換熱管內壁缺陷渦流檢測的定量方法

祁　攀，王　波，邵文斌，崔洪巖，楊崇安，廖述圣

(1.中核武漢核電運行技術股份有限公司， 武漢 430223；2.核動力運行研究所， 武漢 430223)

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換熱管內壁缺陷渦流檢測的定量方法

祁攀1，王波2，邵文斌2，崔洪巖2，楊崇安2，廖述圣1

(1.中核武漢核電運行技術股份有限公司， 武漢 430223；2.核動力運行研究所， 武漢 430223)

現階段核電站換熱管的內壁缺陷(內傷)的深度定量是通過檢測信號的相位-缺陷深度的線性擬合曲線映射得到的。但根據現場數據分析的實際經驗，該種定量方法仍然存在偏差。結合實際內壁缺陷的渦流檢測和金相解剖數據，采用基于最小二乘的非線性擬合的方法制作新的相位和幅值標定曲線，并采用統(tǒng)計方法比較現有擬合曲線與原始標定曲線下的定量數據準確性，發(fā)現新擬合曲線下的定量結果更準確。

換熱管;內壁缺陷;標定曲線;最小二乘

核電站換熱管多為壁厚規(guī)格小于2 mm的非鐵磁性管，在運行過程中常出現不同機理的降質缺陷[1]，內壁的點蝕缺陷是其中的一種。根據在役檢查的經驗反饋，此類缺陷常呈現獨立點蝕坑且底部無衍生裂紋等特征，其示例如圖1所示。

現階段換熱管主要采用渦流Bobbin探頭進行定量檢測，根據標定管的標準人工傷建立判傷曲線并對缺陷進行深度定量。目前針對外壁人工傷有較詳細的描述，外壁缺陷的判傷曲線容易制作；而對于內壁人工傷定量檢測的描述不多，文獻[2-3]中出現過10%深的內壁周向切槽的檢測描述，但其通常很難進行準確計量，所以內壁缺陷的判傷曲線往往直接采用經(0°，0%)和(40°，100%)兩點(0°和4°表示相位，后面數字的%表示缺陷深度/管壁標稱厚度的百分比，下同)的線性擬合制作的，這樣勢必會造成缺陷的定量不準確。針對這一問題，國內現階段已開展了相應的研究[4]，但是判傷曲線的制作，更多的只是針對標定管的人工缺陷，沒有與實際的內壁缺陷建立聯系。

筆者結合實際換熱管內壁缺陷的金相解剖，通過基于最小二乘擬合制作(兩條判傷曲線渦流相位-實際缺陷深度曲線和渦流幅值-實際缺陷深度曲線)來進行缺陷定量，并與原始相位判傷曲線下的結果進行比對。

1　檢測對象

通過特定的換熱管管型的試驗參數，經過初步篩選，共選擇了37個內壁缺陷樣本點，各缺陷樣點具有不同的直徑和深度，其直徑的范圍在0.5～1.5 mm間，而深度則是通過通用的定量方法定量后再確定其范圍，深度定量的結果見表1。同時，為了系統(tǒng)地探討原有的通用定量分析方法與現有的定量分析方法間定量準確性的差別，還將選取37個內壁缺陷樣本進行金相解剖。

表1　缺陷樣本的渦流定量和金相解剖傷深數據

2　內壁缺陷深度定量方法研究

2.1通用定量分析方法

通用定量分析方法是采用如圖2所示的相位判傷曲線對內壁缺陷進行深度定量的方法。該曲線是根據實際檢測對象分析得到的各檢測頻率下的通孔信號相位調40°，然后直接經(0°，0%)和(40°，100%)兩點線性擬合得到[2-3]。

圖2　原始的內傷標定曲線

表1所示為通過常規(guī)相位判傷和金相解剖得到的定量結果，采用絕對偏差(絕度偏差=檢測(計算)傷深-金相解剖傷深)來進行定量結果準確性的判定。圖3直觀地給出了采用兩種方法得到的定量曲線及其偏差，初步分析了定量結果的準確性。由相關核電傳熱管役前和在役檢測的經驗可知，深度在20%～40%的缺陷是重點的關注，因此表1中編號4～27號缺陷作為后續(xù)研究的重點對象。

圖3　采用常規(guī)相位判傷與金相解剖法得到的定量傷深及其偏差

由圖3可看出：缺陷定量偏差隨著深度增加(缺陷編號是按照缺陷深度從小到大排列)而變化，其沒有隨著缺陷深度增大而變小，而是呈現無規(guī)則分布的狀況。

2.2以實際缺陷樣點制作判傷曲線

結合圖1中缺陷的形貌特征，此類點蝕缺陷的形狀較為規(guī)則，因此運用樣點的幅值和相位與缺陷實際解剖傷深來制作判傷曲線是可行的。

通過對樣本數據點分布特征的分析，判傷曲線符合冪函數y=axb的變化規(guī)律，其中的自變量x對應渦流檢測的幅值和相位，因變量y以及觀測量的實際解剖傷深。采用基于最小二乘思想的MATLAB函數nlnfit進行曲線擬合[5]，得到的判傷曲線如圖4所示，并對曲線的擬合優(yōu)度進行評估。選擇曲線的相關系數的平方(R2)作為評估參數[5]，表2給出了擬合的判傷曲線的參數及其相關系數值。

圖4　全數據點的幅值-解剖傷深與相位-解剖傷深的判傷曲線

參數幅值判傷曲線相位判傷曲線a4．185913．8773b0．47390．4641R20．79230．7653

由于相關系數平方越接近于1，曲線擬合得越好。該實際判傷曲線制作過程中所選擇的點為實際運行時管材產生的實際缺陷，且評判判傷曲線的擬合優(yōu)度尚佳，因此該兩曲線可作為內壁判傷的曲線接受。

3　實際擬合判傷曲線下的傷深分析

根據上節(jié)制作的判傷曲線，直接計算幅值和相位在曲線方程下的缺陷深度，并計算其絕對偏差，如表3所示。如前所述，由于20%～40%傷深范圍內的缺陷的定量準確性是關注的重點，因此針對表3和表1中的定量偏差，首先通過散點圖(見圖5)進行直觀分析，然后再進行統(tǒng)計分析。

表3　擬合判傷曲線與原始判傷曲線的定量偏差分析　%

圖5　三種不同判傷曲線下的定量偏差散點圖

類比于圖3，圖5中新曲線的定量偏差仍然呈現無規(guī)則分布的狀態(tài)。為了能直觀分析編號4～27號缺陷定量的總體情況，采用配對T檢驗的方法進行統(tǒng)計分析[6]，該方法分別用原始方法與新幅值曲線的定量絕對偏差的絕對值配對以及原始方法與新相位曲線的定量絕對偏差的絕對值配對,來分析不同方法下的對應編號的缺陷深度定量的優(yōu)劣，結果見表4。由表4發(fā)現，前兩者的定量絕對偏差之間無統(tǒng)計學意義[6](t=1.879，p=0.074)，即兩種方法下的缺陷深度定量偏差的優(yōu)劣性不明顯；而后兩者之間的定量的絕對偏差之間有統(tǒng)計學意義(t=5.75，p=0.000)，即可對數據之間的優(yōu)劣性進行分析。因此,只對后者進行分析，在此基礎上直接比對兩者的樣本缺陷深度的平均數來判斷樣本定量的優(yōu)劣，表4中原始方法的樣本絕對偏差深度絕對值的平均數為7.15%，而后者為5.49%。因此在新相位曲線下的缺陷深度的定量方法的總體精度更高。

表4　定量偏差的配對T檢驗分析

4　結語

采用三條不同的標定曲線對所提供的內壁缺陷的深度進行定量分析，即原始相位標定曲線，基于實際缺陷深度樣本擬合的幅值標定曲線和相位標定曲線。通過對擬合曲線的初步分析，判斷了兩條標定曲線的合理性；后續(xù)再根據配對T檢驗的方法判斷了新相位標定曲線對于換熱管內壁缺陷傷深范圍在20%～40%的深度定量具有更高的精度。但是后續(xù)還需要開展一些有針對性的工作：① 需分析在相同幅值下，不同深度缺陷定量偏差較大的原因。② 雖然擬合的相位判傷曲線的定量精度較原始判傷曲線的高，但是該模型是否是最優(yōu)模型，還需要再研究。③ 后續(xù)為了對全范圍深度的缺陷的定量準確性開展研究，需要收集更多的數據樣本。

[1]丁訓慎. 核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管的降質及其無損檢測技術[J]. 無損檢測，2008，30(1)：30-33.[2]ASME V-2004鍋爐及壓力容器規(guī)范[S].

[3]JB/T 4730.6-2005承壓設備無損檢測 第6部分:渦流檢測[S].

[4]劉一舟，曹剛，王曉翔. 核電站鈦管內壁缺陷判傷曲線[J]. 無損檢測，2010，32(9)：719-721，737.

[5]李柏年，吳李斌. MATLAB數據分析方法[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[6]譚榮波. SPSS統(tǒng)計分析實用教程[M].北京：科學出版社，2007.

Eddy Current Quantitative Test for Inner Defects of Heat-Exchange Tubes

QI Pan1, WANG Bo2, SHAO Wen-bin2, CUI Hong-yan2, YANG Chong-an2, LIAO Shu-sheng1

(1.China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd., Wuhan 430223, China；2.Research Institute of Nuclear Power Operation, Wuhan 430223, China)

The quantification of depth for inner defects of heat exchange tubes in nuclear power plant was realized by acquisition data mapped under the linear fitting of phase against defect depth curve. But according to practical experience of data analysis, there still exists deviation in this method. In this paper, based on eddy current and metallographic anatomy data, new phase and amplitude calibration curves were fitted by nonlinear least squares method, and then the comparison of data accuracy as analyzed by statistic method between fitting curves and the original one was undertaken and it was shown that the new phase fitting curves were more accurate for data quantification.

Heat exchange tube; Inner tube defects; Calibration curve; Least square method

2016-03-17

祁攀(1982-)，男，博士，主要從事電磁無損檢測相關技術研發(fā)。

祁攀， E-mail: qp928@163.com。

10.11973/wsjc201610014

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0060-04