渦流檢測第一章

渦流檢測第一章第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六第1章緒論1.1電磁學的發(fā)展1.1.1古代磁學和電學的發(fā)展1.1.2電磁學體系的確立1.1.3麥克斯韋電磁場理論的建立1.2電磁檢測的發(fā)展1.2.1渦流檢測的發(fā)展1.2.2漏磁檢測的發(fā)展1.2.3其它電磁檢測技術的發(fā)展1.3電磁檢測的應用與特點1.3.1渦流檢測的應用與特點1.3.2漏磁檢測的應用與特點1.3.3其它電磁無損檢測技術的應用與特點第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六1.1電磁學的發(fā)展

電磁檢測是以材料電磁性能變化為判斷依據來對材料及構件實施缺陷探測和性能測試的一類檢測方法，其基本原理是以電磁學的理論為基礎的。電磁學建立和發(fā)展的歷史過程大致如下：1、從遠古到18世紀中、晚期是電、磁現象的早期研究階段。在這一時期，以對電、磁現象的觀察、實驗及定性研究為主。2、從18世紀晚期到19世紀上半葉，開始了對電磁現象的定量研究，以及電磁感應現象的發(fā)現和深入研究。這一階段的研究開始揭示了電現象和磁現象的本質聯系，并逐步建立起電磁學理論體系，使電磁學理論日趨完善。3、19世紀下半葉，麥克斯韋（J.C.Maxwell）在原有電磁學理論的基礎上提出了電磁場的概念并建立了電磁場理論的完整體系，至此，電磁學繼牛頓力學之后，經過人們幾個世紀的工作，終于在20世紀前葉發(fā)展成為經典物理學的重要組成部分。第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六1.1.1古代磁學和電學的發(fā)展大約公元前6世紀，古希臘的“七賢”之一，米利都的泰勒斯(Thales)記錄了磁石吸鐵和摩擦后的琥珀吸引輕小物體的現象。電（Electricity）這個字的起源就來自希臘文的“琥珀”(electron)。但古希臘人對電磁現象的認識僅限于磁石吸鐵和摩擦生電，還不知道磁鐵的極性和可以存在于電荷之間或磁極之間的排斥現象。中國古代對磁的認識差不多可以追溯到冶鐵業(yè)創(chuàng)建之初，而對雷電現象的觀察最早可以追溯到殷代的甲骨文和西周銅器上的雷和電二字。對電現象和磁現象的系統研究直到17世紀才開始。1600年英國醫(yī)生吉爾伯特（WilliamGlibert）總結了前人對磁的研究，記載了大量實驗，周密地討論了地磁的性質，使磁學開始從經驗轉變?yōu)榭茖W。他關于地磁的實驗是劃時代的。

第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六在18世紀期間，沒有一個物理學分支能像電學一樣如此成功地得到發(fā)展。由于富蘭克林的貢獻，使電學的研究從單純的現象觀察進入到精密的定量描述，使人們開始有可能用數學方法來表示和研究電現象。因此后人把富蘭克林稱為電學理論的奠基人。到了1754年，康頓（JohnCanton）用電流體假說解釋了靜電感應現象。至此靜電學三條基本原理：靜電力基本特性、電荷守恒和靜電感應原理都已經建立，人們對電的認識已有了初步完整的成果。然而，建立電學的定量規(guī)律的功勞應歸功于庫侖(Coulomh)的研究成果。18世紀末，電學從靜電領域發(fā)展到電流領域，這一飛躍發(fā)端于動物電的研究。伏打電堆的發(fā)明，提供了產生恒定電流的電源，使人們有可能研究電流的規(guī)律和電流的各種效應。從此電學進入了一個飛速發(fā)展的時期——研究電流和電磁效應（電磁學）的新時期。第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六1.1.2電磁學體系的確立電磁學起源于1819年著名的電生磁的“奧斯特實驗”。奧斯特的發(fā)現突破了電學與磁學彼此隔絕的情況，開辟了電學研究史上的新篇章。此后，電磁學的發(fā)展勢如破竹。19世紀二、三十年代成了電磁學大發(fā)展的時期。首先對電磁作用力進行研究的是法國科學家安培（Andre-MarieAmpere），提出了右手定則，提出了一個關于電流使磁體偏斜的方向法則——“安培法則”，提出了電動力理論和分子電流假說，認為磁在本質上是由于電流的作用，應該說，在電磁學規(guī)律的定量表述方面，安培作出了特殊貢獻，他在一系列實驗和理論研究的基礎上得到的普遍的電動力公式，為電動力學奠定了基礎。1821年畢奧（J.B.Biot）和薩伐爾（FelixSavart）通過磁針周期震蕩的方法發(fā)現了畢奧-薩伐定律。法拉第對電磁學的貢獻不僅是發(fā)現了電磁感應，他還在大量實驗的基礎上構想出描繪電磁作用的“力線”圖像，創(chuàng)建了力線思想和場的概念，為麥克斯韋電磁場理論奠定了基礎。第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六法拉第發(fā)現電磁感應后不久，又有兩項有關電磁感應現象的重大發(fā)現問世。一是亨利（J.Henry）發(fā)現了自感現象。二是1833年楞茨（H.F.E.Lenz）發(fā)現了楞茨定則。此后，1834年，楞茨定義了電動勢，指出電磁場會產生作用力來阻止任何試圖改變其強度和構造的作用力。電流磁效應的發(fā)現，使電流的測量成為可能。在法拉第力線思想的激勵下，湯姆生（J.J.Thomson）對電磁作用的規(guī)律也進行了有益的嘗試，深感有必要把其演譯成數學公式，于是利用類比方法，把法拉第的力線思想轉變?yōu)槎康谋硎?，為麥克斯韋的工作提供了十分有益的經驗。這一期間還有一位物理學家的工作值得一提，他就是歐姆（GeorgeSimonOhm）。）他嚴格推導了關于電壓、電流與電阻之間關系的電路定律。歐姆定律的建立在電學發(fā)展史中有重要意義。第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六1.1.3麥克斯韋電磁場理論的建立法拉第從廣泛的實驗研究中構想出描繪電磁作用的“力線”圖像。法拉第的力線思想實際上就是場的觀念。在法拉第力線思想的激勵下，湯姆生對電磁作用的規(guī)律進行過有益的嘗試。他深感有必要把法拉第的力線思想翻譯成數學公式，定量地作出表述，以不可壓縮流體的流線連續(xù)性為基礎，論述了電磁現象和流體力學現象的共性。麥克斯韋及時地總結了前人已有的成就。他受到法拉第力線思想的鼓舞，又得到湯姆生類比研究的啟發(fā)，感到有必要對力線的分布及其應力性質給予機理性的說明，乃轉而運用模型理論。在這個過程中，他敏銳地抓住了位移電流和電磁波這兩個關鍵概念，最后，終于甩掉一切機械論點，徑直把電磁場作為客體擺在電磁理論的核心地位，從而開創(chuàng)了物理學的又一個新的起點。在提出“渦旋電場”和“位移電流”的基礎上，提出了電磁場的普遍方程組。麥克斯韋方程組歸納了有關電磁回路和場的所有知識?？梢杂脕斫忉屗械暮暧^電磁現象。同樣，也為分析所有的電磁檢測問題奠定了電磁理論基礎。第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六1.2電磁檢測的發(fā)展1831年，法拉第發(fā)現了電磁感應現象，并在實驗的基礎上提出了電磁感應定律。在這以后的一百多年里，電磁學的理論及其實驗不斷完善與發(fā)展，為電磁檢測的創(chuàng)立奠定了堅實基礎。早在十九世紀末期，人們就發(fā)現電磁方法可以用來進行金屬材料的分選；在二十世紀開始之前，電磁方法主要應用于材料分選和不連續(xù)性檢測；從1890~1920年，人們致力于研究減少薄鋇板中的渦流和磁滯損耗；1921~1935年間，渦流探傷儀和渦流測厚儀先后問世；二戰(zhàn)爭結束后，弗洛伊德·法爾斯（Freud.Fars）通用于超聲檢測的超聲傷儀和福斯特（Foster）先進的渦流儀及磁強計系統之類的成果已用作工業(yè)無損檢測系統。二十世紀50～60年代，伴隨著戰(zhàn)爭創(chuàng)傷的醫(yī)治和工業(yè)生產的復蘇，帶來了無損檢測技術（包括電磁檢測）的一個新的繁榮時期。其中，德國福斯特博士卓有成效的推動了全世界渦流檢測技術在工業(yè)部門中的實際應用和發(fā)展。二十世紀80年代以后，電子技術和計算機技術的發(fā)展進入了一個嶄新的時期，強大的計算工具，進一步促進了電磁檢測理論研究的深入，而且為研制各種類型自動化檢測系統和數字化、智能化檢測儀器奠定了可靠的電子技術基礎。第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六1.2.1渦流檢測的發(fā)展1879年：休斯首次將渦流檢測應用到實際(判斷不同的金屬和合金,進行材質分選)1926年：第一個臺渦流測厚儀問世20世紀50年代：德國福斯特博士的理論研究推動了全世界渦流檢測技術的發(fā)展。二十世紀70年代以后，隨著電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，有效的帶動了渦流檢測儀器設備技術性能的改進，進一步突現了渦流檢測在探測導電材料表面或近表面缺陷應用中的優(yōu)越性。中國：20世紀60年代開始：研制了渦流電導儀、測厚儀、檢測設備?，F有數字型的各種設備。應用在航空航天、冶金、機械、電力、化工、核能等領域。第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六1.2.2漏磁檢測的發(fā)展

漏磁檢測技術是從磁粉檢測技術發(fā)展起來的，利用磁現象來檢測鐵磁性材料工件表面及近表面缺陷的一種無損檢測方法。

國外對漏磁檢測技術的研究起步很早，1933年Zuschlug首先提出來應用磁敏傳感器測量漏磁場的思想，但直到1947年才由哈斯廷（Hastings）設計研制成功了第一套漏磁檢測系統，漏磁檢測才開始受到普遍的承認和重視。20世紀50年代，西德福斯特（Forster）在開展渦流檢測研究工作的同時，研制出產品化的漏磁探傷裝置。1965年，美國Tubecope國際公司采用漏磁檢測裝置Linalog首次進行了管內檢測。1973年，英國天然氣公司采用漏磁法對其所管轄的一條直徑為600mm的天然氣管道的管壁腐蝕減薄狀況進行了在役檢測，并首次引入了定量分析方法。ICO公司的EMI漏磁探傷系統則通過漏磁探傷部分來檢測管體的橫向和縱向缺陷，而壁厚的測量結合超聲技術進行，提供完整的現場探傷。

對于漏磁檢測缺陷漏磁場的計算始于1966年。第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六

我國從九十年代初才開始較大范圍對漏磁檢測技術的研究工作，并于2002年研制出管道和鋼板腐蝕的漏磁檢測儀，當時的總體技術水平落后于歐美等發(fā)達國家。但近年來，在國內無損檢測工作者的共同努力下，目前已有許多的高校和研究單位在這方面取得了可喜的成果，逐步縮小了與國際水平的差距。

國內研究漏磁檢測技術的高校主要有清華大學、華中科技大學、上海交通大學、沈陽工業(yè)大學、南昌航空大學等。。第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六1.2.3其它電磁檢測技術的發(fā)展在科學技術不斷發(fā)展的歷史進程中，伴隨著物理學、電子學以及計算機科學的進步，相繼誕生了多種以電磁特性變化為基本檢測原理的無損檢測方法。諸如磁記憶檢測、電流擾動檢測、電位法檢測、巴克豪森噪聲檢測、帶電粒子檢測、電暈放電檢測、磁聲發(fā)射檢測、核磁共振檢測等電磁檢測技術。20世紀90年代，俄羅斯學者率先提出利用加載鐵磁構件中產生的磁記憶效應可以檢測構件表面的應力集中區(qū)。這種磁記憶檢測技術可望準確、可靠的探測鐵磁構件以應力集中為特征的危險部件和部位，是對金屬構件進行早期診斷的一種新的無損檢測方法。電流擾動（ECP.ElectricCurrentPerturbation）法是指在被檢部件上產生一種電流流動（通常借助于—感應線圈），并利用一獨立的探測器測定電流流過缺陷時電流擾動引起的磁場。探測器一般對感應線圈產生的原磁場不敏感的方向取向，以減小對提離效應的靈敏度。在多種飛機部件的檢測中得到應用。第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六1.3電磁檢測的應用與特點1.3.1渦流檢測的應用與特點（1）渦流檢測原理渦流檢測是以電磁感應原理為基礎的無損檢測方法。它的基本原理可以描述為：當載有交變電流的試驗線圈靠近導體試件時，由于線圈產生的交變磁場的作用會在導體中感生出渦流。渦流的大小、相位及流動形式受到試件性能及有無缺陷的影響，而渦流的反作用磁場又使線圈的阻抗發(fā)生變化。因此，通過測定試驗線圈阻抗的變化，就可以推斷出被檢試件性能的變化及有無缺陷的結論。渦流檢測是以研究渦流與試件的相互關系為基礎的一種常規(guī)無損檢測方法。渦流檢測的主要優(yōu)點是檢測速度快，線圈與試件可不直接接觸，無需耦合劑。主要缺點是只限用于導電材料，對形狀復雜試件難作檢查，由于存在趨膚效應只能檢查薄試件或厚試件的表面、近表面部位，對于鐵磁性材料及制件常須完全直流磁化到飽和以免在渦流檢測期間磁化狀態(tài)有任何變化而影響檢測，且隨后又須將此試件退磁，缺陷必須能截斷渦流方可被檢出，檢測結果尚不直觀，判斷缺陷性質、大小及形狀尚難等。

第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六（2）渦流檢測的應用渦流檢測方法是以電磁感應為基礎的無損檢測方法，所以原則上說，所有與電磁感應渦流有關的影響因素，都可以作為渦流檢測方法的檢測對象。影響電磁感應因素及可能作為渦流檢測的應用對象如下：1）不連續(xù)性缺陷的檢測：裂紋、夾雜物、材質不均勻等。2）電導率測量：導電材料組織結構、硬度、應力、熱處理狀態(tài)等的判斷；3）提離效應測量：導電基體金屬材料上膜層厚度的測量及金屬材料上腐蝕層的檢測；4）厚度效應等測量：金屬薄板厚度的測量及試件幾何尺寸、形狀、大小等的測量。除以上應用外，渦流檢測法還可以在特定條件下進行特定的開發(fā)渦流檢測可應用于在線檢測、在役檢測、加工工藝監(jiān)督、涂層測量、材質分選、電導率測量等方面。第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六（3）渦流檢測的特點渦流檢測的優(yōu)點：1、檢測線圈不需要接觸工件，也不需要耦合劑，對管、棒、線材的檢測易于實現高速、高效率的自動化檢測；也可在高溫下進行檢測，或對工件的狹窄區(qū)域及深孔壁等探頭可達到的深遠處進行檢測；2、對于工件表面及近表面的缺陷有很高的檢測靈敏度；3、采用不同的信號處理電路，抑制干擾，提取不同的渦流影響因素，渦流檢測可用于電導率測量、膜層厚度測量及金屬薄板厚度測量；4、由于檢測信號是電信號，所以可對檢測結果進行數字化處理，然后存儲、再現及數據處理和比較；第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六渦流檢測的局限性：1、只適用于檢測導電金屬材料或能感生渦流的非金屬材料；2、由于渦流滲透效應的影響，只適用于檢查金屬表面及近表面缺陷，不能檢查金屬材料深層的內部缺陷；3、渦流效應的影響因素多，目前對缺陷定性和定量還比較困難。4、針對不同工件采用不同檢測線圈檢查時各有不足。如檢查管棒；材，采用穿過式線圈難以對圓周上的缺陷定位，而用旋轉式探頭線圈則檢測區(qū)域狹小、速度較慢。

第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六1.3.2漏磁檢測的應用與特點（1）漏磁檢測原理漏磁檢測（magneticfluxleakagetestingMFT）是指鐵磁材料試件被磁化后，因試件表面或近表面的缺陷引起磁場畸變而在其表面形成漏磁場，人們通過檢測漏磁場的變化來發(fā)現缺陷的一種無損檢測方法。當用磁化器磁化被測鐵磁材料試件時，若材料的材質是連續(xù)、均勻的，則材料中的磁感應線將被約束在材料中，磁通是平行于材料表面的，幾乎沒有磁感應線從表面穿出，被檢工件表面沒有磁場。但是，當材料中存在著切割磁力線的缺陷時，材料表面的缺陷或組織狀態(tài)變化會使磁導率發(fā)生變化，由于缺陷的磁導率很小，使磁路中的磁通發(fā)生畸變，磁感應線流向會發(fā)生變化，除了部分磁通直接通過缺陷或通過材料內部來繞過缺陷外，還有部分的磁通會泄漏到材料表面上空，通過空氣繞過缺陷部位再度重新進入材料，從而在材料表面缺陷處形成漏磁場。如果采用磁粉檢測漏磁場的方法，常稱為磁粉檢測法；而采用磁敏傳感器檢測則稱為漏磁檢測法。第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六（2）漏磁檢測應用與特點漏磁無損檢測技術在鋼鐵、石油、石化等領域應用較廣泛，可檢出樣件表面、近表面的腐蝕、裂紋、氣孔、凹坑、夾雜等缺陷等，也可用于鐵磁性材料的測厚。如：１）漏磁檢測在鋼鐵行業(yè)的應用在鋼廠主要用于對鋼結構件、鋼坯、圓鋼．棒材、鋼管、焊縫、鋼纜作檢驗以確證成品的完好。在許多場合，使用者將不接收未經鋼廠和第三方檢驗的鋼制產品。使用者在制造前常使用漏磁探傷，這可確保制造商對產品技術方面的要求，此類檢驗常由獨立的檢測公司或使用者的質保部門進行。２）漏磁檢測在石化行業(yè)的應用對已安裝的輸油氣管道（包括埋地管道）、儲油罐底板，或對回收的油田鋼管進行檢測。３）其它應用對用過的鋼纜、鋼絲繩、鏈條進行定期的在役探傷。第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六由于漏磁檢測是用磁傳感器檢測缺陷，相對于磁粉、滲透等方法，有以下優(yōu)點：l）

易于實現自動化漏磁檢測方法是由傳感器獲取信號，計算機判斷有無缺陷，它的這一特點非常適合于組成自動檢測系統。2）較高的檢測可靠性由計算機根據檢測到的信號判斷缺陷的存在與否，可以從根本上解決在磁粉，滲透方法中人為因素的影響，而具有較高的檢測可靠性。3）可以實現缺陷的初步量化，缺陷的漏磁信號和缺陷的形狀具有一定的對應關系，特別有意義的是在一定條件下，漏磁通信號的峰值和表面裂紋的深度有很好的線性關系，缺陷的可量化度使得這種方法不僅僅可以用于檢測缺陷，更重要的是可以對缺陷的危險程度進行初步判斷，這是實現無損檢測評價的基礎。4）在管道的檢測中在厚度小于30mm的壁厚范圍內，可同時檢測內外壁缺陷。5）高效、無污染自動化的檢測可以獲得很高的檢測效率，同時，檢測方法本身也決定了其對環(huán)境的無污染性。第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六漏磁檢測方法的局限性：1）只適用于鐵磁材料只有鐵磁材料被磁化后，表面和近表面缺陷才能在試件表面產生漏磁通，因而，漏磁場檢測和磁粉檢測一樣只適合于鐵磁材料的表面檢測，主要是除奧氏體不銹鋼之外的所有鋼材。2）檢測靈敏度低由于檢測傳感器不可象磁粉一樣緊貼被檢測表面，不可避免地和被檢測面有一定的提離值，從而降低了檢測的靈敏度、對于一般的情況，文獻給出的漏磁檢測的靈敏度為深0.1～0.2mm的表面裂紋。3）缺陷的量化粗略缺陷的形態(tài)是復雜的，而漏磁通檢測得到的信號相對簡單，在實際檢測中，缺陷的形狀特征和檢測信號的特征不存在一一對應關系，因而漏磁檢測只能給出缺陷的粗略量化。第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六1.3.3其它電磁無損檢測技術的應用與特點1、電流微擾法的特點是：①試件形狀可以比較復雜，②可用以探測比較小的缺陷。只適用于非鐵磁性金屬試件，如鐵合金和鋁合金制件，限于探測表而和近表面缺陷，可應用于雙層構件緊固件孔中底層孔邊裂紋、葉片榫槽表面裂紋等方面的檢測。2、電位差法的特點是僅須從試件的一側進行測量而不受背面條件的限制，操作方便，適用于一切導電試件。電位差法需要試件的電阻率均一且各向同性，對于大多數金屬材料，這條件是可以滿足的。電位差法主要應用于裂紋深度的測量，在厚度測量、材料表征等方面也有一定的應用。第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六3、帶電粒子檢測法可用于所有非導電材料，如玻璃、搪瓷、琺瑯、塑料和油漆涂層以檢測開口于試件表面的裂紋或其他缺陷。此法可用于幾乎是任何尺寸的單件或大批量工業(yè)戶品，靈敏度可超過普通滲透技木，可檢出寬度小至0.1μm的裂紋或其他缺陷。這種方法有兩種作業(yè)方式，第一種用于被檢件背面襯有金屬的非導電材料，第二種則是用于不帶金屬背村的非導電材料。4、電暈放電是電流通過氣體的現象，又稱氣體放電、氣體導電。在通常情況下氣體是由不帶電的分子或原子組成的，它是良好的絕緣體。但是，當氣體中出現電子和離子時，在外電場作用下，電子和離子作定向漂移運動，氣體就導電了。電暈放電檢測方法可用于不同形狀和尺寸的非金屬和電介質材料，如電絕緣材料、纖維、纏繞構件和疊層制品，以探測與表面相連或隱藏在表面下的裂紋、孔洞、未結合和分層。在缺陷中被截留而可用電暈放電試驗探得的氣體可以是溶劑的蒸氣、制造過程中的殘留物或被截留的空氣。第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期六5、磁彈性技術，包括巴克豪森磁噪聲和磁聲發(fā)射技術是檢測殘余應力和表面缺陷的無損檢測技術。由于巴克豪森噪聲檢測技術快速簡便等特點，在國際上獲得了較廣泛應用。根據巴克毫森噪聲對應力和顯微組織的依賴效應、該技術主要應用于以下幾方面：1）檢測鋼鐵材料和構件的殘余力，如焊接、熱處理、使用變形等引致的殘余應力；2）檢測鋼鐵材料的顯微組織的變化，如淬火、回火、滲碳、滲氮等各熱處理過程導致的組織結構、硬度的變化，判斷熱處理缺陷，硬度及硬化層深度、鋼種分選等；3）檢測應力和顯微組織變化相聯系的綜合效應，如材料表而的熱處理缺陷、機加工磨削灼傷缺陷、材料疲勞的軟化和硬化以及疲勞壽命的預測等都是很典型的。磁聲發(fā)射與巴克豪森噪聲是密切