黃玉婷、湯士源／工研院材化所
工業管路為了維護其安全與正常運行，必須定期檢測表面是否有缺陷產生，以防止重大工安事故發生。使用磁漏檢測技術，能夠以非破壞方式早期偵測到管路潛在的異常狀態，維持管路的完整性。本文由磁漏檢測技術原理與架構、磁場感測器種類，以及檢測資料分析與缺陷尺寸識別方法進行介紹。
【內文精選】
前 言
工業管路(Industrial Pipeline)普遍應用於輸送工業及化學原料，其安全管理至關重要，管路中任何缺陷(Defect)都可能導致嚴重的事故發生。由於檢測必須在不影響管路運行的情況之下進行，因此必須採用非破壞檢測。基於不同的學理基礎，非破壞檢測方法包括磁粉檢測法(MT)、液體滲透檢測法(PT)、超音波檢測法(UT)、渦電流檢測法(ET)、射線檢測法(RT)、磁漏檢測法(MFL)等，可以用來偵測結構物材料的缺陷或瑕疵，且檢測時不會損傷待測物結構材料的組織與性能，因此廣泛用於偵測管路缺陷。其中，磁漏檢測法是最常用來評估管路完整性的方法之一，可以偵測多種類型的缺陷，包括軸向或圓周方向的裂痕、內表面或外表面的缺陷。本文即針對磁漏檢測技術應用於工業管路表面偵測做一簡要介紹。
磁漏檢測原理
工業管路所用的管材主要為碳鋼，具有高強度、耐腐蝕等特點；此外，碳鋼屬於磁性材料，其磁化曲線如圖一，磁化曲線的斜率為導磁率，相較於空氣之導磁率為1，碳鋼具有高導磁率，而當磁場強度漸漸增加，材料趨於飽和。因此，當施加一磁場時，於碳鋼材料內部會感應磁通量，本身即等效於一磁鐵，如果材料表面具有一裂縫或缺口，則磁通量遇到裂縫所在之氣隙時，由於空氣導磁率低，因此磁通量會散逸出來，稱為洩漏磁場，如圖二。磁漏檢測的基本原理即是利用磁場感測器(Magnetic Sensor)來偵測待測管路表面的洩漏磁場，藉以獲得管路缺陷的資訊。圖三為磁漏檢測的示意圖，利用磁場源對管路材料施加磁場，使得材料被磁化到接近飽和狀態，如果管路材料沒有缺陷（如圖三(a)），則大多數磁通量會通過材料的內部，位於材料表面的磁場感測器所偵測到的訊號很小；而當管路材料具有缺陷時（如圖三(b)），則磁通量會從缺陷區域漏出，因此磁場感測器可偵測到洩漏磁場訊號，且訊號的波形及大小與缺陷的尺寸有關，藉由測試資料的訊號分析與後端的數據處理運算，便可獲得管路表面缺陷的狀態。
圖三、磁漏檢測原理示意圖(a)無缺陷；(b)有缺陷
磁場感測器
磁阻感測器之工作原理牽涉到自旋電子學(Spintronics)，材料在外加磁場之下會有電阻的變化，即磁電阻(Magnetoresistance; MR)效應。其結構為包含鐵磁性材料的薄膜或多層膜結構， 基於不同的基本機制，可分為異向性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)和穿隧磁阻(TMR)感測器，如圖九。異向性磁阻材料為鐵鎳合金，厚度約80 nm。所謂磁異向性是材料在不同方向磁化所需要的翻轉場不同，雖然難磁化軸方向的翻轉場較大，但其磁化強度與外磁場的關係非常線性，且磁電阻的變化也較大，因此異向性磁阻通常使用在材料的難磁化軸方向。巨磁阻感測器的靈敏度高於異向性磁阻，而穿隧磁阻具有更大的電阻變化率，二者皆為磁性多層膜的結構。磁阻感測器具有小尺寸、高靈敏度、低能耗、工作範圍大、反應速度快等優點，且其膜層結構與半導體元件製程相容，很容易與應用電路整合。有關各類磁場感測器特性之數據整理如表一…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖九、各種磁阻感測結構，(a) AMR；(b) GMR多層複合結構；(c) GMR自旋閥結構；(d) TMR
★本文節錄自《工業材料雜誌》413期，更多資料請見下方附檔。