管道远场涡流无损检测技术综述.pdf
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1、 2015 年第 3 期Pipeline Technique and Equipment2015 No 3 基金项目:国家自然科学基金项目(51107148);陕西省自然科学基金项 目(2011JQ7006) 收稿日期:2014-08-21 收修改稿日期:2014-12-06管道远场涡流无损检测技术综述徐小杰(空军工程大学信息与导航学院,陕西西安 710077)摘要:远场涡流作为涡流无损检测技术的一个重要分支,目前在各个行业的管道日常维护和安全保障中发挥着重要的作用。 文中首先详细叙述了远场涡流无损检测技术的发展历史;对目前国内外远场涡流应用的研究现状和研究热点问题进行了总结和论述;从进一步提
2、高轴向裂纹检测能力,解决使用中支撑板影响问题等方面,探讨了远场涡流无损检测技术的应用发展方向。关键词:无损检测;远场涡流;定量评估;缺陷;检测灵敏度中图分类号:TG115 文献标识码: A 文章编号:1004-9614(2015)03-0021-03Remote Field Eddy Current Non-Destructive Testing for Pipes and TubesXU Xiao-jie(Institute of Information and Navigation, Air Force Engineering University, Xian 710077,China)A
3、bstract:Remote Field Eddy Current (RFEC) is an important branch cut of eddy current nondestructive testing (NDT)technique, and draws more and more attention in the testing and repairing of pipes and tubes. The origin and development historyof RFEC technique was described. The research status and hot
4、-spot issues of RFFC technique both inland and overseas were sum-marized and analyzed. The future development direction of RFEC technique was discussed with detail, from the aspects such asaxial crack detection ability improvement,mounting plate influence in use and so on.Key words:non-destructive t
5、esting;remote field eddy current;quantitative evaluation;defect;sensitivity detection0 引言无损检测(Nondestructive Testing, NDT)是建立在现代科学技术基础上的一门应用性技术学科,它以不破坏被测物体内部结构为前提,应用物理的方法,检测物体内部或表面的物理性能、状态特性以及内部结构,检查物体内部是否存在不连续性(即缺陷),从而判断被测物是否合格,进而评价其适用性1-3。作为常规无损检 测 技 术 之 一 的 涡 流 检 测 技术4-6,1879 年由 Hughes 应用于实际,用以判断
6、不同的金属和合金,进行材质分选。 涡流检测技术已经扩展至许多个不同的分支,如单频涡流、多频涡流、脉冲涡流等,并均在管道无损检测中发挥着重要的作用。然而对于铁磁性管道而言,由于集肤深度的限制,上述方法只适用于检测管道的表面和近表面缺陷,而对于深层缺陷的检测灵敏度很低。 远场涡流技术在这一背景下提出并逐步在铁磁性管道无损检测中表现出其特有的优势。远场涡流现象属于涡流检测中的一种特殊的物理现象,其检测机理如图 1 所示。 通常采用一个与管道同轴的螺线管线圈激励(周向绕制)的方式,检测线圈也是与管道同轴的螺线管线圈(周向绕制)。图 1 远场涡流检测机理示意图按照 Schmidt 的观点7:远场涡流现象
7、取决于管中发生的 2 个效应,一是沿管子内部对激励线圈直接耦合磁通的屏蔽效应;二是存在能量的 2 次穿过管壁的间接耦合路径,它源于激励线圈附近区域管壁中感应的周向涡流,此周向涡流迅速扩散到管外壁,同时幅值衰减、相位滞后,而到达管外壁的电磁场又向管外扩散,由于管外场强的衰减较管内直接耦合区衰减速度慢得多,因此管外场又在管外壁感应产生涡流,穿过管壁向管内扩散,再次产生幅值衰减与相位滞后。远场涡流检测技术具有以下优点:管子外壁缺陷22 Pipeline Technique and EquipmentMay 2015 与内壁缺陷在检测中具有相同的灵敏度;管壁厚度与检测信号相位近似成正比,缺陷易于分辨;
8、受提离效应影响很小,可以节省清洁时间;具有常规涡流检测的非接触与快速的优点。1 远场涡流无损检测技术的发展历史远场涡流无损检测技术自从 20 世纪 50 年代提出以来,主要经历了以下几个发展阶段:(1)1951 年,Maclean.W.R 申请了“Apparatus formagnetically measuring thickness of ferrous pipe”的编号为 2573799 的专利8;(2)1958 年,美国壳牌石油公司将此种方法用于石油套管外壁腐蚀情况检测,并研制出在役远场涡流检测系统9;(3)1984 年,Schmidt 提出了远场涡流现象中的能量耦合信道及耦合方式的假
9、说7,远场涡流作为一种无损检测技术开始被各个领域所认可;(4)1986 年,Atherton D L 等10-13通过仿真和实验验证了能量通道假说;(5)1988 年,发现远场涡流中存在的“磁位峡谷”和相位结点14-16。此后,远场涡流技术得到飞速发展,主要体现在:理论研究日益深入17-20,包括远场涡流能量流的进一步深入研究、基于波导现象对远场涡流现象进行解析解证明、采用“虚拟激励”的方法研究远场涡流中缺陷与电磁场相互作用;商业化仪器逐渐成熟21-25,如磁饱和窗技术在在役管道检测中的应用、用于换热管的仪器样机;应用领域逐步扩展,主要包括埋地煤气管道的分析和试验、小口径换热管中的应用,以及非
10、铁磁性管道检测。 2000 年,ASTM 颁布了“Standard Prac-tice for In Situ Examination of Ferromagnetic Heat-Ex-changer Tubes Using Remote Field Testing”的标准26,远场涡流技术成为一项有效的管道无损检测技术。2 远场涡流无损检测技术应用进展2.1 远场涡流无损检测技术的国外应用与研究进展美国、加拿大、日本等相继投入大量人力、物力进行开发与研究,如 Russel 公司的 F308、Olymplus 公司的远场涡流仪器等,均在实际的管道检测中取得了很好的应用效果。在国外,目前的研究热
11、点主要集中于:(1)远场涡流技术在新的领域的拓展:如应用于煤气分配管道等“不可爬”管道的检测27;将远场涡流效应延伸至平板结构飞机多层铆接结构检测28;应用于预应力钢筋混凝土管道的钢筋缺陷检测29-30。(2)数值仿真的进一步应用31:如采用混合数据库方法对远场涡流进行有限元仿真。(3)基于远场涡流的缺陷分类和重构32:如神经网络、蒙特卡罗马尔科夫链、最优模型方法等。(4)各种新型结构的远场涡流探头研发33:如采用方波脉冲激励方式、三相电机旋转磁场激励方式。2.2 远场涡流无损检测技术的国内应用与研究进展我国对远场涡流技术的研究起步较晚,20 世纪 80年代后期才开始这方面的研究并取得了很大的
12、成果34-36。 南京航空航天大学在远场涡流传感器改进和远场涡流的有限元仿真方面做了研究;上海材料研究所、清华大学、山东工业大学、核工业无损检测中心等单位则主要集中于远场涡流技术的应用和试验研究。在仪器应用方面,我国目前主要集中于换热管等小口径管道研究上,设计了 8 频多通道远场涡流仪器EEC-39RFT 等。3 远场涡流无损检测技术的未来发展趋势由国内外的发展情况来看,今后的远场涡流无损检测技术主要需要解决的问题如下:(1)进一步提高远场涡流对应力腐蚀裂纹等轴向裂纹的检测能力。 采用远场涡流技术对铁磁性管道进行检测时,对于不同类型的缺陷具有不同的检测灵敏度,因此,如何确保远场涡流对于不同类型
13、缺陷尤其是轴向裂纹的检测能力,是决定远场涡流技术未来应用的重要因素。(2)探索消除应用过程中支撑板、磁导率不均匀干扰等影响因素的新方法。 在实际的管道结构检测过程中,由于管道长期处于不同环境中以及管件制造过程加工条件不同,在不同位置处磁导率会发生变化,同时检测现场某些铁磁性结构如支撑板等37,也会对检测信号产生很大影响。 因此,有效消除这些影响因素,是提高远场涡流检测系统能力的另一个重要方面。(3)由无损检测发展至无损评估是远场涡流技术未来发展趋势。 无损检测的未来发展趋势是无损评估38-39。 尽管远场涡流检测技术目前已经在各个领域取得了广泛的应用,但随着管道维护要求的逐步提高,要求无损检测
14、技术不仅能够检测出缺陷,同时要求能够进一步给出缺陷的信息,如缺陷位于管道内壁还是管道外壁。 同时,为了更精确地对各种不同类型第 3 期徐小杰:管道远场涡流无损检测技术综述23 的缺陷进行分析,这就要求未来的远场涡流技术能够对不同类型、不同位置的缺陷进行分类识别的和尺寸的定量估计。4 结论远场涡流无损检测技术作为检测管道的重要手段,将会在未来发挥重要作用。 本文从远场涡流无损检测技术的发展历史、应用进展和发展趋势 3 个方面进行了阐述,为无损检测技术发展提供参考。参考文献:1 李家伟,陈积懋. 无损检测手册.2 版.北京:机械工业出版社,2012.2 林俊明,任吉林,徐可北.涡流检测. 北京:机
15、械工业出版社,2013.3 MIX P E.Introduction to nondestructive testing-A trainingguide. Wiley Interscience, 2005.4 于少平,种玉宝,唐文庆.在用换热器铁磁性钢管的远场涡流检测, 管道技术与设备, 2013(6): 16-19.5 KOBAYASHI N,UENO S,NAGAI S,et al. Remote field ed-dy current testing for steam generator inspection of fast reac-tor. Nuclear Engineering
16、Design, 2011(2): 4643-4648.6 MARTN J G,GIL J G,VZQUEZ-SNCHEZ E.Non-Destruc-tive Techniques Based on Eddy Current Testing. Sensors, 2011(11):2525-2565.7 SCHMIDT T R. The remote field eddy current inspection tech-nique. Materials Evaluation, 1984(2): 225-230.8 MACLEAN W R. Apparatus for magnetically m
17、easuring thick-ness of ferrous pipe:The United States of America,2573799.1951-11-06.9 SCHMIDT T R.The casing inspection toolan instrument forthe in-situ detection of external casing corrosion in oil wells.Corrosion, 1961(7):81-85.10 ATHERTON D L, SULLIVAN S.The remote field throughwall electromagnet
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