远场涡流检测技术的研究与应用

远场涡流检测技术的研究与应用

油气管道通常由铁磁性材料制成，管壁较厚。传统的铬检测方法存在许多问题。目前,一种最具发展前景的远场涡流管道检测技术已成为国内外无损检测领域里的研究热点,将其应用于管道检测,效率高,实用性强,经济可靠。一、涡流检测技术研究现状远场涡流(Remotefieldeddycurrent,RFEC)技术最早发表于1951年美国W.R.Maclean的一篇专利报告中,20世纪50年代末60年代初,壳牌公司的T.R.Schmidt教授研制成功了应用于油井套管检测的远场涡流仪。80年代,有限元法和计算机数值分析技术的应用进一步推动了远场涡流机理的研究,美国学者T.R.Schmidt教授、W.Lord教授、D.L.Atherton和我国的孙雨施教授等用有限元法和计算机仿真技术研究了远场涡流现象,应用能量扩散流的概念阐明了远场涡流现象的机理。1986年,美国的科罗拉多州立大学用有限元方法模拟并复制了远场状态。我国的孙雨施教授和W.Lord教授合作引入能流的概念,发现了“磁位峡谷”和“相位节点”现象。20世纪80年代以后,国内外一些研究机构着手进行远场涡流检测系统的研制,K.TomitaandK.Yasui等人还撰文介绍了其应用系统。近年来,远场涡流技术的应用得到全面深入的研究,许多研究机构正在进行远场涡流检测系统的研制工作。与检测铁磁性管的不完全磁饱和涡流法和漏磁法相比,远场涡流检测技术可以提供最佳的缺陷尺寸。远场涡流检测设备主要由以下几部分组成。(1)振荡器和功率放大器,用于激励线圈,输出信号,为相位测量提供参考信息。(2)相位及幅值检测放大器,用于处理接收线圈的接收信号。(3)计算机系统,用于存储、处理和显示检测信号。(4)探头及定位编码器,其中包括激励线圈和接收线圈。(5)爬行器或清管器式控制器及电源系统。采用爬行器式驱动装置,便于掌握检测速度和扫描采样速率。二、接收线圈信号—远场涡流效应远场涡流检测技术是基于远场涡流效应的一种管道检测新技术,它除了具有一般常规涡流技术的优点外,对铁磁性管道无需采用磁饱和等辅助方法,就可以直接用内插式探头检测管壁上的裂纹、腐蚀凹坑、磨蚀减薄等缺损。原始的远场涡流检测探头由1个激励线圈和1个接收线圈组成(见图1),激励线圈通低频交流电,接收线圈必须置于远离激励线圈2~3倍管内径处的远场区。接收线圈中感应电势值及该电势与激励电流之间的相位差随两线圈之间距离Ded(管内径D的倍数)的变化关系曲线,称为信号—距离特性曲线(见图2)。由图2可以看出,接收线圈信号—距离特性曲线可以分为以下3个区域。(1)Ded<1.8D区域,称为近场区或直接耦合区。在该区域,由于接收线圈与激励线圈直接耦合剧减,使感应电势随距离增大而剧减,相位变化不大。(2)当Ded增大到2~3D时,幅值与相位均以较小速率下降,而且管内外相同,其感应电势的相位滞后大致正比于穿过的管壁厚度,可以近似用一维集肤效应相位公式进行计算。θ=2δπfμσ−−−−−√(1)θ=2δπfμσ(1)式中θ——感应电势的相位滞后;δ——管壁厚;f——激励频率;μ——管壁材料的磁导率;σ——管壁材料的电导率。这个区域称为远场区。远场区的这种特珠规律,被称之为远场涡流效应,传统的涡流概念已无法解释。(3)近场与远场之间的区域称为过渡区。在过渡区,感应电势下降速率减小,有时甚至出现微弱增加现象,同时相位差发生急剧变化。著名美国研究学者T.R.Schmidt指出,远场涡流现象取决于管内发生的两个主要效应,一是沿管子内部对激励线圈直接耦合磁通的屏蔽效应;二是存在能量两次穿过管壁的非直接耦合路径。激励线圈附近区域管壁中的感应周向涡流迅速扩散到管外壁,同时幅值衰减、相位滞后,到达管外壁的电磁场又向管外扩散,由于管外场强的衰减速度比管内直接耦合区的衰减速度慢得多,因此,管外场又受管外壁感应产生涡流,涡流穿过管壁向管内扩散,并再次产生幅值衰减与相位滞后,这就是远场区接收线圈接收到的信号。这个远场涡流效应很快为迅速发展起来的场有限元数值仿真计算所证明。三、涡流检测技术应用特点(1)远场涡流技术检测的是穿过管壁后在管外沿管轴传播一段距离再返回到管内的磁场,接收线圈必须处于距激励线圈2~3倍管径处的远场区。常规涡流技术则是采用靠近管壁的线圈以直接磁耦合的形式来拾取传播到管壁又返回的信号。(2)远场涡流检测仪频率较低(典型为50~500Hz),磁场可以穿过铁磁性材料管壁,为了保证在激励的每个周期内采集到信号,并且不漏检,其检测速度受到限制,通常只有常规涡流检测方法的1/3~1/5,约在10~20m/min之间。常规涡流检测仪频率较高(1000Hz范围),在铁磁性材料管道中,磁场被限制在管道的内表面,检测外部缺陷非常困难。(3)远场涡流技术主要用于检测铁磁性管道,也可以用于检测非铁磁性管道,其最大优势是能检查厚壁铁磁性管道,最大检测壁厚为25mm,这是常规涡流技术无法达到的。其次,对大范围壁厚缺损,远场涡流检测技术的检测灵敏度和精确度较高,精度可以达到2%~5%,对于小体积的缺陷,如腐蚀凹坑等,其检测灵敏度的高低取决于被测管道的材质、壁厚、磁导率的均匀性、检测频率和探头的拉出速度等因素。常规涡流检测技术与其相比造价较低,一般适用于检测非铁磁性材料。(4)远场涡流检测技术测量的是接收线圈输出的相位和幅度信号,条形图显示的是相位和幅度的对数,这些参数都和管材大范围的缺损呈线性关系。常规涡流检测显示的是阻抗幅度和相位,与壁厚的关系较复杂。(5)远场涡流检测仪对内外管壁缺损有相同的检测灵敏度,对填充系数要求低,对有障碍物和凹痕的管子检测效果很好,对探头在管内行走产生的偏心影响比常规涡流小。四、涡流检测技术的难点现场检测时,用户必须提供一些被测管道的信息,包括管道的使用年限、以前的检测史、腐蚀数据及被测管道的长度等。为了避免掩盖缺陷信号,检测前应清除管内的障碍物、淤积物、磁性物质和导体的碎屑。在管道检测中远场涡流检测技术还存在以下技术难题。(1)渗透性变化会产生类似金属缺损的信号,掩盖真正的金属缺损信号。需要研究开发一种能把渗透性变化的情况滤除或将其区分出来的方法。(2)支撑板会阻挡磁力线的传播,掩盖缺损信号,导致靠近支撑板的管面检测困难。(3)管子的弯曲部位在壁厚和渗透性上变化很大,严重影响了远场涡流信号,探测此处的缺陷和缺陷尺寸成为问题。(4)检测时,必须保证检测速度的平稳,不能引起振动噪声,否则振动噪声会湮没缺陷信号。五、涡流检测技术的应用(1)接收线圈信号幅值太低,通常为微伏或数十微伏数量级,信号的分辨和处理很困难。如何利用三维涡流场有限元法分析远场涡流现象和设计制造高灵敏度、高抗干扰能力、高信噪比的新型远场涡流探头,及研制造价不太昂贵的远场涡流检测系统,是远场涡流技术应用于实际的最重要的研究课题。(2)探头是远场涡流检测系统的重要组成部分,D.L.Atherton和T.R.Schmidt等人提出,使用饱和磁技术,可以提高扫描速度和工作频率;应用平衡技术可以抑制或消除某些噪声因素对缺陷信号的干扰。此外需要从探头的结构及其它途径分析探头的缺损响应特性,如利用多频激励的方法来解决,但多频涡流是否具有常规涡流检测的优点,可行性如何,需要进一步研究。我国南京航空航天大学研制的三维探头较好的反映了缺损响应特征。(3)接收线圈只能反映圆周缺损变化的平均值,一般多用于直径较小的管子。对于直径较大的管子,由于管内空间大,必须设置三维探头,采用圆周分布的一组接收线圈,直接敏感三维缺损,才能改善缺损特征的表达效果。(4)远场涡流检测技术对管内壁和管外壁缺陷具有相同的灵敏度,但缺陷的位置是在内壁还是在外壁,目前的技术尚无法回答。如何在管道检测中实现自动化,也是目前远场涡流检测技术研究的一项迫切任务。六、保证管道的正常运行远场涡流检测技术解决了在役铁磁性管道的检测问题