远场涡流检测技术

1、远场涡流检测技术远场涡流检测技术 远场远场涡流检测技术涡流检测技术 远场涡流远场涡流（RFEC.Remote Field Eddy Current）检测技术是一种能穿透金属管壁的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，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、

2、外壁缺陷和管而有效地检测金属管子的内、外壁缺陷和管壁的厚薄情况壁的厚薄情况。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。2.1 远场涡流特点远场涡流特点 2.1.1 特点特点 2.1.2 远场涡流检测系统的组成

3、远场涡流检测系统的组成 2.1.1 特点特点 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；需要检测的需要检测的不是线圈的阻抗变化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

4、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。 2.1.2 远场涡流检测系统的组成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： 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。功率放大器：用来提高激励源的功率。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。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。微型计算机：用于储存、处理和显示检测信号和数据。

5、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；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过渡区域区域。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2.2 远场涡流方程远场涡流方程 在图2-12中

6、，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Je，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Je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： (2-106) 引入矢量磁位A，则有 (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 (2

7、-108) 又因： (2-109)将式（2-109）代入式（2-106）中的第一个方程可得 (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，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，则式（2-110）可简化为 (2-111)式中，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，均只有方向分量，且只是r，z的函数，因此，在轴对称的情况下，式（2-111）可简化为 (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。2.3 远场涡流图远场涡流图 图2-12

8、3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的磁通被紧紧的束缚在激励线圈附近，近，9%的磁通在距离激励线圈一个管径以内的的磁通在距离激励线圈一个管径

9、以内的区域，只有区域，只有1%甚至更少的磁通向管内的远处扩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散，而对远场涡流检测线圈起作用的磁通大约只占占0.1%的总磁通的总磁通（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“涡涡流检测的弱场效应流检测的弱场效应”。 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12倍管直径的过渡区域内，存在一个深而窄的“磁位同峡谷磁位同峡谷”（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

10、变，因此，位谷处又称为“相位结点相位结点”，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”。 图2-125 检测线圈感应电压特性曲线 图2-125是在f=40Hz的条件下，检测线圈感应电压幅值与相位随两线圈间的距离Z变化的特性曲线。由图可以看出，在靠近激励线圈附近，检测线圈的感应电压幅值急剧下降，而在二倍管直径之外，感应电压幅值减小缓慢，感应电压的相位大约在二倍管直径处发生跳跃式变化，这个相位突变处正是“相位结点”处。 另外，检测线圈感应电压还有以下特点：检测线圈感应电压还有以下特点：激励频率的增加（f=10160Hz），近区感应电

11、压幅值增加，远区则减小；其相位随频率增加而增加，且过渡区移离激励线圈。被检管内内径增加（保持壁厚不变），感应电压幅值衰减减小，而相位则不随管子直径增加而增加。 管壁厚度增加，近区感应电压幅值衰减变化很小，在远区则衰减增大，且过渡区移离激励线圈，相位滞后随壁厚增加而增大。管子缺陷影响，远场涡流探头无论是对内径管壁不均匀性还是对外径管壁不均匀性都有同等的灵敏度。探头在管内移动速度变化的影响，速度在以10m/s下，磁场畸变不太明显，当速度大于50m/s时，磁场有相当大的畸变，因而会影响探头的响应曲线。 2.4 远场涡流效应的机理远场涡流效应的机理 1）似稳场 2）扩散场）扩散场滞后效应滞后效应1）似

12、稳场满足式2-110的电磁场称为似稳电磁场，或者说，与传导电流相比，位移电流可以忽略的电磁场称为似稳场。 空气中激励线圈周围的似稳场有以下特点空气中激励线圈周围的似稳场有以下特点：滞后效应可忽略。在似稳区域内，电磁场传播时相位滞后可忽略，或者说，在似稳区域内各点的电磁场的相位与激励电流是同样的，这是因为，电磁场是以光速传播氢在靠近激励线圈周围传播的时间可忽略。设流过线圈的电流i=Imsint （2-113）则有 H=eHHm（r，z）sint （2-114）式中，Hm（r，z）是磁强度的复振幅，它是空间坐标的函数；eH是H方向上的单位矢量。 线圈周围磁场的瞬时空间分布与直流线圈的恒定磁场空间分

13、布完全相似。束缚场令矢量磁位为A=eAAm（r，z）sint （2-115）则 E=（-eE）Am（r，z）cost=（-eE）Em（r，z）cost （2-116）于是，坡印亭矢量为Pm=EH=eppmsin2t （2-117）式中，Pm=EmHmsin，是E和H之间的夹角；Ep=（-eE）eH是P方向上的单位矢量。 图2-126 线圈磁场分布和坡印亭矢量 图2-127 线圈似稳电磁场和功率流密度曲线由图2-126和图2-127可以看出，当正弦电流i通过激励线圈时，在第一个1/4周期内，电流由零逐渐增大到最大值，线圈吸收能量，并把该能量转化为磁场能量。在这个过程中，磁力线向外扩张，坡印亭矢量

14、也指向外，其值为正。在第二个1/4周期内，电流i由最大值逐渐减到零，线圈象个电源把能量放出。第三、四两个1/4周期与第一、二两个1/4周期情况相似，所不同的是电流和磁场方向两者相反，可见激励线圈周围的电磁能量受电源束缚，在电流的每个周期内，两次往返反于电源与电磁场之间，或者说，电磁场能量在电源与电磁场之间来回振荡，其频率是交变电流频率的2倍，坡印亭矢量的周期平均值为零，即 （2-118）这说明，线圈周围的似稳电磁场受电源束缚，不能向外传播，故有时又称为束缚场或感应场。 2）扩散场）扩散场滞后效应滞后效应当激励线圈置于导电磁性管内时，如图2-120所示，这时线圈周围的磁场分布变得极为复杂，为了理

15、解金属管壁中的电磁场运动过程，我们先来看看最简单的一维涡流场的特性。当半无限大导体表面有一平行y方向上的交变磁场为 则通过角一维涡流方程，可求得导体中的电磁场和涡流场为 （2-119） （2-120） （2-121）式中，是趋肤深度，是导体表面处的涡流密度。 上式（2-119）（2-121）可以看出，导体中的涡流场和电磁场是扩散场，由于涡流引起的损耗，电磁场在扩散过程中，不但振幅随向导体内深入而按指数衰减，而且相位也越来越滞后，这种因衰减引起“滞后效应”使得导体内的电磁场具有似波性，即具有： 扩散速度v，由相位滞后可求得相移速度或扩散速度为 （2-122） 当f=40Hz，r=250，=0.7

16、1071/m时，由式（2-128）算得：v=0.479m/s。可见电磁场在导体中扩散速度远小于电磁场在空气中的传播速度，且不同频率的电磁场的扩散速度不同。 扩散能量流。在导体中，通过与电磁场传播的方向垂直的单位面积的周期平均能量流密度为： （2-123） 可见，电磁能量由导体表面向其内部传播，且随着向导体内深入而按指数规律衰减。在导体中，磁能密度远大于电能密度。金属管壁中的涡流是极其复杂的轴地称二维场，其中，电磁场的运动与一维场类似，在管壁内形成一个由内向外的扩散电磁场，随着向管壁内部深入产生相位滞后，并以类似于式（2-122）决定的速度形成扩散能量流。当扩散电磁场穿出管外壁后，径向扩散能量流

17、立即消失， 经过管壁的扩散损耗，在穿出管外的磁场中主要是紧靠激励线圈占总磁通量90%的那部分磁场，作为二次源，这部分磁场在磁性导管的引导下沿管外表面向前传播，但同时仍受致电源的束缚，在磁力线向内收缩时，又由管壁外表面窗入管壁内，并再次形成向管内扩散的能量流。 在直接耦合区的管壁内，这股向管内的扩散能量流与向外扩散的能量流相比小得多；在过渡区的管壁区，两者大小可能相当，因此，在某处两股反向扩散的能量流相遇，相互抵消形成“位谷”；在远区的管壁内，向内扩散的能量流是主要的，当它穿过管壁进入管内后，其中的磁力线穿过检测线圈产生感应电动势。 若管壁厚度为h，则磁场两次穿过管壁造成的振幅衰减和相位滞后由下

18、式决定。 （2-124）在管壁无缺陷时，检测线圈的感应电压与激励电在管壁无缺陷时，检测线圈的感应电压与激励电流间的相位滞后正比于壁厚与趋肤深度倒数的乘流间的相位滞后正比于壁厚与趋肤深度倒数的乘积，管壁存在裂纹、凹坑及腐蚀等缺陷时，管壁积，管壁存在裂纹、凹坑及腐蚀等缺陷时，管壁厚度减小，因而导致检测信号相位差减小和幅值厚度减小，因而导致检测信号相位差减小和幅值增大，于是管道缺陷被发现增大，于是管道缺陷被发现。由于磁场在管外表面和管内经过的途径差异不会产生相位滞后，所以检测信号的相位差只与管壁厚度有关，而与“提离效应”无关，且对管壁内外表面的缺陷具有相同的检测灵敏度，而不受“趋肤效应”的影响。 但

19、是，这并不是说“趋肤效应”不影响远场涡流检测，相反，正是由于存在“趋肤效应”，使得检测信号极其微弱，例如在图2-123，当管壁厚为0.2in（=5.08mm）时，经过两次在管壁中的扩散衰减，磁场强度减小为原来的4.8%。 扩散运动的似波性扩散运动的似波性，往往被误认为电磁场在管壁中以电磁波的形式传播。尽管电磁场在管壁中沿扩散方向形成相位滞后和能量以一定的速度向前传播，但是，这个扩散场仍然是似稳场，而不是辐射场，即不是电磁波。原因之一是，时变磁场可以在管壁中产生时变电场，但是反过来，时变电场对磁场的影响却微乎其微，因而不能形成磁场和电场相互激励产生电磁波；原因之二是，磁场的边界效应遵循恒定磁场在

20、边界面上的折射定律，即 （2-125） 图2-128是有限元计算出的激励线圈附近的磁场分布（管外径=50.8mm，管内径=38.1mm）。 a）=500 b）=0图2-128 不同磁导率分布图图a是磁性导电管，管壁内外表面的磁力线几乎与管壁垂直，铁磁性管壁内外表面近似是个等磁位面；图b是非磁性导管，磁力线直穿内外管壁表面，不改变任何方向。这两种边界情况，磁力线完全遵循恒定磁场的折射定律，不产生任何反射。而电磁波在不同介质的分界上是要产生反射和折射的，并遵循光学的反射折射定理。 激励线圈周围的磁场，是线圈中的激励电流i和管壁中的涡流场Je二者产生的磁场矢量和。设二者的矢量磁位分别为A1和A2，A

21、1和i同相，A2是沿管径向及轴向衰减的复杂的体分布涡流场Je产生的磁矢位的矢量和，且在管壁内沿径向各点的振幅和相位都不相同。管壁内外任一点的矢量磁位为A=A1+A2 （2-126） 在紧靠激励线圈的近区，A由A1主宰，就是说近区内的磁场主要由激励电流决定，因此，近区管壁内矢量磁位A与i同相，即初相角1为零；在远场区，A由A2主宰，该区内的磁场主要由涡流场Je决定。有限元计算结果表明，在远区管壁内，A2的初相角2接近180，可以想象，在过渡区的管壁内存在这样一点：A1=A2，1=0，2=180，因此A1=0，显然，这一点就是“位谷”，或相位结，越过相位结点，A的相位将改变180。 2.5 远场涡

22、流探头远场涡流探头 目前，远场涡流探头存在的问题问题，一是探头长度太长，难以在弯管中通过；二是检测线圈信号幅度太低，通常只有几微伏到几十微伏，因此，信号提取和处理很困难；三是激励电流都采用低频，这样就限制了它的扫描速度，为解决以上问题，人们采用了以下几种办法办法。 1) 在检测线圈和激励线圈之间设置屏蔽盘。 2) 应用磁饱和技术 3) 应用平衡技术1) 在检测线圈和激励线圈之间设置屏蔽盘。 为了缩短探头的长度，必须尽量缩短直接耦合区和过渡区域，也就是缩短由管外向管内扩散的能量流压倒由管内向管外扩散能量流的途径，在靠近激励线圈放置屏蔽盘(如图2-129所示)可以加剧直接耦合区磁场的衰减，计算结果

23、表明，当放置一个铝铁氧体铝三层屏蔽盘时，有可能把远场区移到激励线圈一倍管内径处，且对2倍管内径以外的远场分布几乎没有影响。 图2-129 带有屏蔽盘的远场涡流装置 2) 应用磁饱和技术用常规涡流检测铁磁性材料时，为了抑制磁导率变化产生的干扰信号，常采用磁饱和技术。图2-130表示远场涡流检测铁磁性管材采用磁饱和技术的示意图。由图可以看出，在靠近激励和检测线圈处能量传播的路径上设置饷窗。计算结果表明，设置磁饱和窗后，趋肤效应减低有利于能量的传递，过渡区向激励线圈移近，信号幅度增大，如果仍然维持信号幅值与无磁饱和窗时相同，则有磁饱和窗时工作频率可以提高，只在激励线圈处设置饱和窗，频率可由30Hz提高到50Hz；只在检测线圈处设置磁饱和窗，频率可提高到55Hz；若在两处同时设置磁饱和窗，工作频率可由30Hz提高到95Hz，从而提高检测时的扫描速度。图2-130 磁饱和窗远场