第六章远场涡流检测技术-精选

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。
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图9 远场涡流无损检测的原理
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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。
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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）。
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。
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图8 路赛尔公司研制的三代远场涡流无损检测系统
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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2019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。
第六章 远场涡流检测技术
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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]
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）
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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。
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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。
图3 用“智能猪”来检测管线 （壳牌公司，1961）
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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。
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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
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图2 世界上第一个远场涡流井下套管检测探头（Schmidt，1961）
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2019年制定了国家电力行 业标准DL/T 883-2019《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。
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图10 远场涡流场强分布
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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
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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。