鈦合金導(dǎo)管的渦流檢測(cè)

劉國(guó)增

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安710100）

0 引言

鈦的熔點(diǎn)高、密度小、強(qiáng)度大、耐熱、耐腐蝕、具有良好的焊接和低溫性能，作為理想的工程材料廣泛應(yīng)用于航天、航空等領(lǐng)域。

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，鈦管的應(yīng)用最為廣泛，主要應(yīng)用在高溫、耐沖擊、燃料導(dǎo)流等關(guān)鍵部位，因此鈦管的質(zhì)量和安全可靠性直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性。為了更好地解決管材可靠性的檢測(cè)，引進(jìn)了管材渦流探傷設(shè)備。經(jīng)過大量調(diào)試試驗(yàn)得到了各種規(guī)格管材的渦流檢測(cè)參數(shù)，為其性能可靠性判斷提供了依據(jù)。

1 渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)的基本原理為電磁感應(yīng)原理。由高頻振蕩器供給交變電流激勵(lì)檢測(cè)線圈 (探頭)，線圈中的交變電流激發(fā)交變的磁場(chǎng)。當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈接近被檢的金屬試件時(shí)，由于檢測(cè)線圈磁場(chǎng)的作用，在試件表面和近表面將感應(yīng)出渦流，渦流又產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)，渦流磁場(chǎng)的作用是削弱和抵消激勵(lì)磁場(chǎng)的變化。渦流的大小、相位和流動(dòng)軌跡與試件的電磁特性、幾何尺寸和缺陷等因素有關(guān)，因此通過測(cè)定檢測(cè)線圈的阻抗變化即可獲得被檢件有無缺陷的質(zhì)量信息。

交變電流通過導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周圍變化的磁場(chǎng)會(huì)使電流分布不均勻，表面的電流密度大，越往中心處越小，按負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，這種電流主要集中在導(dǎo)體表面的現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。

渦流密度衰減到其表面值1/e時(shí)的透入深度為標(biāo)準(zhǔn)透入深度，也稱集膚深度，它表征渦流在導(dǎo)體中的集膚程度，用符號(hào)δ表示，單位m。由半無限大導(dǎo)體中電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程可以導(dǎo)出距離導(dǎo)體表面x深度處的渦流密度為

式中：I0為半無限大導(dǎo)體表面的渦流密度，A；f為交流電流的頻率，Hz；μ為材料的磁導(dǎo)率，H/m；σ為材料的電導(dǎo)率，S/m。

則標(biāo)準(zhǔn)透入深度為

該公式為渦流檢測(cè)的最基本依據(jù)，透入深度和檢測(cè)頻率成反比，而靈敏度又和檢測(cè)頻率成正比，這種矛盾在實(shí)際工作中根據(jù)檢測(cè)需要來選擇側(cè)重點(diǎn)。

2 檢測(cè)方案及試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)方案選擇

ET-555全數(shù)字電腦多頻渦流探傷儀可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和手動(dòng)檢測(cè)兩種功能。根據(jù)送檢材料的長(zhǎng)度、數(shù)量來選擇檢測(cè)方案。

2.1.1 批量檢測(cè)方法

對(duì)于長(zhǎng)度長(zhǎng)、數(shù)量比較大的批次產(chǎn)品，選擇自動(dòng)與手動(dòng)結(jié)合的方式，檢測(cè)步驟如下：

1)選用自動(dòng)檢測(cè)進(jìn)行篩選，把合格品和顯示有超標(biāo)信號(hào)的產(chǎn)品分開；

2)將有超標(biāo)信號(hào)的產(chǎn)品再次檢測(cè)，確認(rèn)檢測(cè)結(jié)果。標(biāo)記超標(biāo)信號(hào)出現(xiàn)的范圍，對(duì)于超標(biāo)信號(hào)出現(xiàn)頻繁的產(chǎn)品，直接篩選出來；

3)精確標(biāo)記超標(biāo)信號(hào)位置，在自動(dòng)檢測(cè)確定的范圍內(nèi)，將設(shè)備調(diào)到手動(dòng)模式，對(duì)超標(biāo)信號(hào)進(jìn)行精確定位。

2.1.2 手動(dòng)檢測(cè)方法

對(duì)于傳動(dòng)裝置無法正常傳輸?shù)牟牧希M(jìn)行手動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)步驟如下：

1)固定好探頭，調(diào)零后，勻速的拉動(dòng)管材并觀察屏幕顯示的信號(hào)；

2)對(duì)于出現(xiàn)超標(biāo)信號(hào)的部位，在附近重新調(diào)零檢測(cè)，確認(rèn)并標(biāo)記。對(duì)于信號(hào)顯示幅度比較大但是不超標(biāo)的位置也進(jìn)行重新調(diào)零檢測(cè)，確認(rèn)信號(hào)是否超標(biāo)。

2.2 檢測(cè)試驗(yàn)

依據(jù)GJB4540-2002《航天推進(jìn)系統(tǒng)用鈦管材規(guī)范》制作標(biāo)準(zhǔn)樣管，直徑大于8 mm的鈦管采用不大于Φ0.6 mm的通孔，直徑小于8 mm的鈦管采用不大于Φ0.3 mm的通孔。樣管規(guī)格分別為Φ6×1，Φ8×1，Φ10×1，Φ12×1，Φ12×1.5。試驗(yàn)條件為：

1)儀器：ET-555型渦流探傷儀，具有阻抗平面分析技術(shù)功能；

2)探頭：差動(dòng)結(jié)構(gòu)穿過式探頭；

3)傳動(dòng)架：ETS-5/30渦流檢測(cè)傳動(dòng)設(shè)備；

4)檢測(cè)速度：15 m/min。

每一規(guī)格批次的管材用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)樣管校準(zhǔn)設(shè)備，設(shè)定頻率、相位、增益、報(bào)警范圍框。選擇相應(yīng)直徑的導(dǎo)向套，讓標(biāo)準(zhǔn)樣管連續(xù)通過探頭，通過觀察通孔信號(hào)的的零點(diǎn)漂移來調(diào)整設(shè)備的對(duì)中情況。

2.3 檢測(cè)參數(shù)選擇

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制作的各規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)樣管，通過標(biāo)準(zhǔn)樣管的校驗(yàn)以及有關(guān)產(chǎn)品渦流檢測(cè)的規(guī)范，確定鈦合金管材的參數(shù)范圍。

制作標(biāo)準(zhǔn)樣管的材料的噪聲信號(hào)較小，而實(shí)際檢測(cè)的材料由于表面粗糙度、成型劃痕、材料組織以及長(zhǎng)度都會(huì)對(duì)信號(hào)顯示造成影響。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)透入深度公式，將所檢管材壁厚設(shè)為透入深度，可以求出檢測(cè)頻率f的最大值。檢測(cè)頻率小于最大值才能覆蓋所檢管材的壁厚，頻率越小，靈敏度越低，同時(shí)對(duì)噪聲信號(hào)的響應(yīng)度越低。如圖1是在高頻下出現(xiàn)的自然缺陷信號(hào)，圖2是低頻率下的自然缺陷信號(hào)，由圖可見滿足靈敏度要求下低頻率時(shí)缺陷信號(hào)的細(xì)節(jié)顯示更加清晰。

圖1 高頻下的自然缺陷信號(hào)Fig.1 Natural defect signal at high frequency

圖2 低頻下的自然缺陷信號(hào)Fig.2 Natural defect signal at low frequency

2.3.1 增益

管材渦流檢測(cè)結(jié)果是用標(biāo)準(zhǔn)缺陷試樣標(biāo)定的，不同的設(shè)備具有不同的信號(hào)放大裝置，反映到設(shè)備參數(shù)上就是增益G。合理的G值是使設(shè)備具有易于觀察的信噪比。圖3顯示的是接近滿屏顯示的標(biāo)準(zhǔn)樣管，可以看見零點(diǎn)處由于漂移及震動(dòng)影響顯示比較大，圖4是增益降低后的顯示，零點(diǎn)相對(duì)比較小而清晰。

圖3 高增益顯示Fig.3 High gain display

圖4 低增益顯示Fig.4 Low gain display

2.3.2 相位及噪聲

通孔缺陷的相位出現(xiàn)在40°位置時(shí)，依據(jù)內(nèi)外壁缺陷的出現(xiàn)時(shí)延可以知道，內(nèi)壁缺陷出現(xiàn)在圖像左側(cè)，外壁信號(hào)出現(xiàn)在圖像右側(cè)。因此對(duì)于不同厚度的試樣，可通過相位調(diào)節(jié)，使其通孔信號(hào)的相位位于40°位置，如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)樣管通孔信號(hào)Fig.5 Through-hole signal of standard duct sample

管材傳動(dòng)時(shí)的震動(dòng)等影像因素具有一定的隨即性，依據(jù)概率分布原理，當(dāng)通過探頭的合格管材達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，噪聲信號(hào)、震動(dòng)影響信號(hào)是以原點(diǎn)為圓心，平均噪聲為半徑的圓形顯示。因此選擇合適的導(dǎo)向裝置，提高傳動(dòng)裝置的對(duì)中程度，可有效降低由于震動(dòng)所產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移，從而提高臨界缺陷的識(shí)別率，如圖6為長(zhǎng)度2 m的合格產(chǎn)品的零點(diǎn)漂移及噪聲顯示。

圖6 正常的合格產(chǎn)品信號(hào)Fig.6 Normal signal of qualified product

2.3.3 垂直/水平分量比

垂直/水平分量比V/H是調(diào)節(jié)圖像在屏幕上顯示的垂直和水平比例，通過調(diào)整比例可以區(qū)分面積狀缺陷和線狀缺陷。

2.4 參數(shù)調(diào)整

經(jīng)過每個(gè)規(guī)格各5個(gè)批次，每批次約200 m的檢測(cè)調(diào)試，調(diào)整得到了各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值，檢測(cè)結(jié)果與相關(guān)單位的檢測(cè)結(jié)果一致，但是，非超標(biāo)缺陷的識(shí)別靈敏度更高，同時(shí)缺陷定位的準(zhǔn)確度更高。

3 結(jié)論

根據(jù)每個(gè)規(guī)格各5個(gè)批次的試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1)所采用渦流設(shè)備自動(dòng)化程度高，傳送速度穩(wěn)定，周向靈敏度高，一次檢測(cè)結(jié)果的可靠性高；

2)所制定的檢測(cè)方法穩(wěn)定，檢測(cè)結(jié)果的重現(xiàn)率達(dá)到100%，設(shè)備的檢測(cè)靈敏度可以達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；

3)由于具有穩(wěn)定可靠的自動(dòng)傳輸設(shè)備，因此傳送、振動(dòng)、對(duì)中以及填充系數(shù)所引起的零點(diǎn)漂移很小，標(biāo)準(zhǔn)樣管連續(xù)通過探頭時(shí)通孔信號(hào)穩(wěn)定、工作效率高。

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