涡流检测-第一章.ppt

《涡流检测-第一章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《涡流检测-第一章.ppt（26页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、,绪 论,天津市电力科学研究院马 崇,第1章 绪论,1.1 电磁学的发展 1.1.1 古代磁学和电学的发展 1.1.2 电磁学体系的确立 1.1.3 麦克斯韦电磁场理论的建立1.2 电磁检测的发展 1.2.1 涡流检测的发展 1.2.2 漏磁检测的发展 1.2.3 其它电磁检测技术的发展1.3电磁检测的应用与特点 1.3.1 涡流检测的应用与特点 1.3.2 漏磁检测的应用与特点 1.3.3 其它电磁无损检测技术的应用与特点,1.1 电磁学的发展 电磁检测是以材料电磁性能变化为判断依据来对材料及构件实施缺陷探测和性能测试的一类检测方法，其基本原理是以电磁学的理论为基础的。电磁学建立和发展的历史

2、过程大致如下：1、从远古到18世纪中、晚期是电、磁现象的早期研究阶段。在这一时期，以对电、磁现象的观察、实验及定性研究为主。2、从18世纪晚期到19世纪上半叶，开始了对电磁现象的定量研究，以及电磁感应现象的发现和深入研究。这一阶段的研究开始揭示了电现象和磁现象的本质联系，并逐步建立起电磁学理论体系，使电磁学理论日趋完善。3、19世纪下半叶，麦克斯韦（J.C.Maxwell）在原有电磁学理论的基础上提出了电磁场的概念并建立了电磁场理论的完整体系，至此，电磁学继牛顿力学之后，经过人们几个世纪的工作，终于在20世纪前叶发展成为经典物理学的重要组成部分。,1.1.1 古代磁学和电学的发展大约公元前6世

3、纪，古希腊的“七贤”之一，米利都的泰勒斯(Thales)记录了磁石吸铁和摩擦后的琥珀吸引轻小物体的现象。电（Electricity）这个字的起源就来自希腊文的“琥珀”(electron)。但古希腊人对电磁现象的认识仅限于磁石吸铁和摩擦生电，还不知道磁铁的极性和可以存在于电荷之间或磁极之间的排斥现象。中国古代对磁的认识差不多可以追溯到冶铁业创建之初，而对雷电现象的观察最早可以追溯到殷代的甲骨文和西周铜器上的雷和电二字。对电现象和磁现象的系统研究直到17世纪才开始。1600年英国医生吉尔伯特（William Glibert）总结了前人对磁的研究，记载了大量实验，周密地讨论了地磁的性质，使磁学开始从

4、经验转变为科学。他关于地磁的实验是划时代的。,在18世纪期间，没有一个物理学分支能像电学一样如此成功地得到发展。由于富兰克林的贡献，使电学的研究从单纯的现象观察进入到精密的定量描述，使人们开始有可能用数学方法来表示和研究电现象。因此后人把富兰克林称为电学理论的奠基人。到了1754年，康顿（John Canton）用电流体假说解释了静电感应现象。至此静电学三条基本原理：静电力基本特性、电荷守恒和静电感应原理都已经建立，人们对电的认识已有了初步完整的成果。然而，建立电学的定量规律的功劳应归功于库仑(Coulomh)的研究成果。18世纪末，电学从静电领域发展到电流领域，这一飞跃发端于动物电的研究。伏

5、打电堆的发明，提供了产生恒定电流的电源，使人们有可能研究电流的规律和电流的各种效应。从此电学进入了一个飞速发展的时期研究电流和电磁效应（电磁学）的新时期。,1.1.2 电磁学体系的确立电磁学起源于1819年著名的电生磁的“奥斯特实验”。奥斯特的发现突破了电学与磁学彼此隔绝的情况，开辟了电学研究史上的新篇章。此后，电磁学的发展势如破竹。19世纪二、三十年代成了电磁学大发展的时期。首先对电磁作用力进行研究的是法国科学家安培（Andre-Marie Ampere），提出了右手定则，提出了一个关于电流使磁体偏斜的方向法则“安培法则”，提出了电动力理论和分子电流假说，认为磁在本质上是由于电流的作用，应该

6、说，在电磁学规律的定量表述方面，安培作出了特殊贡献，他在一系列实验和理论研究的基础上得到的普遍的电动力公式，为电动力学奠定了基础。1821年毕奥（J.B.Biot）和萨伐尔（Felix Savart）通过磁针周期震荡的方法发现了毕奥-萨伐定律。法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应，他还在大量实验的基础上构想出描绘电磁作用的“力线”图像，创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。,法拉第发现电磁感应后不久，又有两项有关电磁感应现象的重大发现问世。一是亨利（J.Henry）发现了自感现象。二是1833年楞茨（H.F.E.Lenz）发现了楞茨定则。此后，1834年，楞茨定义了电动

7、势，指出电磁场会产生作用力来阻止任何试图改变其强度和构造的作用力。电流磁效应的发现，使电流的测量成为可能。在法拉第力线思想的激励下，汤姆生（J.J.Thomson）对电磁作用的规律也进行了有益的尝试，深感有必要把其演译成数学公式，于是利用类比方法，把法拉第的力线思想转变为定量的表述，为麦克斯韦的工作提供了十分有益的经验。这一期间还有一位物理学家的工作值得一提，他就是欧姆（George Simon Ohm）。）他严格推导了关于电压、电流与电阻之间关系的电路定律。欧姆定律的建立在电学发展史中有重要意义。,1.1.3 麦克斯韦电磁场理论的建立法拉第从广泛的实验研究中构想出描绘电磁作用的“力线”图像。

8、法拉第的力线思想实际上就是场的观念。在法拉第力线思想的激励下，汤姆生对电磁作用的规律进行过有益的尝试。他深感有必要把法拉第的力线思想翻译成数学公式，定量地作出表述，以不可压缩流体的流线连续性为基础，论述了电磁现象和流体力学现象的共性。麦克斯韦及时地总结了前人已有的成就。他受到法拉第力线思想的鼓舞，又得到汤姆生类比研究的启发，感到有必要对力线的分布及其应力性质给予机理性的说明，乃转而运用模型理论。在这个过程中，他敏锐地抓住了位移电流和电磁波这两个关键概念，最后，终于甩掉一切机械论点，径直把电磁场作为客体摆在电磁理论的核心地位，从而开创了物理学的又一个新的起点。在提出“涡旋电场”和“位移电流”的基

9、础上，提出了电磁场的普遍方程组。麦克斯韦方程组归纳了有关电磁回路和场的所有知识。可以用来解释所有的宏观电磁现象。同样，也为分析所有的电磁检测问题奠定了电磁理论基础。,1.2 电磁检测的发展1831年，法拉第发现了电磁感应现象，并在实验的基础上提出了电磁感应定律。在这以后的一百多年里，电磁学的理论及其实验不断完善与发展，为电磁检测的创立奠定了坚实基础。早在十九世纪末期，人们就发现电磁方法可以用来进行金属材料的分选；在二十世纪开始之前，电磁方法主要应用于材料分选和不连续性检测；从18901920年，人们致力于研究减少薄钡板中的涡流和磁滞损耗；19211935年间，涡流探伤仪和涡流测厚仪先后问世；二

10、战争结束后，弗洛伊德法尔斯（Freud.Fars）通用于超声检测的超声伤仪和福斯特（Foster）先进的涡流仪及磁强计系统之类的成果已用作工业无损检测系统。二十世纪5060年代，伴随着战争创伤的医治和工业生产的复苏，带来了无损检测技术（包括电磁检测）的一个新的繁荣时期。其中，德国福斯特博士卓有成效的推动了全世界涡流检测技术在工业部门中的实际应用和发展。二十世纪80年代以后，电子技术和计算机技术的发展进入了一个崭新的时期，强大的计算工具，进一步促进了电磁检测理论研究的深入，而且为研制各种类型自动化检测系统和数字化、智能化检测仪器奠定了可靠的电子技术基础。,1.2.1 涡流检测的发展1879年：休

11、斯 首次将涡流检测应用到实际(判断不同的金属和合金,进行材质分选)1926年：第一个台涡流测厚仪问世20世纪50年代：德国福斯特博士的理论研究推动了全世界涡流检测技术的发展。二十世纪70年代以后，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，有效的带动了涡流检测仪器设备技术性能的改进，进一步突现了涡流检测在探测导电材料表面或近表面缺陷应用中的优越性。中国：20世纪60年代开始：研制了涡流电导仪、测厚仪、检测设备。现有数字型的各种设备。应用在航空航天、冶金、机械、电力、化工、核能等领域。,1.2.2 漏磁检测的发展 漏磁检测技术是从磁粉检测技术发展起来的，利用磁现象来检测铁磁性材料工件表面及近表面缺陷的一

12、种无损检测方法。国外对漏磁检测技术的研究起步很早，1933年Zuschlug首先提出来应用磁敏传感器测量漏磁场的思想，但直到1947年才由哈斯廷（Hastings）设计研制成功了第一套漏磁检测系统，漏磁检测才开始受到普遍的承认和重视。20世纪50年代，西德福斯特（Forster）在开展涡流检测研究工作的同时，研制出产品化的漏磁探伤装置。1965年，美国Tubecope国际公司采用漏磁检测装置Linalog首次进行了管内检测。1973年，英国天然气公司采用漏磁法对其所管辖的一条直径为600mm的天然气管道的管壁腐蚀减薄状况进行了在役检测，并首次引入了定量分析方法。ICO公司的EMI漏磁探伤系统则

13、通过漏磁探伤部分来检测管体的横向和纵向缺陷，而壁厚的测量结合超声技术进行，提供完整的现场探伤。对于漏磁检测缺陷漏磁场的计算始于1966年。,我国从九十年代初才开始较大范围对漏磁检测技术的研究工作，并于2002年研制出管道和钢板腐蚀的漏磁检测仪，当时的总体技术水平落后于欧美等发达国家。但近年来，在国内无损检测工作者的共同努力下，目前已有许多的高校和研究单位在这方面取得了可喜的成果，逐步缩小了与国际水平的差距。国内研究漏磁检测技术的高校主要有清华大学、华中科技大学、上海交通大学、沈阳工业大学、南昌航空大学等。,1.2.3 其它电磁检测技术的发展在科学技术不断发展的历史进程中，伴随着物理学、电子学以

14、及计算机科学的进步，相继诞生了多种以电磁特性变化为基本检测原理的无损检测方法。诸如磁记忆检测、电流扰动检测、电位法检测、巴克豪森噪声检测、带电粒子检测、电晕放电检测、磁声发射检测、核磁共振检测等电磁检测技术。20世纪90年代，俄罗斯学者率先提出利用加载铁磁构件中产生的磁记忆效应可以检测构件表面的应力集中区。这种磁记忆检测技术可望准确、可靠的探测铁磁构件以应力集中为特征的危险部件和部位，是对金属构件进行早期诊断的一种新的无损检测方法。电流扰动（ECP.Electric Current Perturbation）法是指在被检部件上产生一种电流流动（通常借助于感应线圈），并利用一独立的探测器测定电流

15、流过缺陷时电流扰动引起的磁场。探测器一般对感应线圈产生的原磁场不敏感的方向取向，以减小对提离效应的灵敏度。在多种飞机部件的检测中得到应用。,1.3电磁检测的应用与特点1.3.1 涡流检测的应用与特点（1）涡流检测原理涡流检测是以电磁感应原理为基础的无损检测方法。它的基本原理可以描述为：当载有交变电流的试验线圈靠近导体试件时，由于线圈产生的交变磁场的作用会在导体中感生出涡流。涡流的大小、相位及流动形式受到试件性能及有无缺陷的影响，而涡流的反作用磁场又使线圈的阻抗发生变化。因此，通过测定试验线圈阻抗的变化，就可以推断出被检试件性能的变化及有无缺陷的结论。涡流检测是以研究涡流与试件的相互关系为基础的

16、一种常规无损检测方法。涡流检测的主要优点是检测速度快，线圈与试件可不直接接触，无需耦合剂。主要缺点是只限用于导电材料，对形状复杂试件难作检查，由于存在趋肤效应只能检查薄试件或厚试件的表面、近表面部位，对于铁磁性材料及制件常须完全直流磁化到饱和以免在涡流检测期间磁化状态有任何变化而影响检测，且随后又须将此试件退磁，缺陷必须能截断涡流方可被检出，检测结果尚不直观，判断缺陷性质、大小及形状尚难等。,（2）涡流检测的应用涡流检测方法是以电磁感应为基础的无损检测方法，所以原则上说，所有与电磁感应涡流有关的影响因素，都可以作为涡流检测方法的检测对象。影响电磁感应因素及可能作为涡流检测的应用对象如下：1）不

17、连续性缺陷的检测：裂纹、夹杂物、材质不均匀等。2）电导率测量：导电材料组织结构、硬度、应力、热处理状态等的判断；3）提离效应测量：导电基体金属材料上膜层厚度的测量及金属材料上腐蚀层的检测；4）厚度效应等测量：金属薄板厚度的测量及试件几何尺寸、形状、大小等的测量。除以上应用外，涡流检测法还可以在特定条件下进行特定的开发涡流检测可应用于在线检测、在役检测、加工工艺监督、涂层测量、材质分选、电导率测量等方面。,（3）涡流检测的特点涡流检测的优点：1、检测线圈不需要接触工件，也不需要耦合剂，对管、棒、线材的检测易于实现高速、高效率的自动化检测；也可在高温下进行检测，或对工件的狭窄区域及深孔壁等探头可达

18、到的深远处进行检测；2、对于工件表面及近表面的缺陷有很高的检测灵敏度；3、采用不同的信号处理电路，抑制干扰，提取不同的涡流影响因素，涡流检测可用于电导率测量、膜层厚度测量及金属薄板厚度测量；4、由于检测信号是电信号，所以可对检测结果进行数字化处理，然后存储、再现及数据处理和比较；,涡流检测的局限性：1、只适用于检测导电金属材料或能感生涡流的非金属材料；2、由于涡流渗透效应的影响，只适用于检查金属表面及近表面缺陷，不能检查金属材料深层的内部缺陷；3、涡流效应的影响因素多，目前对缺陷定性和定量还比较困难。4、针对不同工件采用不同检测线圈检查时各有不足。如检查管棒；材，采用穿过式线圈难以对圆周上的缺

19、陷定位，而用旋转式探头线圈则检测区域狭小、速度较慢。,1.3.2 漏磁检测的应用与特点（1）漏磁检测原理漏磁检测（magnetic flux leakage testing MFT）是指铁磁材料试件被磁化后，因试件表面或近表面的缺陷引起磁场畸变而在其表面形成漏磁场，人们通过检测漏磁场的变化来发现缺陷的一种无损检测方法。当用磁化器磁化被测铁磁材料试件时，若材料的材质是连续、均匀的，则材料中的磁感应线将被约束在材料中，磁通是平行于材料表面的，几乎没有磁感应线从表面穿出，被检工件表面没有磁场。但是，当材料中存在着切割磁力线的缺陷时，材料表面的缺陷或组织状态变化会使磁导率发生变化，由于缺陷的磁导率很小

20、，使磁路中的磁通发生畸变，磁感应线流向会发生变化，除了部分磁通直接通过缺陷或通过材料内部来绕过缺陷外，还有部分的磁通会泄漏到材料表面上空，通过空气绕过缺陷部位再度重新进入材料，从而在材料表面缺陷处形成漏磁场。如果采用磁粉检测漏磁场的方法，常称为磁粉检测法；而采用磁敏传感器检测则称为漏磁检测法。,（2）漏磁检测应用与特点漏磁无损检测技术在钢铁、石油、石化等领域应用较广泛，可检出样件表面、近表面的腐蚀、裂纹、气孔、凹坑、夹杂等缺陷等，也可用于铁磁性材料的测厚。如：）漏磁检测在钢铁行业的应用在钢厂主要用于对钢结构件、钢坯、圆钢棒材、钢管、焊缝、钢缆作检验以确证成品的完好。在许多场合，使用者将不接收未

21、经钢厂和第三方检验的钢制产品。使用者在制造前常使用漏磁探伤，这可确保制造商对产品技术方面的要求，此类检验常由独立的检测公司或使用者的质保部门进行。）漏磁检测在石化行业的应用对已安装的输油气管道（包括埋地管道）、储油罐底板，或对回收的油田钢管进行检测。）其它应用对用过的钢缆、钢丝绳、链条进行定期的在役探伤。,由于漏磁检测是用磁传感器检测缺陷，相对于磁粉、渗透等方法，有以下优点：l）易于实现自动化 漏磁检测方法是由传感器获取信号，计算机判断有无缺陷，它的这一特点非常适合于组成自动检测系统。2）较高的检测可靠性 由计算机根据检测到的信号判断缺陷的存在与否，可以从根本上解决在磁粉，渗透方法中人为因素的

22、影响，而具有较高的检测可靠性。3）可以实现缺陷的初步量化，缺陷的漏磁信号和缺陷的形状具有一定的对应关系，特别有意义的是在一定条件下，漏磁通信号的峰值和表面裂纹的深度有很好的线性关系，缺陷的可量化度使得这种方法不仅仅可以用于检测缺陷，更重要的是可以对缺陷的危险程度进行初步判断，这是实现无损检测评价的基础。4）在管道的检测中 在厚度小于30mm的壁厚范围内，可同时检测内外壁缺陷。5）高效、无污染 自动化的检测可以获得很高的检测效率，同时，检测方法本身也决定了其对环境的无污染性。,漏磁检测方法的局限性：1）只适用于铁磁材料 只有铁磁材料被磁化后，表面和近表面缺陷才能在试件表面产生漏磁通，因而，漏磁场

23、检测和磁粉检测一样只适合于铁磁材料的表面检测，主要是除奥氏体不锈钢之外的所有钢材。2）检测灵敏度低 由于检测传感器不可象磁粉一样紧贴被检测表面，不可避免地和被检测面有一定的提离值，从而降低了检测的灵敏度、对于一般的情况，文献给出的漏磁检测的灵敏度为深0.10.2mm的表面裂纹。3）缺陷的量化粗略 缺陷的形态是复杂的，而漏磁通检测得到的信号相对简单，在实际检测中，缺陷的形状特征和检测信号的特征不存在一一对应关系，因而漏磁检测只能给出缺陷的粗略量化。,1.3.3 其它电磁无损检测技术的应用与特点1、电流微扰法的特点是：试件形状可以比较复杂，可用以探测比较小的缺陷。只适用于非铁磁性金属试件，如铁合金

24、和铝合金制件，限于探测表而和近表面缺陷，可应用于双层构件紧固件孔中底层孔边裂纹、叶片榫槽表面裂纹等方面的检测。2、电位差法的特点是仅须从试件的一侧进行测量而不受背面条件的限制，操作方便，适用于一切导电试件。电位差法需要试件的电阻率均一且各向同性，对于大多数金属材料，这条件是可以满足的。电位差法主要应用于裂纹深度的测量，在厚度测量、材料表征等方面也有一定的应用。,3、带电粒子检测法可用于所有非导电材料，如玻璃、搪瓷、珐琅、塑料和油漆涂层以检测开口于试件表面的裂纹或其他缺陷。此法可用于几乎是任何尺寸的单件或大批量工业户品，灵敏度可超过普通渗透技木，可检出宽度小至0.1m的裂纹或其他缺陷。这种方法有

25、两种作业方式，第一种用于被检件背面衬有金属的非导电材料，第二种则是用于不带金属背村的非导电材料。4、电晕放电是电流通过气体的现象，又称气体放电、气体导电。在通常情况下气体是由不带电的分子或原子组成的，它是良好的绝缘体。但是，当气体中出现电子和离子时，在外电场作用下，电子和离子作定向漂移运动，气体就导电了。电晕放电检测方法可用于不同形状和尺寸的非金属和电介质材料，如电绝缘材料、纤维、缠绕构件和叠层制品，以探测与表面相连或隐藏在表面下的裂纹、孔洞、未结合和分层。在缺陷中被截留而可用电晕放电试验探得的气体可以是溶剂的蒸气、制造过程中的残留物或被截留的空气。,5、磁弹性技术，包括巴克豪森磁噪声和磁声发

26、射技术是检测残余应力和表面缺陷的无损检测技术。由于巴克豪森噪声检测技术快速简便等特点，在国际上获得了较广泛应用。根据巴克毫森噪声对应力和显微组织的依赖效应、该技术主要应用于以下几方面：1）检测钢铁材料和构件的残余力，如焊接、热处理、使用变形等引致的残余应力；2）检测钢铁材料的显微组织的变化，如淬火、回火、渗碳、渗氮等各热处理过程导致的组织结构、硬度的变化，判断热处理缺陷，硬度及硬化层深度、钢种分选等；3）检测应力和显微组织变化相联系的综合效应，如材料表而的热处理缺陷、机加工磨削灼伤缺陷、材料疲劳的软化和硬化以及疲劳寿命的预测等都是很典型的。磁声发射与巴克豪森噪声是密切联系的两种检测技术。与巴克

27、豪森效应相比，磁声发射的历史较短，它是20世纪70年代美国科学家Lord在镍的磁化过程中发现的，现已在多方面获得应用。磁声发射目前主要应用于残余应力和材料显微组织结构的检测。应用检测程序，定量检测样品的制备，校准曲线的制作等，大体上与巴克豪森噪声检测一致。,6、核磁共振技术 在恒定磁场中具有角动量和磁矩的原子核受交变磁场激励时在激励角频率等于质子振动角频率的情况下所进入的共振状态是为核磁共振。核磁共振技术是由泊赛尔在美国哈佛和他的合作者于1946年发展起来的；同时，布洛赫在美国斯坦福和他的合作者也独立发展了一个类似的方法，两人由此而获诺贝尔奖。核磁共振检测的主要应用有：物质微观结构状态和性能的

28、研究，如分子的结构、结晶或非结晶固体中分子的排列；无损的化学分析，不消耗试样，相当小的试样即可；质量无损检测，如木材中水分含量、混凝土中水泥水合过程的监视、铝腐蚀产物的表征及碳/树脂复合材料热损伤的检测等，己有用碳-13（13C）核磁共振作为聚合物的主要成分微观组织、活性官能团分布及夹杂物出现的验收方法者；余属、非金属材料中扩散行为的研究，如活化能、活化体形成、肖脱基缺陷对形成等。核磁共振检测的局限性有：多限于非金属材料、金属粉末；设备是笨重和高价的；对其他设备可能需要磁屏蔽。,7、金属磁记忆检测方法与其他无损检测方法相比，金属磁记忆检测方法致力于应力及变形集中区的预诊断，不需要对工件表面施加任何激励，而是通过获取工件在地球磁场和工作载荷作用下形成的天然磁性来工作的，是一种被动检测方式。可以比其它方法更容易实现检测仪器的小型化以及点磁测量，操作简单，灵敏度高并且对被检工件表面状况要求也不高，一般不需要进行清理或做其它准备，特别适合现场工作。该方法与传统无损检测方法相结合可望在我国石油、化工、航空航天、冶金、电力、轻工、建筑、交通、锅炉压力容器等领域中承压及特种设备和重要金属部件的安全检测当中发挥重大作用，同时，为其它弱磁检测技术的研究和应用提供基础和借鉴，推动我国无损检测事业的进步。,