金澤宇,范高廷,劉飛

(1.江蘇特檢科技有限公司,江蘇 南京 210000;2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,江蘇 南京 210000)

壓力容器、管道、鍋爐、氣瓶等承載一定壓力的密閉設(shè)備或管狀設(shè)備被稱為承壓類特種設(shè)備。承壓類特種設(shè)備數(shù)量眾多,根據(jù)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),截至 2021年年底,我國(guó)登記在冊(cè)的壓力容器有469.49萬(wàn)臺(tái),壓力管道有75.75萬(wàn)km,鍋爐有34.71萬(wàn)臺(tái),氣瓶有2.02億只。此外,受冶煉水平、材料性能及惡劣工作環(huán)境等方面影響,在制造和使用過(guò)程中,承壓設(shè)備不可避免存在一些缺陷,從而可能導(dǎo)致其失效,甚至發(fā)生安全事故。僅2021年,我國(guó)承壓設(shè)備共發(fā)生事故13起,死亡18人,同時(shí),因承壓設(shè)備事故導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失不可估量。基于此,對(duì)承壓設(shè)備進(jìn)行定期檢測(cè)非常重要。

無(wú)損檢測(cè),或稱為無(wú)損探傷技術(shù),是利用被測(cè)物引起的聲、光、電、熱等的變化,在不破壞被測(cè)物的情況下,來(lái)檢測(cè)設(shè)備表面的狀態(tài)、性能、結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部不連續(xù)性等相關(guān)信息的現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù),其可為判斷被檢測(cè)設(shè)備的安全狀態(tài)及是否能繼續(xù)服役提供技術(shù)支持。現(xiàn)有常用于承壓設(shè)備檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括磁粉、滲透和超聲檢測(cè)技術(shù)。然而,由于出于防腐等需要,承壓設(shè)備外常涂有涂層,這導(dǎo)致這些技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在以下問(wèn)題:1)檢測(cè)前需要清楚設(shè)備表面涂層,檢測(cè)后還需要恢復(fù),影響了設(shè)備檢修檢驗(yàn)的時(shí)間,同時(shí)去除與恢復(fù)涂層需要一定的成本,因此導(dǎo)致其效率低、成本高;2)現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)正在向著不停機(jī)快速檢測(cè)方向發(fā)展,而清除涂層一般需要在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行,無(wú)法滿足其需求;3)后補(bǔ)的局部涂料不僅防腐效果達(dá)不到原始水平,且外觀也不美觀。基于此,尋找有效的方法,在不破壞承壓設(shè)備外部涂層的前提下,實(shí)現(xiàn)帶涂層設(shè)備缺陷的快速檢測(cè),并對(duì)其建立一個(gè)有效完善的評(píng)價(jià)體系具有十分重要的意義。

1 渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)是利用渦流效應(yīng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電物件缺陷檢測(cè)或者對(duì)被測(cè)導(dǎo)體性能進(jìn)行無(wú)損評(píng)估的一種方法。渦流技術(shù)檢測(cè)速度快、自動(dòng)化程度高、對(duì)表面要求低、缺陷檢出率高、綠色環(huán)保,可用于帶涂層承壓設(shè)備的檢測(cè)。渦流檢測(cè)的基本原理如圖1所示:在激勵(lì)線圈中通有交變電流,并將其靠近受檢導(dǎo)電物件;受檢物件與激勵(lì)線圈電流激發(fā)的磁場(chǎng)H1相互作用,從而在被檢物件感生出渦流,且試件的物理性能、缺陷、激勵(lì)源的頻率以及試件與線圈之間的耦合程度等會(huì)影響感生渦流的分布狀況;同時(shí)感生渦流產(chǎn)生一個(gè)與H1方向相反的感生磁場(chǎng)H2,H2反過(guò)來(lái)又會(huì)影響空間磁場(chǎng)分布;用接收元件,如圖1所示的接收線圈接收空間磁場(chǎng),并將其轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電壓信號(hào),則通過(guò)分析線圈上感應(yīng)電壓的變化,可判斷受檢物件缺陷的情況。

圖1 渦流檢測(cè)原理示意圖

然而,為了實(shí)現(xiàn)在不去除或損壞涂層且涂層厚度未知的情況下對(duì)承壓設(shè)備缺陷進(jìn)行檢測(cè)的目的,常規(guī)的渦流檢測(cè)技術(shù)還不能滿足需求。其主要原因在于常規(guī)渦流采用單個(gè)頻率的正弦波進(jìn)行激勵(lì),激勵(lì)頻率單一,導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)的信噪比較低;同時(shí),檢測(cè)信號(hào)容易受到探頭提離高度的影響,同樣導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)信噪比低。因此,擬將渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到帶涂層承壓設(shè)備檢測(cè),需要對(duì)常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),以提高其檢測(cè)精度及信噪比。

對(duì)于渦流檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn),已有大量學(xué)者展開了相關(guān)研究,并衍生出了很多新的方法和技術(shù),大概可歸納為兩個(gè)方向:1)對(duì)激勵(lì)信號(hào)的優(yōu)化,對(duì)應(yīng)產(chǎn)生了很多渦流檢測(cè)新方法;2)利用渦流檢測(cè)中的其他效應(yīng),衍生出的檢測(cè)方法主要包括遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、交流電磁場(chǎng)、渦流脈沖熱成像檢測(cè)等。下面將分別對(duì)上述幾種方法的檢測(cè)原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 不同激勵(lì)方式的渦流檢測(cè)新方法

常規(guī)渦流激勵(lì)信號(hào)的頻率一般為1 kHz～1 MHz,在該頻率范圍內(nèi)既能兼顧物體表面微小缺陷的檢測(cè),同時(shí)又能檢測(cè)到物體表面下一定深度的缺陷[1]。然而,對(duì)于更深層的缺陷,受限于趨膚效應(yīng),常規(guī)渦流的檢測(cè)效果并不是很好。為獲得被測(cè)件更深層的缺陷信息,需要降低渦流的激勵(lì)頻率,基于此,激勵(lì)頻率為幾Hz～1 kHz的低頻渦流檢測(cè)技術(shù)被提出。然而,激勵(lì)頻率越低,產(chǎn)生的渦流效應(yīng)越微弱,從而導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)同樣微弱。因此,低頻渦流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)精度較低、不適用于微小缺陷檢測(cè)[2]。為提高渦流檢測(cè)精度,需提高激勵(lì)頻率,高頻渦流檢測(cè)技術(shù)得到了應(yīng)用。高頻渦流技術(shù)所使用的激勵(lì)信號(hào)的頻率通常高于1 MHz,其產(chǎn)生的渦流主要集中在被測(cè)物體的表面,因此高頻渦流技術(shù)通常用于檢測(cè)金屬表面的微小形變、微小缺陷以及覆蓋層厚度等。日本東京工業(yè)大學(xué)的Mizukami將高頻渦流技術(shù)應(yīng)用于特種天線鈮板表面平整度的探測(cè),可清晰分辨出鈮板表面1 μm的凹凸變化[3]。

然而,上述技術(shù)均采用單一頻率的激勵(lì),采集到的信號(hào)容易受到提離等干擾因素的影響,檢測(cè)精度較低。為減小提離效應(yīng),同時(shí)獲取被測(cè)件更多信息,可采用多個(gè)頻率的信號(hào)作為激勵(lì),因此,多頻渦流檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)中得到了應(yīng)用。顧名思義,多頻渦流技術(shù)是指采用多個(gè)頻率的激勵(lì)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行激勵(lì)[4]。根據(jù)趨膚效應(yīng),其一次檢測(cè)可以獲得更多的檢測(cè)信息,同時(shí)可有效抑制檢測(cè)中干擾因素的影響,增強(qiáng)了渦流技術(shù)的檢測(cè)能力[5-6]。然而,為簡(jiǎn)化信號(hào)合成與解調(diào)的復(fù)雜性,多頻渦流的激勵(lì)各個(gè)頻率一般成倍數(shù)關(guān)系,這樣可能會(huì)存在最優(yōu)激勵(lì)頻率不易決定的情況。掃頻渦流檢測(cè)技術(shù)是采用某一特定頻段內(nèi)的正弦信號(hào)作為激勵(lì),與多頻渦流技術(shù)相比,掃頻技術(shù)激勵(lì)信號(hào)頻率的帶寬非常寬,變化范圍通?？梢詮膸资掌澋綆资缀掌?且激勵(lì)信號(hào)的頻率是連續(xù)的,因此,不僅可使最優(yōu)激勵(lì)頻率容易決定,并且可保證檢測(cè)的連續(xù)性[7-10]。掃頻渦流技術(shù)常用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件的檢測(cè)。2016年,廈門愛德森公司研制了一套掃頻渦流儀,其激勵(lì)頻率可達(dá)到30 MHz,為復(fù)雜被測(cè)件的高精度質(zhì)量評(píng)估提供了檢測(cè)手段[11]。另外,為進(jìn)一步解決常規(guī)渦流應(yīng)用范圍窄、信號(hào)弱的缺點(diǎn),脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用。脈沖渦流采用具有一定占空比的脈沖方波進(jìn)行激勵(lì),根據(jù)傅里葉變換,其相當(dāng)于無(wú)限多個(gè)正弦激勵(lì)的疊加。因此,脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的頻率范圍更寬、檢測(cè)深度更大[12-15]。

然而,上述提到的渦流檢測(cè)方法中,大部分方法的檢測(cè)深度和檢測(cè)精度不能兼容。一般檢測(cè)深度較大的檢測(cè)精度就比較低,因此在檢測(cè)中需根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。如在帶涂層的承壓設(shè)備檢測(cè)中,如需對(duì)涂層較薄設(shè)備的表面裂紋等微小缺陷進(jìn)行檢測(cè),可采用高頻渦流、多頻渦流和掃頻渦流等技術(shù);而針對(duì)厚涂層設(shè)備的腐蝕坑等大面積缺陷檢測(cè),可采用脈沖渦流等技術(shù)。

3 利用渦流檢測(cè)其他效應(yīng)的新方法

上述介紹的不同激勵(lì)方式的渦流檢測(cè)技術(shù),其均利用試件中的渦流擴(kuò)散來(lái)評(píng)估和定量缺陷。然而,在正弦或方波信號(hào)的激勵(lì)下,試件中不僅存在渦流擴(kuò)散效應(yīng),還同時(shí)存在其他效應(yīng),如遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)、磁效應(yīng)、熱效應(yīng)等?；谶@些效應(yīng),一些新的檢測(cè)技術(shù)如遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、交流電磁場(chǎng)和渦流熱成像等技術(shù)被提出和應(yīng)用。

3.1 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)最早發(fā)現(xiàn)于管道之中,不同于常規(guī)渦流技術(shù),其利用激勵(lì)和接收信號(hào)在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的幅值和相位差來(lái)檢測(cè)和定量缺陷[16],檢測(cè)原理見圖2。

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理圖

如圖2所示,所謂遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)指激勵(lì)和接收線圈之間的距離大于2倍管道直徑的區(qū)域。在這一區(qū)域,激勵(lì)磁場(chǎng)先穿出管壁,又穿入管壁,隨后穿入管壁的磁場(chǎng)被接收線圈接收。由于磁場(chǎng)兩次穿透管壁產(chǎn)生衰減,導(dǎo)致其幅值和相位較激勵(lì)信號(hào)的幅值和相位發(fā)生變化,則分析激勵(lì)信號(hào)與接收信號(hào)之間的幅值和相位變化即可獲取被測(cè)管道壁厚與缺陷等信息。通過(guò)上述分析可知,由于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流不依賴渦流的衰減,其不受趨膚效應(yīng)的影響,可克服傳統(tǒng)渦流檢測(cè)因集膚效應(yīng)存在的局限性;另外,遠(yuǎn)場(chǎng)渦流能夠以近似相等的靈敏度檢測(cè)管壁內(nèi)部或外部的缺陷,因此其被廣泛應(yīng)用于鐵磁性和非鐵磁性管材檢測(cè)。如加拿大Eddyfi公司針對(duì)高溫、潮濕環(huán)境下鐵磁管材的腐蝕、侵蝕等缺陷的檢測(cè)開發(fā)了RFT Single-Driver Flexible Probes遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀器。奧林巴斯公司的MultiScanTMMS 5800遠(yuǎn)場(chǎng)渦流儀器可實(shí)現(xiàn)4個(gè)不同頻率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),被應(yīng)用于熱交換管、蒸汽管、鍋爐管的檢測(cè)。IMTT公司的通用型遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭適用于飛機(jī)鋁合金、鈦合金材料的檢測(cè),被各大航空公司所使用推廣。此外,遠(yuǎn)場(chǎng)渦流也可應(yīng)用到平板構(gòu)件檢測(cè)。孫雨施和愛荷華州立大學(xué)的Udpa等人[17-18]通過(guò)設(shè)計(jì)屏蔽結(jié)構(gòu)減少磁場(chǎng)直接耦合的能量,成功將遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)運(yùn)用到金屬平板的探測(cè)。南京航空航天大學(xué)的王海濤等人設(shè)計(jì)了平板遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)探頭,實(shí)現(xiàn)了深層缺陷的檢測(cè)[19]。

3.2 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)

將渦流檢測(cè)與交流電壓降技術(shù)結(jié)合的渦流檢測(cè)新技術(shù)為交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(Alternating Current Field Measurement),其檢測(cè)原理為:通過(guò)激勵(lì)探頭在待測(cè)試件表面感應(yīng)出均勻交變電流,電流的擴(kuò)散會(huì)在被測(cè)件表面感應(yīng)出均勻磁場(chǎng),當(dāng)被測(cè)件中有缺陷時(shí),缺陷的存在會(huì)影響均勻交變電流的分布,從而引起感應(yīng)磁場(chǎng)的畸變,通過(guò)測(cè)量缺陷附近的磁場(chǎng)畸變信號(hào)即可得到缺陷的信息[20]。由于工件表面感應(yīng)均勻電流能夠在較小開裂及淺層凹坑不連續(xù)區(qū)域產(chǎn)生明顯擾動(dòng),采用高精度傳感器拾取擾動(dòng)引起的二次畸變磁場(chǎng),可實(shí)現(xiàn)缺陷的高精度檢測(cè)。另外,該技術(shù)對(duì)提離不敏感,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。目前,該技術(shù)在工業(yè)儲(chǔ)罐、鐵路、水下油氣處理設(shè)備等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了應(yīng)用。如Technical Software Conltants公司設(shè)計(jì)了一種可遠(yuǎn)程操控的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)探頭陣列實(shí)現(xiàn)了對(duì)核工業(yè)儲(chǔ)罐和儲(chǔ)罐焊接點(diǎn)的缺陷檢測(cè)[21-22]。Rowshandel 等開發(fā)出了一套基于交流電磁場(chǎng)檢測(cè)的鐵路裂紋自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)可用于自動(dòng)檢測(cè)鐵路裂紋,并可提高鐵路裂紋定量精度[23]。Papaelias 等研發(fā)出了適用于鐵路軌道檢測(cè)的高速交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)[24]。在國(guó)內(nèi),中國(guó)石油大學(xué)陳國(guó)明教授等[25-26]對(duì)交流電磁場(chǎng)技術(shù)進(jìn)行了大量研究,并將其應(yīng)用于海洋平臺(tái)、隔水管、海底管道的檢測(cè)。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的羅路飛等人[27]對(duì)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)機(jī)理及儀器研發(fā)等方面進(jìn)行了大量的研究工作。南昌航空大學(xué)任尚坤等人[28]針對(duì)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的電路設(shè)計(jì)等檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了多方位研究,促進(jìn)了檢測(cè)儀器智能化趨勢(shì)的發(fā)展。

3.3 渦流脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)

將渦流檢測(cè)技術(shù)與熱成像檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)的渦流脈沖熱成像(Eddy Current Pulsed Thermography,ECPT)具有檢測(cè)精度高、速度快、范圍廣等優(yōu)點(diǎn),因此也可用于帶涂層的承壓設(shè)備檢測(cè)。渦流脈沖熱成像技術(shù)利用變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流加熱導(dǎo)體,利用紅外相機(jī)對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行拍照,根據(jù)不同的熱度來(lái)判斷導(dǎo)體情況。該方法可同時(shí)進(jìn)行金屬表面檢測(cè)及內(nèi)部檢測(cè)缺陷,且在國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)和高校已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和研究。如:德國(guó)弗朗霍菲無(wú)損檢測(cè)研究院[29-30]、奧地利的萊奧本大學(xué)[31-32]、加拿大拉瓦勒大學(xué)[33]、英國(guó)紐斯卡爾大學(xué)[34]等。美國(guó)的波音公司也將該技術(shù)應(yīng)用到航空工業(yè)的機(jī)器和零部件的涂層脫落情況的檢測(cè)[35]。在國(guó)內(nèi),針對(duì)脈沖渦流熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究下也取得了不錯(cuò)的成績(jī)。上海交通大學(xué)研究了鐵磁性材料中裂紋的分布情況對(duì)脈沖渦流熱成像技術(shù)的成像效果的影響[36]。南京航空航天大學(xué)與英國(guó)紐斯卡爾大學(xué)合作對(duì)脈沖渦流熱成像技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)和渦流檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料的缺陷檢測(cè)和定位方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究[37]。

4 結(jié)論

渦流類檢測(cè)技術(shù)由于具有檢測(cè)速度快、自動(dòng)化程度高、對(duì)表面要求低、缺陷檢出率高、綠色環(huán)保,可用于帶涂層承壓設(shè)備的檢測(cè)。然而常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)精度較低,且容易受到提離效應(yīng)的影響。這導(dǎo)致其不能直接應(yīng)用到帶涂層承壓設(shè)備檢測(cè)?；诖?本文對(duì)渦流類檢測(cè)新技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,介紹了其原理及特點(diǎn),分析了其在帶涂層承壓設(shè)備檢測(cè)中的可行性。本文可為帶涂層承壓設(shè)備的在線檢測(cè)提供技術(shù)支持。