RFEC 技术读书报告

远场涡流技术（remote field eddy current ，简称RFEC）是一种最新的无损检测技术，它采用内通过式探头一次通过管子，便可以相同的灵敏度同时检出管道内外表面的凹坑、裂纹，管壁内、外部缺陷与腐蚀变薄，特别适用于地下管线及密排管道的检测。

RFEC于19xx年由w.R.Maclean提出。Tom Schmidt于19xx年成功地把RFEC用于油井套管检测，60年代初，进而被成功应用于管道检测。近十余年，RFEC技术被应用于检测锅炉管、散热器管、铸铁管、非铁磁性管和其他类型管道，与传统涡流法（不饱和）和漏磁法相比，RFEC技术可提供最佳缺陷尺寸。

1． 远场涡流技术的发展和回顾【1，2】

RFEC 技术通过记录信号的相位来检测金属损失的，相位的增加就表明被测的金属有损失。这一技术的局限性就是RFEC相位不能指明金属缺损部位的宽窄和深浅。M。D。Maclean在19xx年提出基于趋肤深度理论的数学模型，并把他应用到双频率相位分析中。Brown 和Le观察到标绘在复平面图上的信号轨迹角度正表明缺陷的深度，类似于常规涡流方法。后来Mackintosh认为Maclean的方法可以解释Brown和Le的方法。W.R.Maclean首次提及趋肤深度理论，试验显示，趋肤深度相当于描绘RFEC波闯过管壁传播在振幅和相位上变化的近似值。Mackintosh发展了投射传输模式，他指出趋肤深度等式在剩余管壁厚度大于趋肤深度时是可行的。

2．涡流检测与远场涡流检测的比较【3，8】

2．1涡流检测原理

当金属管材通过交变电流激励的检测线圈时，钢管表面及近表面会感应出涡流。涡流又产生与原磁场相反方向的新磁场作用于探头的测量线圈，线圈中便产生感应电压。通常的测量线圈是自比差式线圈，如图1。当被测管材没有缺陷时，两个测量线圈反向连接感应电压相互抵消，没有输出。当被测管材有缺陷时，管材表面涡流发生畸变，其磁场使两测量线圈感应出一突变电压信号，经过信号处理就可判断出缺陷。

涡流检测中，激励频率选择与趋肤效应、检测速度和灵敏度有一定的关系。对于铁磁材料管材，其相对磁导率远远大于1，当激励频率很高时，透入深度很小，涡流检测的灵敏度就受到一定的限制，对于内、外壁的缺陷有不同的灵敏度。涡流密度靠近线圈的表面最大，随着深度的增加呈指数趋势衰减，故检测试件的深度受到限制。由于铁磁性材料磁导率变化范围大，未达到磁饱和时，其变化将掩盖缺陷信号（电导率变化）使检测灵敏度下降。因此普通的涡流检测应用磁饱和技术，增设一磁饱和线圈以降低干扰信号，但是效果还是不太理想。另外，被测管材的几何变形。边缘末梢及相对位置产生的末端效应都会产生畸变的涡流信号干扰检测信号。

2．2 远场涡流检测技术

2．2．1 远场涡流检测原理

远场涡流检测法属于低频涡流检测技术，采用内通过式探头，由1个激励线圈和1个测量线圈构成。如图2。激励线圈通一低频交流电流，其能量流二次穿过管壁并沿管壁传播。

测量线圈置于远离激励线圈2～3倍内径处的远场区，测量激励线圈发出的穿过管壁后又返回管壁内（二次）的磁场，因而能以相同的灵敏度检测管内、外壁的缺陷而不受趋肤效应（频率、磁导率和电导率）的影响。探头在管内摆动对检测基本没有影响，其他如端部效应产生的畸变涡流信号等干扰，也得到的消除。因而，远场涡流的检测效果明显优于普通涡流检测技术。

图2：远场涡流检测探头示意图

测量线圈中感应的电势值及该电势与激励电流之间的相位差随两线圈之间距离（管内径的倍数）的变化曲线，称为信号－距离特性曲线，如图3所示。

图3：测量线圈信号－距离特性曲线

由图3可知，测量线圈信号－距离特性可分为3个区域：

1） 直接耦合区，又称为近场区。Ded<1.8D.在该区域，主要是激励线圈与测量线圈之间的直接耦合，感应电势随距离的增大而剧减，而相位变化不大。

2） 远场区 。Ded>2.5D. 幅值和相位均以较小速度下降，而且管内外相同，其感应电势的相位滞后大致正比于穿过管壁厚度，可以近似用一维趋肤效应公式进行计算。远场区的这种特殊规律，被称为远场涡流效应。

3）过渡区。 近场与远场之间的区域成为过渡区。感应电势迅速减小，有时甚至出现微弱增加现象，同时相位差发生急剧变化。

由以上的分析可知，远场涡流现象取决于两个主要的效应，一是沿管子内部对激励线圈直接耦合磁通的屏蔽效应；二是存在能量两次穿过管壁的非直接耦合路径。激励线圈附近区域管壁中的感应周向涡流迅速扩散到管外壁，同时幅值按指数规律衰减、相位滞后，到达管外壁的电磁场又向管外扩散，穿出管壁到空气中的电磁场能量按坡印廷矢量传输规律继续沿

轴向扩散，因空气汇总无涡流损耗，所以电磁场能量的衰减很小，传输速度很高。管外场强的衰减速度比管内直接耦合区的衰减速度慢的多，管外场强沿轴向传输到远场区的途中不断以与磁力线正交的径向穿入管内（大约在距激励线圈一倍管内径以外的区域，管外场强大于管内场时）,管外场又在外管壁感应产生涡流，涡流穿过管壁向管内扩散，并再次产生幅值衰减与相位滞后，这就是远场区接收线圈接收到的信号。在过渡区由于两股不同相位的能流交汇而形成相位结（相位无法确定）或磁位谷（磁势为零）。

2．2．2远场涡流检测设备主要由以下几部分组成：

A 振荡器和功率放大器，用于激励线圈，输出信号，为相位测量提供参考信息。

B 相位及幅值放大器，用于处理接收线圈的接收信号

C 计算机系统，用于存储、处理和显示检测信号

D 探头及定位编码器，其中包括激励线圈和接收线圈

E 爬行器或清管器式控制器及电源系统。采用爬行器式驱动装置，便于掌握检测速度和扫描采样速率。

2．2．3 远场涡流检测技术的优点

1）检测结果可以直接用电信号输出，易于实现自动化；

2) 采用非接触式方法，检测速度快；

3）适用范围广，能检测包括天然或者机械缺陷、材质变化以及尺寸形状变化；

4）与传统的漏磁、超声等方法比较，简单，方便，消耗费用较少，特别适合于管材、线材的检测。对碳钢或其他铁磁性管道的腐蚀、裂纹等缺陷的检测尤其有效。

2．3．远场涡流和常规涡流技术的比较

1） 远场涡流技术检测的是穿过管壁后在管外沿管轴传播一段距离后再返回到管内的磁场。常规涡流技术则是采用靠近管壁的线圈以直接耦合的形式来拾取传播到管壁又返回的信号。

2） 远场涡流检测仪频率较低（30－500Hz）磁场可以穿过铁磁性材料管壁，为了保证在激励的每个周期内采集到信号，并且不漏检，检测速度比常规涡流检测要低的多（约10－20m/min）。常规涡流检测仪的频率一般在1kHz左右，对于铁磁性材料的管道，磁场被限制在管道的内表面，检测外壁缺陷比较困难。

3） 远场涡流技术主要用于检测铁磁性管道，也可以用于检测非铁磁性管道，其最大的优势是能检查厚壁铁磁性管道，最大检测壁厚为25mm，这是常规涡流技术无法达到的。另外，对大范围壁厚缺损，远场涡流检测技术灵敏度和精确度较高，精度可达到2％～5％。对于小体积的缺陷，如腐蚀坑，其检测灵敏度取决于被测管道的材质。壁厚、磁导率的均匀性、检测频率和探头的移动速度等因素。常规涡流技术与其相比造价较低，一般用于检测非铁磁性材料。

4） 远场涡流检测技术测量的是远场区的信号的相位和幅度信息，这些参数都和管材的缺损呈线形关系。常规涡流检测显示的是阻抗幅度和相位，与壁厚的关系比较复杂。

5） 远场涡流检测仪对内外管壁缺损有相同的检测灵敏度，对填充系数要求低，对有障碍物和凹痕的管子检测效果很好，对探头的提离值精度要求宽松。

3．远场涡流检测技术的试验数据

3．1 RFEC检测周向槽深的试验【4】

要使RFEC具有足够的透入深度以及在远场区接收的信号幅值，激励频率为40Hz。激励电压取1.3V。对各周向槽进行检测，得出以下结论：

3．1．1 RFEC检测相位与槽深近似成线形变化，幅值与槽深成非线性规律变化

3．1．2 RFEC检测的是周向缺陷深度的平均值；

3．1．3 检测槽深的绝对误差<6%

3.2 RFEC端部效应的检测

为了了解端部效应的范围和特征，将探头置于离管端部较远的位置，使相位、幅值均不受影响的管内无缺陷处，然后将探头慢速往管端方向移动，直至测量、激励线圈均伸出管端。在上述试验条件下，可得出以下结论：

3．2．1 端部效应在距离－幅值及距离－相位曲线上均表现为缺陷响应，越靠近头部越表现为缺陷响应。

3．2．2 距离－相位曲线具有单峰特征，影响相位的端部距离约80mm。

3．2．3 距离－幅值响应具有双峰特征，影响幅值的端部距离约为6mm。

3．3 支撑板对RFEC检测的影响试验

用不同直径及厚度的铝和铁作为支撑板做试验。首先将探头置试验管无缺陷处作标记，并规定测量线圈处为x轴的参考零点，其右方为正。然后分别将支撑板从测量线圈右方远处慢速向所移动，记下相位及幅值的变化。可得出如下结论：

3．3．1 当支撑板位于两线圈之间时，因电磁能穿过支撑板产生涡流损耗，不仅使测量线圈接收到的幅值减小，而且使相位滞后。

3．3．2 当支撑板加厚或磁导率增大时效果相同。

4．国内远场涡流技术的研究成果综述：

4．1 小口径管内移动远场涡流探测传感器【5】

小口径管内移动探测器可以用于煤气管道内特定的检测作业，主要用来检测煤气管道外壁的腐蚀损伤情况。文献【5】首先介绍了远场涡流的检测原理，叙述了作者所研制的直通式环状远场涡流检测传感器、信号检测仪和激励源的结构和工作原理，最后给出了不同模拟缺陷环形槽的试验结果。在信号检测和处理部分，为了提高接收信号幅度，在探头接收线圈端置一高增益的隔离选频放大器，为了进一步减小干扰，电路还设置了带通和陷波电路。由试验结果可以看出，用之探头对环形槽的检测具有测量误差小(小于5％) 定位准确、重复性好的特点。

4．2 高灵敏度远场涡流传感器的研制【6】

文献【6】针对传统远场涡流传感器的信号幅值及信噪比太低难以检测的问题，提出在传感器中增加远场信号耦合装置及近场信号屏蔽阻尼结构，提高了远场信号幅值和信噪比，通过试验确定了高灵敏度传感器的最佳组合结构。

作者首先沿用传统的远场涡流探头设计制作了激励、检测线圈均为空心线圈的传感器，通过试验论证了这种空心线圈结构的传感器存在两大突出缺点，一是检测信号幅值太低，通常式几微伏到几十微伏的数量级。二是探头太长，难以在曲率稍大的管线中通过。在研制的新型传感器中，增加由高磁导率材料制成的特定形状的远场信号耦合装置，导引远场能量的定向传播，减少传输损耗，增强间接耦合能量的目的。增加利用高导电与高导磁材料的不同排列组合制作的特定形状的近场信号屏蔽阻尼装置，抑制直接耦合，提前远场区。结果表明采用这两项措施后，远场区的信号幅值从0.049mV 提高到7.85mV,远场区从2.24D减小到

1.8D。

4．3远场涡流检测电路的研究【7】

文献【7】设计了以单片机为主线，包括激励电路、锁相放大、信号处理电路在内的一套远场涡流检测电路。作者首先介绍了RFEC信号检测的原理，然后针对远场涡流检测电路的设计提出设计目标：1）要有一个频率稳定、功率适当的正弦波激励源 2）将检测线圈中微弱信号从白噪声中提取出来，防止频率干扰，尤其是工频干扰。3）检出信号的幅值和滞后的相位，并处理输出。本文采用了以单片机为主线，参考以相关器为核心的锁相放大器原理，用单片机软件替代传统锁相放大器中的移相器，设计了远场涡流检测专用电路。设计制

作的远场涡流传感器在有人工缺陷的管道上进行了各种试验，结果表明系统灵敏度高，工作可靠，甚至能测出0.5mm人工变薄缺陷的准确位置。

4．4 RFEC－1型涡流检测仪【9】

文献【9】介绍了自发研制的RFEC－1型涡流检测仪的电路基本结构、工作原理、测量方法，对实际应用中的管道检测所获得的缺损响应特性，包括幅值响应与相位差响应等试验结果进行了分析。检测仪采用单片机总线方式，包括总线板、电源卡、单片机卡、激励卡、放大卡 和显示卡，激励频率为40Hz，放大电路采用相关检测技术消除噪声。

通过实际试验获得的缺损响应特性――幅值响应曲线和相位响应曲线表明，当传感器的激励线圈与检测线圈通过缺损式，都会引起电压幅值和相位差的突变。在缺损响应曲线上出现检测电压与相位差的峰值，表现为双峰特性。

在设定的激励电流（330mA）下，测出了不同尺寸缺陷的幅值、相位差响应曲线，通过分析发现：检测信号的幅值与相位差值变化均随缺损深度的增加而增加，但幅值变化随缺损深度增加成非线形关系，而相位差随缺陷深度增加呈线形关系，这与理论分析相吻合。

4．5 远场涡流检测“猪”的数据采集和处理【10】

检测“猪”是一种集激励信号源、探头、数据采集与处理系统于一体的一个紧凑的密封 体。本文用探头与数据采集系统的组合体，模拟远场涡流检测“猪”，对管道进行检测，利用阀值法和表格压缩法压缩检测数据，并以代码形式储存。

数据采集系统是由8031单片机为总线，包括以下几个部分1)由高精仪用放大器AD620和八阶电容开关滤波器MAX294组成的微弱信号处理电路。2）激励信号波形变换电路，将正弦形式的激励信号变换成方波。3）通讯接口 4)由8031及2764EPROM程序存储器和四片6264RAM数据存储器组成的控制中心 5）由8253组成的数据采集电路。

三维探头由一个激励线圈和分布于整个圆周的八个检测线圈构成，实现全方位检测。由于激励信号的频率是40Hz，因此在检测“猪”的前进过程中，每25ms就会有一组8个数据采集到，必须对数据进行压缩。通过阀值法和查表法对数据压缩，将每次通过缺损时的八路相位变化曲线上隔一定距离取一点（只取检测线圈经过缺损时相位变化曲线上的点）。根据采集该点的相位变化角在表中搜索相应代码，八路信号经过相同的处理后，将这一组能反映缺损特征的代码存放在存储器内，由graph－tool软件自动生成能表现缺损响应特征的三维曲线并打印输出。

4．6 自适应陷波器在信号处理中的应用【11】

远场涡流技术中，检测线圈中的信号相当弱，干扰极大。消除干扰成为元春拿过涡流检测的关键。目前一般采用基于模拟器件构成低频滤波器，或利用相关检测原理设计的锁相放大等来消除噪声干扰。考虑到电子器件所受环境温度影响和长期参数性能的变化，以及频率偏移的影响，采用数字滤波技术，用软件完成50Hz工频的抗干扰，并借助DPSD算法提取接收信号与参考信号的相差。克服了模拟器件不能准确跟踪频率缓慢变化带来的干扰问题。

4．7 远场涡流无损检测技术在电厂高压加热器检测中的应用研究【12，13】

文献【12】介绍了远场涡流技术应用在国产60千瓦机组的高压加热器钢管质量检验中的情况。通过比较普通的涡流检测仪EEC－31D（检测频率20kHz）和便携式远场涡流检测仪ET－556H（检测频率350Hz）对高加原泄漏管段的检测，发现远场涡流检测仪能够检测出取样管的3处明显的缺陷，并且判断准确。而普通的涡流检测仪仅仅能对泄漏处裂纹得到模糊的信号。对于内壁腐蚀坑裂纹和外部凹坑均没有反应，从而证明了远场涡流检测仪在铁磁性管道中应用的优越性。

ET－556H是外径10mm的远场涡流及磁饱和差动探头。检测频率350Hz，磁饱和法检测频率100kHz。采用远场涡流法磁饱和探头法检验在役热交换器钢管，可以解决铁磁材料由于磁导率大于1，透入深度极薄和磁导率不均匀引起较高噪音信号的问题。其主要原理是

在探头内部安装高强度稀土永久磁铁，从而将要检测的局部管壁磁化到饱和状态。当被检管壁基本处于磁饱和状态时，磁噪声被抑制，这时信号的幅值将取决于缺陷体积大小，而信号的相位主要由缺陷的深度决定，这与非铁磁性管子的涡流检测相类似。

文献【13】则简要介绍了远场涡流检测的工作原理。针对电站高压给水加热器的涡流无损检测，对检验方法、仪器设备、标样要求、缺陷评定以及检测报告进行了规范。

4．8 在铁磁热交换器管道中的应用【14】

文献【14】讨论分析了一种基于远场涡流原理的碳钢检测系统（ACSIS）在铁磁管道检测中的应用。该ACSIS最重要的优点是提供了远场数据的同相和正交分量，使得远场涡流的分析更为有效，使分析者能充分利用正交分析深度相同但缺损容积不容的腐蚀凹坑展示出的信号相位是与缺损容积无关的，目前基于霍尔效应和漏磁原理的系统都不能提供同相和正交分量。除了在应用旧电厂供水加热管道之外，ACSIS也成功地使用于炼油用热交换器的检测，这些热交换器是铁磁材料制成的。ACSIS系统未来的发展将在探头设计和信号处理方面，其中最关键的是区别内部缺陷还是外部缺陷以及增加检测灵敏度以检测出支撑板下的缺损。

图4 双接收线圈的远场探头示意图

一种改进型的ACSIS探头带有两个螺管型的接收线圈，如图4所示，第2个线圈紧靠着激励磁线圈，这个接收线圈只有管壁内表面的缺损可以被检测出来。另外，在存在额外信号如支撑板、沉积物等情况时，一个多频单元将增强缺损检测和信号分析能力。

4．9 相位放大技术的应用【15】

文献【15】简要介绍了爱德森公司研发的涡流相位放大技术。爱德森公司研发的远场涡流仪EEC－RFT由振荡器、功率放大器、锁相放大器、相位幅值检测器和微机等5个部分组成。激励源的频率范围为1Hz－250kHz连续可调，探头激励电压0－12V可调。该检测仪可实时显示多个检测通道远场涡流信号相位和幅值的变化，自动测量其相位和幅度的量值。

相位变化在远场涡流检测中具有特殊的作用。涡流信号相位角的大小与检测频率成正比，即频率越低，相位角越小，灵敏度也低。试验也证明频率的平方根与相位角的变化成线形关系。要提高远场涡流检测的灵敏度，必须有相位放大技术。但是相位放大技术的具体工作原理作者没有叙述，仅给出了原理框图。

4．10 远场涡流效应的有限元研究分析【16，17】

美国的研究机构早于19xx年用二维轴对称有限元网格模拟并复制出远场状态【2】，第一次画出了包括管壁内的场图，从坡印廷矢量流所显示的能量图中，可以看出从激励源出发的两条路径：一条是沿管子内部，另一条在激励源附近穿出管壁。沿管子内部可以看到一条界于直接耦合和间接耦合区域之间的分界线，它沿着管壁在朝着激励源向上弯曲，被称为“势谷”。 如图5所示。

图5 ：RFEC二维有限元仿真结果

文献【16，17】则提出了一种改进型的三维涡流场算法，即A，V－As－Φ算法，它避免了现有涡流算法中因在源区内使用双标量位所带来的磁位跃变不利因素，具有通用、方便和精度高、实现简单等优点。本方法用于远场涡流三维缺损的有限元分析，得到了满意的结果。对一组不同类型缺损的仿真结果显示，在两个缺损体积相同的情况下，周向缺损响应明显大于轴向缺损响应，与试验所得结果基本一致。

文献【16】还讨论了解决三维远场涡流缺损响应仿真所带来的庞大计算量和存储量问题。三维RFEC方程为复系数方程，方程形态的好坏难以保证，用常规的迭代法经常出现不收敛现象。波阵法是一种特殊的高斯消去法，采用边输入、边消元模式而不必存储总刚矩阵，因此存储量可以大大节省，计算效率大大提高，可以直接获得正确解。

4．11 采用复式激励的探头【18】

在激励线圈和检测线圈之间增加一个辅助激励线圈，改变了激励线圈附近的能量流分布规律，有效的缩短了“二次穿透”区，改善了探头的特性。

图6 复式激励远场涡流探头

文献【18】首先论述了远场涡流检测技术的原理以及现有仪器存在的问题，提出以缩短探头长度，提高信号幅度，减小激励功率为目标的探头改进。采用图6所示的腐蚀激励结构方案可以有效地控制、改变能量流地规律，使二次穿透区在距离激励线圈更近地地方出现。图6中1为主激励线圈，3为检测线圈，在距离1一定距离s处，增加一个辅助激励线圈2，抑制管内地磁场，改变主机里线圈附近地能量流规律，迫使管外能量流向管内扩散提前。通过采用有限元法计算（轴对称场）和试验方法对其特性进行的研究，表明复式激励探头比采用“屏蔽”方法的探头省去了很重的组合屏蔽盘，因此具有重量轻的优点，。主、辅激励线圈偏心对复式激励探头特性影响很小。在一定的主、辅线圈匝数情况下，对应有一最佳的间距s值，确定最佳的二次穿透区。

4．12 复平面上的信号分析

复平面类似于常规涡流技术中的阻抗平面，而且是一种图示方法，它极大的简化了RFEC分析。复合平面，也就是人们熟知的电位平面，是一种简单的极线定位，其中，振幅作为半径，相位作为角度。从标称点起，金属损失使信号转向逆时针（相位增加），偏离原位（幅

度增加），偏移信号描绘出信号轨迹环，根据他的角度和长度可以分析和估算出缺损面积。

5．RFEC技术在下面的范围中有待于继续研究：

1）． 磁导率的变化会产生类似金属损失信号，掩盖真正金属损失的信号。须研究开发一种把磁导率变化的情况滤除的方法，来区分金属损失或者磁导率变化。

2）． 由于支撑板会阻挡磁力线的传播，掩盖缺损信号，造成支撑板附近区域检测的困难。

3）． 管子的弯曲部分在壁厚和磁导率的变化上很大，严重影响了RFEC信号，探测此处的缺陷或者缺陷尺寸定量比较困难。

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