林俊明

（愛德森（廈門）電子有限公司，廈門 361004）

1 問題的引出

渦流檢測技術在管道的無損探傷中得到了廣泛的應用。到目前為止，阻抗分析法是渦流檢測中應用最廣泛的一種方法。阻抗分析法是以分析渦流效應引起線圈阻抗的變化及其相位變化之間的密切關系為基礎，從而鑒別各影響因素效應的一種分析方法。對于管道渦流探傷，一般要求在阻抗平面圖上不同種類的缺陷信號（內(nèi)、外壁缺陷，通孔）之間要有適當?shù)南辔徊?，以便對缺陷種類進行分辨［1］。

非鐵磁性材料的管道，如銅、鈦、不銹鋼管的渦流探傷，假設使用外穿過式線圈（如圖1所示），探傷結果中管壁上通孔缺陷信號的阻抗平面圖形一般設定為與水平軸呈40°，而內(nèi)壁缺陷和外壁缺陷信號則一般分別落在40°～170°和0°～40°的范圍內(nèi)，如圖2所示。如果探傷探頭采用內(nèi)穿過式線圈，則通孔缺陷信號的相位位置不變，內(nèi)壁缺陷和外壁缺陷信號位置范圍與前述相反。

圖2 管壁缺陷渦流阻抗平面示意圖（外穿式線圈）

對鐵磁性材料管道，如鋼管，參照 GB／T 7735—2004《鋼管渦流探傷檢驗方法》進行渦流探傷時，需要對鋼管進行飽和磁化。在實際檢測應用中發(fā)現(xiàn)：正常的飽和磁化過程下，鋼管渦流探傷的各缺陷信號阻抗平面圖形的位置分布與圖2相似，即不同類型缺陷信號之間相位分辨清楚，可以通過缺陷信號在阻抗平面圖中的相位角來判定缺陷的類別。然而，當鋼管材料磁化強度過飽和時，渦流探傷結果中的通孔以及內(nèi)外壁缺陷信號在阻抗平面上相位重疊，沒有相位差，相互之間無法分辨，如圖3所示，此時與激勵頻率無關。因而，鋼管在過飽和磁化狀態(tài)下，不能通過缺陷檢測信號對缺陷的類型進行識別。

圖3 過飽和狀態(tài)下缺陷信號阻抗平面圖

筆者將對上述提及的鋼管在過飽和磁化狀態(tài)下，缺陷檢測結果中出現(xiàn)的信號相位無法分辨的問題進行初步分析。

2 鋼管渦流探傷中的飽和磁化

與非鐵磁性管道渦流探傷不同，鋼管渦流探傷中需要對鐵磁性鋼管進行飽和磁化。這是由于被檢材料磁導率的變化會產(chǎn)生噪聲信號，一般來講，磁噪聲對線圈阻抗的影響往往遠大于缺陷的影響，為缺陷的檢出帶來困難。另外，鐵磁性金屬的集膚效應很強，因而渦流透入深度很淺，可探傷深度大約只是非鐵磁性金屬的1／100～1／1000。由此可見，鐵磁性金屬大而變化的磁導率對探傷而言可視為一種干擾因素?？朔F磁性金屬磁導率對探傷影響的方法是對管道進行飽和磁化。

鋼管的渦流檢測通常采用的磁飽和裝置為通有直流電的線圈，如圖4所示，它可產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場H。當H達到一定值后，鋼管的磁感應強度B不再增加，趨于飽和狀態(tài)，而磁導率降至最小值。鋼管材料經(jīng)飽和磁化后既消除了磁導率不均勻的現(xiàn)象，也使渦流的透入深度大大增加，經(jīng)過飽和處理的鐵磁性材料可作為非鐵磁性材料對待。為了充分利用線圈產(chǎn)生的磁場，磁化裝置一般都有鐵磁性材料（如純鐵）制作的外殼。由于純鐵的磁導率很大，磁阻很小，這樣泄漏在空間中的磁力線會被引導到管道的檢測部位［1］。

圖4 鋼管飽和磁化示意圖

鋼管等鐵磁材料在外磁化場作用下可被強烈磁化，且存在磁滯的特征，即磁化場作用停止后，材料仍保留磁化狀態(tài)。用圖形表示鐵磁物質(zhì)磁滯現(xiàn)象的曲線稱為磁滯回線，如圖5所示。

圖5 鐵磁材料磁滯回線圖

當磁化場H逐漸增加時，磁感應強度B將沿OM 曲線增加。當H增大到Hm時，B達到飽和值Bm。此時再將磁化場H減小，B并不沿原來的曲線原路返回，而是沿MR曲線下降，即使磁化場H減小到零時，B仍保留一定的數(shù)值Br，稱為剩余磁感應強度。當反向磁化場達到某一數(shù)值時，磁感應強度才降到零。當反向繼續(xù)增加磁化場，反向磁感應強度達到飽和點M′，再逐漸減小反向磁化場時，磁感應強度又逐漸增大。圖中磁化、退磁、反向磁化、反向退磁、正向磁化這一循環(huán)過程形成的閉合曲線MRCM′R′C′M 稱為磁滯回線。

如果將鋼管從磁中性狀態(tài)開始，逐步提高Hm值進行磁鍛煉，可以得到面積由小到大向外擴張的一簇磁滯回線，如圖6所示，這些磁滯回線頂點（a1，a2，a3，a4…）的連線稱為基本磁化曲線［2］。

圖6 不同退磁位置時的磁滯回線

3 相位分辨問題的分析與試驗

3.1 相位分辨問題的機理分析

鋼管渦流探傷由于引入了鋼管材料的飽和磁化過程，因而檢測中的空間磁場狀態(tài)與非鐵磁性材料檢測時不相同。筆者在GB／T 7735—2004附錄A“渦流檢查方法的局限性及其他說明”中指出“采用磁飽和裝置的鋼管渦流探傷，存在著兩種檢測機理，其一是渦流效應，其二是漏磁效應”。這兩種效應在檢測過程中同時存在，并且隨磁化狀態(tài)的不同，兩者所發(fā)揮的主導地位不同。

對鋼管施加飽和磁化，當磁化至合適的強度時，如圖6所示的I區(qū)，此時管壁中由渦流效應產(chǎn)生的磁場在探頭檢測線圈中感應的信號強于缺陷漏磁場所引起的信號，即渦流效應在檢測結果中占主導地位。因而，檢測結果阻抗平面圖上的各缺陷信號的形式與非鐵磁性渦流探傷結果類似，缺陷相位分辨清楚。

如果鋼管的磁化強度過飽和，如圖6所示的Ⅱ區(qū)，此時缺陷的漏磁場在探頭檢測線圈中產(chǎn)生的信號強于渦流效應產(chǎn)生的信號（因為漏磁場是磁化場的一部分，但對于運動的鋼管而言，與渦流信號的頻率相比，該部分磁通可認為不隨時間變化），即漏磁效應在檢測線圈中感應的磁場強度占主導地位，從而使檢測線圈的磁場趨于飽和，雖然此時渦流效應依然存在，但渦流信號湮沒在漏磁信號中，由于缺陷的漏磁信號不含有相位信息，因而檢測結果阻抗平面圖上各類缺陷信號混疊在一起，造成信號相位之間無法分辨的問題。事實上，這種狀態(tài)下阻抗平面上的檢測信號結果并非一般所理解的渦流效應的響應信號，而是缺陷的靜態(tài)漏磁場信號。

3.2 鋼管飽和磁化過程中的渦流檢測試驗

為了觀察鋼管飽和磁化過程中的渦流探傷結果，組建圖7所示的鋼管渦流探傷試驗系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)采用愛德森（廈門）電子有限公司的EEC－24型渦流探傷儀及磁飽和器和直徑為51mm，壁厚4.5mm的無縫鋼管。直流激勵源通過調(diào)節(jié)輸入磁飽和線圈中電流的大小，從而控制鋼管的磁化強度。需要注意的是，由于磁飽和線圈中的電流很大，會使線圈發(fā)熱而導致線圈材料電導率變化，因此，直流激勵源一般采用恒流源而非恒壓源，來保證磁飽和線圈中電流值的穩(wěn)定，產(chǎn)生穩(wěn)恒磁化磁場。

圖7 鋼管渦流檢測試驗示意圖

向磁飽和線圈中施加1～3A的磁化電流，使鋼管處于不同的磁化狀態(tài)，觀察探傷儀上檢測結果的阻抗平面圖形顯示。檢測結果表明，當電流值接近1A時，內(nèi)外壁缺陷信號的相位之間可以清楚地分辨，此時鋼管磁化狀態(tài)處于圖6所示的Ⅰ區(qū)，渦流效應占主導地位；當電流值增加至約3A時，內(nèi)外壁缺陷信號的相位重疊，分不開，無法對缺陷種類分辨，此時鋼管磁化狀態(tài)處于圖6所示的Ⅱ區(qū)，漏磁效應占主導地位。另外，大量的試驗以及實踐經(jīng)驗表明，當鋼管磁化至飽和磁化強度的60%～70%時，渦流探傷結果最佳。

4 結語

鋼管渦流探傷中管道磁飽和過程的引入，使得在實際的檢測過程中出現(xiàn)了缺陷信號在阻抗平面圖上相位無法分辨的問題。實質(zhì)上，這是由于漏磁效應的作用強于渦流效應的原因。為了更好地實施鋼管的渦流探傷，就要避免鋼管處于過飽和磁化狀態(tài)，這對于缺陷的檢出至關重要。另外，從生產(chǎn)應用的角度講，采用渦流與專用漏磁檢測（或超聲檢測）集成技術將是未來發(fā)展的一大趨勢（特別是對大口徑、厚壁管的檢測，其深部缺陷已無法用電磁法檢出），這一點已在現(xiàn)代鋼管生產(chǎn)線上得到印證。國家特檢培訓考試基地從長期發(fā)展考慮，選用EEC－508渦流／漏磁／超聲一體化儀器用于培訓考核。

以上內(nèi)容也可以看成是對GB／T 7735—2004標準的補充說明。

［1］任吉林，林俊明.電磁無損檢測［M］.北京：科學出版社，2008.

［2］雷銀照.電磁場［M］.北京：高等教育出版社，2008.