涡流检测技术概述

涡流检测技术概述

涡流技术由于具有的很多优点而被广泛应用。首先，它是非接触检测，而且能穿透非导体的覆盖层，这就使得在检测时不需要做特殊的表面处理，因此缩短了检测周期，降低了成本。同时，涡流检测的灵敏度非常高。涡流检测按激励方式和检测原理的不同可以分为单频涡流、多频涡流、脉冲涡流、远场涡流等，下面对这些技术的发展简要的加以介绍。

传统的涡流采用单频激励的方式，主要来对表面及近表面的缺陷进行检测，根据被测材料及缺陷深度的不同，激励频率的范围从几赫兹到几兆赫兹不等，为 了得到良好的检测信号，激励线圈必须在缺陷的附近感应出最大的涡流，感应电 流的大小和激励频率、电导率、磁导率、激励线圈的尺寸和形状以及激励电流的 大小有关,通过测量阻抗或电压的变化来实现对缺陷的检测。然而，由于其它参数也很敏感，这就影响了对缺陷的检测。 为了克服单频涡流的缺点，1970 年美国人 Libby 提出了多频涡流的技术（Multi-frequency Eddy Current, MFEC），多频涡流是同时用几个频率信号激励探头，较单频激励法可获取更多的信号，这样就可以抑制实际检测中的许多干扰因素，如热交换管管道中的支撑板、管板、凹痕、沉积物、表面锈斑和管子冷加工产生的干扰噪声，汽轮机大轴中心孔、叶片表面腐蚀坑、氧化层等引起的电磁噪声，以及探头晃动提离噪声等。理论与实践表明，被测工件的缺陷和上述干扰因素对不同频率的激励信号各有不同的反应，可反应出不同的涡流阻抗平面。利用这一原理，用两个（或多个）不同频率的正弦波同时激励探头，然后由两个（或多个）通道分别进行检波、放大和旋转等处理，此后，通过多个混合单元的综合运算，就可以有效的去除信号干扰，准确的获取缺陷信号。但是，多频涡流只能提供有限的检测数据，很难以可视化的方式实现对缺陷的成像检测。

70 年代中后期，脉冲涡流技术（Pulsed Eddy Current, PEC）在世界范围内得到广泛的研究，PEC最早由密苏里大学的Waidelich在20世纪50年代初进行研究，脉冲涡流的激励电流为一个脉冲，通常为具有一定占空比的方波，施加在探头上的激励方波会感应出脉冲涡流在被测试件中传播，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，由于脉冲包含很宽的频谱，感应的电压信号中就包含重要的深度信息。脉冲涡流主要有以下几个特点：不需要改变测试参数的设置，一次扫描就可以完成对大面积复杂结构的检测；探头上可施加较大的能量来实现对深层缺陷的检测；与多频涡流相比，仪器的成本低。

远场涡流检测技术（Remote Field Eddy Current, RFEC）是基于远场涡流效应的原理，通常使用内通过式探头，由两个线圈组成，一个为激励线圈，通以低频交流电，另一个为检测线圈，但检测线圈不象一般的涡流探头那样紧靠激励线圈，而是置于远离激励线圈两到三倍管内径以外的二次穿透区，这样才具有实现穿透管壁的检测能力。但远场涡流的探头长度较长，信号幅度太低，为提高信号的幅度必须采用较大的激励功率，而过低的激励频率又限制了检测的扫描速度，这就构成了远场涡流检测中相互制约的突出弱点。

80 年代中后期，超导量子干涉仪器（Superconducting Quantum Interference Device, SQUID）开始被应用到无损检测领域。SQUID 是一种用于涡流检测的磁场传感器，在低温时也具有很高的灵敏度，其几乎不受频率的影响，高的磁场灵敏度使其在低频时能检测位于深层的缺陷。但其在使用时必须首先冷却到低温，该技术目前还处于实验室的阶段。

从涡流检测仪器的发展历程来看，共经历了五个阶段。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 代产品是以阻抗分析法为基础，部分采用集成电路技术；第三代产品是多频涡流 仪，利用不同频率下被检金属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，并通过混频处理抑制干扰信号，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，具备频谱分析、涡流成像等功 能；第五代产品是以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、分析和判断，并通过其他技术的辅助检测，以验证其结果的正确性。

近年来，随着科学技术的发展，涡流检测技术在开发使用方面取得了突破性 进展。从硬件技术方面来看，大规模、超大规模集成电路的应用大大缩小了仪器 的体积和功耗；从软件技术方面看，计算机微处理器的性能大幅度提高，以“软”代“硬”成为一种趋势，整机的智能化水平有了很大提高，从而大大降低了对仪

器使用者操作技能的要求。目前，涡流技术已被广泛应用到对不同材料和结构的 检测，主要包括：对飞机结构的检测、压力容器的检测、焊接结构的检测，除此之外，还被用来对位移进行测量。

常规涡流方法对导电金属构件表面和近表面裂纹的检测灵敏度较高。但由于存在趋肤效应，涡流渗透能力不足，难以满足对管壁较厚的天然气管道内外表面及管壁内部裂纹检测的需要。

近年来，围绕对天然气管道裂纹的检测和量化，人们在远场涡流检测技术方面也开展了一些研究。不同于常规涡流检测技术，它是利用两次穿越管壁的低频磁场作为检测信号，不受集肤效应的限制，对管道内外表面裂纹缺陷具有相同的检测灵敏度，能有效克服常规涡流检测法的局限性。且远场涡流探头一般是内穿过式探头，因此比较适合对天然气管道表面裂纹的检测。目前，美国多家研究机构，包括美国天然气技术研究所、西南研究所和Battelle公司等，都在积极致力于天然气管道裂纹远场涡流检测器的研制，美国国家运输部和能源部都对该技术的研究给予了专项资助。

由于国内油气管道质量参差不齐，管道内表面工况较差，限制了需要耦合剂的内检测方法的使用，比如超声波检测法。电磁超声检测法不需要耦合剂，但是其探头功率很大，限制了它在长距离管道在线检测上的应用。漏磁法在裂纹方面的检测能力有限，尤其是无法检测天然气管道中的闭合裂纹，而远场涡流在这些方面要更优一些。

一、远场涡流基本原理

远场涡流是专门用于金属管道缺陷检测的特殊涡流检测技术。典型的远场涡流检测装置如图1.1所示，主要包括一个与管道同轴放置的低频交流线圈和相距2～3倍管道直径外的同轴检测线圈，以及一些必要的机械和电子装置。

远场涡流是发生在金属管道中的独特现象：在管道中与管道同轴放置通以低