图1世界上第一个远场涡流检测的专利

图2世界上第一个远场涡流井下套管检测探头（Schmidt，1961）

图3用“智能猪”来检测管线

（壳牌公司，1961）

在过去的20多年中，远场涡流检测技术引起了全世界有关研究人员的兴趣，Schmidt T.R.作出了杰出的贡献，Lordo w，Atherton D.L.等[5][6][7]对远场涡流现象进行了有限元模型的理论模拟，开发了计算机模拟程序，为远场涡流检测奠定了坚实的理论基础。

在80年代后期和90年代初期，远场涡流检测技术得到了很大发展，开发了

检测系统，利用内置式探头来检测输气管线、井下套管、地埋管线、热交换器和锅炉[8][9]，利用外置式探头来检测平板和钢管。现代的检测设备利用计算机来显示和储存数据，还有自动信号分析程序。

从20世纪80年代开始，加拿大路赛尔技术有限公司（RUSSELL NDE SYSTEMS INC简称路赛尔公司）与加拿大女王大学（Queen’s University，世界应用电磁研究中心）合作，致力于远场涡流技术在管道检测方面的研究，特别是井下套管和地埋油气水输送管线的检测。路赛尔公司1988年研制成功第一代远场涡流检测系统（108型），1992年研制成功第二代检测系统（204型），2000年研制成功第三代检测系统（308型，见图8）。目前路赛尔公司生产的远场涡流无损检测系统的技术居世界领先水平。

图8路赛尔公司研制的三代远场涡流无损检测系统2000年美国材料试验学会制定了ASTM E2096-00《热交换器管远场涡流检测》标准，此标准由路赛尔公司撰写。美国无损探伤试验学会ASNT于2004年出版的电磁无损检测手册[10]，其中第八章远场涡流检测由路赛尔公司和加拿大女王大学撰写。

2000年以来我国电力、石化、化工行业向路赛尔公司购买了数套204型和308型远场涡流检测系统，用于检测锅炉和热交换器，应用效果很好。我国2004年制定了国家电力行业标准DL/T 883-2004《电站在役给水加热器铁磁性钢管远场涡流检验技术导则》。近二年来我国油田开始对路赛尔公司生产的远场涡流井下套管无损检测系统感兴趣。

远场涡流无损检测的原理和优点

三种普通无损检测方法存在的缺陷

对于井下套管和地埋线的无损检测，人们通常尝试使用漏磁、传统涡流和超声检测方法，但这三种方法都存在很大的局限性。

漏磁检测存在的主要问题：

·对于内壁和外壁缺陷的灵敏度很不一致，如果探头与外壁接触，则外壁缺陷的灵敏度比内壁高；

·无法检测均匀腐蚀减薄；

·对间隙非常敏感，间隙变化会引起检测误差；

·由于必须采用磁化装置，因此设备比较笨重。

传统涡流存在的主要问题：

·传统涡流对于铁磁性管子，由于集肤效应的作用，只能检测管道的表面缺陷，不能做到对管壁100%的检测；

·对间隙很敏感，间隙变化对灵敏度影响很大。

超声检测存在的主要问题：

·超声检测要求被检测的表面很清洁，需要良好的声耦合，管道检测特别是管道的在役检测很难实现良好的声耦合。

远场涡流无损检测的原理[11]

内置式探头置于被检测钢管内，探头上有一个激励线圈，还有一个（或二个）检测线圈。激励线圈和检测线圈的距离为钢管内径的2-3倍。激励线圈发出的磁力线（能量）穿过管壁向外扩散，在远场区又再次穿过有表面缺陷的管壁向内扩散，被检测线圈接收。检测线圈接收到的信号的幅度和相位都和壁厚有关，利用专用的软件就可测得管壁的厚度（见图9）。

图9远场涡流无损检测的原理

激励线圈与检测线圈间距的确定

由图10的下部份可看出，在激励线圈和检测线圈之间存在三个区：直接耦合区、过渡区和远场区。图10的上部份是钢管的外壁和内壁的远场涡流场的幅度与两线圈的间距（为钢管内径的信数）的分布曲线。从图中可看出：外壁的幅度大于内壁的幅度；当间距等于、大于二倍钢管内径后，外壁和内壁的幅度与间距成正比，而且当间距为2-3倍钢管内径时（远场区），外壁和内壁的幅度较大，因此，激励线圈和检测线圈的距离取2-3倍钢管的内径。

图10远场涡流场强分布

波在钢板中的传播

由图11可看出，波在钢板中传播的过程中，波幅衰减，相位发生移动。钢板的厚度越大，波幅衰减得越大。

图11波在传播过程中波幅的衰减和相位的移动

探头附近磁力线的分布

由图12可看出，在远场区磁力线的轨跡与管壁平行，因此，在远场区通过管壁的磁力线的总数和壁厚成正比。

图12探头附近的磁力线分布（3/4″管，有限元计算结果）

远场涡流无损检测的优点

与普通涡流、漏磁和超声波无损检测相比，远场涡流无损检测具有以下优点：·被检测的钢管的表面不必清洗；

·探头与钢管表面不接触，探头外径与钢管内径之间的间隙变化对检测结果的影响很小，允许的最大间隙为钢管内径的30%，最佳间隙小于钢管内径的15%；

·检测钢管内表面和外表面的腐蚀坑的灵敏度相同；

·对均匀减薄、渐变减薄和偏磨减薄的检测，都有极高的检测灵敏度；

·探头的检测速度是否均匀对检测结果无影响；

·钢管内的气体、液体介质对检测结果无影响；

·检测设备体积小，重量轻，便于现场灵活应用；

·检测数据还可存入探头内，实施长距离检测。