宋 凱，彭旭釗，危 荃，李來平，涂 俊，馬冰洋

(1.無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063;2.上海航天精密機械研究所，上海 201600)

0 引言

渦流檢測因具有不需與工件接觸、不用添加耦合劑、檢測靈敏度高且速度快等優(yōu)勢［1］，在鋼管檢測中廣泛應用，國內(nèi)外許多國家也制定了相應的鋼管渦流檢測標準，如GB/T 7735—2004［2］、ASTM E309—2011［3］和JIS G0583—2012［4］。根據(jù)國家標準GB/T 7735—2004，對鋼管開展渦流檢測時需對其進行飽和磁化，并針對通孔缺陷和不同規(guī)格的鋼管，明確其對應能檢出最小的通孔直徑，如鋼管外徑在76～144 mm 范圍內(nèi)，應能夠檢出最小直徑為2.2 mm 的通孔即可。然而在實際檢測的工件中，通孔缺陷大小各異，值得研究的是，通孔直徑是否對渦流信號的相位或幅值產(chǎn)生影響，這將對鋼管通孔缺陷的定量評價方面有著重要意義。

目前對于非鐵磁性管道通孔缺陷的研究較為透徹，如楊寶初［5］和曹剛等［6］發(fā)現(xiàn)不同直徑的通孔信號相位并非一個固定的值，并解釋了信號相位會隨直徑的改變而變化的原因。而對于鋼管通孔缺陷，國內(nèi)外尚未單獨展開深入研究，即便有文獻涉及此方面，也只是從多種缺陷渦流信號的檢測結(jié)果作了相關論述，如林俊明等［7］對含通孔、盲孔和人工槽的鋼管開展了不同磁化狀態(tài)下渦流檢測試驗，發(fā)現(xiàn)鋼管處于飽和磁化強度的60%～70%時，檢測效果最佳，但試驗中只提及了φ1.4 mm和φ2.2 mm 通孔，所研究的通孔直徑規(guī)格太少，無法對鋼管通孔缺陷在渦流檢測中所反映的信息作全面的解釋。

本研究以含通孔缺陷的鋼管為研究對象，搭建渦流檢測試驗平臺，開展不同磁化狀態(tài)下渦流檢測試驗，分析不同直徑通孔信號幅值和相位隨磁化電流的變化規(guī)律，為通孔缺陷的評判以及選取合適的磁化區(qū)提供理論依據(jù)。

1 鋼管試樣及試驗系統(tǒng)

1.1 鋼管試樣及缺陷

試樣材料為45 鋼，其冷熱加工性能、力學性能較好，且價格低，常用于重中型機械制造業(yè)中，因此具有廣泛的代表性。鋼管外徑為87 mm，長度為1 200 mm，壁厚分別為6、9 mm，在鋼管上加工7 個不同直徑的通孔缺陷，其直徑分別為1.5、2.0、2.5、4.5、6.0、10.0、15.0 mm，通孔間中心距為80 mm。壁厚6 mm 鋼管含通孔缺陷示意圖如圖1 所示。

圖1 鋼管尺寸及缺陷分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of steel tube size and defects distribution

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)如圖2 所示，由直流穩(wěn)壓電源、磁飽和裝置、渦流檢測線圈、鋼管、滾輪和渦流檢測儀構成。直流穩(wěn)壓電源向磁飽和裝置提供磁化電流，可在0～30 A 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，滿足鋼管飽和磁化的要求。磁飽和裝置采用一對相互獨立的磁化線圈，線圈的內(nèi)徑和絲徑分別為200、2 mm，寬度100 mm，匝數(shù)為1 200 匝，間隔距離為60 mm。渦流檢測線圈采用外穿過式差動連接，緊密繞制在特制的骨架上，線圈的尺寸(內(nèi)徑×寬度×厚度)為φ91 mm×2 mm×2 mm，絲徑為0.25 mm，匝數(shù)為52 匝，兩線圈相距2 mm。

渦流檢測儀包括激勵模塊、橋式電路、檢測線圈、前置放大、A/D 采集卡，計算機和信號分析軟件等。激勵電源產(chǎn)生一定頻率的交流電經(jīng)功率放大驅(qū)動橋式渦流檢測線圈，檢測線圈的差分信號經(jīng)前置放大和相敏檢波送至A/D 采集卡，最后由計算機對檢測信號進行調(diào)理分析并記錄。

在激勵頻率為20 kHz，增益為17 dB 檢測檢測條件下，磁化電流范圍為6～26 A，步進為2 A，采用探頭固定、勻速推動鋼管的方式開展渦流檢測試驗，研究不同磁化狀態(tài)下通孔缺陷的信號特征。

圖2 鋼管渦流檢測系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of ECT system for steel tube

2 通孔檢測結(jié)果

2.1 通孔渦流檢測信號

圖3 為壁厚6 mm 鋼管、直徑φ 為2 mm 通孔分別處于磁化電流6、16、26 A 時的檢測信號“8”字圖形。從圖中可以看出，檢測信號在不同磁化電流下都未呈現(xiàn)出標準的“8”字形，信號的相位角分別為109°、126°、124°，差異比較小。電流為16 A 時，檢測信號的幅值最大為79 mV，且信號的“8”字圖形成像效果最佳，辨識度高;而電流為6 A 和26 A 時，檢測信號的“8”字圖形較小，尤其電流為26 A 時，信號幅值僅為12 mV。

由圖3 可以知，對于同一尺寸參數(shù)的缺陷，在飽和磁化如磁化電流為26 A 時，渦流檢測信號有清晰顯示，而在非飽和階段，信號幅值不降反升，甚至磁化電流在6 A 時也能表現(xiàn)較高的信噪比，相關國家標準和文獻［8-9］大多認為鋼管實施渦流檢測時必須要在飽和磁化階段方能抑制磁導率波動引起的噪聲信號，但試驗結(jié)果表明，即使未實施飽和磁化，鋼管缺陷均可有效檢出，這與標準和文獻認識是有異的。為進一步掌握通孔缺陷參數(shù)對渦流檢測信號的影響，也需要在不同磁化程度下開展檢測試驗，以全面研究其影響規(guī)律。

圖3 壁厚6 mm 鋼管φ2 mm 通孔在不同磁化電流下的信號圖Fig.3 Signal graphs of through-hole diameter 2 mm of thickness 6mm steel tube under different magnetization current

2.2 通孔直徑對檢測信號的影響

圖4 為壁厚6 mm 鋼管其通孔信號幅值、相位與磁化電流的對應關系。

由圖4a 可見，通孔直徑一定時，信號幅值在整個磁化區(qū)6～26 A 內(nèi)，總體上呈現(xiàn)出隨磁化電流的增加先增大，后減小再趨于平穩(wěn)的變化趨勢，φ10.0、15.0 mm 通孔信號幅值在飽和磁化區(qū)22～26 A 內(nèi)有小幅增大。在初始磁化階段，隨著通孔直徑的增加，信號幅值增幅較大，增速更快，且在較小的電流下信號幅值取得極大值。當電流一定時，信號幅值隨通孔直徑的變大而增大。對比直徑為15.0 mm 與1.5 mm 通孔的信號幅值，隨電流的增加，兩者信號幅值的差值呈先增大后減小再略有增大的趨勢。

如圖4b 所示，在非飽和磁化區(qū)6～18 A 內(nèi)，通孔直徑一定時，信號相位角呈現(xiàn)快速增大的變化趨勢，且相較于信號幅值在14～18 A 開始減小時，相位還在不斷增大;同一電流下，不同直徑通孔信號相位角差異較小，最大值與最小值的極值偏差在10°～18°范圍內(nèi)變化。當電流范圍為20～26 A 進入飽和磁化區(qū)時，所有不同直徑通孔信號相位角的變化雜亂無章，無一定規(guī)律可循，φ4.5、6.0、10.0、15.0 mm 的通孔信號相位角在該磁化區(qū)內(nèi)甚至產(chǎn)生大幅度減小。

圖5 為壁厚9 mm 鋼管其通孔信號幅值、相位與磁化電流的關系曲線。對比圖4 和圖5 可知，兩者的信號幅值和相位角隨電流的變化趨勢大體相同，但略有差異，壁厚9 mm 鋼管通孔信號幅值和相位角呈現(xiàn)的曲線線性度更平滑、波動差異更小。由此可知，管壁越厚，在相同磁化區(qū)內(nèi)磁化效果越不充分時，信號幅值和相位角隨磁化電流的變化更為穩(wěn)定。

圖4 壁厚6 mm 鋼管通孔直徑對ECT 信號的影響Fig.4 Effect of through-hole diameter of thickness 6 mm steel tube on ECT signal

圖5 壁厚9 mm 鋼管通孔直徑對ECT 信號的影響Fig.5 Effect of through-hole diameter of thickness 9 mm steel tube on ECT signal

3 分析與討論

為進一步研究通孔直徑與檢測信號規(guī)律，圖6 為壁厚6 mm 和9 mm 通孔缺陷的直徑與檢測信號幅值處于極大值時對應磁化電流之間的關系曲線。從圖6 可以看出:對于壁厚6 mm 鋼管，φ1.5、2.0、2.5、4.0、6.0 mm 通孔在電流14 A 時信號幅值取得極大值，而φ10.0、15.0 mm 通孔信號幅值取得極大值的電流為12 A;對于壁厚9 mm鋼管，φ1.5、2.0、2.5 mm 通孔信號幅值取得極大值的電流為16 A，φ4.0 mm 為14 A，φ6.0、10.0、15.0 mm為12 A。針對以上現(xiàn)象，主要原因分析如下:

影響渦流檢測信號的因素主要有缺陷的幾何形狀參數(shù)、電導率、磁導率3 類，當鐵磁性材料處于不同的磁化狀態(tài)時，磁特性參數(shù)也相應發(fā)生改變，并且在同一磁化電流下，當量體積大的通孔缺陷，其附近區(qū)域電導率及磁導率不均勻性比當量體積較小的通孔缺陷更為劇烈，使得2 個差分連接的檢測線圈經(jīng)過缺陷時，所處檢測部位的電磁特性的差異更為明顯，即檢測線圈更易獲取缺陷信息。

圖6 壁厚6 mm 和9 mm 鋼管通孔直徑與磁化電流的關系曲線Fig.6 Relation curves between through-hole diameter and magnetization current of thickness 6 mm and 9 mm steel tubes

圖4b、圖5b 試驗結(jié)果表明，直徑較大的通孔(如4.5、6.0、10.0、15.0 mm)處于飽和磁化區(qū)22～26 A 時，信號相位角產(chǎn)生大幅偏轉(zhuǎn)。圖7 所示為壁厚6mm鋼管、直徑為15mm通孔在不同磁化電流下的“8”字型信號圖(藍色圓圈為渦流檢測儀選取的原始頂點，紅色圓圈為假定頂點。對于較為標準的“8”字信號圖，如電流為8 A 和12 A時，渦流檢測儀將“8”字信號圖形的2 個頂點間的2 條不同曲線分別以紫色和綠色標定，但隨著磁化電流逐步增加時，“8”字信號圖發(fā)生一定程度的扭曲，形成雙“8”形，對檢測儀確定“8”字信號頂點產(chǎn)生一定的障礙，致使紫綠色曲線產(chǎn)生混亂連接而成)。從圖7 可以看出，由原始頂點確定的信號相位角依次為128°、139°、152°、115°、121°、119°，由假定頂點確定的相位角經(jīng)測量后依次為95°、100°、110°、167°、2°(182°)、15°(195°)(相位角大于180°時，需做減去180°處理)。

為了對比信號原始相位角和假定相位角相組合時的相位變化趨勢，設計了如下4 種組合方式(圖8):情形1 為所有信號原始相位角的組合;情形2 為8、12、16 A 時的信號原始相位角與22、24、26 A 時的信號假定相位角的組合(即128°、139°、152°、167 °、2°、15°);情形3 為8、12、16 A 時的信號假定相位角與22、24、26 A 時的信號原始相位角的組合(即95°、100°、110°、115°、121°、119°);情形4 為所有信號假定相位角的組合。

由情形2 可知，從非飽和磁化區(qū)至飽和磁化區(qū)，若信號相位以此趨勢變化，相位角并未發(fā)生大幅衰減，而是連續(xù)并沿順時針方向不斷增大的。情形3 中信號相位角所呈現(xiàn)的變化趨勢與情形2相近。情形4 中，在非飽和磁化區(qū)信號相位角穩(wěn)步上升后，在飽和磁化區(qū)出現(xiàn)大幅增大，這與情形2 中飽和磁化區(qū)的相位角變化趨勢完全相反。鋼管處于飽和磁化區(qū)時，由于缺陷周圍處存在著非均勻磁導率相對于管壁無缺陷處磁特性的不同引起渦流畸變，并且鋼管在逐步跨過通孔缺陷的運動過程中(圖9)，檢測線圈接觸通孔缺陷的區(qū)域不斷發(fā)生改變，導致2 個圈之間的差分電壓值也在不斷變化，經(jīng)以上兩者共同作用使得線圈阻抗產(chǎn)生相應的復雜變化，以至于檢測信號均呈現(xiàn)出嚴重扭曲的雙“8”現(xiàn)象。而渦流檢測儀也因此在選取信號“8”字圖形的2 個頂點時發(fā)生改變，而這2 個頂點是決定信號相位角的唯一標準，說明信號相位角勢必會因渦流檢測儀對信號“8”字頂點的選取不當而導致其不準確，容易造成對缺陷信號的誤判。

圖7 壁厚6 mm 鋼管φ15 mm 通孔在不同磁化電流下的信號圖Fig.7 Signal graphs of through-hole diameter 15 mm of thickness 6 mm steel tube under different magnetization current

圖8 不同情形下磁化電流與通孔信號相位的關系曲線Fig.8 Relation curves between magnetization current and through-hole signal phase under different situations

圖9 鋼管在運動過程中與通孔缺陷的相對位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of the relative position between steel tube in the process of movement and the through-hole

4 結(jié)論

1)對鋼管實施渦流檢測時，在非飽和及飽和磁化區(qū)內(nèi)，不同直徑通孔缺陷均能夠被檢測出。

2)對于壁厚6 mm 鋼管:通孔直徑一定時，在非飽和磁化區(qū)6～18 A 內(nèi)，通孔信號幅值隨電流的增加先增大后減小，相位角隨電流的增加逐步上升。在飽和磁化區(qū)20～26 A 內(nèi)，對于直徑較小的通孔(1.5、2.0、2.5 mm)，信號幅值隨電流的增加而減小最后趨于平穩(wěn)，相位角隨電流的增加起伏不定、但波動差異較小;而對于直徑較大通孔(4.5、6.0、10.0、15.0 mm 通孔)，信號幅值隨電流的增加略有上升，相位角隨電流的增加發(fā)生大幅度減小、變化雜亂無章。當磁化電流一定時，信號幅值隨通孔直徑的增大而增大;不同直徑通孔間信號相位角在非飽和磁化區(qū)差異較小，而在飽和磁化區(qū)信號相位角變化起伏較大、無明顯規(guī)律。

3)對于壁厚較厚的9 mm 鋼管，與壁厚6 mm鋼管相比，兩者的信號幅值和相位角隨磁化電流的變化趨勢大體相同，但壁厚9 mm 鋼管通孔信號幅值和相位角呈現(xiàn)的曲線線性度更平滑、波動差異更小。

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