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主题词：幅度 相位 矢量 阻抗平面
一.锅炉钢管涡流探伤的可行性
锅炉用无缝钢管（以下简称锅炉钢管）是制造锅炉用的重要材料，它的质量如何直接关系到锅炉的制造质量。用锅炉钢管可制成锅炉的水冷壁管、对流管、过热蒸汽管和各种换热器管等零部件，而这些零部件在锅炉正常运行中要承受高温高压的作用，工作条件十分苛刻，因而，对锅炉的材料质量有着十分严格的要求，为了确保锅炉产品的制造质量和安全运行，粗糙度测量仪 http://www.cucaoduceliangyi.com 在国际标准ISO/R831《固定式锅炉制造规范》中要求对锅炉钢管必须进行逐根的水压试验，然而钢管的逐根水压试验是一项既费时又费力的工作，而且还存在错漏检的可能，理论和实践都证明，用涡流探伤的方法来代替锅炉钢管的水压试验是完全可行的，而且涡流探伤方法在试验方法上和试验结果以及经济效益上都要优于水压试验，钢管的涡流探伤已成为锅炉制造质量控制的重要手段而日益受到重视，为此，锅炉行业的主管部门机械电子工业部第一装备司于1992年曾召开专门的研讨会，要求在锅炉行业推广钢管涡流探伤技术，并将钢管涡流探伤技术列入锅炉行业重大装备技术政策之中，1993年一装司又发文，要求锅炉行业推广使用涡流探伤技术。
二.钢管涡流探伤的特点
涡流检测是以电磁感应原理为基础的一种检测方法，根据电磁感应的理论，导体在交变磁场中会感应出电流，由于电流的形状呈旋涡状，故称之为涡流。交变磁场的大小及涡流电流的大小与导体材料的特征（如电导率、磁导率、外形尺寸、理化性能等因素）有关，根据这些特征参量的变化而引起电信号的变化，经过信号的放大、转换和分选，即可达到材料探伤的目的。涡流探伤具有非接触、速度快、灵敏度高、重复性好、检测范围宽、操作方便、易实现自动化等特点，特别适合导电性材料包括铁磁性材料具有磁滞回线特性，当温度在居里点（即磁性转变温度）以下时（如在常温条件下）材料内部磁畴分布是杂乱无章的，在整体上不呈磁性，但就局部而言，磁畴分布也是不均匀的，当外加激励磁场时，这种不均匀性引起的畸变磁场将叠加在激励磁场的涡流磁场上，一起被检测线圈所感应，而产生很不规的信号，至使检测信号无法判断而不能进行探伤，因此，铁磁性材料在很大程度上限制了涡流的检测深度，为了解决这个问题，通常都是采用磁饱和技术，在检测区域中外加一个很强的直流磁场，使处于检测区域内材料被磁化并达到磁饱和程度，即可进行探伤。探伤后为了消除材料的剩磁，将材料通过一段外加更强的交变磁场，可达到退磁的目的。
根据电磁感应的原理，涡流检测的实质是测被检工件（例如锅炉钢管）中电导率的变化，由于被检工件的化学成份、物理参数、几何尺寸、工件与检测线圈的提离效应（即相对位置的变化）以及工件中各种缺陷的存在都会引起工件的电导率的变化，所以，进行涡流检测，就必须对线圈所接收到的丰富信息进行有效的筛选和正确的鉴别，否则涡流检测就难于进行，因此，对涡流探伤要特别注重信号的处理，在以往采用通用型涡流探伤仪进行探伤时，是依据电平信号幅度大小来判定材料内部是否有伤的，这种方法称之为当量法探伤，就是探伤结果的判定是借助于对比试样的人工缺陷与自然缺陷显示的信号的幅度（又称荧光屏上的波高）来比较的，所以，这种方法又称为波高比较法。
三.通用型涡流探伤仪的不足
波高比较法在时期的涡流探伤中发挥着一定的作用，但随着时间的推移和人们对涡流探伤结果深入分析，也逐渐发现通用型涡流探伤仪和波高比较法的不足，具体表现为存在着错检和漏检现象，影响涡流探伤结果的准确和可靠性。究其原因，不在于探伤技术和操作方法，而在第一代涡流探伤仪（或称为通用型涡流探伤仪）的本身，因为这类仪器的技术特征是以缺陷信号的幅度大小来测量缺陷的真实大小。缺陷是具有体积形状的，可以用三维参量来描述，而通用型涡流探伤仪仅描述缺陷一维参量，即幅度高度的大小，而其他二维参量得不到描述，因此难免判断不准确，所以，严格的来说，仅仅依据信号幅度的大小来判断缺陷大小是不够的，其检测结果是不可靠的。
鉴于通用型涡流仪自身的弱点，为了提高涡流探伤的准确性和可靠性，要求使用的涡流探伤仪至少能反映出缺陷形状的二维参量和平面显示，这就使新的一代智能化涡流探伤仪及其技术应运而生，给涡流探伤技术带来了新的机遇和挑战，反之又促进了涡流探伤技术的发展。
四.智能化涡流探伤的理论依据
新的一代智能化涡流探伤仪及设备以NE-26型为代表，这种涡流探伤仪应用微机技术，具有阻抗平面显示和自动扇形区域报警功能，采用二维显示方法，配合双重电子扇形窗技术，从而实现了幅度——相位组合报警，这种信号处理方式从根本上提高了探伤结果的可靠性，避免了通用式仪器一维分析所带来的错报漏报的不足，实现了钢管智能化涡流探伤，完全能满足现场锅炉钢管的自动化检测的要求。
阻抗平面显示技术的理论依据是交流电的趋肤效应和相位滞后效应。
1．趋肤效应
导体中的交流电感应涡流电场强度随着离表面距离的增加而按指数规律减少，并产生涡流的相位滞后，这就是趋肤效应，这种现象类似地球表层温度传导情况，昼夜交替使地球表面温度变化较大，而在地表以下的地层温度变化就不明显，且内部温度的变化也有滞后现象。
产生趋肤效应的原因是工件中不同深度的涡流都要产生一个与激励磁场相反的磁场，这使得总的磁通量减少开随着深度的增加而涡流大大削弱，就是说，表面涡流产生的反磁场阻碍激励磁场的增大，并随深度增加而涡流大大减小。
根据电磁场理论推导，交流电在横截面的电流密度分布是按指数函数规律衰减。
式中：
Jo —— 导体表面电流密度，安培／米2
Jx —— 导体距离表面深度为χ处的电流密度，安培／米2
e —— 自然对数的底，e = 2.718……
μ—— 导体的磁导率，亨利／米
σ—— 导体的电导率1／欧姆·米
f —— 电流频率，赫芝
χ—— 电流趋肤效应的深度，米
（1）式物理意义表示，导体表面层电流密度分布最大，无损检测资源网而随距离表面的深度的增收加而减少，这就是交流电的趋肤效应；趋肤深度还随电流的频率，导体的磁导率，电导率的增加而减少。进一步研究表明，交流电的趋肤效应不仅与上述因素有关，而且还与交流电的相位和相位滞后现象有关，即：
式中：
ω —— 交流电相位变化的角速度，弧度／秒，ω = 2πf
t —— 时间，秒
ωt —— 相位角，弧度
β —— 相位滞后角，弧度
相位滞后角与导体趋肤效应深度有关，相位滞后角随趋肤深度的增加而增大。
式中：δ —— 导体在一定条件下的标准趋肤深度，米，它定义为导体内部的电流密度减少到表面电流密度的37%时的趋肤深度，即：
由（1）式得：
将（3）式代入（2）式并略加整理得：
由（5）式表明，交流电在导体横截面上的电流密度分布不仅随深度按指数函数规律衰减，而且随趋肤深度增加而产生相位滞后,智能化的涡流探伤仪正是根据这一理论而设计的。（4）式表示，趋肤深度是与探伤激励频率的平方根成反比，在涡流探伤中，缺陷的检测灵敏度与缺陷的涡流密度有关，当量相同的缺陷如处在不同深度，则检测灵敏度是不同的，深度越大，检测灵敏度越低，所以，不同管壁厚度的钢管探伤时，应调整探伤频率，以满足不同的探伤要求，图一表示涡流密度与趋肤深度之间的关系：
2．相位滞后效应
涡流是由交流电产生的，所以，除了具有频率以外，还有一个相位参数，由（5）式可知，不同深度的涡流具有不同的相位滞后，较深处的涡流相位滞后较大，相位滞后关系用（2）式表示：
β = χ／δ （弧度）或者β = 57χ／δ （角度）……………………（6）
式中β表明的涡流信号和深度为χ处的涡流信号之间的相位差，从（6）式中可知，当χ等于标准深度δ时，相位滞后为57度，在二位δ处，相位滞后为114度，这种相位滞后呈线性关系，可用图二来表示。
相位滞后效应说明，不同深度的缺陷信号具有不同的相位滞后，在智能化探伤仪中根据这个原理可以判断缺陷所处的深度，并能有效区别缺陷信号与其他干扰信号，对准确评价缺陷有着重要的作用。
五.阻抗平面显示与扇形区域报警技术
信号的幅度 —— 相位关系可以用矢量图来表示，它能比较真实地反映出信号的幅度 —— 相位关系，在矢量图中，回滞曲线的幅度反映缺陷的当量大小，平面角度反映缺陷的深度位置，由于矢量图表示的是涡流电磁场阻抗的回滞情况，所以，在涡流检测中通常把矢量图称为阻抗平面图，用阻抗平面图来反映缺陷的当量大小和深度位置的方法称为阻抗平面显示技术，见图三：
图三 幅度 —— 相位矢量图
从图三中的右图可看出，缺陷信号的幅度只是矢量信号在y轴上的投影值，它并不能真正反映缺陷的当量大小和所处位置的深度，这就是第一代以平面幅度显示技术的涡流探伤仪的不足，因而使用这种探伤仪出现错检漏检报情况是不难理解的，从图三中的（a）、（b）两张图比较中可以清楚地看出，应用阻抗平面显示技术后，矢量信号可以真实反映了缺陷的当量大小和所处深度位置，因此较好地解决第一代涡流探伤仪的不足。
采用阻抗平面显示技术虽然较好地解决了第一代涡流探伤仪的不足，但是要实现钢管自动化检测和自动报警，就还需要引进自动报警技术或称为扇形区域自动报警技术，所谓扇形区域又称扇形闸门，是在极座标（r、θ）按照矢量信号幅度大小（r）和起始相位和相位差（θ）的对应关系人为设置的类似扇形的区域，凡缺陷的矢量信号进入这一区域，涡流探伤仪就会自动报警，而其他矢量信号（如噪音信号，非超标的缺陷信号）则因幅度较小或相位角偏离扇形区域都不会报警，从而提高探伤的准确性。见图四：
图四 扇形报警区域
六.锅炉钢管智能化涡流探伤的工艺因素分析
锅炉钢管是一种由优质钢材冷拔（或热轧）而成的空心形状的材料，具有良好物理性能，即具有良好的导电性和铁磁性，其外形尺寸即直径与长度相比是细而长，管壁厚度与直径相比是薄壁工件，钢管在轧制过程中可能会出现裂纹、夹层、折迭、重皮等缺陷，而且横向缺陷多于纵向缺陷。在五种常规无损检测方法中，涡流检测方法（ET）最适合于钢管的连续自动化检测，现以NE-26型智能化涡流探伤仪为例，简要分析锅炉钢管连续自动化涡流探伤工艺。
1．技术标准：GB7735-87《钢管涡流探伤方法》。该标准适用于锅炉、船舶、石油、化工等设备用圆形无缝钢管涡流探伤。标准规定对探伤结果的评定分为A级和B级，A级适用于代替水压试验和一般要求的探伤，B级适用于特殊要求探伤，但需双方协商。
2．钢管与线圈相对运动方式：GB7735-87标准规定，对钢管作全表面探伤时，采用穿过式线圈，被探钢管工件最大外径不大于180mm 。
3．探伤灵敏度：采用人工对比缺陷。通常采用钻孔人工缺陷，因为人工钻孔缺陷对钢材内部体积状的缺陷较敏感，能模拟钢管表面的凹坑，短而严重的重皮以及横向裂纹等缺陷或伤痕，钻孔直径大小在GB7735-87标准已有规定；另一种人工缺陷是平行于钢管纵轴且侧边平行的槽口，它能模拟自然的纵向裂纹或拉伤。
4．对比试样：钢管涡流探伤时，需要制备对比试样，对比试样的钢管应与被探伤钢管的公称尺寸相同，化学成分相近，钢管的弯曲度（直线度）应不大于1.5‰ ，表面无氧化皮，且长度应能满足探伤设备的要求。对比试样的人工缺陷为五个通孔，其中三个处于对比试样的中间部位，沿圆周分布，互为120°，彼此之间的轴间距离不小于200mm ，另外两个距离端部不大于200mm，以检验端部效应。对比试样应经计量检定合格方可使用。
5．线圈：采用自比差动式穿过式线圈，填充系数n≥0.7 。无损检测资源网为了提高探伤灵敏度，又要求保护线圈不被撞坏，取填充系数n = 0.8为宜。
6．探伤速度：涡流探伤的原理是钢管穿过线圈时切割磁力线而产生电磁感应，因此，希望有较快的速度而产生较强的感应电流，穿过式探伤通过探伤速度为15 ~ 30米/分或30 ~ 60米/分或者60~ 120米/分，当然，速度过快也会引起较大的抖动和较大的噪音而不利于工作。对于NB-26型智能涡流探伤由于其性能较好，较低的探伤速度（5.5米/分）也能获得较好的探伤信号。
7．磁饱和装置：由于锅炉钢管是一种铁磁性材料，在居里温度以下时，材料内部的磁畴分布杂乱无章，锅炉钢管整体是不含磁性的，但其相对磁导率μr是一个随外界磁场变化的变量，磁导率的不规则变化会产生杂乱的噪声信号，给涡流探伤带来困难，此外，从涡流的趋肤效应可以看，涡流的趋肤深度也与材料的磁导率相关联，为了解决这个问题，通常是采用磁饱和装置，其办法是在探伤线圈的前面加一个直流感应线圈，使锅炉钢管在有效探伤范围内进入一个很强的单向（直流）磁场，从而使进入探伤区域内的材料被磁化并到接近饱和程度，此时磁导率μr ≈ 1 ，较好地解决铁磁性材料不能用来涡流探伤的问题。
8．退磁工艺：由磁饱和之后，钢管表面和内部将会有剩磁现象，会影响下道工序进行，因此探伤后要退磁。其原理是，钢管通过一个更大的交变磁场，使钢管内部原有顺磁场抵消，以消除其磁性。
9．激励频率的选择：以Φ51×3 ，20号锅炉无缝钢管为例，根据涡流检测技术资料，首先确定特征频率：
式中：
μr —— 相对磁导率，由于磁饱和，取μr ≈ 1
σ —— 材料电导率（1/微欧·厘米），对于低碳钢，取σ= 0.0625（1/微欧·厘米）
Dn —— 钢管内径（厘米）取Dn = 4.5厘米
t —— 钢管壁厚（厘米）取t = 0.3厘米
则：
为了使缺陷信号与噪音信号的相位差达到90°，以便抑制噪音，查阅有关资料，取频率比为18 。
所以，实际激励频率f = fg×18 = 10800（Hz） 取 f = 10KHz
10．扇形报警区域的设置
设置相位滞后角：
a = 20°
γ= 10°
R = 2 r
r —— 幅度值用试样管校验探伤灵敏度时，调整仪器确定Φ2.2mm人工通孔在屏幕上矢量幅度值，并储存一定的灵敏度增益值（例如22dB），见图五：
注：图中角度表示相位滞后角与相位角方向正好相反
探伤时当缺陷的矢量信号进入扇形区域时就会自动报警
11．钢管涡流探伤的方式与机械传动装置
涡流探伤方式通常有两种，一种方式是“在线”探伤，即在生产流水线上进行探伤，例如钢管厂的生产线上，一面进行轧制，一面进行探伤，钢管轧制完了，探伤也进行完了；又如一些大量使用钢管的工厂（如锅炉制造厂）对成批的钢管进行下料前的探伤，一般都是在机械传送线上连续快速进行的，“在线”检测系统见下框图：
另一种方式是“离线”探伤，即对离开生产线的零件或半成品进行探伤，这种探伤方法比较简单，不需要复杂的机械传送装置，例如在锅炉安装现场对一些已弯制的钢管进行探伤。
机械传动装置通常由上料架、下料滚动、气动翻板、吹灰除尘、滚轮输送带、压紧校直、对中保护、分选料架等机构组成，管子传送要求对中性能良好，以保护线圈，传动平稳，减少因抖动而引起的噪音信号，上料架要求能承受较大的重量（例如10t），结构牢固，刚性好，能适应较大批量钢管的连续检测。
12．自动控制装置
自动控制装置由控制台，金属传感接近开关，自控连锁装置，自动喷漆，计数器组成，关键部件是金属传感接近开关，它与钢管的间隙应控制在10～12mm为宜。接近开关能感应出快速运动的钢管的位置，为采集自控信号提供依据，检测出有缺陷的部位能自动喷漆打标记，以便缺陷的寻找和识别。
七.阻抗平面矢量信号的调整与缺陷判断
如前面所述，运用阻抗平面显示方法，通过矢量信号来判断缺陷的当量大小和所处位置深度，在理论上是有根据的，矢量信号的幅度表示缺陷的当量大小，矢量信号的相位则可表示涡流的趋肤深度，较深的缺陷有较大的相位差。
现以Φ51×3无缝钢管为例，采用外穿过检测线圈，10KHz的探伤激励频率，设置扇形报警区域，并分析阻抗平面信号的调整和缺陷的判断。
在实际涡流探伤时，由于探伤工艺的需要，上式的物理意义有所变化，如导体的磁导率μ相对磁导率μr 表示，若是铁磁性材料经饱和磁化后，则μr ≈ 1 ，交流电源频率用激励频率f 表示，导体的电导率 σ 表示，单位是1/微欧·厘米 ，对于低碳钢，取 σ = 0.0625×1/微欧·厘米 ，此时涡流探伤的标准趋肤深度δ可以用下式表示：
在上例中采用10Kz的激励频率，在理论上具有的检测厚度为：
假如缺陷在离管径外表面2mm处，即X = 2mm则涡流相位滞后角：
假如缺陷在离管径外表面3mm处，即缺陷在内表面或是人工（通孔）缺陷，则涡流相位滞后角：
探伤过程中，由于被检测钢管外表存在粗糙度和不直度等原因，在钢管传送过程中钢管会发生抖动，所有这些都会引起表面的噪声信号，影响钢管表面缺陷真实信号的判断，因此，在钢管实际探伤时，通过涡流探伤仪的增益一抑制信号旋扭，有意将表面矢量信号调整到接近水平方向，将人工缺陷（通孔）对应矢量信号调到距表面信号大约在40°左右，便可进行探伤操作，见图六所示：
图六 矢量信号的调整
信号1：表示表外面缺陷矢量信号
信号2：表示人工缺陷（通孔）矢量信号
图七对评价缺陷信号所对应的缺陷径向大致位置提供了帮助，对缺陷位置的判断具有指导意义。
图七 缺陷信号出现的区域
A区 —— 外壁或近表面缺陷信号出现的区域
B区 —— 内壁缺陷信号出现的区域
由于无缝钢管是空心的，所以大小矢量信号2的相位不再会感应涡流，无损检测资源网故不会有矢量信号，这正是图五中报警的扇形区域只设置在Ⅰ、Ⅲ 象限的缘故。
扇形半径的调整：根据标准规定的探伤灵敏度（例如对于Φ51×3的钢管，A级探伤要求，人工通孔直径为2.2mm），将钻有人工缺陷（通孔）的对比试样管通过穿过式线圈，调节仪器上的灵敏度旋扭，预先储存一定的dB值，此时在CRT显示荧光屏上将“8”字形矢量信号调整到40°和220°上，再调节扇形半径旋扭，使扇形的内圆弧与“8”字形矢量信号相交有余，则在CRT显示屏上给出了扇形的内半径r ，令R = 2 r ，将扇形的外半径画外弧，取α= 20°，γ= 10°，分别画水平线和垂线，于是就画出了扇形区域，分别画在Ⅰ、Ⅲ 象限上，（见图五）
在实际探伤时，只要“8”字形矢量信号进入扇形区域，仪器就会自动报警，表示钢管存在缺陷。
八.一年来锅炉钢管智能化涡流探伤实践小结
1992年7月底，NE-26型智能化涡流探伤仪通过了部级正式鉴定，天锅厂运用NE-26型智能化涡流探伤仪对Φ51×3锅炉钢管（符合GB3087-82《低中压锅炉用无缝钢管》标准中的20号钢）进行涡流探伤，到1993年7月底一年的时间内，累计探伤锅炉钢管27697根，其中发现有超标缺陷报警的有570根，有缺陷率为2.1 % ，在这些有报警缺陷的钢管中在有喷漆标记处附近寻找，大都可以发现一些表面缺陷，如重皮、折迭、横向裂纹、拉伤，还有一些是管径局部胀大变粗等现象，例如6月24日，探伤钢管278根，有超标报警缺陷的7根，其中有4根在喷漆标记处附件发现有表面缺陷，而其余虽然未发现表面缺陷，但用切割机切开，用砂轮打磨，再用着色探伤，有1根发现近表面夹层，有1根在内表面发现轧制伤痕，另1根则未发现缺陷（也许缺陷埋藏较深，剖开的断面的位置不准），因此，可以认为，一年来Φ51×3锅炉钢管进行涡流探伤的不合格率为2.19%（以根数计算）的检验结果是真实可信的，因而，也可以认为，用NE-26型智能化涡流探伤仪进行探伤，基本不存在错报和漏报问题，其结果是准确可靠的。
而1992年4-6月，使用NE10A型涡流探伤仪（属第一代通用型涡流探伤仪）对某钢管厂出品的Φ51×3锅炉无缝钢管进行涡流探伤，探伤总数为11658根，其中发现有超标报警缺陷的840根，有缺陷率为7.2% ，而这840根有缺陷钢管中，经涡流探伤的重复检验，并辅之以着色表面探伤检验和人工感官检验，确认有纵向裂纹（含拉伤）的18根，横向裂纹（含折迭）21根，重皮缺陷65根，其他缺陷（可能是内部缺陷）105根，所以真正有伤钢管数量为210根，因此这批检验的锅炉钢管中涡流探伤不合格率为210／11658 = 1.8% 。
以上两种情况相比较，可以看出：
使用通用型涡流探伤仪，一次探伤有缺陷率高达7.2% ，而真正的探伤不合格率仅为1.8% ，这就说明，使用通用型涡流探伤仪确实是存在错报误报现象，而使用智能化涡流探伤仪，采用阻抗平面显示扇形区域报警技术后，一次探伤不合格率为2.1% ，这个检验结果比较符合钢管厂出厂的质量实际情况，因此可以说，智能化涡流探伤仪较好地解决了通用型涡流探伤仪存在的错报误报问题。
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