鋯合金管材渦流檢測(cè)缺陷的軸向定位

王曉磊，李恒羽，黨　輝，于軍輝

(國(guó)核鋯業(yè)股份有限公司， 寶雞 721013)

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鋯合金管材渦流檢測(cè)缺陷的軸向定位

王曉磊，李恒羽，黨輝，于軍輝

(國(guó)核鋯業(yè)股份有限公司， 寶雞 721013)

針對(duì)鋯合金管材渦流檢測(cè)的定位不準(zhǔn)的問(wèn)題，分別對(duì)比了手動(dòng)定位方式、銅片定位方式、鋁片定位方式及銅片與計(jì)算測(cè)量聯(lián)合定位這幾種定位方式的誤差，并通過(guò)超聲檢測(cè)、內(nèi)窺鏡、電鏡和能譜分析對(duì)這些不同方法所定位的缺陷進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)果表明：采用銅片定位方式的檢測(cè)結(jié)果誤差遠(yuǎn)小于1 mm，而其他定位方式的誤差范圍基本在2～7 mm。此外，通過(guò)對(duì)鋯合金管材外壁軸向小于5 mm區(qū)內(nèi)的多個(gè)模擬缺陷進(jìn)行軸向定位，發(fā)現(xiàn)銅片中心線與缺陷徑向尺寸最深處或缺陷周向尺寸最大處有重合現(xiàn)象。

鋯合金；渦流檢測(cè)；軸向精確定位

Zr-4合金因具有優(yōu)異的核性能(熱中子吸收截面)、適中的力學(xué)性能和良好的加工性能，而被普遍應(yīng)用于核電站動(dòng)力水冷反應(yīng)堆的包殼材料和結(jié)構(gòu)材料中[1]。Zr-4合金管是核電站反應(yīng)堆的第一道屏障，鑒于其特殊的應(yīng)用環(huán)境和苛刻的服役條件，人們對(duì)其安全性和可靠性提出了更高的要求。采用超聲檢測(cè)法可有效地檢測(cè)出Zr-4合金管材的大部分折疊、裂紋以及較重劃傷類缺陷，然而超聲檢測(cè)對(duì)圓滑的點(diǎn)坑、經(jīng)過(guò)酸洗的裂紋、螺旋狀缺陷等卻不敏感。基于目視檢測(cè)中的低倍內(nèi)窺鏡難以發(fā)現(xiàn)上述缺陷，而且氣動(dòng)量?jī)x對(duì)大批量管材的內(nèi)徑測(cè)量不準(zhǔn)確，而采用渦流檢測(cè)可以有效彌補(bǔ)超聲檢測(cè)的弊端，可檢測(cè)出超聲檢測(cè)無(wú)法檢出的缺陷。

渦流檢測(cè)是Zr-4合金管材常用的無(wú)損檢測(cè)方法之一，多采用外穿式差動(dòng)式進(jìn)行檢測(cè)。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)線圈可根據(jù)被檢對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，檢測(cè)速度快，無(wú)需耦合劑，對(duì)產(chǎn)品無(wú)污染；但在缺陷精確定位方面尚有不足，無(wú)法提供精確的缺陷信息，對(duì)工藝改進(jìn)或設(shè)備調(diào)節(jié)沒(méi)有起到準(zhǔn)確快捷的輔助作用[2-5]。

筆者采用不同方法對(duì)Zr-4合金管材上的通孔進(jìn)行軸向定位，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)銅片定位方法的誤差較小，并深入研究了銅片與缺陷間距離為2 mm范圍內(nèi)多缺陷軸向位置變化時(shí)對(duì)應(yīng)的渦流響應(yīng)信號(hào)的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬片部分與最大缺陷重合時(shí)，相位出現(xiàn)“8”字，軸向微動(dòng)金屬片，疊加后第二個(gè)波幅度最高;再軸向微微移動(dòng)，第一個(gè)波幅度也相對(duì)增至最高，前提是第二個(gè)波幅始終最高，此時(shí)的金屬片中心線與缺陷最大截面完全重合，即可得到最大缺陷軸向截面位置。用此方法對(duì)管材的內(nèi)壁缺陷，外壁缺陷以及壁厚內(nèi)缺陷截面可以精確定位，測(cè)量結(jié)果與實(shí)體相對(duì)位置相差遠(yuǎn)小于1 mm，利用這一規(guī)律對(duì)典型渦流缺陷精確定位，并剖析缺陷產(chǎn)生的原因，有助于生產(chǎn)人員準(zhǔn)確調(diào)試設(shè)備，盡可能避免這類缺陷。同時(shí)也得出選擇金屬片時(shí)應(yīng)考慮高電導(dǎo)率、軸向尺寸盡可能小、周向尺寸適當(dāng)增長(zhǎng)、厚度小于管材與探頭間隙，以不產(chǎn)生抖動(dòng)信號(hào)、不影響傳動(dòng)速度為前提。

圖1　渦流檢測(cè)設(shè)備及探頭外觀

1　試驗(yàn)方案

采用設(shè)備EEC-39+型渦流檢測(cè)儀進(jìn)行渦流檢測(cè),設(shè)備外觀如圖1所示。渦流設(shè)備檢測(cè)參數(shù)為：激勵(lì)電壓7 V、高頻625 kHz、低頻238 kHz、高通10 Hz、低通120 Hz、低頻前置放大倍數(shù)25 dB、高頻前置放大倍數(shù)25 dB、低頻后置放大倍數(shù)48.5 dB、高頻后置放大倍數(shù)51 dB、檢測(cè)速度12 m·min-1。試驗(yàn)過(guò)程采用外穿式探頭，貼有金屬片的鋯合金管材外表面示意如圖2所示。分別采用自動(dòng)成品檢測(cè)方式、手動(dòng)定位方式、銅片定位方式、鋁片定位方式及銅片與計(jì)算測(cè)量聯(lián)合定位的方式對(duì)渦流標(biāo)準(zhǔn)管上的φ0.3 mm通孔進(jìn)行定位，分別對(duì)比了實(shí)際通孔與測(cè)量結(jié)果位置的誤差。采用貼銅片的方式對(duì)超聲檢測(cè)合格的Zr-4合金管材上的缺陷進(jìn)行定位，打印缺陷處渦流圖譜。采用IV8435L1型內(nèi)窺鏡對(duì)管材內(nèi)壁的缺陷進(jìn)行拍照，并用QFB-A型氣動(dòng)量?jī)x對(duì)缺陷深度進(jìn)行測(cè)量。采用最優(yōu)的定位方式檢出常規(guī)超聲無(wú)法檢測(cè)出及渦流檢測(cè)過(guò)程中肉眼看不清的缺陷。采用S-3400型掃描電鏡(工作電壓為3 kV)對(duì)缺陷部位進(jìn)行形貌觀察，并對(duì)缺陷處進(jìn)行能譜分析。

圖2　貼有金屬片的鋯合金管材外表面示意

2　金屬片定位原理

渦流檢測(cè)原理所述：信號(hào)發(fā)生器(振蕩器)給激勵(lì)線圈施加交變電流，激勵(lì)線圈在附近空間感生交變磁場(chǎng)，管材在交變的磁場(chǎng)中感生出渦電流[3]。如果管材有缺陷，那么穿過(guò)缺陷處橫截面的磁通鏈數(shù)目改變，而在接收線圈中感生出電動(dòng)勢(shì)，以阻抗的形式輸出，由于接收線圈是反向連接的兩個(gè)線圈，輸出阻抗是反向的兩個(gè)波。若在管材上貼金屬片則會(huì)引起與缺陷等同的渦流響應(yīng)信號(hào)，當(dāng)金屬片中心線與管材缺陷橫截面最大處處于同一截面時(shí)，渦流信號(hào)的第二個(gè)疊加波幅最高。通俗的講,就是同等時(shí)間內(nèi)貼銅片引起的交變磁場(chǎng)與缺陷引起的交變磁場(chǎng)相互疊加增強(qiáng)，穿過(guò)接收線圈的磁通鏈總數(shù)目比只有缺陷時(shí)引起的多，相應(yīng)的感生電動(dòng)勢(shì)就會(huì)最大，進(jìn)而出現(xiàn)金屬片中心線與缺陷最大截面在同一周向的現(xiàn)象。

3　試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1定位方法對(duì)比及結(jié)果采用自動(dòng)成品檢測(cè)、手動(dòng)定位、銅片定位、鋁片定位及銅片與計(jì)算測(cè)量的方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)缺陷φ0.3 mm通孔進(jìn)行定位。常規(guī)定位方法有自動(dòng)成品檢測(cè)和手動(dòng)定位，雖然效率高，但誤差較大，銅片定位則較為精確，下面具體介紹銅片定位的操作步驟及檢測(cè)結(jié)果。

3.1.1采用常規(guī)方法對(duì)φ0.3 mm通孔定位

一種方法是以上文中的渦流檢測(cè)參數(shù)為基礎(chǔ)，在自動(dòng)檢測(cè)模式下，從A掃描記錄儀可知兩通孔信號(hào)之間有9格，實(shí)測(cè)兩通孔距離為200 mm，一格等于(200/9) mm，然后A掃描記錄紙上從管頭到φ0.3 mm通孔之間的格數(shù)為28.5格，通過(guò)計(jì)算為(200/9)×28=622 mm。從管頭量取622 mm作記號(hào)，此處為通孔所在橫截面，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際通孔所在截面之間相差近7 mm。

另一種方法也是以上文中的渦流檢測(cè)參數(shù)為基礎(chǔ)，手動(dòng)將管材在外穿式探頭上向左抽動(dòng)，待第一個(gè)通孔渦流信號(hào)波幅出現(xiàn)最高時(shí)可停止抽動(dòng)；然后以傳感器下的管子為參照點(diǎn)作記號(hào)，測(cè)出該標(biāo)記距通孔距離為188 mm，然后對(duì)通孔進(jìn)行測(cè)量，待其通孔信號(hào)最大時(shí)停止抽動(dòng)；再以同一感應(yīng)器下的管子為參照點(diǎn)作記號(hào)，從該記號(hào)開(kāi)始向左量取188 mm，該處測(cè)量的截面為通孔所在截面，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際通孔所在截面之間相差3 mm。

3.1.2采用改進(jìn)方法對(duì)φ0.3 mm通孔定位

第一種方法是采用銅片對(duì)已知φ0.3 mm通孔定位。操作步驟為：① 將銅片貼于距管尾100 mm的位置，軸向向管頭移動(dòng)銅片,使銅片靠近通孔的位置，同方向再次移動(dòng)銅片，會(huì)發(fā)現(xiàn)通孔信號(hào)與銅片引起的渦流信號(hào)比較緊湊且很難分辨，波幅可降低10 dB，從相圖上看到兩個(gè)復(fù)合的渦流信號(hào)相位類似兩個(gè)“8”字，將A掃描范圍縮小，波幅提高10 dB，可清楚辨認(rèn)通孔信號(hào)，銅片引起的渦流信號(hào)如圖3(a)、(b)所示。② 波幅降低10 dB，微微移動(dòng)銅片，兩個(gè)缺陷清晰可辨，繼續(xù)靠近通孔，兩個(gè)缺陷均不能分辨，渦流信號(hào)相位逐漸合一，由圓肥到扁長(zhǎng)，幅度由低到高，矢量疊加后第二個(gè)波幅始終達(dá)到最高時(shí)第一個(gè)波相對(duì)高，此時(shí)銅片所在橫截面為φ0.3 mm通孔測(cè)量的橫截面，渦流阻抗的響應(yīng)信號(hào)如圖3(c)所示。經(jīng)核實(shí)銅片所在橫截面覆蓋了通孔φ0.3 mm所在的橫截面，銅片尺寸為邊長(zhǎng)1 mm的小正方形，因此φ0.3 mm通孔在1 mm范圍之內(nèi)，如果繼續(xù)微微移動(dòng)銅片不到1 mm,可得結(jié)果如圖3(d)所示，高頻渦流信號(hào)幅度降低了，驗(yàn)證了只有在同一截面時(shí)，疊加后矢量波的幅度最高，誤差取決于銅片的尺寸大小。

圖3　銅片靠近通孔及與通孔重合時(shí)對(duì)應(yīng)的渦流信號(hào)圖譜

第二種方法是采用鋁片對(duì)已知φ0.3 mm通孔定位。操作步驟與銅片定位步驟相似，經(jīng)核實(shí)鋁片所在橫截面覆蓋了通孔φ0.3 mm所在的橫截面，鋁片為2 mm×2 mm小正方形，因此φ0.3 mm通孔在2 mm范圍之內(nèi)。

第三種方法是采用以銅片為參考片，縮小范圍，通過(guò)計(jì)算測(cè)量φ0.3 mm通孔位置。操作步驟和第一種方法的步驟①相同；將可辨的兩缺陷之間的格數(shù)記為3格，縮小范圍后一格代表2 mm，從銅片向左測(cè)量到6 mm處，此處橫截面為通孔φ0.3 mm的位置，經(jīng)核實(shí)測(cè)量結(jié)果與實(shí)測(cè)相差2 mm多。

各種類型的渦流定位方式檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1　渦流檢測(cè)定位結(jié)果　mm

從表1可見(jiàn)采用貼銅片定位方式的檢測(cè)結(jié)果誤差小于1 mm，而其余自動(dòng)成品檢測(cè)模式、手動(dòng)定位、貼鋁片定位的誤差基本在2～7 mm之間。此外，通過(guò)對(duì)通孔軸向定位，發(fā)現(xiàn)銅片中心線與缺陷最深或周向最大處有重合現(xiàn)象。

3.2結(jié)果分析

前面通過(guò)各種方法對(duì)φ0.3 mm通孔定位，只有貼銅片方法定位精度較高，但是銅片靠近通孔甚至與通孔重合時(shí)，對(duì)應(yīng)的疊加波的變化規(guī)律是第二個(gè)波疊加后波幅始終最高，第一個(gè)波疊加后波幅也相對(duì)較高，顯然這是大于5 mm的單個(gè)缺陷的變化規(guī)律。假如小于5 mm范圍內(nèi)有多個(gè)缺陷，渦流卻只有一個(gè)響應(yīng)信號(hào)，則有必要設(shè)計(jì)在距離小于5 mm范圍內(nèi)模擬多個(gè)缺陷來(lái)找規(guī)律。

首先在無(wú)缺陷管材外壁刻一周向橫槽1，檢測(cè)結(jié)果如圖4(a)所示；然后在距離2 mm處刻另一橫槽2，檢測(cè)結(jié)果如圖4(b)所示，由于設(shè)備的原因，在此引用當(dāng)量計(jì)算法進(jìn)行比較，只要能說(shuō)明哪個(gè)橫槽的當(dāng)量尺寸較大就可以對(duì)應(yīng)其銅片位置，從而總結(jié)變化規(guī)律。圖4(a)中橫槽1的波幅高度記作H1=30%,圖4(b)中橫槽1與橫槽2的波幅矢量和高度記作H12=80%,橫槽2波幅高度記作H2，那么H12/H1=8/3，H2/H1=5/3，因此橫槽2幅度較高。利用銅片在銅片與缺陷間軸向定位2 mm范圍內(nèi)缺陷定位，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4(c)，發(fā)現(xiàn)銅片中心線與橫槽2周向最深處重合；最后在兩槽之間刻一橫槽3，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4(d)，由橫槽1, 橫槽2, 橫槽3渦流信號(hào)響應(yīng)幅度比較大小，其中橫槽1、橫槽2以及橫槽3的波幅矢量和高度記作H123，橫槽3的波幅高度記作H3，那么20log(H123/H12)=12 dB，H123/H12=4,H3/H12=3，H1∶H2∶H3=3∶5∶24，利用銅片在銅片與缺陷間軸向定位2 mm范圍內(nèi)進(jìn)行缺陷定位，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4(e)，發(fā)現(xiàn)銅片中心線與橫槽3最深處重合。

圖4　各種槽型缺陷對(duì)應(yīng)的渦流圖譜

通過(guò)試驗(yàn)證明不管是5 mm范圍內(nèi)多個(gè)缺陷的響應(yīng)信號(hào)，還是單獨(dú)的一個(gè)缺陷信號(hào)，其矩形銅片的中心線總是和最大缺陷的橫截面重合，不受分辨率以及多個(gè)缺陷的影響，定位精確。

3.3缺陷形貌觀察與能譜分析

圖5　貼銅片方式定位缺陷的渦流檢測(cè)圖譜

采用標(biāo)準(zhǔn)管上貼銅片的方式對(duì)Zr-4合金管材上的缺陷進(jìn)行精確定位，其渦流檢測(cè)圖譜如圖5所示。采用超聲水浸式橫波檢測(cè)該管材，結(jié)果如圖6所示，縱向和橫向缺陷通道無(wú)缺陷信號(hào),只有壁厚尺寸，內(nèi)徑尺寸通道有信號(hào)，這與渦流檢測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)證。采用內(nèi)窺鏡對(duì)Zr-4合金管材進(jìn)行缺陷的形貌檢測(cè),如圖7所示，從圖7可見(jiàn)，該缺陷為不規(guī)則圓弧點(diǎn)坑形貌。氣動(dòng)量?jī)x檢測(cè)表明缺陷深度為0.016 mm。按照定位的位置對(duì)Zr-4合金管材內(nèi)壁上的缺陷進(jìn)行解剖，其解剖后銅片對(duì)應(yīng)位置與缺陷位置照片如圖8所示。從圖8可見(jiàn)，銅片對(duì)圓弧點(diǎn)坑在同一截面位置，所以采用貼銅片的方式對(duì)Zr-4合金管材進(jìn)行定位可有效精確定位。

圖6　Zr-4管材超聲檢測(cè)圖譜

圖7　內(nèi)窺鏡檢測(cè)缺陷形貌

圖8　銅片與缺陷對(duì)應(yīng)位置

3.4缺陷電鏡觀察與能譜分析采用貼銅片方式定位的圓弧點(diǎn)坑缺陷電鏡觀察結(jié)果如圖9所示。從圖9(a)、(b)中可見(jiàn)，缺陷的最大寬度為774 μm，最大長(zhǎng)度為1.43 mm。圓弧點(diǎn)坑缺陷能譜分析結(jié)果如圖10所示。從圖10可見(jiàn)，該點(diǎn)坑處的主要成分依然為Zr-4合金的主要成分，未發(fā)現(xiàn)其他異常元素。形成不規(guī)則圓弧點(diǎn)坑的原因?yàn)椋涸诠懿能堉七^(guò)程中,芯桿表面或管材內(nèi)壁存在的沾污會(huì)隨著管材軋制而嵌入管材內(nèi)壁中，在后續(xù)內(nèi)酸洗工序會(huì)將管材內(nèi)壁的沾污消除，從而形成只有Zr-4合金成分的不規(guī)則圓弧點(diǎn)坑形貌。

圖9　圓弧點(diǎn)坑缺陷電鏡形貌

圖10　圓弧點(diǎn)坑缺陷能譜分析結(jié)果

4　結(jié)論

采用貼銅片方式對(duì)管材各種缺陷進(jìn)行定位，軸向精度誤差遠(yuǎn)小于1 mm，而其余自動(dòng)成品檢測(cè)模式、手動(dòng)定位、貼鋁片方式定位的誤差基本在2～7 mm之間。不論是5 mm范圍內(nèi)的多缺陷還是單個(gè)缺陷，用貼銅片的方法都可找到缺陷的最大突變截面。

通過(guò)對(duì)渦流檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷進(jìn)行精確定位后，技術(shù)人員可對(duì)缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，為改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供依據(jù)。

[1]劉建章.核結(jié)構(gòu)材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2]王嬋,伍頌.渦流檢測(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3]美國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì).美國(guó)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)電磁卷[M].北京:世界圖書(shū)出版公司，1999.

[4]任吉林,林俊明,徐可北. 渦流檢測(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[5]李家偉,陳積懋.無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

Defect Axial Positioning of Eddy Current Testing of Zirconium Alloy Tubing

WANG Xiao-lei, LI Heng-yu, DANG Hui, YU Jun-hui

(The Nuclear Zirconium Industry Co., Ltd., Baoji 721013, China)

In view of the eddy current testing positioning, this paper compares positioning errors for four different positioning methods which are the manually positioning, the copper localization, the orientation of aluminium, and the joint positioning by copper plus calculation measures. In addition, ultrasonic testing, endoscope, electron microscopy and energy spectrum analysis were used to verify the location of the defects detected by above-mentioned positioning means. The results show that the copper positioning in eddy current testing can give the positioning error of less than 1 mm, whereas the rest ones shall result in positioning errors between 2 ～ 7 mm. In addition, through axial positioning of several axial simulated defects in the external wall of less than 5 mm areas, it was found that there existed overlapping phenomenon between the center line of the copper and the deepest area of the defects in radial dimensions, or the largest size of the defect in the circumferential dimension.

Zr alloy; Eddy current flaw detection; The axial accurate positioning

2015-10-27

王曉磊(1988-)，男，本科，工程師，主要從事Zr-4合金管材無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用研究工作。

王曉磊,E-mail:273279030@qq.com。

10.11973/wsjc201607008

TG115.28

A

1000-6656(2016)07-0031-05