夏清友 李濤 陳勝宇

【摘 要】近場渦流檢測方法是用于翅片管和鐵磁性管材檢測的一種電磁檢測技術(shù)。本文通過近場與遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)的分析，總結(jié)了近場渦流檢測的一般工作原理和檢測優(yōu)勢。通過對比幾種電磁檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了近場渦流檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】近場渦流;遠(yuǎn)場渦流;陣列渦流;鐵磁性管

中圖分類號： TE98 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）04-0264-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.103

Near-field Testing Technology and Development Status of Ferromagnetic Tubes

XIA Qing-you1 LI Tao2 CHEN Sheng-yu2

（1.Research Institute of Nuclear Power Operation，Wuhan，430223;

2.China Nuclear Power Operation Technology Corporation，Ltd.，Wuhan，430223）

【Abstract】The near-field testing method is an electromagnetic testing technique for testing fin-fan tubes and ferromagnetic tubes.Through the analysis of near-field and far-field testing techniques，the general working principle and detection advantages of near-field testing are summarized.By comparing the advantages and disadvantages of several electromagnetic testing methods，the current status and application prospects of near-field testing technology are introduced.

【Key words】Near-field testing;Far-field testing;Array testing;Ferromagnetic tube

0 前言

渦流檢測是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的一種常規(guī)無損檢測方法，它適用于導(dǎo)電材料。在實(shí)際檢測中，利用電磁場同金屬間電磁感應(yīng)進(jìn)行檢測。目前對于換熱管的檢查主要采用渦流檢測。對于鐵磁性換熱管，由于極強(qiáng)的趨膚效應(yīng)，常規(guī)渦流不能對其實(shí)施檢測。目前對其檢測的主要方法是遠(yuǎn)場（RFT）渦流檢測。隨著近場（NFT）渦流檢測技術(shù)的發(fā)展，近場檢測技術(shù)已經(jīng)開始在翅片管及鐵磁性管材的檢測中發(fā)揮出了其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。通過近場渦流檢測技術(shù)與幾種電磁檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)對比的研究，可以幫助我們更好的了解近場渦流檢測技術(shù)，并為檢測鐵磁性管材提供除遠(yuǎn)場渦流方法以外的其他檢測方法，并推動近場渦流的檢測應(yīng)用。

1 近場渦流的一般原理

為了更好的了解近場渦流檢測技術(shù)，首先需要理解遠(yuǎn)場渦流的基本原理。近場及遠(yuǎn)場渦流是在相同的頻率范圍下工作的，均以低頻滲透受檢材料，且不需要飽或部分飽和來降低材料的磁導(dǎo)率。首先看一下遠(yuǎn)場渦流技術(shù)的基本原理：

1.1 遠(yuǎn)場渦流原理

RFT渦流探頭見圖1，一般由激勵(lì)線圈和檢測線圈構(gòu)成，激勵(lì)線圈與檢測線圈相距2～3倍管內(nèi)徑的長度。激勵(lì)線圈通以低頻交流電，產(chǎn)生磁場，檢測線圈用以接收發(fā)自激勵(lì)線圈的磁場、渦流信號，利用接收到的信號能有效的判斷出金屬管道內(nèi)外壁缺陷和管壁的厚薄情況。

激勵(lì)線圈通以低頻交流電時(shí)，在激勵(lì)線圈的周圍會產(chǎn)生一個(gè)緩慢變化的時(shí)變磁場B，時(shí)變磁場又會激發(fā)出一個(gè)時(shí)變渦旋的電場E，在該電場的作用下，在金屬管壁內(nèi)會形成渦流Je，同樣由于電磁感應(yīng)，渦流會在其周圍產(chǎn)生一個(gè)時(shí)變磁場，因此金屬管壁內(nèi)外的磁場是由線圈內(nèi)的傳導(dǎo)電流J和金屬管壁內(nèi)的渦流Je產(chǎn)生的磁場的矢量和。通常遠(yuǎn)場渦流不是檢測線圈的阻抗變化，而是測量檢測線圈的感應(yīng)電壓與激勵(lì)電流之間的相位差。

接下來，我們通過遠(yuǎn)場渦流效應(yīng)圖來輔助理解近場與遠(yuǎn)場的關(guān)系。從圖2可以看出，隨著兩個(gè)線圈間距的增大，檢測線圈感應(yīng)電壓的幅值開始急劇下降，然后逐漸變緩，并且相位存在躍變。通常把信號幅值急劇下降后變化趨緩而相位發(fā)生躍變的之后的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場區(qū)，信號幅值急劇下降區(qū)域稱為近場區(qū)，近場區(qū)與遠(yuǎn)場區(qū)之間的相位發(fā)生較大躍變的區(qū)域稱為過渡區(qū)。遠(yuǎn)場渦流的能量耦合可能存在兩種方式：一是在管子內(nèi)部對激勵(lì)線圈的直接耦合;二是通過管壁與激勵(lì)線圈間接耦合。近場區(qū)直接耦合占優(yōu)勢，遠(yuǎn)場區(qū)簡介耦合占優(yōu)勢。

1.2 近場渦流

NFT探頭同樣使用兩個(gè)線圈一個(gè)激勵(lì)和一個(gè)檢測。通常，檢測線圈靠近激勵(lì)線圈，利用激勵(lì)線圈的近場區(qū)（直接耦合區(qū)），即激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場在管壁軸向和徑向上產(chǎn)生強(qiáng)渦流的區(qū)域。

鐵磁性管材近場渦流檢測時(shí)，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的電磁場靠近探頭的檢測線圈，因此，不會受到與遠(yuǎn)場渦流檢測相類似的問題。遠(yuǎn)場檢測時(shí)，電磁場從激勵(lì)線圈產(chǎn)生，穿過管壁并沿管外壁經(jīng)過，再穿過管壁返回到檢測線圈。在激勵(lì)和檢測線圈間的管板、支撐板、鋁制翅片阻礙電磁場的傳遞路徑，更降低了這些區(qū)域的檢測靈敏度。

由于近場渦流的電磁場靠近檢測線圈，信號從激勵(lì)線圈向外通過管壁并返回到接收線圈，而不需要沿管材軸向傳遞，因此，近場渦流的電磁場不會受到支撐結(jié)構(gòu)的阻礙，具有準(zhǔn)確測量靠近支撐結(jié)構(gòu)處的缺陷的能力。NFT探頭在與RFT探頭在相同的頻率范圍內(nèi)工作。NFT特別適用于檢測碳鋼油管內(nèi)的腐蝕、腐蝕和點(diǎn)蝕。近場技術(shù)是翅片式風(fēng)扇管熱交換器的理想檢測手段，因?yàn)闇u流不會通過管壁，對靠近支撐板和管板等結(jié)構(gòu)的缺陷也更加敏感。

2 核電站鐵磁性材料的檢測現(xiàn)狀

2.1 核電站常用鐵磁性管材

目前國內(nèi)外核電站熱交換器換熱管大部分為非鐵磁性材料。但也有一部分換熱器管材使用鐵磁性材料，如M310型機(jī)組的高加、低加熱交換器換熱管，鈉冷快堆蒸發(fā)器換熱管等。還有一些特殊的熱交換器用到的特殊換熱管，如核電廠常規(guī)島疏水箱中的翅片管，空氣冷卻熱交換器的翅片管等。目前，鐵磁性換熱管一般使用遠(yuǎn)場渦流進(jìn)行檢測，這些特殊的換熱管無法使用常規(guī)渦流檢測方法進(jìn)行檢測，而翅片管目前只能使用泄漏檢測，典型的翅片管示意圖見圖3。

2.2 遠(yuǎn)場檢測方法的局限性

鐵磁性管材常用遠(yuǎn)場渦流檢測，該方法對大范圍壁厚缺損，其檢測靈敏度和精確度較高，精度可以達(dá)到2%～5%，但對于小體積的缺陷，如腐蝕凹坑等，其檢測靈敏度的高低取決于被檢測管道的材質(zhì)、壁厚、磁導(dǎo)率的均勻性、檢測頻率和探頭的拉出速度等因素。以某電廠高加換熱管遠(yuǎn)場渦流檢測為例，其中一支管子打壓發(fā)現(xiàn)泄漏，一支管子焊縫裂開，遠(yuǎn)場渦流信號未發(fā)現(xiàn)明顯異常顯示。結(jié)合近年來的遠(yuǎn)場渦流檢測經(jīng)驗(yàn)來看，遠(yuǎn)場渦流并不一定能檢測出某些實(shí)際遇到的缺陷。

3 近場渦流檢測現(xiàn)狀

3.1 近場渦流檢測技術(shù)實(shí)用性

近場檢測技術(shù)特別適用于碳鋼翅片空冷管，這項(xiàng)新技術(shù)依靠簡單的驅(qū)動-拾取渦流探頭設(shè)計(jì)，分析起來更簡單。其特別適用于檢測碳鋼管材內(nèi)部腐蝕、侵蝕或點(diǎn)蝕。NFT探頭檢測“提離效應(yīng)”或“填充系數(shù)”，并將其轉(zhuǎn)換為基于幅值的信號。由于渦流穿透僅限于管內(nèi)表面，NFT探頭不受管外翅片等支撐結(jié)構(gòu)的影響。

雖然該技術(shù)主要檢測管內(nèi)表面缺陷，但國外已有相關(guān)的試驗(yàn)證明，近場渦流可以有效檢測出鐵磁性管材的外壁缺陷。相關(guān)試驗(yàn)對象為1020碳鋼，外徑22.2mm，壁厚1.25mm。試驗(yàn)人工缺陷包含不同深度的外壁環(huán)槽及平底孔，見表1。通過近場渦流檢測發(fā)現(xiàn)，外環(huán)槽均可以被有效檢測出來，平底孔中60%以上較容易發(fā)現(xiàn)，40%與20%缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，但40%缺陷信噪比也接近3。并且近場渦流可以通過類似常規(guī)渦流檢測非鐵磁管的相位方法區(qū)分內(nèi)外壁缺陷。

結(jié)合國外相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，近場渦流技術(shù)可以很好的彌補(bǔ)遠(yuǎn)場渦流無法區(qū)分內(nèi)外壁缺陷，及小體積缺陷的不足。

3.2 近場陣列渦流檢測技術(shù)的發(fā)展

陣列渦流檢測技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟并開始在近場渦流檢測技術(shù)上得到應(yīng)用，近場陣列（NFA）探頭將多個(gè)檢測線圈呈360°周向陣列分布，工作原理為多個(gè)激勵(lì)-檢測線圈組采用分時(shí)激勵(lì)的方式使電磁場及渦流場旋轉(zhuǎn)。這種探頭具有較高的檢測靈敏度，對表面缺陷非常敏感，而且有利于發(fā)現(xiàn)取向不同的線性缺陷，并能在數(shù)據(jù)分析軟件中形成三維顯示供數(shù)據(jù)分析。

檢測時(shí)探頭和管子為非接觸式電磁耦合并在軟件中形成C掃圖，直觀的觀察和測量缺陷，如圖4所示。

與其他檢測技術(shù)相比，近場陣列檢測技術(shù)也更容易實(shí)施。近場陣列探頭不含磁飽和裝置，可以很輕松的從管子里推進(jìn)拉出。為減小提離效應(yīng)對信號的影響，填充系數(shù)一般不小于85%，以及適當(dāng)?shù)奶筋^對中裝置。如果配合軸向編碼器使用，C掃圖生成的圖像會更好。近場陣列檢測技術(shù)將很好的補(bǔ)充遠(yuǎn)場渦流檢測鐵磁性管的不足。相比遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)，它有更高的檢測靈敏度，更好的周向和軸向分辨率，且易于實(shí)施。

4 幾種檢測技術(shù)能力對比

常見的管材檢測方法有常規(guī)渦流ECT（Bobbin）、常規(guī)渦流陣列檢測（ECA）、遠(yuǎn)場渦流檢測（RFT）、漏磁檢測技術(shù)（MFL）、近場渦流檢測（NFT）、近場陣列檢測（NFA）、旋轉(zhuǎn)超聲檢測（IRIS）等，它們各自的特點(diǎn)。幾種檢測技術(shù)的適用性及檢測能力對比表見表2和表3?？梢钥闯鼋鼒鰴z測技術(shù)在檢測鐵磁性管材方面有較好的檢測能力。

5 結(jié)束語

鐵磁性管材擁有價(jià)格低廉、換熱性能優(yōu)良的特點(diǎn)，常被用于換熱器的換熱管材料進(jìn)行使用。但是受制于檢測方法的限制，常用的遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)在檢測過程中并不能完全滿足缺陷檢出的要求。近場渦流具有與遠(yuǎn)場渦流相同的低頻工作頻率，具有獨(dú)特的檢測優(yōu)勢。結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，可以作為遠(yuǎn)場渦流檢測方法的補(bǔ)充。隨著陣列技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，近場陣列渦流檢測技術(shù)還可以對檢測出來的缺陷進(jìn)行定性，大大提高了鐵磁性管材渦流檢驗(yàn)的靈敏度及測量測量等要求。對鐵磁性管材更廣泛的使用及安全檢測提供了技術(shù)支持。

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