基于渦流效應(yīng)的點式探頭干擾信號分析

陳小飛　汪順利

【摘 要】某核電廠汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子圍帶多采用與葉頂部凸榫鉚接的方式，對圍帶連接片進(jìn)行目視檢查及表面檢測較為困難，表面裂紋不易發(fā)現(xiàn)，容易產(chǎn)生漏檢。運用點式探頭渦流檢測技術(shù)能很好檢測出表面裂紋，但因檢測面小，檢測時極易產(chǎn)生提離和邊緣等干擾信號。通過大量的試驗，找出了裂紋信號與干擾信號的區(qū)分方法，為缺陷的識別提供了有力的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】渦流效應(yīng)；裂紋信號；干擾信號

中圖分類號： TG142.15 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）19-0035-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.014

Analysis of Interference Signal of Spot Probe Based on Eddy Current Effect

CHEN Xiao-fei1 WANG Shun-li2

（1.Suzhou Nuclear Power Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215000，China；

2.China Nuclear Power OperationS Co.，Ltd，Shenzhen Guangdong 518000，China）

【Abstract】The steam turbine blade shrouds for nuclear power plant low pressure rotor are mostly riveted.It is difficult to use VT，PT and MT to detect the turbine blade shroud connecting piece after it is welded.Cracks can be identified using spot probe based on eddy current effect.However，It is easy to generate interference signals.From this study， the results of analysis show that it can be more reliable to find the difference in crack and interference signal.

【Key words】Eddy current effect；Crack signal；Interference signal

0 引言

核電廠汽輪機(jī)經(jīng)常在高溫、高壓、腐蝕和沖蝕環(huán)境共同作用下運行，使用條件十分惡劣，是核動力裝置中重要的易損結(jié)構(gòu)。核電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片頂部覆蓋的圍帶，是用以增加機(jī)械整體性和提高振動頻率。而與葉頂部凸榫相鉚接的圍帶，大部分之間是通過圍帶連接片連成一體的[1]。但由于汽輪機(jī)的工作區(qū)主要在濕氣區(qū)，葉片工作時濕度較大，葉頂部容易造成積水，圍帶及連接片水刷嚴(yán)重，圍帶連接片上如出現(xiàn)裂紋將會對機(jī)組的安全運行帶來威脅。圍帶連接片是位于兩片圍帶之間的，其位置較為隱蔽，如圖2所示。如果采用常規(guī)的目視檢查和表面檢查，由于空間的限制，連接片表面缺陷不容易被檢查出來。

渦流檢測是無損檢測的一個分支，因其對小裂紋的靈敏度高，無接觸性等優(yōu)點被廣泛運用。采用點式探頭渦流檢測技術(shù)對圍帶連接片的表面進(jìn)行無損檢測，能夠很好解決因空間狹小帶來的不便。這種探頭雖然靈敏度高，且無方向性，但因為檢測面小，容易產(chǎn)生邊緣和提離等干擾信號，誤判和漏判缺陷信號的可能性很大。因此，本文基于大量的理論分析和實際研究，找出了區(qū)分裂紋信號與干擾信號的方法，為缺陷的識別提供了有力的依據(jù)。

1 理論設(shè)計原理

渦流檢測技術(shù)是渦流效應(yīng)的一項重要應(yīng)用，圍帶連接片的渦流檢測主要是基于電磁感應(yīng)原理。當(dāng)載有交變電流的檢測探頭置于連接片的表面時，由于探頭內(nèi)部的激勵線圈磁場的作用，在連接片表層形成平行于其表面的閉合回路的渦旋狀流動電流[2]。該電渦流的大小、相位及流動形式受到連接片本身導(dǎo)電性能的影響的同時也會形成一個磁場，這個磁場反過來又會使探頭的阻抗發(fā)生變化。當(dāng)探頭處在連接片的不連續(xù)處，渦流的正常流動被干擾，導(dǎo)致其強(qiáng)度和分布發(fā)生變化，原平衡被破壞[3]。因此，通過測定檢測探頭中的阻抗變化，就可以判斷出被測連接片的表面是否存在裂紋等缺陷[4]。

點式探頭在檢測過程中垂直于被檢部位表面移動，可以實現(xiàn)對其表面的缺陷檢測。這種探頭設(shè)計小巧，探頭中附有磁芯，具有增強(qiáng)磁場強(qiáng)度和聚焦磁場的特性，因此具有很高的檢測靈敏度。所以，對于垂直連接片表面的裂紋缺陷，渦旋狀流動的電流總是垂直于開裂面，因此無論探頭相對于裂紋方向以何種角度掃過缺陷時，所產(chǎn)生的渦流響應(yīng)都是一致的。實際中采用的是鉤式探頭，其端部呈直角。這種結(jié)構(gòu)的探頭不僅可較好地適用于曲率半徑較大的平面、拐角部位的檢查，具有較高的靈敏度，還克服了檢測部位上方需要有較大操作空間的限制，操作平穩(wěn)性也較好。

在檢測過程中以軸線垂直于被檢部位表面的方向，用點式探頭檢測時，探頭線圈阻抗的變化不僅與材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等因素的變化有關(guān)，而且還受探頭至板材表面的距離變化的影響，產(chǎn)生“提離信號”。當(dāng)探頭達(dá)到被檢件邊緣時，由于圍帶連接片邊緣不規(guī)則等情況，探頭線圈阻抗也發(fā)生變化，產(chǎn)生“邊緣信號”。探頭在使用時，還產(chǎn)生噪聲等干擾信號。因此，從理論分析可知，需要采用合適的方法來區(qū)分傷信號和干擾信號。為了抑制干擾信號，可以選擇合適的工作頻率并采用相位分離法，即利用傷信號和干擾信號相位不同來選擇適當(dāng)?shù)南辔徊⒁种聘蓴_信號[5]，從而達(dá)到減小干擾的作用，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

點式探頭渦流檢測的靈敏度很大程度上取決于工作頻率f，而工作頻率的選擇和工件的特征頻率fg密切相關(guān)。在實際的渦流檢查中，f/fg=5～150的范圍具有實用意義。如果選取過小，則對裂紋的可分辨性很低；如果選取過高，則檢查靈敏度顯著降低。特征頻率是指貝塞爾函數(shù)的虛總量的模為1時對應(yīng)的頻率，它是工件的一個固有特性。對于特定的試件來說，特征頻率只是一個特征參數(shù)，含有除缺陷外材料尺寸和性能的信息。

用放置式探頭檢檢測時，采用渦流簡化模式，將工件看成半無限大的平面。設(shè)想在被測導(dǎo)體上，存在一個確定區(qū)域，該區(qū)域通過的環(huán)流與被測導(dǎo)體中的總的電渦流相等。且這個區(qū)域的實際阻抗與被測導(dǎo)體的有效阻抗近似相等[6]。那么被測導(dǎo)體就可以用這環(huán)域來代替，經(jīng)過一些推理計算，最后當(dāng)導(dǎo)體簡化為渦流環(huán)時，采用放置式線圈探傷時，工件的半徑可以等效為渦流環(huán)的半徑[7]，點式探頭的特征頻率[8]可等效如下：

2 現(xiàn)場渦流檢測分析運用

某核電站裝有900MW沖動式核蒸汽汽輪機(jī)，該汽輪機(jī)由一個高壓轉(zhuǎn)子和三個低壓轉(zhuǎn)子組成。低壓轉(zhuǎn)子每側(cè)五級，第一級至第四級葉片有圍帶。圍帶均分段制造，并與葉頂部的凸榫相鉚接，大部分級的葉片圍帶與圍帶之間通過連接片連成一體。其中每個低壓轉(zhuǎn)子第1、2、3、4級圍帶有連接片，每級各13、11、13、13片，共100片，三個低壓轉(zhuǎn)子共有300片圍帶連接片[9]。由于圍帶連接片較多，所以采用渦流檢測方法就具有實時性和高效性。

在停機(jī)大修時，對圍帶連接片進(jìn)行點式探頭渦流檢測技術(shù)。選用tecnatom ETbox2i儀器，采用轉(zhuǎn)子上面更換下的帶有真實裂紋缺陷的圍帶連接片進(jìn)行標(biāo)定。圍帶連接片的材料是TI合金，采用上述理論分析的式子，經(jīng)過計算加調(diào)試，選定工作頻率在400KHz～800KHz范圍內(nèi)均能滿足檢測要求。將采集到的標(biāo)準(zhǔn)裂紋信號相位調(diào)至40°，幅值調(diào)至滿屏的80%以上，作為標(biāo)定信號。

標(biāo)定完后參數(shù)不變，最后再多采集幾次裂紋信號來驗證標(biāo)定信號是否準(zhǔn)確，確保偏差在±10%以內(nèi)即可。利用標(biāo)定好的參數(shù)，再對葉片圍帶的連接片進(jìn)行表面渦流檢測。采集過程中，每隔兩個小時應(yīng)進(jìn)行一次標(biāo)定，如果標(biāo)定信號在±10%以內(nèi)偏差很小，則表明采集數(shù)據(jù)可用；如果標(biāo)定誤差大則表明數(shù)據(jù)有問題，應(yīng)立即重采。采集完后，還要再進(jìn)行一次標(biāo)定[10]。

經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗，標(biāo)定試片中裂紋引起的缺陷信號與干擾信號相位存在一定角度的偏差，如果采用某種方法將正常缺陷信號與噪聲信號進(jìn)行區(qū)分，就可以得到裂紋信號。

當(dāng)前采用的tecnatom ETbox2i渦流儀，對于兩種不同相位的信號，裂紋信號A和干擾信號B有相位差。調(diào)整儀器相關(guān)參數(shù)后，使只能通過A信號的某一分量，而B信號的某一分量不能通過時，則能起到區(qū)分兩種信號的作用。相位的設(shè)置根據(jù)實際檢測圍帶連接片的干擾信號進(jìn)行設(shè)置，通過調(diào)整點式探頭渦流探傷頻率等相關(guān)參數(shù)，不得覆蓋缺陷信號所在的相位范圍，否則容易造成漏檢。實際點式渦流探頭運用中，采用差分和絕對通道，其中600KHz為主檢測頻率，另外選取幾個小于主檢測頻率的作為對比，例如500KHz和400KHz。在檢測分析中發(fā)現(xiàn)，采集信號的相位不會隨之發(fā)生變化，但是探頭的干擾信號相位一直發(fā)生變化，導(dǎo)致采集信號與干擾信號的夾角一直發(fā)生變化。從目前的研究來看，較高的檢測頻率可使裂紋信號與干擾信號的相位夾角較大。選取600KHz頻率產(chǎn)生的兩種信號明顯存在相位差，但選取500KHz頻率時，兩種信號基本重合。所以選取合適的工作頻率，既抑制了干擾信號，又防止裂紋缺陷信號的漏檢。在保證質(zhì)量的前提下，提高了準(zhǔn)確度。實際在其它檢測過程中，也可選用更小巧的點式探頭，保證其與被檢面移動更便捷，也能起到減小干擾的作用。

3 結(jié)論

圍帶連接片因位置隱蔽，很難采用常規(guī)表面檢測方法，裂紋容易引起漏檢。渦流檢測方法相比以往的目視和表面檢查方法，具有靈敏度高、檢查靈活性大，測試結(jié)果明顯等特點，能夠有效檢測汽輪機(jī)圍帶連接片的表面裂紋缺陷。但裂紋的深度越淺，信號越微弱，同時檢測區(qū)域存在嚴(yán)重的干擾信號，因此區(qū)分裂紋信號及干擾信號是重要的研究方向。本文通過對點式探頭渦流檢測理論分析和實際運用表明，為了有效抑制點式渦流探頭中產(chǎn)生的干擾信號，選取合適的頻率，采用相位分析法，能夠區(qū)分裂紋信號和干擾信號的微小區(qū)別。

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[9]DL/T 1025-2006 核電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程[S].

[10]C-TS-TST-438 大亞灣核電站汽輪機(jī)圍帶連接片渦流檢驗程序.