涡流无损探伤检测技术的应用研究

李禹东

（天津腾飞钢管有限公司，天津 300301）

无损检测技术主要通过多种化学与物理原理，在不损害检测对象的前提下，完成检测任务，从而确认检测对象的可靠性与完整性。无损检测技术有助于保障设备维持安全的运行状态，不会给被测试件带来质量问题，常见无损探伤检测技术包括超声检测、射线检测、涡流检测、磁粉检测以及渗透检测等。现主要研究涡流无损探伤检测技术的实际应用情况。

1 涡流无损探伤检测技术

1.1 基本原理

涡流检测是在电磁感应原理的理论基础上建立的，在交变磁场中放置一块导体，导体周边会形成感应电流，这种感应电流催生涡流。当导体在缺陷、尺寸、形状、磁导率与电导率等方面产生变动之后，涡流也会在其影响下出现变化，依靠这种现象即可实现对导体状态与性质的有效检测，这种检测方式就是涡流检测[1]。涡流检测只能对具有导电性的材料进行检测，实际检测过程中，利用检测线圈接近待检工件，线圈上存在交变电流，工件能够形成涡流，并且还会产生磁场，这个磁场与线圈磁场的作用方向相反，同时还会改变待检工件线圈的原本阻抗，分析阻抗变化即可确定导体是否出现缺陷。涡流检测原理图如图1。

图1 涡流检测原理图Fig.1 Schematic diagram of eddy current testing

1.2 主要特点

其一，非接触性。涡流检测线圈在激励作用后产生的电磁场实际是一种粒子性与波动性突出的电磁波，运用涡流检测技术时，并不需要直接接触待检对象，同时不需要使用耦合剂，检测效率高，能够满足当前的自动化检测需求。其二，支持高温检测。当导电性试件处于高温条件下时，其导电性质更加突出，给涡流检测创造了良好的应用环境，将温度提高到居里点以上后，钢材能够免受磁导率带来的影响，即使是非磁性金属材料也可以通过涡流检测技术进行精准探伤。其三，灵敏性强。涡流检测技术在趋肤效应下，能够以极高的灵敏度实现对试件的近表面与表面缺陷的探伤检测。其四，应用范围广。影响涡流实际大小的因素有很多种，这也使涡流检测能够在多种领域中发挥作用。除了对工件、材料进行探伤检测之外，还可以检测工件涂层厚度、热处理状态与几何尺寸，支持材料分类工作，综合应用效益高。

尽管涡流检测技术具有多方面使用优势，但是在实际的探伤应用过程中还存在一定的缺陷，给检测效果带来不利影响。受到趋肤效应的影响，若激励频率较高，涡流能够集中到试件表面；降低激励频率后，虽然涡流渗透深度随之增加，但是检测技术的灵敏性会因此而被削弱；涡流检测容易受到客观因素的影响，因此在检测过程中需要通过将干扰因素一一消除，来保障检测的精准度，同时对缺陷进行定性与定量评价时难度较高；涡流检测技术只能够对可以感生涡流的非金属类材料以及具有导电性的金属材料实施检测；涡流检测技术难以对金属材料内部深层缺陷进行检测。

2 涡流无损探伤检测技术的应用情况

2.1 远场涡流检测

远场涡流检测属于内穿式检测技术，比如在检测金属管道时，借助低频信号促使涡流之间从管壁穿入，从而掌握内外壁缺陷与壁厚等信号。这种涡流检测技术能够有效检测管道的内外管壁上的缺陷，不会过多地受到趋肤效应的影响[2]。具体实施方法如下：检测前需要将两个线圈放置到与管道同轴的位置，其中的激励线圈需要通入低频交流电，这一线圈可将磁场能量传递到管道两端，需要经过间接耦合与直接耦合两种耦合路径。激励线圈周边的管壁能够形成感应周向涡流，以极快的速度向管道外壁扩散，并显现出相位滞后与幅值衰减的现象。涡流接触到外壁上的电磁场之后将继续向外扩散，受到管道内外衰减速度差的影响，管道外的磁场也会被生成感应涡流，穿透管壁向管道内部扩散，并且再次形成相位滞后与幅值衰减，从而提供可检测缺陷的信号。

2.2 脉冲涡流检测

脉冲涡流检测技术中的激励信号主要为脉冲信号，运用方波比来替代频率相对单一的正弦波，方波能够以连续化的方式传递频谱信息，通过分析感应电压达到峰值的过零时刻与具体时间来实现对信号的检测，其检测信号可提供极为丰富的试件缺陷信息，信号处理工作也更容易实现[3]。脉冲涡流检测系统可以使金属材质的试件中形成瞬态磁场，扩大扩散范围，同时使磁场呈现出快速衰减的状态，检测线圈能够感应到处于变化状态的电压，若工件出现缺陷，瞬态磁场也会形成相应的变化。

2.3 多频/低频涡流检测

多频涡流无损检测技术在对传感器线圈进行激励时，需要运用多个频率的信号，因此相比其他涡流检测技术，其抗干扰能力更强。运用多频涡流探伤检测技术手段时，可结合具体的待检试件，对其多个部位的信号进行检测，并将其中的干扰信号排除，选择数个不同频率的电流来实现对线圈的激励，同时放大相应的参数输出信号，根据频率滤波完成解调处理，组合解调信号上的分量，确保信号检测通道仅能够准确地输出关联待检测参数的信号。

低频涡流检测技术相比传统的涡流检测技术，检测深度得到提高，其通过低频率来对趋肤效应起到抑制作用，主要被运用到管道内表面与钢板的探伤检测工作中。

2.4 涡流列阵检测

涡流列阵检测技术应用过程中，需要加入多个不同的传感器，依照待检试件的具体结构来排布传感器，从而辅助检测工作，这种检测技术灵敏度更高，检测效率也更快。运用涡流列阵检测计划书可以对较大面积的金属材料表面上的缺陷进行快速检测，调节传感器的排布方式后，可从多个方向切入开展检测工作，对于小型且构造较为复杂的试件也能够起到良好的检测效果。检测线圈与激励线圈之间的电磁场传递方向是相互垂直的；涡流列阵检测探头中的线圈数量多，距离近，必须要避免线圈磁场之间出现相互影响的情况，因此要在线圈与线圈间形成充足的空间列阵涡流检测探头。

3 涡流无损探伤检测技术应用要点

3.1 涡流检测设备

3.1.1 涡流检测仪器

金属管材探伤是涡流检测技术的重要用途之一，借助涡流检测技术可以对整个批次的金属管材实施无损检测。涡流检测仪的组成部分包括电源、显示器、信号处理器、放大器、信号输出电路、探头与振荡器等[4]。

探伤检测中使用的主要是自动化探伤装置，其具有自动停车、自动分选、自动记录与自动报警等功能，探伤仪能够结合试件上的具体缺陷给线圈阻抗带来的不同变化状况，来检测试件近表面与表面缺陷的发展情况。手动涡流仪需要技术人员手持检测探头，扫查试件表面，依照示波管展现的图形分析缺陷问题，其检测范围更广，缺点主要是检测效率不高；自动化涡流仪虽然检测效率高，但是要求检测对象具有规则的形状，一般在检测丝材、管材与棒形试件时使用这种检测仪器。

3.1.2 涡流检测线圈

涡流检测线圈也被称为传感器与探头，常用的检测线圈主要有外穿过式线圈、内穿过式线圈以及探头式线圈。外穿过式线圈需要检测对象从线圈中穿过，从而检测外表面产生的物性变化与缺陷，检测对象多为具有规则形状的线材、棒材与管材，其均可以从线圈中直接穿过；内通过线圈借助试件内孔实现检测目标，可检测孔壁部位的缺陷问题，在对完成安装的管材或者直径较小的厚壁管内壁、螺旋孔与深钻孔的表面质量进行探伤检测时，也可采用这种线圈；探头式线圈接触试件表面后，即可完成待检对象表面缺陷的检测，其具有聚焦磁场的性质，检测区域较小，灵敏度极高，为形状较为特殊的试件或者直径较大的管材探伤时，可采用这种检测线圈。

针对不同管径的管材需要为其选择不同的检测线圈。直径低于或者等于75 mm 的小直径管材可选择穿过式感应型线圈；若管材材质属于铁磁性材料，需要将磁饱和型线圈添加到感应型穿过式线圈的外部，依靠直流电来磁化管材，实现对裂纹、折叠、发裂与凹坑等缺陷的检测，检测速度可达到0.5m/s[5]。穿过式线圈在检测管材近表面与表面的纵向裂纹时能够表现出较强的灵敏度，其感生的涡流保持周向流动状态，因此检测周向裂纹的效果稍差。若探伤检测对象为管径偏小的管材，选择线圈直径应比管外径大，线圈与管件应保持同心的放置方式，平稳送进，维持均匀的速度。如果强度过大，试件可能面临推进困难的问题。如果检测对象属于大管径型管材，缺陷面积占被检面积的比重较小，这种线圈的灵敏度也会随之降低。

3.1.3 对比试样

依照预设用途制作出的存在人为缺陷的试样是对比试样，主要是为了在涡流检测中开展对比试验。通过对比试样可以对作为重要检测工具的涡流检测仪的主要性能进行确认，包括末端不可检测长度、分辨力与灵敏度；对比试样还有助于实现对灵敏度的调节，选择合适的检测条件，达到预期的缺陷检测效果；验收试件质量时，借助对比试样可以根据设备的指示信号，判定产品是否符合加工标准。可直接从待检对象上获取对比试样，以此确保待检对象与对比试样的表面状态、热处理状态、尺寸、形状与材质均保持一致；对比试样表面的人工缺陷需尽可能地接近自然缺陷，同时人工缺陷之间以及断面与人工缺陷之间均需要有足够的距离；选取的对比试样必须具有规则的形状，表面不可出现凸起、凹陷、变形与划伤等其他缺陷。

3.2 涡流检测技术要点

针对金属管材实施探伤检测时，可以启动自动化上料进给装置，使金属管材以同心、等速的方式直接进入到涡流检测线圈之中，系统中的分选下料机构即可依照涡流检测结果，根据质量标准，将已经完成探伤检测的管材分别传输到废品料槽、次级品槽与合格品槽。

首先，需要在涡流探伤检测前期做好准备工作。针对待检试件开展校正与清理工作，将试件表面上的金属粉末、氧化膜、铁磁性物质以及其他附着物彻底清除；若试件存在变形或者弯曲的情况，应采取校正措施，从而将干扰信号消除，预防误判缺陷的情况。分析试件的具体检测要求、结构尺寸、加工方法与材质，进而选择合适的检测仪器、检测线圈与检测方法；若所用的涡流检测仪设有传送系统，应预先调节送进程度，确认试件是否对准中心部位，控制振动情况，确保试件在检测期间维持匀速平稳的送进状态。了解检测标准、检测要求与判废标准后，选择对比试样。

其次，需要明确检测频率。当试件的尺寸、形状与材质存在差异时，为其选择的检测频率也各不相同，检测频率直接决定检测探伤的灵敏度。如果试件对检测频率有指定要求，应当依照实际检测深度来选择检测频率，使其被控制到合理范围之内。检测频率会给试件与检测线圈间形成的耦合效率构成影响，当检测频率比较低时，对应的检测灵敏度也不高，难以检测出面积较小的缺陷。频率与监测线圈的相位变化值、阻抗幅值变化值均存在关联。

最后，应完整地做好检测记录。需要记录的信息包括试件情况、探测条件、探测结果等。记录人员应了解试件的名称、数量、表面状态、尺寸与规格，并进行记录；探测条件包括磁饱和电流、拒斥电平、滤波器频率、相位、送进速度、检测频率等基本参数，线圈与检测工具型号也在记录范围。

应用涡流检测技术时，可能会因故障问题无法接收检测信号。面对这种情况，可先确定检测频率是否超过预设范围，若边缘效应、试件缺陷等形成信号进行叠加，相位差被消除，饱和状态随之出现。造成这种问题原因可能是频率过高，或者平衡线圈与探头线圈之间出现冲突，可将激励电压适当调低，使探伤设备输出的电压在探头的承受范围内；还可调节探头装置的电缆连接线，并查看探头与连接线接口处是否出现受损的问题。当信噪比较高时，可将尺寸合适的泡沫、橡胶材料或者海绵插到孔内表面与线圈之间，以此提高灵敏度，减轻噪音问题。

应用脉冲涡流无损检测技术对厚度为8 mm 的铝板与铜板进行监测，在铝板与铜板上分别加工深度为8 mm、6 mm 与4 mm 的人工缺陷，经过检测确定缺陷分别为表面下裂纹与表面裂纹，表面下裂纹的深度逐步加深，其感应磁场最大值形成的时间也会随之增长；不同深度的表面裂纹的磁场最大值出现的时间基本一致。因此，可以确定脉冲涡流在检测表面下深层裂纹，实际应用过程中，可以结合测量获得的数据将时间与深度的对应曲线绘制出来，确定最大值出现的时间，而后即可掌握缺陷对应的深度。

4 结论

涡流无损探伤检测技术具有多样化的特点，检测人员可以结合检测要求与试件的具体情况来选择合适的涡流检测技术与检测辅助工具，同时重视前期准备工作，减少检测过程中的干扰因素，检测过程中进行正确操作，完成检测后做好记录，准确地判定试件的缺陷情况。可将多种涡流检测技术进行结合，实现对检测对象的深层次检测，通过检测及时发现产品缺陷，从而促进工业产品提高质量，提升生产加工效益。