涡流类技术在承压设备带涂层表面检测中的应用分析

金泽宇,范高廷,刘飞

(1.江苏特检科技有限公司,江苏 南京 210000;2.江苏省特种设备安全监督检验研究院,江苏 南京 210000)

压力容器、管道、锅炉、气瓶等承载一定压力的密闭设备或管状设备被称为承压类特种设备。承压类特种设备数量众多,根据国家市场监督管理总局的统计数据,截至 2021年年底,我国登记在册的压力容器有469.49万台,压力管道有75.75万km,锅炉有34.71万台,气瓶有2.02亿只。此外,受冶炼水平、材料性能及恶劣工作环境等方面影响,在制造和使用过程中,承压设备不可避免存在一些缺陷,从而可能导致其失效,甚至发生安全事故。仅2021年,我国承压设备共发生事故13起,死亡18人,同时,因承压设备事故导致的经济损失不可估量。基于此,对承压设备进行定期检测非常重要。

无损检测,或称为无损探伤技术,是利用被测物引起的声、光、电、热等的变化,在不破坏被测物的情况下,来检测设备表面的状态、性能、结构以及内部不连续性等相关信息的现代检测技术,其可为判断被检测设备的安全状态及是否能继续服役提供技术支持。现有常用于承压设备检测的无损检测技术主要包括磁粉、渗透和超声检测技术。然而,由于出于防腐等需要,承压设备外常涂有涂层,这导致这些技术在现场应用中存在以下问题:1)检测前需要清楚设备表面涂层,检测后还需要恢复,影响了设备检修检验的时间,同时去除与恢复涂层需要一定的成本,因此导致其效率低、成本高;2)现代无损检测技术正在向着不停机快速检测方向发展,而清除涂层一般需要在停机状态下进行,无法满足其需求;3)后补的局部涂料不仅防腐效果达不到原始水平,且外观也不美观。基于此,寻找有效的方法,在不破坏承压设备外部涂层的前提下,实现带涂层设备缺陷的快速检测,并对其建立一个有效完善的评价体系具有十分重要的意义。

1 涡流检测原理

涡流检测是利用涡流效应实现导电物件缺陷检测或者对被测导体性能进行无损评估的一种方法。涡流技术检测速度快、自动化程度高、对表面要求低、缺陷检出率高、绿色环保,可用于带涂层承压设备的检测。涡流检测的基本原理如图1所示:在激励线圈中通有交变电流,并将其靠近受检导电物件;受检物件与激励线圈电流激发的磁场H1相互作用,从而在被检物件感生出涡流,且试件的物理性能、缺陷、激励源的频率以及试件与线圈之间的耦合程度等会影响感生涡流的分布状况;同时感生涡流产生一个与H1方向相反的感生磁场H2,H2反过来又会影响空间磁场分布;用接收元件,如图1所示的接收线圈接收空间磁场,并将其转换为感应电压信号,则通过分析线圈上感应电压的变化,可判断受检物件缺陷的情况。

图1 涡流检测原理示意图

然而,为了实现在不去除或损坏涂层且涂层厚度未知的情况下对承压设备缺陷进行检测的目的,常规的涡流检测技术还不能满足需求。其主要原因在于常规涡流采用单个频率的正弦波进行激励,激励频率单一,导致检测信号的信噪比较低;同时,检测信号容易受到探头提离高度的影响,同样导致检测信号信噪比低。因此,拟将涡流检测技术应用到带涂层承压设备检测,需要对常规涡流检测技术进行改进,以提高其检测精度及信噪比。

对于涡流检测技术的改进,已有大量学者展开了相关研究,并衍生出了很多新的方法和技术,大概可归纳为两个方向:1)对激励信号的优化,对应产生了很多涡流检测新方法;2)利用涡流检测中的其他效应,衍生出的检测方法主要包括远场涡流、交流电磁场、涡流脉冲热成像检测等。下面将分别对上述几种方法的检测原理和特点进行分析。

2 不同激励方式的涡流检测新方法

常规涡流激励信号的频率一般为1 kHz～1 MHz,在该频率范围内既能兼顾物体表面微小缺陷的检测,同时又能检测到物体表面下一定深度的缺陷[1]。然而,对于更深层的缺陷,受限于趋肤效应,常规涡流的检测效果并不是很好。为获得被测件更深层的缺陷信息,需要降低涡流的激励频率,基于此,激励频率为几Hz～1 kHz的低频涡流检测技术被提出。然而,激励频率越低,产生的涡流效应越微弱,从而导致检测信号同样微弱。因此,低频涡流检测技术检测精度较低、不适用于微小缺陷检测[2]。为提高涡流检测精度,需提高激励频率,高频涡流检测技术得到了应用。高频涡流技术所使用的激励信号的频率通常高于1 MHz,其产生的涡流主要集中在被测物体的表面,因此高频涡流技术通常用于检测金属表面的微小形变、微小缺陷以及覆盖层厚度等。日本东京工业大学的Mizukami将高频涡流技术应用于特种天线铌板表面平整度的探测,可清晰分辨出铌板表面1 μm的凹凸变化[3]。

然而,上述技术均采用单一频率的激励,采集到的信号容易受到提离等干扰因素的影响,检测精度较低。为减小提离效应,同时获取被测件更多信息,可采用多个频率的信号作为激励,因此,多频涡流检测技术在工业中得到了应用。顾名思义,多频涡流技术是指采用多个频率的激励信号同时进行激励[4]。根据趋肤效应,其一次检测可以获得更多的检测信息,同时可有效抑制检测中干扰因素的影响,增强了涡流技术的检测能力[5-6]。然而,为简化信号合成与解调的复杂性,多频涡流的激励各个频率一般成倍数关系,这样可能会存在最优激励频率不易决定的情况。扫频涡流检测技术是采用某一特定频段内的正弦信号作为激励,与多频涡流技术相比,扫频技术激励信号频率的带宽非常宽,变化范围通常可以从几十赫兹到几十兆赫兹,且激励信号的频率是连续的,因此,不仅可使最优激励频率容易决定,并且可保证检测的连续性[7-10]。扫频涡流技术常用于复杂结构器件的检测。2016年,厦门爱德森公司研制了一套扫频涡流仪,其激励频率可达到30 MHz,为复杂被测件的高精度质量评估提供了检测手段[11]。另外,为进一步解决常规涡流应用范围窄、信号弱的缺点,脉冲涡流检测技术被应用。脉冲涡流采用具有一定占空比的脉冲方波进行激励,根据傅里叶变换,其相当于无限多个正弦激励的叠加。因此,脉冲涡流检测技术的频率范围更宽、检测深度更大[12-15]。

然而,上述提到的涡流检测方法中,大部分方法的检测深度和检测精度不能兼容。一般检测深度较大的检测精度就比较低,因此在检测中需根据实际情况合理选择。如在带涂层的承压设备检测中,如需对涂层较薄设备的表面裂纹等微小缺陷进行检测,可采用高频涡流、多频涡流和扫频涡流等技术;而针对厚涂层设备的腐蚀坑等大面积缺陷检测,可采用脉冲涡流等技术。

3 利用涡流检测其他效应的新方法

上述介绍的不同激励方式的涡流检测技术,其均利用试件中的涡流扩散来评估和定量缺陷。然而,在正弦或方波信号的激励下,试件中不仅存在涡流扩散效应,还同时存在其他效应,如远场效应、磁效应、热效应等。基于这些效应,一些新的检测技术如远场涡流、交流电磁场和涡流热成像等技术被提出和应用。

3.1 远场涡流技术

远场涡流技术最早发现于管道之中,不同于常规涡流技术,其利用激励和接收信号在远场区域的幅值和相位差来检测和定量缺陷[16],检测原理见图2。

图2 远场涡流检测原理图

如图2所示,所谓远场区指激励和接收线圈之间的距离大于2倍管道直径的区域。在这一区域,激励磁场先穿出管壁,又穿入管壁,随后穿入管壁的磁场被接收线圈接收。由于磁场两次穿透管壁产生衰减,导致其幅值和相位较激励信号的幅值和相位发生变化,则分析激励信号与接收信号之间的幅值和相位变化即可获取被测管道壁厚与缺陷等信息。通过上述分析可知,由于远场涡流不依赖涡流的衰减,其不受趋肤效应的影响,可克服传统涡流检测因集肤效应存在的局限性;另外,远场涡流能够以近似相等的灵敏度检测管壁内部或外部的缺陷,因此其被广泛应用于铁磁性和非铁磁性管材检测。如加拿大Eddyfi公司针对高温、潮湿环境下铁磁管材的腐蚀、侵蚀等缺陷的检测开发了RFT Single-Driver Flexible Probes远场涡流检测仪器。奥林巴斯公司的MultiScanTMMS 5800远场涡流仪器可实现4个不同频率的实时监测,被应用于热交换管、蒸汽管、锅炉管的检测。IMTT公司的通用型远场涡流探头适用于飞机铝合金、钛合金材料的检测,被各大航空公司所使用推广。此外,远场涡流也可应用到平板构件检测。孙雨施和爱荷华州立大学的Udpa等人[17-18]通过设计屏蔽结构减少磁场直接耦合的能量,成功将远场涡流技术运用到金属平板的探测。南京航空航天大学的王海涛等人设计了平板远场涡流检测探头,实现了深层缺陷的检测[19]。

3.2 交流电磁场检测技术

将涡流检测与交流电压降技术结合的涡流检测新技术为交流电磁场检测(Alternating Current Field Measurement),其检测原理为:通过激励探头在待测试件表面感应出均匀交变电流,电流的扩散会在被测件表面感应出均匀磁场,当被测件中有缺陷时,缺陷的存在会影响均匀交变电流的分布,从而引起感应磁场的畸变,通过测量缺陷附近的磁场畸变信号即可得到缺陷的信息[20]。由于工件表面感应均匀电流能够在较小开裂及浅层凹坑不连续区域产生明显扰动,采用高精度传感器拾取扰动引起的二次畸变磁场,可实现缺陷的高精度检测。另外,该技术对提离不敏感,易于实现自动化检测。目前,该技术在工业储罐、铁路、水下油气处理设备等领域中已经得到了应用。如Technical Software Conltants公司设计了一种可远程操控的交流电磁场检测探头阵列实现了对核工业储罐和储罐焊接点的缺陷检测[21-22]。Rowshandel 等开发出了一套基于交流电磁场检测的铁路裂纹自动检测系统,该系统可用于自动检测铁路裂纹,并可提高铁路裂纹定量精度[23]。Papaelias 等研发出了适用于铁路轨道检测的高速交流电磁场检测系统[24]。在国内,中国石油大学陈国明教授等[25-26]对交流电磁场技术进行了大量研究,并将其应用于海洋平台、隔水管、海底管道的检测。国防科学技术大学的罗路飞等人[27]对交流电磁场检测技术检测机理及仪器研发等方面进行了大量的研究工作。南昌航空大学任尚坤等人[28]针对交流电磁场检测技术的电路设计等检测系统设计方面进行了多方位研究,促进了检测仪器智能化趋势的发展。

3.3 涡流脉冲热成像检测技术

将涡流检测技术与热成像检测技术结合起来的涡流脉冲热成像(Eddy Current Pulsed Thermography,ECPT)具有检测精度高、速度快、范围广等优点,因此也可用于带涂层的承压设备检测。涡流脉冲热成像技术利用变化磁场产生的涡流加热导体,利用红外相机对导体进行拍照,根据不同的热度来判断导体情况。该方法可同时进行金属表面检测及内部检测缺陷,且在国外的研究机构和高校已经得到了广泛的应用和研究。如:德国弗朗霍菲无损检测研究院[29-30]、奥地利的莱奥本大学[31-32]、加拿大拉瓦勒大学[33]、英国纽斯卡尔大学[34]等。美国的波音公司也将该技术应用到航空工业的机器和零部件的涂层脱落情况的检测[35]。在国内,针对脉冲涡流热成像无损检测技术的研究下也取得了不错的成绩。上海交通大学研究了铁磁性材料中裂纹的分布情况对脉冲涡流热成像技术的成像效果的影响[36]。南京航空航天大学与英国纽斯卡尔大学合作对脉冲涡流热成像技术、红外热成像技术、超声检测技术和涡流检测技术在复合材料的缺陷检测和定位方面的应用进行了研究[37]。

4 结论

涡流类检测技术由于具有检测速度快、自动化程度高、对表面要求低、缺陷检出率高、绿色环保,可用于带涂层承压设备的检测。然而常规涡流检测技术检测精度较低,且容易受到提离效应的影响。这导致其不能直接应用到带涂层承压设备检测。基于此,本文对涡流类检测新技术进行了系统的分析,介绍了其原理及特点,分析了其在带涂层承压设备检测中的可行性。本文可为带涂层承压设备的在线检测提供技术支持。