铁磁性材料热损伤的涡流检测

李俊江，崔卫东，王家帮

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院， 郑州 450016)



铁磁性材料热损伤的涡流检测

李俊江，崔卫东，王家帮

(河南省锅炉压力容器安全检测研究院， 郑州 450016)

摘要：热损伤会导致铁磁性材料组织、力学性能等发生改变，进而影响承压设备安全性，而表征此类失效模式的方法较少。使用自制涡流检测探头及系统，对不同热损伤程度的试块进行扫查，分析了检测信号(ΔL,ΔR)的变化规律。结果表明：两变化量均随热损伤程度的增加呈递增趋势，且ΔL变化较ΔR明显，根据ΔL可表征热损伤范围和大小。上述结论有望在承压设备安全运行中得到实际应用。

关键词：热损伤；涡流检测；激励频率；承压设备

工业和生活用锅炉等常年承受热量的特种设备构件易出现裂管、爆管等重大事故，而引起此类事故的根本原因就是其受热部位在热量交替变换的过程中产生了热损伤，进而导致材料发生重大变化，无法满足设计要求[1-2]。

常用的热损伤检测方法主要有酸洗法、磁粉检验、荧光渗透检验、X射线衍射法等，但这些方法对热损伤程度的表征都存在一定缺点，如破坏在用设备，无法定量，灵敏度、准确度不高、检测过程耗时、不方便，检测内容单一等。基于电磁感应的涡流检测法具有无损、定量、准确、方便、快捷等优点，可应用于表征铁磁性材料中热损伤部位和大小，从而对特种设备的安全进行评价[3-6]。

目前，国内外将此方法应用于裂纹等缺陷检测的研究较多，而应用于表征热损伤方面的研究较少[7-8]。笔者使用自制涡流检验系统，分析了涡流信号经过热损伤区域的变化特征，为承压设备的安全运行提供了技术支持。

1涡流检测原理

涡流检测时将试样放在通有交流电的线圈中或者接近线圈，由线圈产生一个交变磁场；在交变磁场的作用下，金属试样上会感应出涡流，涡流也会产生相应的磁场；这个磁场与交变磁场相互作用，导致原磁场发生变化，使线圈内的磁通发生变化，从而改变线圈的阻抗。工件的各种变化(如尺寸、电导率、内部组织结构等)都会改变涡流的密度和分布,从而改变线圈的阻抗。

线圈阻抗的变化，同时与电涡流效应和静磁学效应有关，即与金属导体的磁导率、电导率、几何形状、线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关。假定金属导体是均质的，其性能是线性和各向同性的，而线圈等系统的物理性质通常可由磁导率μ、电导率ρ、尺寸因子γ、温度t、距离x、激励电流I和频率ω等参数来描述，则线圈的阻抗Z可用如下函数表示:

(1)

假设μ,ρ,γ,t,I，ω不变，则Z为线圈与被测导体距离x的单值函数。由于导体中的电涡流难以直接测量，但可通过测量涡流产生的磁场使原线圈的Z的变化来测量距离x，再将Z的变化通过测量电路转化成电压信号[9]。

等效电路图如图1所示。图中R1和L1为线圈的直流电阻和电感；R2和L2为金属导体的电阻和电感；U为激励电压；M为线圈与导体之间的互感系数，且随着二者间距x的缩短而增大。根据克希霍夫平衡方程式可得到线圈受金属导体影响后的等效阻抗为[10]：

(2)

图1　电涡流探头的等效电路

图2　涡流检测系统结构示意

2涡流检测系统

检测系统如图2所示，主要由硬件模块及计算机采集系统组成，硬件模块包括探头、移相器、相敏检波电路、幅度鉴别器、提离效应抑制电路、残余电压补偿电路等。其中，采用MAX038信号发生器产生两路正交正弦信号；信号调理电路采用AD620、LM138、MC1496器件对检测信号进行放大、移相、电阻和电感分离；信号采集部分采用USB4671即插采集卡。

2.1涡流检测探头

检测探头是检测系统中的重要组成部分，工件中的感应磁场遇到材料性能改变时会发生变化，此时感应磁场的变化量可表征热损伤信息，故如何获取这些磁场变化量并转换为电信号是检测系统的关键。实际生产中，能够测量磁场的元件有很多，在无损检测仪器制造领域应用的主要有霍尔元件、巨磁阻元件、磁敏元件、检测线圈等;其中，应用最广泛的是检测线圈。

实际检测中，单个线圈的感应电压值非常小，为了增大感应电压值，提高检测灵敏度，需采用多匝数线圈；另外，增加磁芯可以提高电磁感应强度。自制检测探头组成结构及实物图片见图3。探头主要由磁芯、检测线圈、保护外壳组成。将直径为0.03 mm的漆包线绕制在长方体铁氧体骨架上，匝数为150，测量电阻为2.3 Ω[11-12]。

图3　检测探头组成结构与外观图片

2.2信号调理电路

信号处理模块将检测线圈阻抗Z转换成电压值，由公式(1)可知，Z包含R和L两部分,不同的检测环境对两者的影响程度会有差异。为提高检测灵敏度，增强热损伤识别能力，在此采用MC1496集成芯片对检测信号进行分离，分别得到表达R与L数值的电压值。其工作原理可通过以下公式表示[13]。

设us为参考电压：

(3)

u1实部u1r和虚部u1i分别为：

(4)

u1i=U1icos(ωt+π/2)

(5)

则u1为：

(6)

乘法器两个输入端分别输入电压u1和us，乘法器的输出为：

(7)

(8)

经过以上处理后即可得到信号虚部u1i。

3不同热损伤程度涡流检测信号表征

3.1热损伤程度及试块规格

采用三种焊接参数制作不同热损伤程度(以电流/时间来表征)试块，将25 A/1.5 s、80 A/1.5 s、150 A /1.5 s热损伤试块分别定义为S1、S2、S3，激励频率选择600,800,1 000 kHz，试块结构示意如图4所示。为保证检测结果的准确性，将试块表面打磨干净，且试块加热前后对同一部位进行射线、超声、磁粉检测，以此消除面积、体积型缺陷等外来因素对检测信号的影响。

图4　试块结构示意

图5　80 A/1.5 s热损伤试块在800 kHz激励频率下的涡流检测结果

3.2检测结果及分析

采用系统获取的电压值分别表示ΔL与ΔR变化量，图5为激励频率800 kHz下，80 A/1.5 s热损伤检测结果，由图中可看出涡流信号经过热损伤区域时发生了明显变化。不同加热电流下热损伤涡流检测信号见图6，由图可知，相同检测参数下，不同热损伤程度的检测信号出现明显变化。检测结果显示S1、S2、S3试块ΔL电压变化值分别为35，49，82 mV，ΔR电压变化值分别为25，36，60 mV。由此可知，随着热损伤程度的增加，ΔL和ΔR随之变大。尽管两个相关信号都发生变化，但ΔL和ΔR变化程度有较大差异，两者差值随着热损伤程度的增加呈上升趋势，分别为10，13，22 mV。

图6　不同热损伤程度时试块的ΔL与ΔR的电压变化

图7　不同激励频率时试块的ΔL与ΔR的电压变化

相同热损伤程度下，不同激励频率下的检测结果如图7所示。由图7可见，虽然试件相同，热损伤程度相同，线圈匝数也相同，但是随着检测频率的改变，采集到的信号的变化是不一样的。图中显示600,800,1 000 kHz激励频率下的ΔL电压变化值分别为30,51,110 mV，电阻ΔR电压变化值分别为25,42,73 mV。由此可知，随着激励频率的增加，检测信号反应更加强烈。

综上所述，涡流探头经过热损伤区域时，检测信号都会有反应，即L和R随热损伤程度增加逐渐变大，且存在一定的线性关系，只是两者变化趋势不同而已。尽管增加激励频率会增强感应磁场强度，进而导致涡流信号反应更强烈，但由于趋肤效应会影响检测深度，在实际的检测过程中还是要合理选择这一参数。

4结论

(1) 随着热损伤程度增加，涡流检测信号ΔL和ΔR分量有明显变化，均呈递增趋势，且ΔL反应更强烈，可使用ΔL表征热损伤部位和大小。

(2) 检测信号变化量随激励频率的增加逐渐升高，但同时降低了工件检测深度，故为得到较高的检测灵敏度需要优化相关参数。

参考文献：

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The Eddy Current Testing of Thermal Damage of Ferromagnetic Materials

LI Jun-jiang, CUI Wei-dong, WANG Jia-bang

(The Boiler & Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province, Zhengzhou 450016, China)

Abstract：The thermal damage can cause changes of ferromagnetic material microstructure and mechanical property, and further have an impact on pressure equipment safety, whereas the available methods used to test this kind of failure mode are few. The test block with different thermal damage degrees was scanned based on eddy current testing probe and system, and research on the variation of detection signal ΔL and ΔR was conducted. The experimental results show that both of the two variations present an upward trend with the increasing of thermal damage degree, except for that ΔL changes more obviously than ΔR, and the scope and size of thermal damage can be characterized by ΔL. These conclusions are expected to be used in the safe operation of pressure equipment.

Key words:Thermal damage; Eddy current testing; Excitation frequency; Pressure equipment

中图分类号：TG115.28

文献标志码：A

文章编号：1000-6656(2016)04-0045-04

DOI:10.11973/wsjc201604012

作者简介：李俊江(1985-)，男，助理工程师，主要从事承压设备检验与检测工作。通信作者：李俊江，E-mail: 475860417@qq.com。

收稿日期：2015-07-22