电磁检测技术在工业中的应用

电磁检测技术在工业中的应用

1无损检测技术对生产质量控制自世界金融危机以来，中国在过去两年中投资了4万亿元人民币用于基础设施建设。未来五年，3-4亿元将投资用于高速铁路建设，以吸引地方和社会投资。各级政府投资的总投资超过18亿元。无损检测行业虽小,但无损检测技术是关系到国计民生的技术,电力、铁路、航空、石化等部门均需无损检测技术来保证生产的安全进行和产品的质量控制。其中电磁检测技术(涡流、漏磁、磁记忆)具有灵敏度高、检测速度快、效率高等优点,是工业领域中对导电及铁磁材料工件实施表面检测的首选方法,在航空、航天、核工业、机械、冶金、石油、化工、电力、有色金属及汽车、铁道等工业部门的质量检验及管理中发挥着重要的作用。2近年来，对流检测技术的研究2.1涡流检测技术及设备涡流检测是以电磁感应原理为基础的无损检测方法。近年来,随着微电子学和计算机技术的发展及各种信号处理技术的采用,涡流检测技术及检测设备也出现了长足进步。其中,阵列涡流技术与脉冲涡流技术的最新科研成果就是当今涡流检测技术发展的一个缩影。2.1.1阵列涡流接头检测一般应符合aecp传统的涡流检测技术获取工件表面微小缺陷的高分辨力是在缩小涡流场半径的条件下获得的,因此,在实施高分辨力的大面积涡流检测中,高分辨力与探头有效扫查宽度之间存在矛盾。阵列涡流检测技术(Arrayeddycurrenttesting,AECT),是将很多微小涡流探头线圈按照特定的结构类型密布在敞开(或封闭)的平面或曲面上,构成阵列探头(Arrayeddycurrentprobe,AECP)。探头工作时,按照设定的逻辑程序,对阵列单元分时切换,将各单元获取的涡流响应信号接入仪器的信号处理系统中去,完成一个阵列的巡回检测。阵列涡流探头的一次检测过程相当于传统的单个涡流探头(Eddycurrentprobe,ECP)对部件受检面(平面或曲面)的反复往返步进扫描的检测过程,因而,可以有效地解决高分辨力与探头有效扫查宽度之间的矛盾。涡流信号的响应时间极短,只需激励信号的几个周期,高频时主要由信号处理系统的响应时间决定。因此,AECP的单元切换速度可以很快,从而使得探头整体允许的扫描速度可以很快,这是传统的探头机械扫描系统无法比拟的。阵列涡流探头的应用特性如下:(1)能对工件展开的或封闭的被检面进行大面积的高速扫描检测。(2)对被测表面(含近表面)具有与传统点探头同样的分辨力,且不存在对某一走向缺陷和长裂纹的“盲视”问题。(3)适用于任何形状(稳定)构成的表面,如各种异型管、棒、条、板材,飞机机体,轮毂,发动机涡轮盘榫齿、外环及涡轮叶片等构件的表面(近表面)扫描检测。(4)能变换线圈的结构类型以形成特殊的相控阵能力。可采用多频和混频的方法调节渗透深度,抑制干扰,提高信噪比。(5)采用C扫描显示方式时,图像直观、清晰,检测结果一目了然,同时也可方便地选取信号的阻抗平面和时基扫描显示。由此可见,阵列涡流探头是对常规涡流探头的继承和发展。它用阵列使自己的有效扫描宽度可随意改变,线圈单元的电子扫描比单点机械扫描优越得多。这两个基本特性决定了它比常规方法具有更大的应用优势。2.1.2脉冲涡流检测法检测缺陷传统的涡流无损检测中,激励信号为正弦交变电流,产生的涡流也为类似的正弦波。而脉冲涡流(Pulsededdycurrent,PEC)是由非正弦波电流激励产生。同时,传统的涡流检测系统是通过分析涡流效应引起线圈阻抗(包括幅度和相位)的变化来鉴别各影响因素效应,而在PEC系统中,则是通过观测脉冲电动势(在线圈传感器中)或者磁场(在霍尔传感器中)的参数(波形与振幅)变化,来分析工件的缺陷情况。与传统涡流检测相比,脉冲涡流检测的优点在于,宽带脉冲包含一段连续频率,根据渗透深度与频率的关系(参见公式1),可以一次检测出被测工件不同深度的缺陷。如果测量使用时基显示,则可先看到离探头最近处的缺陷,而后看到稍远处的缺陷。δ=2ωμσ−−−√(1)δ=2ωμσ(1)式中:δ-渗透深度;ω-角频率;μ-磁导率;σ-电导率。脉冲涡流检测中的深度信息的提取是这样的:脉冲涡流激励信号在经过初始的一段稳定值之后,电流出现急剧的变化,这一急剧变化的电流对应的是涡流频率中的高频成分,可检测被检工件的近表面;随着时间的推移,电流变化将逐渐缓慢下来,与此对应的是涡流频率会逐渐降低,检测深度也随之逐渐加深。根据这一特性,一次就可以得到被检工件的整个厚度内的缺陷信息。正是基于这一重要特性,脉冲涡流技术可用于金属工件表面与近表面的缺陷大小与深度的快速定量分析。2.2涡流检测仪器设备近年来,由于微电子学和计算机技术的迅猛发展及各种新的信号处理技术的采用,国内外的电磁检测仪器设备也出现长足的进步,其中,AECT与PECT仪器研制成功,代表了国内外涡流检测仪器设备的新发展。2.2.1阵列涡流探伤仪在国内外阵列涡流检测设备中,具有代表性的仪器有爱德森(厦门)电子有限公司生产的SMART-5097智能多频/阵列涡流探伤仪与Olympus-NDT生产的OmniScanMXECA便携式阵列涡流检测仪。SMART-5097智能多频/阵列涡流探伤仪(见图1)是国内首台多频多通道阵列涡流检测仪,该仪器具有2个独立检测频率和8个独立检测通道,可分别连接8个不同规格的常规探头或阵列探头。结合爱德森公司生产的柔性阵列涡流探头时(见图2),可用于曲轴、起落架、螺旋桨叶片等形状复杂、表面曲率变化大的各种大型金属工件的快速检测。OmniScanMXECA便携式阵列涡流检测仪是国外阵列涡流检测仪的代表,该仪器采用多路技术采集数据,可有效避免阵列探头上不同线圈之间的互感产生的影响。仪器可与多种形状(例如平面及曲面)的阵列探头配合,适合手动或自动化快速探伤。2.2.2脉冲涡流探伤检测当前具代表性的PECT仪器为GE检测生产的Pulsec便携式脉冲涡流探伤仪。该仪器将阵列涡流与脉冲涡流技术相结合,大大提高了灵敏度、分辨率以及检测效率,非常适合航空工业中的各项在役检测工作。仪器使用了基于巨磁电阻效应(GiantMagnetoresistance,GRM)的脉冲涡流阵列技术,基于这种技术的探头即使在低频状态下也具有很高的灵敏度和深度分辨率,故仪器可检测4层铝板(如飞机机身多层铝合金板)中的每一层的腐蚀缺陷。仪器还采用了独特的手持式X编码阵列探头,可对大表面工件进行快速检测。近年,国内对脉冲涡流检测技术的研究也逐步走向成熟。例如,爱德森(厦门)电子有限公司生产的EEC-83智能带保温层管壁腐蚀检测仪就是利用任意波形发生器产生脉冲涡流和多频涡流,突破了传统检测方式的局限,能够有效地检测隔热层下的钢管壁厚腐蚀程度。2.3流检测新技术的应用2.3.1aect的应用AECP的优良特性使阵列涡流检测在许多工业领域中得到成功的应用,例如:(1)焊缝检测。在焊缝质量检测中,采用传统的单元探头检测常因焊区材质变化无法选定参考点,因而,缺陷容易被背景干扰湮没。而采用AECT则不仅能正确评价焊道中的裂缝,还可清楚地了解受热区金属材质的变化。而且,由于AECT能给出大量有关焊区质量的数据,因而可从图像中清楚地看出在材质变化的同时存在的微小缺陷(如裂纹等)。(2)平板大面积检测。许多重要结构的金属板材需进行100%涡流检测,常规的精细扫描需要一套昂贵的二维机械扫描驱动系统。而用AECT,手动操作或简单的直线驱动装置即可实现,工作效率提高许多倍。(3)管、棒、条型材的检测。AECT能检测任何走向的短小缺陷和纵向长裂缝,这是传统涡流检测方法不能做到的。而且,它不受管、棒、条型材断面形状的限制,也不受直径大小的限制,能以高于传统旋转扫描的速度进行检测。管、棒、条型材的在线AECT无需机械旋转装置,且具有灵敏度高、速度快、噪声小、一次完成整体检测等特点。(4)核电站蒸发器传热管的检测。传热管道的详细检查,通常使用接触式旋转探头,这种探头的检测速度约13mm/s。探头的平均使用寿命低于50根/个,因此,检测时间长、费用大、放射性泄漏严重。AECT速度可达500mm/s,使用寿命是前者的10~20倍。故可减少时间、降低费用,进而可减小放射性泄漏。(5)飞行器部件的检测。飞机轮毂检测对飞机的飞行安全非常重要。传统涡流检测方法有多种探头,手动操作时间长、不可靠;自动单点扫描投资巨大、效率也不高。而AECT只需在轮毂过渡圆柱面上布阵AECP,手动扫查一周即可完成,且能大大降低提离效应的影响,既省时又可靠,且无需巨额的设备投资。而采用塑胶作为基础材料制成的柔性阵列探头,在进行飞机机体检测时,能随机身表面曲率变化提供良好的弹性接触,故可用来检测机体多层结构的非表面裂纹和层间腐蚀。从广义来说,AECP的出现是涡流检测技术发展的必然结果,是传统涡流检测方法的一种补充,但它目前并不能完全取代传统的单元探头。是否采用AECT,需根据被检对象的具体要求和AECP的应用特性而定。2.3.2脉冲涡流检测脉冲涡流技术与传统涡流技术相比,在腐蚀成像、测厚、裂纹缺陷定量分析中有显著的优点。例如:(1)腐蚀成像。脉冲涡流可定量检测带有绝缘层的管道、容器、热交换器、储油罐壁以及飞机机身多层合金复合板内的腐蚀缺陷。如前面提到的GE检测生产的Pulsec便携式脉冲涡流探伤仪,可对4层合金复合板内的腐蚀缺陷进行成像检测。(2)测厚。脉冲涡流可透过任意非导电层对金属工件进行测厚。非导电层有绝缘体、涂层、油漆、混凝土、沥青、结垢、矿泥等等。非导电层的厚度最大可达200mm,可检测的钢管厚度最大可达30mm。由于脉冲涡流可在复杂的环境条件下进行测厚工作,故可以广泛应用于炼油厂、化工厂、海上钻井平台中的表面带有涂层、隔热层、隔层(如铝、不锈钢、镀铝钢等)或被测表面粗糙、有结垢的管道进行壁厚腐蚀减薄的在役检测工作。(3)裂纹缺陷定量分析。脉冲涡流的一大优点就是可对金属工件的表面和近表面裂纹缺陷的大小和深度进行定量分析。如果采用C-扫描检测,可直观清晰地观测出裂纹缺陷的长度与深度。3国内外相关漏磁检测设备漏磁检测方法是基于铁磁性材料磁性变化的一种无损检测技术,其基本原理是对被检试件进行局部磁化,处于表面或近表面的缺陷会使工件内的磁力线发生畸变,从而逸出工件表面形成“漏磁场”,通过检测工件表面“漏磁场”便可以确定缺陷的位置、形状和大小。它具有灵敏度高、检测速度快、对试件表面清洁度要求不高、操作简单、成本低廉等优点,因此被广泛应用于钢铁、石油、石化等领域。随着现代科学技术的发展,尤其是计算机技术的发展,漏磁检测理论研究和检测技术及检测设备有了很大的发展。国内外有关漏磁检测原理的研究工作主要有漏磁检测的正演计算模型、漏磁信号的预处理和漏磁检测的反演计算模型。经过多年的研究与发展,漏磁检测取得了很大进步,出现了许多漏磁检测新技术,其中漏磁传感器阵列检测、聚磁技术、磁屏蔽技术的出现,大大提高了漏磁检测的水平。目前,国外具有代表性的漏磁检测装置主要生产厂家有德国的FOERSTER研究所、日本的岛津制作所及美国的AMFTUBOSCOPE公司等。德国FOERSTER的主要漏磁检测装置有ROTOMAT、TRANSOMAT等。ROTOMAT采用直流磁化,传感器装置高速旋转采集信号。可用于检测外径为20mm-520mm钢管(石油钢管和锅炉管)的深度不小于5%壁厚内外壁纵向缺陷。TRANSOMAT采用直流磁化,用于检测外径为26mm-440mm的钢管(石油钢管和锅炉管)的深度不小于5%壁厚内外壁横向缺陷。通常用于纵向缺陷检测的ROTOMAT探伤机与横向缺陷检测的TRANSOMAT探伤机同时装备在一条生产线上,可对钢管进行全面快速探伤。日本的SAM系统采用磁敏二极管作为检测元件,自动化程度很高,可用于热轧钢棒和钢管的检测。SAM系统能可靠地检出深度为0.3mm以上的自然缺陷,信噪比高达10。SAM系统有许多不同的型号,磁化电流为直流或交流。对于直径为ϕ50mm-ϕ100mm的钢棒,检查速度高达30t/h-70t/h。美国的漏磁探伤装置主要用于石油工业无缝钢管的无损探伤,其中SONOSCOPE能检出深度为壁厚5%的外壁缺陷和深度为壁厚12.5%的内壁缺陷,采用检测线圈能分辨出内外壁缺陷。随着油气管道质量问题的出现和如何确保重要管道(如海底管道)运行质量问题的提出,漏磁检测技术被大量地用于管道检测,成为管道检测的核心技术。采用漏磁技术的“管道猪”可在地下管道中爬行300km,能可靠地检测出深度为壁厚10%的缺陷。在这一方面,加拿大、英国、美国等都进行了大量研究。国内在开发研制漏磁检测设备方面也做了不少工作,例如:爱德森(厦门)电子有限公司研制的便携式管道腐蚀漏磁检测系统、储罐底板漏磁检测仪以及管道集成漏磁检测智能系统。华中科技大学康宜华教授研发的漏磁检测设备已广泛应用在油田的油管、抽油杆等部件的检测中。彭有根研制了钢筋缺陷检测装置,采用直流线圈磁化螺纹钢筋,其检测传感器为线圈,可检测出最小缺陷的截面积为3mm2,检测速度为1.6m/s。徐章遂等人在国家自然科学基金资助下,研究了厚壁钢管裂纹定量检测问题,并与空军第一研究所耿荣生等人合作研制出JFY-1A漏磁裂纹检测仪,首次实现了螺栓孔裂纹定量检测,用于解决飞机无损检测中的难点问题。沈阳工业大学杨理践教授成功研发的带爬行猪的智能漏磁检测系统已开始在我国西气东输的输油管道长距离检测中应用。4铁磁工件应力-变形耦合过程金属磁记忆检测(MetalMagneticMemoryTesting)是一种新的检测技术,其基本原理可以表述为:处于地磁环境下的铁磁工件受工件载荷的作用,其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的取向,并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp的变化,即磁场的切向分量有最大值,而法向分量改变方向并有零值点。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后继续保留,从而通过漏磁场法向分量的测定,便可以准确地推断工件的应力集中区。磁记忆检测能对应力集中、早期失效等进行快速、准确的诊断,因而,被业内誉为21世纪的NDT新技术。4.1应力集中检测仪器主要用于锅炉压力容量的测量,符合两种主要国内金属磁记忆检测设备中具有代表性的仪器有爱德森(厦门)电子有限公司生产的EMS系列金属磁记忆检测仪。EMS-2000智能化磁记忆金属诊断仪对在役设备由于材料不连续性(缺陷)而导致应力集中,以全新快捷的检测方式,给出设备疲劳损伤的早期诊断。仪器配有多种不同形式的传感器及长度计测器,以适应不同形式的检测需要。可用于锅炉压力容器、管道、叶片、轴承、铁轨、齿轮对、焊接部位及其他铁磁性金属构件的检测。而国外同类产品是以俄罗斯开发的TSC-1M-4型应力集中检测仪为代表。该仪器是采用金属磁记忆法来测量、记录和处理设备与结构的应力形变状况的诊断数据的系统,能用于按专门的检测方法来评估设备的应力变形状况,并测定应力集中区。目前该套仪器在多个国家得到推广和应用。目前国内外先进的磁记忆检测仪器都向着多通道、多位的A/D高速采样、DSP数字处理技术、工控PC机性能和SMT加工工艺等方面发展,所有这些崭新的现代电子设计理念和与现代电子、电脑技术的完美结合,使磁记忆检测仪器功能更加强大。4.2磁记忆检测技术随着金属磁记忆理论研究和应用的不断发展,金属磁记忆检测技术已在化工、电力、铁路、石油、机械等领域得到了大量的应用及推广。广东云浮、山东黄台和甘肃永昌等发电厂也已使用该技术作为质量监控手段。同时,锅炉压力容器部门、铁道部门及军事装备部门也在积极开发具有特定适用性的检测设备,进行应用可行性研究。磁记忆检测技术在汽轮机叶片的检测方面也得到了成功应用。利用该技术,可以准确可靠地查出在较大应力状态下运行的叶片,以防止意外事故的发生。此外,在对金属性能、金属焊接件的质量评价中以及金属腐蚀检测中也十分有效。5集成检测技术现代无损检测技术有多种多样的方法,每一种检测方法都有各自的基础原理和检测特点,各有优劣。面对复杂的检测对象及不同的检测要求,单靠一种检测技术很难全面准确地判定缺陷程度并作出寿命评估。随着数字电子技术的发展,FPGA、ARM和DSP等集成电子器件的大量应用,研制和开发全新的NDT集