远场涡流

远场涡流检测技术

远场涡流（RFEC.Remote Field Eddy Current）检测技术是一种能穿透金属管壁的低频涡流检测技术。探头通常为内通过式，由激励线圈和检测线圈构成，检测线圈与激励线圈相距约二倍管内径的长度，激励线圈通以低频交流电，检测线圈能拾取发自激励线圈穿过管壁后又返回管内的涡流信号，从而有效地检测金属管子的内、外壁缺陷和管壁的厚薄情况。50年代末，远场涡流检测技术首先用于检测油井的套管。但当时由于人们对远场涡流技术的认识很有限，且电子技术也不太发达，远场涡流检测法未能得到充分的发展。直到80年代中期，随着远场涡流理论的逐步完善和实验验证，远场技术用于管道（特别是铁磁性管道）检测的优越性才被人们广泛认识，一些先进的远场涡流检测系统也开始出现，并在核反应堆压力管、石油及天然气输送管和城市煤气管道的检测中得到实际应用。目前认为远场涡流检测是管道在役检测最有前途的技术。

（1）远场涡流特点

1）特点：采用穿过式探头（见图2-120），检测线圈与激励线圈分开，且二者的距离是所测管道内径的二至三倍；采用低频涡流技术能穿过管壁；主要用于石油天然气管道和油井管道等；需要检测的不是线圈的阻抗变化，通常是测量检测线圈的感应电压与激励电流之间的相位差；激励信号功率较大，但检测到的信号却十分微弱（一般为微状）；能以相同的灵敏度检测管壁内外表面的缺陷和管壁变薄情况，而不受趋肤效应的影响；检测信号与激励信号的相位差与管壁厚度近

似成正比，“提离效应”很小。

图2-120 远场涡流检测探头

采用远场技术进行检测，其灵敏度几乎不随激励与检测线圈间距离变化而变化，探头的偏摆、倾斜对结果影响很小。此外，这种检测方法由于采用很低的频率，检测速度慢，不宜用于短管检测，且只适用于内穿过式探头。若采用外穿过式探头，灵敏度将下降。实验表明，采用外穿过式探头，灵敏度将下降50%左右。

2）远场涡流检测系统的组成

远场涡流检测设备一般由下列五个部分组成：

①振荡器：作为驱动线圈的激励源，同时提供相位测量的参考信号。

②功率放大器：用来提高激励源的功率。

③探头的驱动定位装置：它包括探头和确定探头轴向位置的编码和数据计算系统。

④相位及幅值检测器：通常选用锁相放大器来测量检测线圈的信号。

⑤微型计算机：用于储存、处理和显示检测信号和数据。

图2-121是远场涡流检测系统原理框图。远场涡流检测线圈感应电压及其相位随两线圈间距变化特性曲线如图2-122所示。由图可以看出，随两线圈间距的增加，检测线圈感应电压的幅值开始急剧下降，然后变化趋于缓慢，而相位存在一个跃变。通常把信号幅值急剧下降后变化趋缓而相位发生跃变之后的区域称为远场区；靠近激励线圈信号幅值急剧下降区域称为近场区；近场区与远场区之间的相位发生较大跃变的区域称为过渡区域。

图2-121 远地涡流检测系统原理框图

1—管外壁检测信号幅值2—管内壁检测信号幅值3—管壁内壁检测信号相位曲线

图2-122 检测线圈信号特征

（2）远场涡流方程

在图2-12中，当低频交流电通过激励线圈，它应在线圈周围空间产生一个缓慢变化的时变磁场B ，根据法拉第电磁感应定律，时变磁场B 又在其周围空间激发出一个时变涡旋电场E ，在该电场的作用下，在金属管壁内形成涡流场J e ，同样，涡电流会在其周围空间产生一个时变的磁场，因此，在激励线圈附近金属管壁内外空间的磁场是由线圈内的传导电流场J 和金属管壁管涡流场J e 产生的磁场的矢量和。因为是低频，所以时变涡旋电场产生的位移电流完全可以忽略，于是，激励线圈周围空间的电磁场满足下面麦克斯韦方程组，即：

⎪⎪⎪⎭

⎪⎪⎪⎬⎫

=⋅∇=⋅∇∂∂-=⨯∇+=⨯∇00D B t B E J J H e (2-106)

引入矢量磁位A ，则有

A B ⨯∇= (2-107)

将式（2-107）代入式（2-106）中的第二个方程，并不考虑恒定场，则得

t

A E ∂∂-

= (2-108) 又因： t A E Je ∂∂-==σσ 2-109) 将式（2-109）代入式（2-106）中的第一个方程可得

t A J A ∂∂-=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛⨯∇⨯∇σμ1 (2-110) 式（2-110）是在激励线圈的附近金属管壁内外区域，描述远场涡流现象的扩散方程，式中，μ，σ是金属管材的磁导率和电导率。

对于时谐电磁场，由矢量恒等式，并考虑到0=⋅∇A ，则式（2-110）可简化为

ωσμ

j J A +-=∇21

(2-111) 式中，∙J ，∙A 分别是传导电流密度矢量和矢量磁位的复振幅矢量。 在圆柱坐标中，∙J ，∙A 均只有θ方向分量，且∙

A 只是r ，z 的函数，因此，在轴对称的情况下，式（2-111）可简化为

∙∙∙∙∙∙+-=-∂∂+∂∂+∂∂A j J r A z A r A r r A ωσμ)1(12222 (2-112) 采用“有限元”法求解方程式（2-112），借助电子计算，即可求得远场涡流的空间分布。

（3）远场涡流图

图2-123是一个载流线圈在三种条件下有限元计算出的磁场空间分布图。其中图a 是空气中载流线圈的磁分布图，磁场只是由线圈中的传导电流产生，图b 是在非导电磁性管材影响下线圈中传导电流的磁场分布图，图c 中的磁场则是线圈中的传导电流和磁性导体管壁中的涡电流二者产生的磁场矢量和。

a) 空气中b) 非导电性磁管中c) 导电性磁管中

图2-123 处于不同情况下载流线圈的磁场分布

为了更好的了解远场涡流分布特性，把图2-128c局部放大，如图2-124所示，有限元计算结果表明，90%的磁通被紧紧的束缚在激励线圈附近，9%的磁通在距离激励线圈一个管径以内的区域，只有1%甚至更少的磁通向管内的远处扩散，而对远场涡流检测线圈起作用的磁通大约只占0.1%的总磁通（具体数值随检测线圈的位置和管壁厚度而定），所以检测线圈的感应电压只有微伏级，因此，这一无损检测技术实际上是“涡流检测的弱场效应”。

图2-124 “远场效应”中的强场区和弱场区

由图（2-125）可以看出，在距激励线圈1～2倍管直径的过渡区域内，存在一个深而窄的“磁位同峡谷”（简称“位谷”），在这个位谷中，矢量磁位A幅值达到极小；同时，围绕位谷，矢量磁位A的相位发生突然改变，因此，位谷处又称为“相位结点”，随着激励频率的升高，还会出现多个“相位结点”的现象，如激励频率为960Hz，在过渡区域内就有三个“相位结点”。