铁磁性管材近场涡流检测技术与发展现状

夏清友 李涛 陈胜宇

【摘 要】近场涡流检测方法是用于翅片管和铁磁性管材检测的一种电磁检测技术。本文通过近场与远场涡流检测技术的分析，总结了近场涡流检测的一般工作原理和检测优势。通过对比几种电磁检测方法的优缺点，介绍了近场涡流检测技术的现状与应用前景。

【关键词】近场涡流;远场涡流;阵列涡流;铁磁性管

中图分类号： TE98 文献标识码： A 文章编号： 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

渦流检测是以电磁感应原理为基础的一种常规无损检测方法，它适用于导电材料。在实际检测中，利用电磁场同金属间电磁感应进行检测。目前对于换热管的检查主要采用涡流检测。对于铁磁性换热管，由于极强的趋肤效应，常规涡流不能对其实施检测。目前对其检测的主要方法是远场（RFT）涡流检测。随着近场（NFT）涡流检测技术的发展，近场检测技术已经开始在翅片管及铁磁性管材的检测中发挥出了其独特的技术优势。通过近场涡流检测技术与几种电磁检测方法的优缺点对比的研究，可以帮助我们更好的了解近场涡流检测技术，并为检测铁磁性管材提供除远场涡流方法以外的其他检测方法，并推动近场涡流的检测应用。

1 近场涡流的一般原理

为了更好的了解近场涡流检测技术，首先需要理解远场涡流的基本原理。近场及远场涡流是在相同的频率范围下工作的，均以低频渗透受检材料，且不需要饱或部分饱和来降低材料的磁导率。首先看一下远场涡流技术的基本原理：

1.1 远场涡流原理

RFT涡流探头见图1，一般由激励线圈和检测线圈构成，激励线圈与检测线圈相距2～3倍管内径的长度。激励线圈通以低频交流电，产生磁场，检测线圈用以接收发自激励线圈的磁场、涡流信号，利用接收到的信号能有效的判断出金属管道内外壁缺陷和管壁的厚薄情况。

激励线圈通以低频交流电时，在激励线圈的周围会产生一个缓慢变化的时变磁场B，时变磁场又会激发出一个时变涡旋的电场E，在该电场的作用下，在金属管壁内会形成涡流Je，同样由于电磁感应，涡流会在其周围产生一个时变磁场，因此金属管壁内外的磁场是由线圈内的传导电流J和金属管壁内的涡流Je产生的磁场的矢量和。通常远场涡流不是检测线圈的阻抗变化，而是测量检测线圈的感应电压与激励电流之间的相位差。

接下来，我们通过远场涡流效应图来辅助理解近场与远场的关系。从图2可以看出，随着两个线圈间距的增大，检测线圈感应电压的幅值开始急剧下降，然后逐渐变缓，并且相位存在跃变。通常把信号幅值急剧下降后变化趋缓而相位发生跃变的之后的区域称为远场区，信号幅值急剧下降区域称为近场区，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区。远场涡流的能量耦合可能存在两种方式：一是在管子内部对激励线圈的直接耦合;二是通过管壁与激励线圈间接耦合。近场区直接耦合占优势，远场区简介耦合占优势。

1.2 近场涡流

NFT探头同样使用两个线圈一个激励和一个检测。通常，检测线圈靠近激励线圈，利用激励线圈的近场区（直接耦合区），即激励线圈产生的磁场在管壁轴向和径向上产生强涡流的区域。

铁磁性管材近场涡流检测时，激励线圈产生的电磁场靠近探头的检测线圈，因此，不会受到与远场涡流检测相类似的问题。远场检测时，电磁场从激励线圈产生，穿过管壁并沿管外壁经过，再穿过管壁返回到检测线圈。在激励和检测线圈间的管板、支撑板、铝制翅片阻碍电磁场的传递路径，更降低了这些区域的检测灵敏度。

由于近场涡流的电磁场靠近检测线圈，信号从激励线圈向外通过管壁并返回到接收线圈，而不需要沿管材轴向传递，因此，近场涡流的电磁场不会受到支撑结构的阻碍，具有准确测量靠近支撑结构处的缺陷的能力。NFT探头在与RFT探头在相同的频率范围内工作。NFT特别适用于检测碳钢油管内的腐蚀、腐蚀和点蚀。近场技术是翅片式风扇管热交换器的理想检测手段，因为涡流不会通过管壁，对靠近支撑板和管板等结构的缺陷也更加敏感。

2 核电站铁磁性材料的检测现状

2.1 核电站常用铁磁性管材

目前国内外核电站热交换器换热管大部分为非铁磁性材料。但也有一部分换热器管材使用铁磁性材料，如M310型机组的高加、低加热交换器换热管，钠冷快堆蒸发器换热管等。还有一些特殊的热交换器用到的特殊换热管，如核电厂常规岛疏水箱中的翅片管，空气冷却热交换器的翅片管等。目前，铁磁性换热管一般使用远场涡流进行检测，这些特殊的换热管无法使用常规涡流检测方法进行检测，而翅片管目前只能使用泄漏检测，典型的翅片管示意图见图3。

2.2 远场检测方法的局限性

铁磁性管材常用远场涡流检测，该方法对大范围壁厚缺损，其检测灵敏度和精确度较高，精度可以达到2%～5%，但对于小体积的缺陷，如腐蚀凹坑等，其检测灵敏度的高低取决于被检测管道的材质、壁厚、磁导率的均匀性、检测频率和探头的拉出速度等因素。以某电厂高加换热管远场涡流检测为例，其中一支管子打压发现泄漏，一支管子焊缝裂开，远场涡流信号未发现明显异常显示。结合近年来的远场涡流检测经验来看，远场涡流并不一定能检测出某些实际遇到的缺陷。

3 近场涡流检测现状

3.1 近场涡流检测技术实用性

近场检测技术特别适用于碳钢翅片空冷管，这项新技术依靠简单的驱动-拾取涡流探头设计，分析起来更简单。其特别适用于检测碳钢管材内部腐蚀、侵蚀或点蚀。NFT探头检测“提离效应”或“填充系数”，并将其转换为基于幅值的信号。由于涡流穿透仅限于管内表面，NFT探头不受管外翅片等支撑结构的影响。

虽然该技术主要检测管内表面缺陷，但国外已有相关的试验证明，近场涡流可以有效检测出铁磁性管材的外壁缺陷。相关试验对象为1020碳钢，外径22.2mm，壁厚1.25mm。试验人工缺陷包含不同深度的外壁环槽及平底孔，见表1。通过近场涡流检测发现，外环槽均可以被有效检测出来，平底孔中60%以上较容易发现，40%与20%缺陷不易被发现，但40%缺陷信噪比也接近3。并且近场涡流可以通过类似常规涡流检测非铁磁管的相位方法区分内外壁缺陷。

结合国外相关试验结果可以发现，近场涡流技术可以很好的弥补远场涡流无法区分内外壁缺陷，及小体积缺陷的不足。

3.2 近场阵列涡流检测技术的发展

阵列涡流检测技术已经逐渐成熟并开始在近场涡流检测技术上得到应用，近场阵列（NFA）探头将多个检测线圈呈360°周向阵列分布，工作原理为多个激励-检测线圈组采用分时激励的方式使电磁场及涡流场旋转。这种探头具有较高的检测灵敏度，对表面缺陷非常敏感，而且有利于发现取向不同的线性缺陷，并能在数据分析软件中形成三维显示供数据分析。

检测时探头和管子为非接触式电磁耦合并在软件中形成C扫图，直观的观察和测量缺陷，如图4所示。

与其他检测技术相比，近场阵列检测技术也更容易实施。近场阵列探头不含磁饱和装置，可以很轻松的从管子里推进拉出。为减小提离效应对信号的影响，填充系数一般不小于85%，以及适当的探头对中装置。如果配合轴向编码器使用，C扫图生成的图像会更好。近场阵列检测技术将很好的补充远场涡流检测铁磁性管的不足。相比远场涡流检测技术，它有更高的检测灵敏度，更好的周向和轴向分辨率，且易于实施。

4 几种检测技术能力对比

常见的管材检测方法有常规涡流ECT（Bobbin）、常规涡流阵列检测（ECA）、远场涡流检测（RFT）、漏磁检测技术（MFL）、近场涡流检测（NFT）、近场阵列检测（NFA）、旋转超声检测（IRIS）等，它们各自的特点。几种检测技术的适用性及检测能力对比表见表2和表3。可以看出近场检测技术在检测铁磁性管材方面有较好的检测能力。

5 结束语

铁磁性管材拥有价格低廉、换热性能优良的特点，常被用于换热器的换热管材料进行使用。但是受制于检测方法的限制，常用的远场涡流检测技术在检测过程中并不能完全满足缺陷检出的要求。近场涡流具有与远场涡流相同的低频工作频率，具有独特的检测优势。结合现场的实际应用，可以作为远场涡流检测方法的补充。随着阵列技术的发展应用，近场阵列涡流检测技术还可以对检测出来的缺陷进行定性，大大提高了铁磁性管材涡流检验的灵敏度及测量测量等要求。对铁磁性管材更广泛的使用及安全检测提供了技术支持。

【参考文献】

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