宋 凱，彭旭釗，危 荃，李來(lái)平，涂 俊，馬冰洋

(1.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063;2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

0 引言

渦流檢測(cè)因具有不需與工件接觸、不用添加耦合劑、檢測(cè)靈敏度高且速度快等優(yōu)勢(shì)［1］，在鋼管檢測(cè)中廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家也制定了相應(yīng)的鋼管渦流檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 7735—2004［2］、ASTM E309—2011［3］和JIS G0583—2012［4］。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7735—2004，對(duì)鋼管開(kāi)展渦流檢測(cè)時(shí)需對(duì)其進(jìn)行飽和磁化，并針對(duì)通孔缺陷和不同規(guī)格的鋼管，明確其對(duì)應(yīng)能檢出最小的通孔直徑，如鋼管外徑在76～144 mm 范圍內(nèi)，應(yīng)能夠檢出最小直徑為2.2 mm 的通孔即可。然而在實(shí)際檢測(cè)的工件中，通孔缺陷大小各異，值得研究的是，通孔直徑是否對(duì)渦流信號(hào)的相位或幅值產(chǎn)生影響，這將對(duì)鋼管通孔缺陷的定量評(píng)價(jià)方面有著重要意義。

目前對(duì)于非鐵磁性管道通孔缺陷的研究較為透徹，如楊寶初［5］和曹剛等［6］發(fā)現(xiàn)不同直徑的通孔信號(hào)相位并非一個(gè)固定的值，并解釋了信號(hào)相位會(huì)隨直徑的改變而變化的原因。而對(duì)于鋼管通孔缺陷，國(guó)內(nèi)外尚未單獨(dú)展開(kāi)深入研究，即便有文獻(xiàn)涉及此方面，也只是從多種缺陷渦流信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果作了相關(guān)論述，如林俊明等［7］對(duì)含通孔、盲孔和人工槽的鋼管開(kāi)展了不同磁化狀態(tài)下渦流檢測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼管處于飽和磁化強(qiáng)度的60%～70%時(shí)，檢測(cè)效果最佳，但試驗(yàn)中只提及了φ1.4 mm和φ2.2 mm 通孔，所研究的通孔直徑規(guī)格太少，無(wú)法對(duì)鋼管通孔缺陷在渦流檢測(cè)中所反映的信息作全面的解釋。

本研究以含通孔缺陷的鋼管為研究對(duì)象，搭建渦流檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展不同磁化狀態(tài)下渦流檢測(cè)試驗(yàn)，分析不同直徑通孔信號(hào)幅值和相位隨磁化電流的變化規(guī)律，為通孔缺陷的評(píng)判以及選取合適的磁化區(qū)提供理論依據(jù)。

1 鋼管試樣及試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 鋼管試樣及缺陷

試樣材料為45 鋼，其冷熱加工性能、力學(xué)性能較好，且價(jià)格低，常用于重中型機(jī)械制造業(yè)中，因此具有廣泛的代表性。鋼管外徑為87 mm，長(zhǎng)度為1 200 mm，壁厚分別為6、9 mm，在鋼管上加工7 個(gè)不同直徑的通孔缺陷，其直徑分別為1.5、2.0、2.5、4.5、6.0、10.0、15.0 mm，通孔間中心距為80 mm。壁厚6 mm 鋼管含通孔缺陷示意圖如圖1 所示。

圖1 鋼管尺寸及缺陷分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of steel tube size and defects distribution

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示，由直流穩(wěn)壓電源、磁飽和裝置、渦流檢測(cè)線(xiàn)圈、鋼管、滾輪和渦流檢測(cè)儀構(gòu)成。直流穩(wěn)壓電源向磁飽和裝置提供磁化電流，可在0～30 A 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，滿(mǎn)足鋼管飽和磁化的要求。磁飽和裝置采用一對(duì)相互獨(dú)立的磁化線(xiàn)圈，線(xiàn)圈的內(nèi)徑和絲徑分別為200、2 mm，寬度100 mm，匝數(shù)為1 200 匝，間隔距離為60 mm。渦流檢測(cè)線(xiàn)圈采用外穿過(guò)式差動(dòng)連接，緊密繞制在特制的骨架上，線(xiàn)圈的尺寸(內(nèi)徑×寬度×厚度)為φ91 mm×2 mm×2 mm，絲徑為0.25 mm，匝數(shù)為52 匝，兩線(xiàn)圈相距2 mm。

渦流檢測(cè)儀包括激勵(lì)模塊、橋式電路、檢測(cè)線(xiàn)圈、前置放大、A/D 采集卡，計(jì)算機(jī)和信號(hào)分析軟件等。激勵(lì)電源產(chǎn)生一定頻率的交流電經(jīng)功率放大驅(qū)動(dòng)橋式渦流檢測(cè)線(xiàn)圈，檢測(cè)線(xiàn)圈的差分信號(hào)經(jīng)前置放大和相敏檢波送至A/D 采集卡，最后由計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理分析并記錄。

在激勵(lì)頻率為20 kHz，增益為17 dB 檢測(cè)檢測(cè)條件下，磁化電流范圍為6～26 A，步進(jìn)為2 A，采用探頭固定、勻速推動(dòng)鋼管的方式開(kāi)展渦流檢測(cè)試驗(yàn)，研究不同磁化狀態(tài)下通孔缺陷的信號(hào)特征。

圖2 鋼管渦流檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of ECT system for steel tube

2 通孔檢測(cè)結(jié)果

2.1 通孔渦流檢測(cè)信號(hào)

圖3 為壁厚6 mm 鋼管、直徑φ 為2 mm 通孔分別處于磁化電流6、16、26 A 時(shí)的檢測(cè)信號(hào)“8”字圖形。從圖中可以看出，檢測(cè)信號(hào)在不同磁化電流下都未呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的“8”字形，信號(hào)的相位角分別為109°、126°、124°，差異比較小。電流為16 A 時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的幅值最大為79 mV，且信號(hào)的“8”字圖形成像效果最佳，辨識(shí)度高;而電流為6 A 和26 A 時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的“8”字圖形較小，尤其電流為26 A 時(shí)，信號(hào)幅值僅為12 mV。

由圖3 可以知，對(duì)于同一尺寸參數(shù)的缺陷，在飽和磁化如磁化電流為26 A 時(shí)，渦流檢測(cè)信號(hào)有清晰顯示，而在非飽和階段，信號(hào)幅值不降反升，甚至磁化電流在6 A 時(shí)也能表現(xiàn)較高的信噪比，相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)［8-9］大多認(rèn)為鋼管實(shí)施渦流檢測(cè)時(shí)必須要在飽和磁化階段方能抑制磁導(dǎo)率波動(dòng)引起的噪聲信號(hào)，但試驗(yàn)結(jié)果表明，即使未實(shí)施飽和磁化，鋼管缺陷均可有效檢出，這與標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)認(rèn)識(shí)是有異的。為進(jìn)一步掌握通孔缺陷參數(shù)對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)的影響，也需要在不同磁化程度下開(kāi)展檢測(cè)試驗(yàn)，以全面研究其影響規(guī)律。

圖3 壁厚6 mm 鋼管φ2 mm 通孔在不同磁化電流下的信號(hào)圖Fig.3 Signal graphs of through-hole diameter 2 mm of thickness 6mm steel tube under different magnetization current

2.2 通孔直徑對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

圖4 為壁厚6 mm 鋼管其通孔信號(hào)幅值、相位與磁化電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由圖4a 可見(jiàn)，通孔直徑一定時(shí)，信號(hào)幅值在整個(gè)磁化區(qū)6～26 A 內(nèi)，總體上呈現(xiàn)出隨磁化電流的增加先增大，后減小再趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，φ10.0、15.0 mm 通孔信號(hào)幅值在飽和磁化區(qū)22～26 A 內(nèi)有小幅增大。在初始磁化階段，隨著通孔直徑的增加，信號(hào)幅值增幅較大，增速更快，且在較小的電流下信號(hào)幅值取得極大值。當(dāng)電流一定時(shí)，信號(hào)幅值隨通孔直徑的變大而增大。對(duì)比直徑為15.0 mm 與1.5 mm 通孔的信號(hào)幅值，隨電流的增加，兩者信號(hào)幅值的差值呈先增大后減小再略有增大的趨勢(shì)。

如圖4b 所示，在非飽和磁化區(qū)6～18 A 內(nèi)，通孔直徑一定時(shí)，信號(hào)相位角呈現(xiàn)快速增大的變化趨勢(shì)，且相較于信號(hào)幅值在14～18 A 開(kāi)始減小時(shí)，相位還在不斷增大;同一電流下，不同直徑通孔信號(hào)相位角差異較小，最大值與最小值的極值偏差在10°～18°范圍內(nèi)變化。當(dāng)電流范圍為20～26 A 進(jìn)入飽和磁化區(qū)時(shí)，所有不同直徑通孔信號(hào)相位角的變化雜亂無(wú)章，無(wú)一定規(guī)律可循，φ4.5、6.0、10.0、15.0 mm 的通孔信號(hào)相位角在該磁化區(qū)內(nèi)甚至產(chǎn)生大幅度減小。

圖5 為壁厚9 mm 鋼管其通孔信號(hào)幅值、相位與磁化電流的關(guān)系曲線(xiàn)。對(duì)比圖4 和圖5 可知，兩者的信號(hào)幅值和相位角隨電流的變化趨勢(shì)大體相同，但略有差異，壁厚9 mm 鋼管通孔信號(hào)幅值和相位角呈現(xiàn)的曲線(xiàn)線(xiàn)性度更平滑、波動(dòng)差異更小。由此可知，管壁越厚，在相同磁化區(qū)內(nèi)磁化效果越不充分時(shí)，信號(hào)幅值和相位角隨磁化電流的變化更為穩(wěn)定。

圖4 壁厚6 mm 鋼管通孔直徑對(duì)ECT 信號(hào)的影響Fig.4 Effect of through-hole diameter of thickness 6 mm steel tube on ECT signal

圖5 壁厚9 mm 鋼管通孔直徑對(duì)ECT 信號(hào)的影響Fig.5 Effect of through-hole diameter of thickness 9 mm steel tube on ECT signal

3 分析與討論

為進(jìn)一步研究通孔直徑與檢測(cè)信號(hào)規(guī)律，圖6 為壁厚6 mm 和9 mm 通孔缺陷的直徑與檢測(cè)信號(hào)幅值處于極大值時(shí)對(duì)應(yīng)磁化電流之間的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖6 可以看出:對(duì)于壁厚6 mm 鋼管，φ1.5、2.0、2.5、4.0、6.0 mm 通孔在電流14 A 時(shí)信號(hào)幅值取得極大值，而φ10.0、15.0 mm 通孔信號(hào)幅值取得極大值的電流為12 A;對(duì)于壁厚9 mm鋼管，φ1.5、2.0、2.5 mm 通孔信號(hào)幅值取得極大值的電流為16 A，φ4.0 mm 為14 A，φ6.0、10.0、15.0 mm為12 A。針對(duì)以上現(xiàn)象，主要原因分析如下:

影響渦流檢測(cè)信號(hào)的因素主要有缺陷的幾何形狀參數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率3 類(lèi)，當(dāng)鐵磁性材料處于不同的磁化狀態(tài)時(shí)，磁特性參數(shù)也相應(yīng)發(fā)生改變，并且在同一磁化電流下，當(dāng)量體積大的通孔缺陷，其附近區(qū)域電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率不均勻性比當(dāng)量體積較小的通孔缺陷更為劇烈，使得2 個(gè)差分連接的檢測(cè)線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)，所處檢測(cè)部位的電磁特性的差異更為明顯，即檢測(cè)線(xiàn)圈更易獲取缺陷信息。

圖6 壁厚6 mm 和9 mm 鋼管通孔直徑與磁化電流的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Relation curves between through-hole diameter and magnetization current of thickness 6 mm and 9 mm steel tubes

圖4b、圖5b 試驗(yàn)結(jié)果表明，直徑較大的通孔(如4.5、6.0、10.0、15.0 mm)處于飽和磁化區(qū)22～26 A 時(shí)，信號(hào)相位角產(chǎn)生大幅偏轉(zhuǎn)。圖7 所示為壁厚6mm鋼管、直徑為15mm通孔在不同磁化電流下的“8”字型信號(hào)圖(藍(lán)色圓圈為渦流檢測(cè)儀選取的原始頂點(diǎn)，紅色圓圈為假定頂點(diǎn)。對(duì)于較為標(biāo)準(zhǔn)的“8”字信號(hào)圖，如電流為8 A 和12 A時(shí)，渦流檢測(cè)儀將“8”字信號(hào)圖形的2 個(gè)頂點(diǎn)間的2 條不同曲線(xiàn)分別以紫色和綠色標(biāo)定，但隨著磁化電流逐步增加時(shí)，“8”字信號(hào)圖發(fā)生一定程度的扭曲，形成雙“8”形，對(duì)檢測(cè)儀確定“8”字信號(hào)頂點(diǎn)產(chǎn)生一定的障礙，致使紫綠色曲線(xiàn)產(chǎn)生混亂連接而成)。從圖7 可以看出，由原始頂點(diǎn)確定的信號(hào)相位角依次為128°、139°、152°、115°、121°、119°，由假定頂點(diǎn)確定的相位角經(jīng)測(cè)量后依次為95°、100°、110°、167°、2°(182°)、15°(195°)(相位角大于180°時(shí)，需做減去180°處理)。

為了對(duì)比信號(hào)原始相位角和假定相位角相組合時(shí)的相位變化趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了如下4 種組合方式(圖8):情形1 為所有信號(hào)原始相位角的組合;情形2 為8、12、16 A 時(shí)的信號(hào)原始相位角與22、24、26 A 時(shí)的信號(hào)假定相位角的組合(即128°、139°、152°、167 °、2°、15°);情形3 為8、12、16 A 時(shí)的信號(hào)假定相位角與22、24、26 A 時(shí)的信號(hào)原始相位角的組合(即95°、100°、110°、115°、121°、119°);情形4 為所有信號(hào)假定相位角的組合。

由情形2 可知，從非飽和磁化區(qū)至飽和磁化區(qū)，若信號(hào)相位以此趨勢(shì)變化，相位角并未發(fā)生大幅衰減，而是連續(xù)并沿順時(shí)針?lè)较虿粩嘣龃蟮?。情? 中信號(hào)相位角所呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)與情形2相近。情形4 中，在非飽和磁化區(qū)信號(hào)相位角穩(wěn)步上升后，在飽和磁化區(qū)出現(xiàn)大幅增大，這與情形2 中飽和磁化區(qū)的相位角變化趨勢(shì)完全相反。鋼管處于飽和磁化區(qū)時(shí)，由于缺陷周?chē)幋嬖谥蔷鶆虼艑?dǎo)率相對(duì)于管壁無(wú)缺陷處磁特性的不同引起渦流畸變，并且鋼管在逐步跨過(guò)通孔缺陷的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中(圖9)，檢測(cè)線(xiàn)圈接觸通孔缺陷的區(qū)域不斷發(fā)生改變，導(dǎo)致2 個(gè)圈之間的差分電壓值也在不斷變化，經(jīng)以上兩者共同作用使得線(xiàn)圈阻抗產(chǎn)生相應(yīng)的復(fù)雜變化，以至于檢測(cè)信號(hào)均呈現(xiàn)出嚴(yán)重扭曲的雙“8”現(xiàn)象。而渦流檢測(cè)儀也因此在選取信號(hào)“8”字圖形的2 個(gè)頂點(diǎn)時(shí)發(fā)生改變，而這2 個(gè)頂點(diǎn)是決定信號(hào)相位角的唯一標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明信號(hào)相位角勢(shì)必會(huì)因渦流檢測(cè)儀對(duì)信號(hào)“8”字頂點(diǎn)的選取不當(dāng)而導(dǎo)致其不準(zhǔn)確，容易造成對(duì)缺陷信號(hào)的誤判。

圖7 壁厚6 mm 鋼管φ15 mm 通孔在不同磁化電流下的信號(hào)圖Fig.7 Signal graphs of through-hole diameter 15 mm of thickness 6 mm steel tube under different magnetization current

圖8 不同情形下磁化電流與通孔信號(hào)相位的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.8 Relation curves between magnetization current and through-hole signal phase under different situations

圖9 鋼管在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與通孔缺陷的相對(duì)位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of the relative position between steel tube in the process of movement and the through-hole

4 結(jié)論

1)對(duì)鋼管實(shí)施渦流檢測(cè)時(shí)，在非飽和及飽和磁化區(qū)內(nèi)，不同直徑通孔缺陷均能夠被檢測(cè)出。

2)對(duì)于壁厚6 mm 鋼管:通孔直徑一定時(shí)，在非飽和磁化區(qū)6～18 A 內(nèi)，通孔信號(hào)幅值隨電流的增加先增大后減小，相位角隨電流的增加逐步上升。在飽和磁化區(qū)20～26 A 內(nèi)，對(duì)于直徑較小的通孔(1.5、2.0、2.5 mm)，信號(hào)幅值隨電流的增加而減小最后趨于平穩(wěn)，相位角隨電流的增加起伏不定、但波動(dòng)差異較小;而對(duì)于直徑較大通孔(4.5、6.0、10.0、15.0 mm 通孔)，信號(hào)幅值隨電流的增加略有上升，相位角隨電流的增加發(fā)生大幅度減小、變化雜亂無(wú)章。當(dāng)磁化電流一定時(shí)，信號(hào)幅值隨通孔直徑的增大而增大;不同直徑通孔間信號(hào)相位角在非飽和磁化區(qū)差異較小，而在飽和磁化區(qū)信號(hào)相位角變化起伏較大、無(wú)明顯規(guī)律。

3)對(duì)于壁厚較厚的9 mm 鋼管，與壁厚6 mm鋼管相比，兩者的信號(hào)幅值和相位角隨磁化電流的變化趨勢(shì)大體相同，但壁厚9 mm 鋼管通孔信號(hào)幅值和相位角呈現(xiàn)的曲線(xiàn)線(xiàn)性度更平滑、波動(dòng)差異更小。

［1］宋凱，陳超，康宜華，等.鋼管內(nèi)壁缺陷渦流檢測(cè)的機(jī)理研究［J］.失效分析與預(yù)防，2012，7(3):180-183.

［2］全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 7735—2004 鋼管渦流檢測(cè)探傷檢驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［3］American Society for Testing and Materials.ASTM E309—2011 Standard practice for eddy-current examination of steel tubular products using magnetic saturation［S］.ASTM Press，2011.

［4］JIS G0583—2012 鋼管的渦流自動(dòng)檢驗(yàn)［S］.日本:日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(huì)，2012.

［5］楊寶初.傳熱管通孔渦流信號(hào)研究［J］.無(wú)損檢測(cè)，1998，20(5):132-133.

［6］曹剛，柳祥梅.換熱器傳熱管通孔缺陷的信號(hào)渦流檢測(cè)信號(hào)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2009，31(8):619-624.

［7］林俊明，賴(lài)傳理，任吉林.鋼管渦流探傷中缺陷信號(hào)的相位分辨［J］.無(wú)損檢測(cè)，2011，33(1):2-5.

［8］Kelha V，Peltonen R.The influence of magnetization on eddy current inspection of ferromagnetic tubes［J］.Acta Polytechnica Scandinavica，Applied Physics Series，1983(138):76-79.

［9］劉凱，張榮仁.在役鐵磁性管渦流檢測(cè)方法與應(yīng)用［J］.無(wú)損檢測(cè)，1996，18(12):345-348.