远场涡流

远场涡流检测技术远场涡流（RFEC.Remote Field Eddy Current）检测技术是一种能穿透金属管壁的低频涡流检测技术。

探头通常为内通过式，由激励线圈和检测线圈构成，检测线圈与激励线圈相距约二倍管内径的长度，激励线圈通以低频交流电，检测线圈能拾取发自激励线圈穿过管壁后又返回管内的涡流信号，从而有效地检测金属管子的内、外壁缺陷和管壁的厚薄情况。

50年代末，远场涡流检测技术首先用于检测油井的套管。

但当时由于人们对远场涡流技术的认识很有限，且电子技术也不太发达，远场涡流检测法未能得到充分的发展。

直到80年代中期，随着远场涡流理论的逐步完善和实验验证，远场技术用于管道（特别是铁磁性管道）检测的优越性才被人们广泛认识，一些先进的远场涡流检测系统也开始出现，并在核反应堆压力管、石油及天然气输送管和城市煤气管道的检测中得到实际应用。

目前认为远场涡流检测是管道在役检测最有前途的技术。

（1）远场涡流特点1）特点：采用穿过式探头（见图2-120），检测线圈与激励线圈分开，且二者的距离是所测管道内径的二至三倍；采用低频涡流技术能穿过管壁；主要用于石油天然气管道和油井管道等；需要检测的不是线圈的阻抗变化，通常是测量检测线圈的感应电压与激励电流之间的相位差；激励信号功率较大，但检测到的信号却十分微弱（一般为微状）；能以相同的灵敏度检测管壁内外表面的缺陷和管壁变薄情况，而不受趋肤效应的影响；检测信号与激励信号的相位差与管壁厚度近似成正比，“提离效应”很小。

图2-120 远场涡流检测探头采用远场技术进行检测，其灵敏度几乎不随激励与检测线圈间距离变化而变化，探头的偏摆、倾斜对结果影响很小。

此外，这种检测方法由于采用很低的频率，检测速度慢，不宜用于短管检测，且只适用于内穿过式探头。

若采用外穿过式探头，灵敏度将下降。

实验表明，采用外穿过式探头，灵敏度将下降50%左右。

2）远场涡流检测系统的组成远场涡流检测设备一般由下列五个部分组成：①振荡器：作为驱动线圈的激励源，同时提供相位测量的参考信号。

②功率放大器：用来提高激励源的功率。

③探头的驱动定位装置：它包括探头和确定探头轴向位置的编码和数据计算系统。

④相位及幅值检测器：通常选用锁相放大器来测量检测线圈的信号。

⑤微型计算机：用于储存、处理和显示检测信号和数据。

图2-121是远场涡流检测系统原理框图。

远场涡流检测线圈感应电压及其相位随两线圈间距变化特性曲线如图2-122所示。

由图可以看出，随两线圈间距的增加，检测线圈感应电压的幅值开始急剧下降，然后变化趋于缓慢，而相位存在一个跃变。

通常把信号幅值急剧下降后变化趋缓而相位发生跃变之后的区域称为远场区；靠近激励线圈信号幅值急剧下降区域称为近场区；近场区与远场区之间的相位发生较大跃变的区域称为过渡区域。

图2-121 远地涡流检测系统原理框图1—管外壁检测信号幅值2—管内壁检测信号幅值3—管壁内壁检测信号相位曲线图2-122 检测线圈信号特征（2）远场涡流方程在图2-12中，当低频交流电通过激励线圈，它应在线圈周围空间产生一个缓慢变化的时变磁场B ，根据法拉第电磁感应定律，时变磁场B 又在其周围空间激发出一个时变涡旋电场E ，在该电场的作用下，在金属管壁内形成涡流场J e ，同样，涡电流会在其周围空间产生一个时变的磁场，因此，在激励线圈附近金属管壁内外空间的磁场是由线圈内的传导电流场J 和金属管壁管涡流场J e 产生的磁场的矢量和。

因为是低频，所以时变涡旋电场产生的位移电流完全可以忽略，于是，激励线圈周围空间的电磁场满足下面麦克斯韦方程组，即：⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫=⋅∇=⋅∇∂∂-=⨯∇+=⨯∇00D B t B E J J H e (2-106)引入矢量磁位A ，则有A B ⨯∇= (2-107)将式（2-107）代入式（2-106）中的第二个方程，并不考虑恒定场，则得tA E ∂∂-= (2-108) 又因： t A E Je ∂∂-==σσ 2-109) 将式（2-109）代入式（2-106）中的第一个方程可得t A J A ∂∂-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯∇⨯∇σμ1 (2-110) 式（2-110）是在激励线圈的附近金属管壁内外区域，描述远场涡流现象的扩散方程，式中，μ，σ是金属管材的磁导率和电导率。

对于时谐电磁场，由矢量恒等式，并考虑到0=⋅∇A ，则式（2-110）可简化为ωσμj J A +-=∇21(2-111) 式中，∙J ，∙A 分别是传导电流密度矢量和矢量磁位的复振幅矢量。

在圆柱坐标中，∙J ，∙A 均只有θ方向分量，且∙A 只是r ，z 的函数，因此，在轴对称的情况下，式（2-111）可简化为∙∙∙∙∙∙+-=-∂∂+∂∂+∂∂A j J r A z A r A r r A ωσμ)1(12222 (2-112) 采用“有限元”法求解方程式（2-112），借助电子计算，即可求得远场涡流的空间分布。

（3）远场涡流图图2-123是一个载流线圈在三种条件下有限元计算出的磁场空间分布图。

其中图a 是空气中载流线圈的磁分布图，磁场只是由线圈中的传导电流产生，图b 是在非导电磁性管材影响下线圈中传导电流的磁场分布图，图c 中的磁场则是线圈中的传导电流和磁性导体管壁中的涡电流二者产生的磁场矢量和。

a) 空气中b) 非导电性磁管中c) 导电性磁管中图2-123 处于不同情况下载流线圈的磁场分布为了更好的了解远场涡流分布特性，把图2-128c局部放大，如图2-124所示，有限元计算结果表明，90%的磁通被紧紧的束缚在激励线圈附近，9%的磁通在距离激励线圈一个管径以内的区域，只有1%甚至更少的磁通向管内的远处扩散，而对远场涡流检测线圈起作用的磁通大约只占0.1%的总磁通（具体数值随检测线圈的位置和管壁厚度而定），所以检测线圈的感应电压只有微伏级，因此，这一无损检测技术实际上是“涡流检测的弱场效应”。

图2-124 “远场效应”中的强场区和弱场区由图（2-125）可以看出，在距激励线圈1～2倍管直径的过渡区域内，存在一个深而窄的“磁位同峡谷”（简称“位谷”），在这个位谷中，矢量磁位A幅值达到极小；同时，围绕位谷，矢量磁位A的相位发生突然改变，因此，位谷处又称为“相位结点”，随着激励频率的升高，还会出现多个“相位结点”的现象，如激励频率为960Hz，在过渡区域内就有三个“相位结点”。

图2-125 检测线圈感应电压特性曲线图2-125是在f=40Hz的条件下，检测线圈感应电压幅值U与相位ψ随两线圈间的距离Z变化的特性曲线。

由图可以看出，在靠近激励线圈附近，检测线圈的感应电压幅值急剧下降，而在二倍管直径之外，感应电压幅值减小缓慢，感应电压的相位大约在二倍管直径处发生跳跃式变化，这个相位突变处正是“相位结点”处。

另外，检测线圈感应电压还有以下特点：①激励频率的增加（f=10～160Hz），近区感应电压幅值增加，远区则减小；其相位随频率增加而增加，且过渡区移离激励线圈。

②被检管内内径增加（保持壁厚不变），感应电压幅值衰减减小，而相位则不随管子直径增加而增加。

③管壁厚度增加，近区感应电压幅值衰减变化很小，在远区则衰减增大，且过渡区移离激励线圈，相位滞后随壁厚增加而增大。

④管子缺陷影响，远场涡流探头无论是对内径管壁不均匀性还是对外径管壁不均匀性都有同等的灵敏度。

⑤探头在管内移动速度变化的影响，速度在以10m/s下，磁场畸变不太明显，当速度大于50m/s时，磁场有相当大的畸变，因而会影响探头的响应曲线。

（4）远场涡流效应的机理1）似稳场满足式2-110的电磁场称为似稳电磁场，或者说，与传导电流相比，位移电流可以忽略的电磁场称为似稳场。

空气中激励线圈周围的似稳场有以下特点： ①滞后效应可忽略。

在似稳区域内，电磁场传播时相位滞后可忽略，或者说，在似稳区域内各点的电磁场的相位与激励电流是同样的，这是因为，电磁场是以光速传播氢在靠近激励线圈周围传播的时间可忽略。

设流过线圈的电流i=I m sin ωt （2-113）则有 H=e H H m （r ，z ）sin ωt （2-114） 式中，H m （r ，z ）是磁强度的复振幅，它是空间坐标的函数；e H 是H 方向上的单位矢量。

②线圈周围磁场的瞬时空间分布与直流线圈的恒定磁场空间分布完全相似。

③束缚场令矢量磁位为A=e A A m （r ，z ）sin ωt （2-115）则 E=（-e E ）A m （r ，z ）cos ωt=（-e E ）E m （r ，z ）cos ωt （2-116） 于是，坡印亭矢量为P m =E ×H=e p ·21p m sin2ωt （2-117）式中，P m =E m H m sin α，α是E 和H 之间的夹角；E p =（-e E ）×e H 是P 方向上的单位矢量。

图2-126 线圈磁场分布和坡印亭矢量 图2-127 线圈似稳电磁场和功率流密度曲线由图2-126和图2-127可以看出，当正弦电流i 通过激励线圈时，在第一个1/4周期内，电流由零逐渐增大到最大值，线圈吸收能量，并把该能量转化为磁场能量。

在这个过程中，磁力线向外扩张，坡印亭矢量也指向外，其值为正。

在第二个1/4周期内，电流i 由最大值逐渐减到零，线圈象个电源把能量放出。

第三、四两个1/4周期与第一、二两个1/4周期情况相似，所不同的是电流和磁场方向两者相反，可见激励线圈周围的电磁能量受电源束缚，在电流的每个周期内，两次往返反于电源与电磁场之间，或者说，电磁场能量在电源与电磁场之间来回振荡，其频率是交变电流频率的2倍，坡印亭矢量的周期平均值为零，即021=⨯∙∙H E R P e av （2-118） 这说明，线圈周围的似稳电磁场受电源束缚，不能向外传播，故有时又称为束缚场或感应场。

2）扩散场——滞后效应当激励线圈置于导电磁性管内时，如图2-120所示，这时线圈周围的磁场分布变得极为复杂，为了理解金属管壁中的电磁场运动过程，我们先来看看最简单的一维涡流场的特性。

当半无限大导体表面有一平行y 方向上的交变磁场为t e H e H xm y ωδcos 0-=则通过角一维涡流方程，可求得导体中的电磁场和涡流场为⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-δωδx t eH e H x m x cos （2-119） ()⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=-4cos 0x x t eJ e J x x δωδ （2-120） ()⎪⎭⎫ ⎝⎛+--=-4cos 0x x t e J e E xx δωσδ（2-121） 式中，πμσδf =是趋肤深度，m H J ωμσ=0是导体表面处的涡流密度。

上式（2-119）～（2-121）可以看出，导体中的涡流场和电磁场是扩散场，由于涡流引起的损耗，电磁场在扩散过程中，不但振幅随向导体内深入而按指数衰减，而且相位也越来越滞后，这种因衰减引起“滞后效应”使得导体内的电磁场具有似波性，即具有：①扩散速度v ，由相位滞后可求得相移速度或扩散速度为μσω2=v （2-122）当f=40Hz ，μr=250，σ=0.7×1071/Ω·m 时，由式（2-128）算得：v=0.479m/s 。