Вихретоковый контроль: как работает и где применяется

Вихретоковый контроль основан на электромагнитной индукции: катушка с переменным током наводит в металле вихревые токи, а трещина, утонение или другая электропроводность меняют эти токи и импеданс катушки. Прибор показывает изменение на плоскости импеданса. Метод находит поверхностные трещины, контролирует трубки теплообменников, измеряет электропроводность и толщину покрытий. Работает только на проводящих материалах.

Ниже: как устроен метод, как читать плоскость импеданса, как частота задаёт глубину контроля, какие бывают датчики и где метод не работает. Место вихретокового контроля среди других методов показано в статье «Методы неразрушающего контроля».

Принцип: что происходит в металле

1. По катушке датчика идёт переменный ток, вокруг неё возникает переменное магнитное поле.
2. Рядом с проводящей деталью это поле наводит в ней замкнутые круговые токи, их и называют вихревыми.
3. Вихревые токи создают своё поле, направленное против поля катушки. Энергия на их создание отбирается у катушки, поэтому у неё растёт активное сопротивление и меняется индуктивное.
4. Трещина прерывает путь вихревых токов и ослабляет их. Импеданс катушки меняется, прибор это регистрирует.

Контакт с деталью и контактная жидкость не нужны, результат виден сразу. Evident и NDT Resource Center перечисляют среди достоинств метода чувствительность к мелким трещинам, минимальную подготовку поверхности и портативность оборудования.

Не путайте с вихретоковыми датчиками перемещения в системах вибромониторинга: они измеряют зазор до вала, а не ищут дефекты. Об этом применении написано в статье «Вихретоковые датчики 3300 XL на крупных вентиляторах».

Плоскость импеданса: как читать сигнал

Импеданс катушки Z складывается из активного сопротивления R и индуктивного сопротивления XL. Они сдвинуты по фазе на 90°, поэтому складываются как векторы:

|Z| = √(R² + XL²), tg φ = XL / R

На экране вихретокового прибора R откладывают по горизонтали, XL по вертикали. Каждое изменение под датчиком двигает точку в своём направлении:

Что происходит	Как меняется сигнал
Датчик из воздуха ставят на алюминий (немагнитный проводник)	R растёт, XL падает
Под датчиком трещина в алюминии	Вихревых токов меньше: R снова падает, XL растёт
Датчик ставят на сталь (ферромагнетик)	R растёт, XL тоже растёт: проницаемость стали концентрирует поле катушки
Меняется зазор датчик–деталь (lift-off)	Точка движется по своей линии отрыва; в типовой настройке Evident после зануления на детали подъём датчика уводит сигнал горизонтально влево

Главная задача настройки: развести по углу сигнал от дефекта и сигнал от отрыва датчика. Прибор калибруют по эталонному образцу и во время контроля настройки не меняют.

Частота и глубина проникновения

Вихревые токи сильнее всего у поверхности и экспоненциально ослабевают вглубь (скин-эффект). Стандартная глубина проникновения δ — глубина, на которой плотность тока падает до 1/e, то есть примерно до 37% от поверхностной. На глубине 2δ остаётся 13,5%, на 3δ только 5%.

Формула из справочника NDT Resource Center:

δ ≈ 1 / √(π·f·μ·σ) (δ в метрах, f в Гц, μ в Гн/м, σ в См/м)

В рабочих единицах:

δ (мм) ≈ 661 / √(f · μr · σ), где f в Гц, μr — относительная магнитная проницаемость, σ — электропроводность в % IACS

Глубина уменьшается с ростом частоты, электропроводности и магнитной проницаемости. Расчёт по этой формуле для трёх материалов (электропроводность по таблицам NDT Resource Center):

Частота	Медь, 100% IACS	Алюминий 7075-T76, 38,5% IACS	Нерж. сталь 304, 2,5% IACS, μr 1,05
1 кГц	2,1 мм	3,4 мм	12,9 мм
10 кГц	0,66 мм	1,07 мм	4,1 мм
100 кГц	0,21 мм	0,34 мм	1,3 мм
1 МГц	0,07 мм	0,11 мм	0,41 мм

Пример из того же справочника: для нержавеющей стали 304 при 50 кГц δ ≈ 1,8 мм. Обратная задача: чтобы получить δ = 2 мм в алюминии 7075-T76, нужна частота около 2,8 кГц (f ≈ 436 921 / (δ²·μr·σ)).

Для углеродистой стали таблица не работает: её проницаемость велика и непостоянна, поэтому вихревые токи остаются у самой поверхности. Evident прямо указывает, что на углеродистой стали метод выявляет только поверхностные дефекты.

Как выбирать частоту под задачу

• Поверхностные трещины: частота как можно выше, ради разрешения и чувствительности.
• Подповерхностные дефекты: частоту снижают ради глубины, чувствительность при этом падает. Для ферромагнитных и хорошо проводящих материалов частота нужна ещё ниже.
• Дефект на известной глубине: NDT Resource Center советует выбирать частоту, при которой δ примерно равна глубине дефекта. Тогда сигналы дефекта и отрыва хорошо расходятся по фазе.
• Толщина тонкого листа: частоту подбирают так, чтобы δ была на 25% больше толщины (t = 0,8δ). Тогда сигнал изменения толщины и сигнал отрыва расходятся примерно на 90°.
• Толщина непроводящего покрытия: максимальная практически доступная частота, чтобы меньше влиял основной металл.

Фазовое запаздывание и глубина дефекта

Ток на глубине x запаздывает по фазе относительно поверхностного: θ = x / δ радиан, или θ = (x / δ) × 57,3 градуса. На плоскости импеданса угол между сигналом отрыва и сигналом дефекта примерно вдвое больше θ. Если δ в 1,25 раза больше глубины дефекта, θ ≈ 45°, и сигналы расходятся примерно на 90°. По этому углу оценивают, на какой глубине находится дефект.

Типы датчиков

Датчики различают по схеме включения катушек и по конструкции.

Схема	Устройство	Для чего
Абсолютный	Одна измерительная катушка	Трещины, электропроводность, отрыв, толщина. Чувствителен к проводимости, проницаемости, зазору и температуре
Дифференциальный	Две встречно включённые катушки	Очень чувствителен к локальным дефектам, мало реагирует на плавные изменения размеров и температуры. Длинный дефект виден только по краям
Отражательный (driver/pickup)	Возбуждающая и приёмная катушки	Каждую катушку оптимизируют отдельно, маленькая приёмная катушка видит мелкие дефекты
Гибридный	Сочетание схем	Специальные задачи

Конструкция	Применение
Поверхностный (pancake)	Трещины, перпендикулярные поверхности; широкие катушки для больших площадей и электропроводности
Карандашный	Малая катушка в узком корпусе для труднодоступных мест и отверстий
Для болтовых отверстий	Вращается внутри отверстия от сканера
Внутренний (бобинный)	Вводится в трубу, контроль по всей окружности изнутри
Проходной (охватывающий)	Охватывает трубу или пруток, контроль снаружи

Большая катушка охватывает больший объём и проникает глубже, маленькая лучше находит мелкие дефекты.

Где применяется

Поверхностные трещины

Метод хорошо работает, когда известны вероятные тип, место и ориентация дефекта. Порядок работы с поверхностным датчиком по NDT Resource Center:

1. Подобрать прибор, датчик и частоту под нужную глубину.
2. Настроить прибор по эталонному образцу из такого же материала с искусственными дефектами (пропилы, отверстия), чтобы сигнал дефекта был хорошо узнаваем.
3. Поставить датчик на деталь и занулить прибор.
4. Сканировать поверхность с полным покрытием, сохраняя ориентацию датчика: покачивание датчика искажает сигнал.
5. Следить за локальным изменением импеданса при проходе над несплошностью.

Типовые задачи из материалов Evident: трещины в механически обработанных деталях и металлопрокате, вокруг крепежа в авиационных конструкциях, в болтовых отверстиях, контроль поверхности сварных швов вместе с ультразвуком для объёма.

Трубки теплообменников и парогенераторов

Вихретоковым методом ищут коррозию, эрозию, трещины и утонение в трубках, которых в теплообменнике тысячи. Типовая техника: дифференциальный бобинный датчик протягивают внутри трубки. Пока стенка целая, сигнала нет. Над утонением на плоскости импеданса появляется петля от одной катушки, затем вторая от другой. Глубину наружной коррозии оценивают по фазовому запаздыванию, протяжённость по размеру сигнала. Абсолютный датчик заметно сильнее реагирует на вмятины и отложения магнетита снаружи трубки.

Электропроводность и термообработка

Электропроводность металла зависит от химического состава и состояния структуры. По ней сортируют сплавы, проверяют термообработку и ищут перегрев. Условия:

• метод применим к немагнитным материалам: у ферромагнетиков влияние проницаемости не отделить от проводимости;
• толщина детали должна быть не меньше 3δ, иначе толщина влияет на результат;
• проводимость зависит от температуры, мерить нужно при постоянной температуре или вводить поправку.

Толщина покрытий

Толщину непроводящих покрытий (например, краски) на проводящей основе меряют по сигналу отрыва: каждой толщине соответствует своё положение точки, можно задать сигнализацию на слишком толстое и слишком тонкое покрытие.

Ограничения метода

• Только электропроводящие материалы.
• Ограниченная глубина: метод для поверхностных и подповерхностных дефектов, объём лучше контролировать ультразвуком. Как ультразвуком измеряют стенку трубы, показано в статье «Как измерить толщину стенки трубы ультразвуком».
• Расслоения, параллельные обмотке катушки и направлению сканирования, не выявляются.
• Шероховатость поверхности и колебания магнитной проницаемости дают помехи.
• Нужен доступ датчика к поверхности и эталонные образцы, совпадающие с деталью по материалу и форме. Калибровку повторяют в начале каждого контроля.
• Квалификация оператора нужна выше, чем для многих других методов.

Какой прибор выбрать

Olympus (Evident) NORTEC 600 — портативный вихретоковый дефектоскоп с диапазоном частот от 10 Гц до 12 МГц. По данным Evident:

Параметр	NORTEC 600
Версии	N600 (базовая), N600C (электропроводность), N600S (вращающиеся сканеры), N600D (две частоты)
Частота	10 Гц – 12 МГц
Усиление	0–100 дБ, шаг 0,1 или 1 дБ
Электропроводность (C, S, D)	0,9–110% IACS (0,5–64 МСм/м) на частоте 60 или 480 кГц; ±0,5% IACS в диапазоне 0,9–65% IACS
Толщина непроводящих покрытий	0–0,648 мм, точность 0,025 мм
Две частоты (N600D)	Одновременная подача, смешение F1−F2, F1+F2 и автоматическое
Вращающиеся сканеры (S, D)	120–3000 об/мин
Экран	5,7", 640 × 480
Питание	до 10 ч, 6–8 ч со сканерами
Масса, защита	1,7 кг с аккумулятором, IP66

Для поиска трещин хватает базовой N600. Если нужна сортировка сплавов и проверка термообработки, берут N600C. Для болтовых отверстий со сканером нужна N600S, а если нужны две частоты одновременно и их смешение, то N600D. KEG TRK поставляет оборудование Evident (Olympus) в Казахстане. Цена по запросу.

Источники

• NDT Resource Center (nde-ed.org). Eddy Current Inspection Formulas.
• NDT Resource Center. Basic Principles of Eddy Current Inspection.
• NDT Resource Center. Complex Impedance Plane.
• NDT Resource Center. Probes: Mode of Operation и Configurations.
• NDT Resource Center. Surface Breaking Cracks, Tube Inspection, Conductivity Measurements.
• NDT Resource Center. Electrical Conductivity: Aluminum, Copper, Iron-Based Alloys.
• Evident. Introduction to Eddy Current Testing.
• Evident. Depth of Penetration.
• Evident. Introduction to Eddy Current Testing (white paper).
• Evident. NORTEC 600 Series.