多層管HIP焊接界面脫粘渦流檢測數(shù)值模擬研究

肖美華，陳振茂，李 勇，羅廣南，祁 攀

(1.西安交通大學(xué)機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室，西安 710049;2.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥 230031）

0 引言

為冷卻面向等離子體部件并進(jìn)行熱交換以產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，在托卡馬克裝置面向等離子體部件中大量采用具有HIP(熱等壓)焊接界面的多層管部件［1］。HIP焊接質(zhì)量直接影響換熱管熱交換能力［2］，界面缺陷也可能導(dǎo)致異常熱應(yīng)力影響結(jié)構(gòu)完整性，需要役前和在役無損檢測手段對其質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，但目前檢測手段尚不成熟［3］。

渦流檢測因不需耦合劑、檢測靈敏度高、檢測速度快和易于實現(xiàn)自動化等眾多優(yōu)點而成為材料無損評價和檢測領(lǐng)域中的一種重要方法［4］。針對多層管構(gòu)件界面局部脫粘缺陷的無損檢測技術(shù)［5］，對典型渦流檢測雙功能(DF)Bobbin探頭的有效性進(jìn)行數(shù)值模擬［6-7］，同時為優(yōu)化探頭設(shè)計，考察探頭主要參數(shù)對檢出性能的影響。

1 計算方法與計算模型

1.1 Ar方法的基本理論

本研究采用自主開發(fā)的基于棱邊單元和退化向量位方法(Ar)的有限元程序?qū)u流檢測信號進(jìn)行數(shù)值模擬。該程序已經(jīng)過長時間使用和驗證，具有良好計算精度［9］。Ar方法由于在空氣區(qū)域采用退化向量位，無須對檢測線圈進(jìn)行有限元剖分，方便了對掃查信號的數(shù)值模擬。Ar方法中，含導(dǎo)體的正常區(qū)域采用一般向量位，含線圈的外部空氣區(qū)域采用退化向量位，其間的過渡區(qū)域采用混合變量(圖1)。

圖1 Ar方法計算區(qū)域劃分Fig.1 Simulation regions of Ar method

針對渦流檢測問題，忽略位移電流的影響，Ar法的控制方程和邊界條件為:

若定義在正常區(qū)域A'=A，在外部區(qū)域A'=Ar，并基于Galerkin有限元對上述方程進(jìn)行離散，即可得到以下有限元控制方程:

其中N為形函數(shù)，As、Hs是激勵線圈在自由空間產(chǎn)生的向量位及磁場強度向量。

基于方程(5)可求解出各區(qū)域的向量位及相應(yīng)的渦流場。檢出線圈中的檢測電壓信號V則可基于互易定理由下式計算。式中Ie為激勵電流，Ap、Hp為檢出線圈中單位電流在自由空間產(chǎn)生的向量位及磁場強度向量。

1.2 計算模型

考慮具有3層結(jié)構(gòu)的多層管［10］，其中內(nèi)部銅合金管足夠長，而外部的銅管和鎢塊為有限長度12 mm，各層寬度(成分)如圖2所示。采用雙功能差動式Bobbin探頭從管內(nèi)部對多層管壁進(jìn)行渦流檢測(2個線圈均同時為激勵和檢出線圈，且輸出為其差信號);考慮局部剝離缺陷發(fā)生于Cu與合金銅界面，在周向和軸向邊長相同，徑向?qū)挾葹?.5 mm，缺陷內(nèi)部設(shè)為空氣區(qū)域。各層管均為非磁性材料，電導(dǎo)率分別為:內(nèi)部銅管σ1=5.80 E7 S/m，銅中間層 σ2=4.50 E7 S/m，鎢 σ3=1.82E7 S/m。

圖2 差動式Bobbin探頭多層管道檢測數(shù)值計算模型Fig.2 Numerical model of multilayer tube ECT for DF Bobbing probe

2 計算結(jié)果及分析

2.1 渦流檢測可行性分析

首先，采用設(shè)定的探頭尺寸參數(shù)，對多個不同大小缺陷在不同頻率時的信號進(jìn)行了計算。采用的具體探頭參數(shù)為:內(nèi)半徑r1為4 mm，外半徑r2為5 mm，探頭寬度為 3 mm，探頭線圈間距為3 mm，總激勵電流為1 A。探頭與檢測對象管同軸，沿軸向從－10 mm掃查至10 mm，以1 mm間隔計算檢測信號。計算中總有限單元數(shù)為13440，分別計算有缺陷和無缺陷時的檢測信號，并將其差值作為最后輸出信號。圖3給出了5 kHz激勵頻率時長寬各5 mm、深度為0.5 mm的界面缺陷對應(yīng)檢測信號，其中3a為相圖，3b為幅值的變化，可見有明確信號指示。

圖4a給出了不同大小缺陷的信號的比較。信號隨缺陷大小增加而增加，但相位基本相同，表明相位主要缺陷深度相關(guān)。圖4b為不同激勵頻率下的信號，當(dāng)激勵頻率為10 kHz時信號最大。但進(jìn)一步增頻率時信號會減小，表明10 kHz左右是最佳檢測頻率。從圖4可見，即使對于長2 mm、寬度為2 mm的缺陷，信號也較明確，表明可檢的可能性很大。

圖3 典型檢測信號計算結(jié)果(5 kHz，5 mm×5 mm×0.5 mm缺陷)Fig.3 Typical simulation results of pickup signals(5 kHz，5 mm ×5 mm ×0.5 mm defect)

圖4 不同缺陷大小和激勵頻率信號的影響Fig.4 Dependence of pickup signals on the defect size and excitation frequency

2.2 探頭參數(shù)對信號的影響

為考察探頭主要參數(shù)對檢測信號的影響，以改進(jìn)探頭設(shè)計，提高檢測性能，以上述所選擇探頭參數(shù)為基值，對探頭外半徑r2、寬度h及間隔d對信號的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬［4］。具體結(jié)合管徑和鎢塊寬度，考慮的參數(shù)變化范圍為:線圈間距d分別為:1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mm，線圈寬度分別為:1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mm 和外半徑分別為:4.75、5.00、5.25、5.50、5.75 mm。

圖5a給出了只改變Bobbin探頭線圈間距d時的缺陷信號幅值的變化。探頭間距增大時，信號幅值逐漸增大，但3.0 mm以上增加幅度減緩?？紤]到在探頭間距太大會導(dǎo)致邊界效應(yīng)增加，取探頭間距為3.0 mm可有效提高靈敏度，且一定程度抑制邊界效應(yīng)。

圖5b為線圈寬度 h 分別取 1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mm時的檢測信號。這時線圈寬度增加時信號減小，當(dāng)探頭寬度與被檢測管壁厚(本研究中為1.5 mm)相當(dāng)時，靈敏度較大?？紤]到線圈繞線空間，寬度取2 mm較為適當(dāng)。

圖5c為探頭線圈外半徑 r2變化時(4.75、5.00、5.25、5.50、5.75 mm)對信號幅值的影響。很明顯增加探頭外徑可有效增加檢測靈敏度，但外徑過大會影響探頭通過能力，進(jìn)一步考慮到探頭封裝的影響，外徑取為11.5 mm較為妥當(dāng)。

圖5 探頭各參數(shù)對檢測信號的影響Fig.5 Influence of probe parameters on the detectability

3 結(jié)論

1)基于DF Bobbin探頭的渦流檢測是較大界面脫粘缺陷的有效檢測方法。

2)在一般情況下，線圈間距和外徑增加時缺陷信號增加，線圈寬度增加時信號減小。本研究合適的檢測條件為:探頭間距3 mm，外徑11.5 mm，寬度2 mm。

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