銅覆鋼渦流檢測探頭優化設計與研究

陳學寬， 龍盛蓉， 楊琳瑜， 宋奕霖， 鄒越豪， 李志農

（無損檢測技術教育部重點實驗室（南昌航空大學），南昌 330063）

0 引言

銅覆鋼棒材是將銅和鋼兩種材料加工而成的復合性材料。該復合體既有鋼的高強度、高彈性、高熱阻和高導磁性，又有銅的良好導電性和優良抗腐蝕性，已經廣泛應用于國內變電站接地系統。銅覆鋼材料生產工藝較多，銅覆層的質量直接關系接地裝置的使用壽命[1]。目前，針對銅覆鋼的研究大部分都集中在銅覆鋼現場實際應用以及在不同土壤環境下的材料腐蝕狀態以及電氣性能。如李揚森等[2]研究了銅覆鋼在變電站接地系統中的應用；柳森等[3]進行了銅覆鋼接地材料在浙江土壤的銅層厚度選型設計和試驗研究；潘學東等[4]通過模擬銅覆鋼接地材料在不同應用環境中可能遇到的問題進行了電氣與腐蝕試驗，結果表明環境對材料的電阻抗變化的影響較??；段華杰[5]研究了銅覆鋼在接地網應用中存在的若干問題，并提出了針對性的解決方案。而針對銅覆鋼質量快速檢測方法的研究還相對較少。

雖然針對銅覆鋼檢測的研究不多，但學者們對金屬材料無損檢測方面的研究為銅覆鋼檢測技術提供了參考。如Gotoh等[6]采用渦流檢測技術對S25C碳鋼表面的鍍鎳層實現了厚度測量。Li等[7]利用渦流檢測技術對燃氣輪機葉片上的熱障涂層厚度進行了定量測試，分析了多層導電結構中渦流對分層導電結構的響應。錢政平等[8]針對緊固螺栓的無損檢測，研制出高精度檢測探頭。何存富等[9]使用渦流檢測技術對鍍鎳的65Mn鋼板進行檢測，提取出切向磁場、渦流阻抗和增量磁導率曲線采用線性擬合方法分析對比磁參量對鍍層厚度的表征效果，實現了65Mn鋼板表面鍍鎳層厚度的良好檢測。Yang等[10]使用脈沖渦流熱成像技術檢測金屬和復合金屬表面裂紋，重點研究了電流大小和裂紋方向對檢測鐵磁性和非鐵磁性金屬的影響，發現在裂紋方向方面非鐵磁性金屬的裂紋檢測敏感性遠高于鐵磁性金屬。Blakeley等[11]利用電磁檢測技術檢測鍍層內部裂紋信息，在研究中選擇表面鍍鋁或者鍍鋅的金屬材料作為研究對象，發現與傳統的非導電鍍層材料不同，導電鍍層會影響材料的表面特性，不利于使用交流電磁場檢測技術（Alternating Current Field Measurement，ACFM）；還使用多物理場仿真平臺對金屬涂層材料進行建模分析，并結合實驗發現使用ACFM檢測，鍍層厚度和裂紋是否穿透導電鍍層是影響缺陷定位精度的主要影響因素，并建立了鍍層厚度與檢測精度的關系。

以上研究表明，渦流檢測方法可以實現銅覆鋼材料的無損檢測。為了更好地將渦流檢測技術應用于銅覆鋼的質量檢測中，本研究分別從渦流檢測探頭結構及參數設計角度，對銅覆鋼用渦流檢測探頭進行研究。

1 渦流檢測原理

渦流檢測是一種基于電磁效應基本理論的無損檢測方法[12-13]。如圖1所示，給線圈通以交流電，線圈周圍建立交變電磁場，磁場中的金屬工件將產生渦流。渦流的大小、相位和流動形式受樣品的特性及是否存在缺陷的影響。工件中的渦流可以等效為一個單匝線圈，其等效電路如圖2所示，電路中的I2即為渦流。

圖1 缺陷引起導體渦流變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of conductor eddy current changes caused by defects

圖2 渦流傳感器的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of an eddy current sensor

麥克斯韋方程組為渦流檢測技術奠定下堅實的理論基礎，它的微分形式為：

由式（1）、式（2）解得等效阻抗Z的表達式為：

式中：j、ω、M為傳導電流密度、線圈激磁電流角頻率和磁流密度；R1、L1、I1為線圈的電阻、電感和電流；R2、L2、I2為短路環等效電阻、等效電感和電流；Req、Leq分別為線圈受電渦流影響后的等效電阻和等效電感。

由以上可知，缺陷會造成激勵線圈中的渦流發生變化，從而引起副線圈等效電感L2、等效電阻R2、渦流與原線圈互感M2的變化，最終表現為探頭線圈阻抗值的變化。因此，渦流檢測線圈阻抗變化由被檢對象和探頭線圈性質共同決定。其中，影響線圈性質的因素主要是激勵線圈形狀、尺寸參數r、激勵電流頻率f等，通過設計檢測探頭結構與參數可以有效提高渦流檢測靈敏度。

2 銅覆鋼渦流檢測探頭結構設計

渦流檢測系統設計中提離效應[14]的抑制是一個重要環節。一個小的提離會造成很大的阻抗變化，這是由于線圈和銅覆鋼之間距離的變化會使到達銅覆鋼的磁力線發生變化，改變了銅覆鋼中的磁通，從而影響到線圈的阻抗。為了研究銅覆鋼渦流檢測過程中探頭與鋼材中心軸線之間的關系對檢測的影響，本研究以有限元數值仿真計算為手段建立有限元仿真模型，如圖3所示。其中，圖3a中銅覆鋼外圈與探頭內圈同軸，半徑相差2 mm；圖3b中銅覆鋼偏向與探頭一側，其間最近距離為0 mm，最遠距離為4 mm。

圖3 銅覆鋼渦流檢測有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model for eddy current testing of copper clad steel

鋼材的相對磁導率為1000，電導率為5.70×107S/m。銅材的相對磁導率為1，電導率為9.96×106S/m。圓環型激勵線圈的高度為4 mm，厚度為1 mm，內徑為11 mm。激勵線圈的匝數為1000，電導率為6.00×106S/m。鋼的長度為20 mm，半徑為8 mm；銅材的長度為20 mm，厚度為1 mm，內徑為8 mm；銅覆鋼的長度為20 mm，半徑為9 mm。

選取探頭線圈繞銅覆鋼棒材周向路徑上的磁感應強度進行分析，如圖4所示。當線圈與銅覆鋼中心同軸時，磁感應強度分布均勻，基本上穩定在0.01 T左右；當線圈與銅覆鋼不同軸時，線圈上的點到銅覆鋼的最近距離不一致，從而造成磁場的波動，最終導致線圈圍繞區域內的磁感應強度幅度發生較大的變化。由圖3、圖4可知，線圈與銅覆鋼不同軸時，線圈上離銅覆鋼較近的點產生的磁感應強度較大，造成不同軸的整體磁感應強度大于同軸的。因此，提高線圈與檢測對象的同軸度，使感應磁場分布均勻，可有效提高渦流檢測的檢測靈敏度。

圖4 銅覆鋼管下磁感應強度分布圖Fig.4 Distribution diagram of magnetic induction intensity under copper clad steel pipe

目前，常規檢測中使用的渦流探頭夾具一般與待檢測銅覆鋼直徑匹配，但由于銅覆鋼在加工過程中存在加工誤差，而渦流探頭夾具的夾持尺寸固定，當銅覆鋼的尺寸存在上偏差時，兩者之間則形成過盈配合，不容易對銅覆鋼進行裝夾，并且探頭難以在管件上往復移動；同時，當銅覆鋼的尺寸存在下偏差時，銅覆鋼與探頭夾具為間隙配合，造成檢測線圈與銅覆鋼不同軸度，影響檢測靈敏度。本研究設計直徑可調的渦流檢測探頭，具體結構如圖5如示。其中，探頭夾具通過設置彈簧以及滾動圓球，通過彈簧的移動改變探頭夾具的夾緊半徑，從而適應于銅覆鋼的加工誤差，保證對各種誤差的銅覆鋼都具有良好的夾緊效果，從而提高探頭與檢測對象中心的同軸度。

圖5 直徑可調渦流檢測探頭Fig.5 Eddy current detection detector with adjustable diameter

3 銅覆鋼渦流檢測探頭參數設計

理論分析表明，渦流檢測中激勵信號頻率、探頭線圈匝數及寬度都是影響檢測效果的重要因素，為進一步提高渦流檢測對銅覆鋼材料的檢測靈敏度，采用正交實驗法對渦流檢測影響參數進行優化設計。實驗試樣為長度400 mm的銅覆鋼樣品，如圖6所示。在試樣垂直軸線方向制作寬1 mm，深度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm的5個缺陷（圖6b中①～⑤），各缺陷之間相隔70 mm，兩端缺陷距邊緣60 mm。利用銅覆鋼檢測系統對試樣進行檢測，如圖7所示。

圖6 渦流檢測試樣Fig.6 Eddy current test sample

圖7 銅覆鋼檢測系統Fig.7 Detection system of copper clad steel

探頭參數設定如表1所示。通過設計正交實驗表并進行分析，結果表明，在銅覆鋼渦流檢測中，激勵頻率對檢測效果的影響最為顯著，其次為線圈匝數，而繞線寬度對實驗結果基本沒有影響（表2）。

表1 探頭設計影響因素水平表Table 1 Influencing factor levels of detector design

表2 方差分析表Table 2 Variance analysis

正交實驗中只選用了2種激勵頻率，為了得到最佳探頭激勵頻率，在固定線圈匝數和繞線寬度的情況下，針對探頭激勵頻率進行進一步的研究。實驗選取了不同激勵頻率對試樣進行缺陷檢測，分析激勵頻率f與阻抗模ΔZ之間的關系，結果如圖8所示。

圖8 阻抗模ΔZ與激勵頻率f關系曲線Fig.8 Curve of relationship between ΔZ and excitation frequency f

由圖8可知，激勵頻率與阻抗模之間并非線性關系。隨著激勵頻率的增大，阻抗模呈現先增大后減小的趨勢。在鋼覆鋼材料檢測過程中，激勵頻率選擇在25～35 kHz時，探頭對于銅覆鋼缺陷的檢測靈敏度最高。

選取線圈匝數為1000，激勵頻率為30 kHz，檢測對象如圖7所示。在同參數下將傳統渦流檢測探頭和經過同軸矯正后的渦流檢測探頭分別對管道缺陷進行檢測，掃查方向為管道軸向，步進距離為0.5 mm，檢測結果如圖9所示。由圖9可知，由于傳統探頭的磁感應強度曲線總體并不穩定（紅色實線），導致噪音和缺陷信號混疊在一起而無法被區分，最終未檢測出深度為0.1 mm（缺陷①）的缺陷。而同軸矯正后的渦流檢測探頭的缺陷檢出率有所提高，磁感應強度曲線也趨向穩定（黑色實線），并未產生混疊現象，5個不同深度的缺陷全部檢出。該新型探頭能夠提高銅覆鋼材料的檢測靈敏度。

圖9 2種渦流檢測探頭的管道缺陷檢測結果Fig.9 Pipe defect detection results of two eddy current inspection probes

4 結論

1）探頭與銅覆鋼的同軸度會影響渦流檢測效果，通過設計具有對中結構的探頭骨架，有效降低偏心距離對缺陷檢測的影響。

2）采用正交實驗法對探頭參數進行實驗，結果表明，激勵電流頻率對銅覆鋼渦流檢測靈敏度影響最為顯著，線圈匝數次之，而線圈寬度對檢測幾乎沒有影響。

3）在銅覆鋼材料檢測過程中，當探頭的激勵頻率為25～35 kHz時，其對銅覆鋼中淺層缺陷的檢測靈敏度最高，能夠檢測出傳統方法不易發現的缺陷。