一种金属管道内表面缺陷的涡流检测探头及其检测方法

摘要

本发明公开了一种电涡流探头，该电涡流探头用于检测金属管道内部表面裂纹等缺陷。该电涡流探头由激励线圈阵列和检测线圈阵列组成，激励线圈阵列由与圆柱面垂直的圆周向线圈和通过圆柱轴所在平面的矩形线圈组成。检测线圈阵列分布于探头圆柱表面，位于圆周向和轴向检测线圈之间。检测线圈通过感测圆周向激励线圈产生的磁通受到圆周向裂纹扰动而产生的变化，可检测圆周向裂纹。检测线圈通过感测轴向激励线圈产生的涡电流受到圆周向裂纹扰动而产生的变化，也可检测圆周向裂纹。检测线圈通过感测圆周向激励线圈产生的涡电流受到轴向裂纹扰动而产生的变化，可检测轴向裂纹，通过探头沿管道方向扫查可以检测导电管道表面多个方向不同裂纹缺陷的存在，并可根据各检测线圈获得缺陷信号特征判断裂纹数量、方向及长、宽、深度等形状信息。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无损检测探头装置及其检测方法，特别是涉及一种金属管道内表面裂纹缺陷涡电流检测探头及检测方法。

背景技术

涡流检测是一种使用很广泛的无损检测技术，工作原理遵循电磁感应原理，当通有交变电流的激励线圈靠近导体材料时，将在导体材料中产生交变磁场，称为一次磁场，同时该交变磁场在导体表面感应出涡电流。导体中的涡电流也会产生磁场，称为二次磁场。导体结构表面如果存在裂纹等缺陷，将会引起涡电流的变化，从而使涡电流所产生的二次磁场也发生变化，导致检测线圈所感测电信号发生变化。据此就可以判断导体材料表面缺陷的存在。涡电流检测具有速度快、对表面缺陷反应灵敏等优异性能。已在蒸汽发生器管道、核电站热交换管道等许多关键设备的检测中发挥着重要的作用。为了评估设备结构安全，要求获得导电管道内表面裂纹缺陷的数量、位置和形状等信息。传统穿过式探头只适于检测管道某个方向的裂纹缺陷，且费时费力。实际情况中，管道内表面裂纹往往呈多个方向的状况，对金属管道结构的破坏性大。如果不能准确判断多裂纹的数目、各自走向及形状，容易造成漏检及处置不当，可能导致严重的安全事故。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种导电管道内表面裂纹的涡流检测探头装置及检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种金属管道内表面裂纹缺陷的涡电流检测探头，该探头激励线圈与检测线圈都由线圈阵列组成。

圆周向激励线圈呈圆柱形，且数量至少为三个，各线圈尺寸相同，相互之间平行排列。

轴向激励线圈呈矩形，数量至少为三个，各线圈的尺寸相同，相互之间等夹角分布，它们都通过圆柱探头的轴线。

分布于圆柱探头表面的检测线圈呈矩形，一个周向检测线圈的数量至少为6个，且各线圈的尺寸相同，至少有两个周向检测线圈，且相互之间等间距平行排列。

采用该探头检测导电管道内表面裂纹的方法如下。激励线圈阵列在被检测管道内表面一个较大的区域产生不同方向的电磁场与涡电流，受到裂纹扰动将产生路径与强度变化，通过探头中与被检测管道内表面平行分布的多检测线圈所感测的不同电信号，可以检测不同位置、不同方向分布的裂纹，并可根据所获得信号分布及幅度分析裂纹的形状。

对于导电管道内部轴向裂纹，可以通过检测线圈对涡电流的检测实现；圆周向激励线圈激发的涡电流在遇到轴向裂纹时，涡电流受到扰动将沿裂纹方向分流，这个被分流的涡电流可以被与该裂纹最近的检测线圈检测到，体现在该线圈信号的幅度变化最大。

对于导电管道内表面圆周向裂纹，可以通过如下方法检测到。圆周向激励线圈激发出轴向磁通，该磁通在遇到与其相垂直的圆周向裂纹时将沿裂纹发生走向变化，有垂直管道内表面的磁通分量产生，这个磁通分量可以被最靠近该裂纹的检测线圈检测到，体现在该线圈获得最大的信号幅度。

另外轴向激励线圈在管道内部轴向产生涡电流，该涡电流在遇到与其相垂直的圆周向裂纹时将沿裂纹发生方向变化，该涡电流的变化也可以被最靠近该裂纹的检测线圈检测到。

附图说明

图1是本发明检测导电管道内表面裂纹的圆柱形涡流探头结构图；

图2是本发明检测导电管道内表面裂纹的圆柱形涡流探头结构轴向视图

图3是导电管道内表面裂纹模型图

图4是本发明探头在导电管道内部扫查裂纹的示意图

图5是本发明探头在导电管道内部扫查裂纹的轴向视图

图6是本发明探头利用电磁场变化检测圆周向裂纹示意图

图7是本发明探头利用涡电流变化检测轴向裂纹示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

在关键管道设备的无损检测中，采用传统涡流探头与方法难以检测多个方向的裂纹缺陷，因此需要提高对多方向裂纹的数目、方向及形状检测的能力，避免发生漏检导致安全事故的发生。

参见图1、图2所示，为本发明导电管道内表面裂纹电涡流检测探头结构图。该电涡流探头包括有激励线圈阵列与检测线圈阵列；激励线圈阵列由圆周向线圈1a、1b、1c和过圆柱轴的矩形线圈2a、2b、2c组成。检测线圈阵列由位于探头圆柱面上的3a、3b、3c、3d、3e、3f、4a、4b、4c、4d、4e、4f线圈组成。

圆周向激励线圈1a、1b、1c呈圆形，尺寸相同，相互之间平行排列。

轴向激励线圈2a、2b、2c呈矩形，尺寸相同，通过圆柱轴，相互之间等夹角排列。

检测线圈3a、3b、3c、3d、3e、3f、4a、4b、4c、4d、4e、4f呈矩形，并呈一定的弧度位于圆柱表面，各检测线圈尺寸相同且相互之间等间距排列。

图3所示是导电管道内表面裂纹模型。在导电管道4表面示出裂纹5a、5b。其中裂纹5a位于圆周方向。裂纹5b位于轴向。

图4所示为通过本发明涡电流探头扫查导电管道4内部裂纹的情况。图5是本发明探头在导电管道内部扫查裂纹的轴向视图。

图6是本发明探头利用电磁场变化检测圆周向裂纹示意图。为了检测圆周向裂纹5a，按如下步骤执行扫查程序。探头沿管道4内部从左向右方向扫查，激励线圈1a、1b内部交变电流产生的轴向磁通6有部分通过被检测导电管道4，由于在被检测管道4内表面存在圆周向裂纹5a，且裂纹5a的方向与磁通6方向相垂直，由于裂纹5a区域磁导率、电导率等特性与导体材料不同，磁通6的路径将受到裂纹5a的干扰，在被测材料4内表面上方的磁通变得无序。会产生一些垂直管道4内表面的磁通并通过检测线圈3c，并在检测线圈3c中产生一个电动势，该电动势体现为缺陷信号8。如果在探头扫查过程中，如图6A、6C所示，检测线圈绕组3c的边缘分别接近、离开裂纹5a，检测线圈3c就会分别获得一个相反极性的缺陷信号8。如果如图6B所示，检测线圈3c的中心经过裂纹5a，则进出检测线圈3c的磁通量6相抵消，就不会在检测线圈中产生电动势，此时缺陷信号8为零。

轴向激励线圈2a、2b、2c在管道内部轴向产生涡电流，该涡电流在遇到与其相垂直的圆周向裂纹5a时将沿裂纹发生方向变化，该涡电流的变化也可以被最靠近该裂纹的检测线圈检测到。

图7是本发明探头利用涡电流变化检测导电管道内部轴向裂纹示意图。图7所示为在被检测管道内表面有一个轴向裂纹5b。圆周向激励线圈1a、1b、1c在管道4内壁产生涡电流7的方向与激励绕组1a、1b、1c内部交变电流的方向有关。因此，涡电流7流动的方向与轴向裂纹5b垂直，涡电流7的流动受到裂纹5b的干扰。因此，涡电流7产生的二次磁通被扰动，随着探头在管道内部移动扫查，如图7A、7C所示，当检测线圈3a接近及离开裂纹5b时，流过检测线圈3a两边的磁通不对称，在检测线圈3a两边产生电动势不同，在检测线圈3a中产生一个总的电动势，并体现为一个缺陷信号8，并且两种情况获得电动势极性相反。如果检测线圈3a位于裂纹5b的中心，涡电流的流动对称于检测线圈3a，这样，通过检测线圈3a的磁通量就是平衡的，就不会产生表示缺陷信号的电动势，对应信号8为0。