奧氏體不銹鋼典型缺陷渦流信號特征研究*

王志剛,楊 波,李茂東,翟 偉,黃國家

(廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院,廣州 510663)

奧氏體不銹鋼通常用于腐蝕介質(zhì)的儲運,一旦發(fā)生事故,經(jīng)濟損失巨大和社會影響惡劣[1-2]。奧氏體不銹鋼承壓設(shè)備的腐蝕缺陷主要有應(yīng)力腐蝕開裂[3-4]和孔蝕[5-6]等,多是從內(nèi)壁開始,逐步擴展至外壁,造成介質(zhì)泄漏[7-10]。奧氏體不銹鋼承壓設(shè)備定期檢驗主要采用目視檢測方法[11]和滲透檢測方法[12]。然而,如果缺陷沒有完全穿透管壁,目視檢測方法和滲透檢測方法將無法檢測到這些存在著安全隱患的缺陷;此外,目視和滲透檢測方法的效果更多依賴于檢測人員的經(jīng)驗,且滲透檢測劑含有對人體和環(huán)境有害的物質(zhì)。因此,找出一種在缺陷穿透管壁之前就能被檢出的無損檢測技術(shù),成為奧氏體不銹鋼設(shè)備的定期檢測當務(wù)之急。渦流檢測方法由于其快速、不需要打磨且對表面缺陷敏感等優(yōu)點在金屬制品表面和近表面缺陷的檢測中得到大量應(yīng)用,渦流檢測方法已成為承壓設(shè)備最常見的五種無損檢測方法之一,發(fā)展速度極為迅速。

二十世紀八十年代,Auld 等首次提出渦流陣列傳感器,使得渦流檢測成像成為可能,也引導了渦流檢測技術(shù)向陣列方向的發(fā)展[13]。1991年,Lugg 將渦流陣列檢測與交變磁場測量(ACFM)結(jié)合,極大的提高了定量檢測的速度[14-15]。2005年,Tian用脈沖信號激勵陣列傳感器,提高了亞表面下缺陷的檢測水平[16]。2010年,Cha等采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)設(shè)計了微線圈傳感器,提高了缺陷的檢出率[17];2012年,Machand等設(shè)計了渦流陣列探針,用于檢測復雜表面的微型缺陷[18];2014年,Lim等使用機電阻抗(EMI)技術(shù)實現(xiàn)了疲勞裂紋三階段的監(jiān)測[19];2014年,Hughes等發(fā)現(xiàn)電共振頻率使得渦流檢測靈敏度最高[20];2015年,Xie等開發(fā)柔性平面渦流傳感器陣列,可檢出飛機關(guān)鍵部件的0.2 mm以內(nèi)的微裂紋[21];2016年,Li等提出了一種花環(huán)狀渦流陣列傳感器實現(xiàn)了裂紋的定量監(jiān)測[22]。國內(nèi)方面針對渦流檢測技術(shù)的應(yīng)用和改進近年來也得到了較大發(fā)展,呂程等針對傳統(tǒng)渦流檢測傳感器對缺陷的檢測靈敏度低問題,研究了一種新型方向性自差分渦流傳感器,通過對比仿真結(jié)果表明,該新型傳感器具有較高的檢測靈敏度和缺陷定量精度,為單激勵多檢測陣列渦流傳感器的研究奠定了基礎(chǔ)[23];宋兵等將脈沖渦流檢測技術(shù)運用到3A21鋁錳合金缺陷檢測中,可以實現(xiàn)缺陷的相對位置和大小的準確定量[24];邵文斌等通過以缺陷特征參數(shù)為自變量,采用最小二乘回歸和嶺回歸分析算法來提高渦流軸繞式探頭定量檢測的準確性[25];張魏采用多頻渦流檢測技術(shù)通過缺陷和探頭之間距離的位移變化量,確定了缺陷位置并評價其埋藏深度[26];劉珊等通過基于電磁渦流檢測的變壓器等效理論,提出一種基于Bz(Pmax)相軌跡的電磁渦流無損檢測方法,該方法對探頭提離高度不敏感,可以實現(xiàn)鋁板表面或內(nèi)部的微小缺陷的測量[27];謝鳳芹等研究一種用于檢測鋼球表面及亞表面缺陷,并取得了較好的檢測效果[28];薛英娟等將渦流檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)有機結(jié)合起來,開發(fā)了適用于在線檢測的渦流檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)對直徑為0.6 mm的缺陷具有較好的量化檢測能力[29];汪劍鳴等提出了一種多線圈渦流無損檢測方法,通過相空間模糊熵算法分析渦流信號復雜度,實現(xiàn)了對金屬微小缺陷的有效識別[30];彭志珍等對比分析了ACFM檢測技術(shù)與射線檢測技術(shù)和超聲檢測技術(shù)針對對奧氏體不銹鋼焊縫檢測的優(yōu)越性[31]。雖然目前渦流陣列檢測技術(shù)由于自身的優(yōu)越性近年來在無損檢測領(lǐng)域發(fā)展迅速且應(yīng)用較為廣泛,但仍有諸多制約,例如被檢材料的不均勻性、表面形狀和提離不均勻等均會形成干擾信號,影響最終缺陷的識別。

本文重點研究典型奧氏體不銹鋼缺陷的阻抗圖、帶狀圖和C掃描圖的成像規(guī)律和特點,為后續(xù)缺陷識別和判別提供基礎(chǔ)。

1 渦流陣列檢測技術(shù)的基本原理

渦流檢測EAT(Eddy Current Testing)為電磁無損檢測一個重要的分支,該方法通過研究被測材料中缺陷與電磁場之間的相互作用關(guān)系,根據(jù)已知場源來求解散射場的大小和分布,從而對檢測信號做出準確的評定。具體檢測步驟為:將通有交變電流的檢測線圈靠近被測物體,由于激勵磁場的作用,被測物體中將感應(yīng)出渦流,渦流的幅值、相位和流動形式受到試件導電性能和缺陷的影響,同時產(chǎn)生的渦流也會形成一個磁場,這個磁場發(fā)過來又會使檢測線圈的阻抗發(fā)生變化。因此,通過檢測線圈阻抗的變化就可以判斷出被測試件是否存在缺陷。計算渦流線圈與導體試件之間相互作用引起的電磁場變化是以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ):

(1)

式中:B=μH,D=εE,J=σE,σ為電導率,μ為磁導率,ε為介電常數(shù),J為電流密度,E為電場強度,H為磁場強度,B為磁感應(yīng)強度,D為電通密度,ρ為自由電荷密度。

渦流陣列傳感器產(chǎn)生的總矢量磁位AT為[32]:

(2)

式中:nμ是渦流陣列傳感器線圈單元的數(shù)量;(ox(k),oy(k))為線圈單元k中心軸線在直角坐標系XOY平面的坐標;r(k)為線圈單元k中心軸線與計算點(x,y,z)之間的距離;sign(I(k))為線圈單元k中的電流方向;A(k)(r(k),z)為線圈單元k點在(r(k),z)處的矢量磁位。

由渦流陣列傳感器產(chǎn)生的總矢量磁位,可以求解場域中傳感器每個線圈單元的阻抗:

(3)

式中:ET(Q,jω)為電場強度[33];φ為點Q∈Vc處電場強度與電流密度的夾角。

2 典型缺陷的電磁響應(yīng)仿真研究

奧氏體不銹鋼承壓設(shè)備典型缺陷包括裂紋、孔蝕等。針對典型缺陷的形貌,采用CIVA軟件對表面開口刻槽和平底孔分別模擬裂紋和孔蝕計算電磁響應(yīng),人工缺陷尺寸如表1所示:工件的厚度為6 mm,材料為304L不銹鋼,電導率為1.39 MS/m,相對磁導率為1;線圈單元為Spiral coil(螺旋線圈)形式,外徑為3.1 mm,高度為0.04 mm,線圈匝數(shù)為25,檢測提離為0.2 mm,工作模式為絕對式,檢測頻率為500 kHz,激勵電流為500 mA。仿真模型如圖1(a)所示,計算結(jié)果如圖1(b)所示。

表1 人工缺陷的尺寸 單位:mm

渦流陣列C掃描成像圖與缺陷形貌相對接近,這是渦流陣列檢測技術(shù)的一大優(yōu)勢,可以通過成像圖直接判單缺陷的類型和相對尺寸。由于實際缺陷的形成和形貌都與人工缺陷有一定的區(qū)別,譬如邊界的方向和平滑度等,這些不同都會影響缺陷成像的結(jié)果,因此還需要借助阻抗圖進行區(qū)分?？滩圩杩箞D多為平直線,完整的單一線圈檢測阻抗圖為細長8字曲線,刻槽深度越深,阻抗幅值越大,刻槽寬度越大,阻抗幅值越大,這兩個因素同時也會導致阻抗相位變大;當刻槽寬度進一步增大,阻抗幅值和相位逐步增大,單一線圈檢測阻抗圖的8字形逐漸變肥大,形成雙環(huán)結(jié)構(gòu),阻抗圖成曲線結(jié)構(gòu)且末端通常會呈現(xiàn)回轉(zhuǎn)現(xiàn)象,與孔形結(jié)構(gòu)阻抗圖相近。因此,在缺陷長寬比較小時,僅僅從C掃描圖難以區(qū)分表面開口裂紋還是孔蝕,需要從阻抗圖上加以區(qū)分。

圖1 典型缺陷的電磁響應(yīng)仿真

3 不同寬度和深度裂紋的渦流信號比對

裂紋的深度和寬度對渦流阻抗圖影響較大,如何通過阻抗圖來評價裂紋的寬度和深度對于渦流檢測意義重大,尤其是裂紋的深度決定了設(shè)備的安全評價的等級。

3.1 304不銹鋼焊縫表面裂紋試塊

由于焊縫的材質(zhì)和形態(tài),選擇了在焊縫中心區(qū)域和熱影響區(qū)分別設(shè)置了5 mm長、1 mm深的刻槽,渦流信號阻抗圖如圖2所示。相同裂紋在焊縫中心區(qū)和熱影響區(qū)的阻抗圖有明顯區(qū)別,阻抗圖形貌性的區(qū)別一方面是因為焊接過程中由于高溫和冷卻過程中導致304不銹鋼材質(zhì)發(fā)生一定的變化,焊縫區(qū)域的材質(zhì)不均勻性較為明顯,導致焊縫中心區(qū)的裂紋阻抗圖線性度下降,8字曲線的圓形部分直徑變大或者不規(guī)則,如圖2(a)所示,熱影響區(qū)相對材質(zhì)變化較小,阻抗圖更接近標準裂紋的8字曲線,如圖2(b)所示。

圖2 304不銹鋼焊接表面裂紋渦流阻抗圖

圖3 304不銹鋼母材裂紋渦流阻抗圖

3.2 304不銹鋼母材表面裂紋試塊

考慮到不銹鋼承壓設(shè)備腐蝕開裂發(fā)生在母材區(qū)域較多,重點設(shè)置了不同深度的母材表面開口裂紋的標準試件,包括長度均為5 mm,深度分別為0.1 mm、0.4 mm、0.7 mm、1 mm的4個刻槽,渦流信號阻抗圖見圖3。不同深度的刻槽阻抗圖在相位上變化不明顯,但在幅值上變化較大,在深度為0.1 mm時,阻抗圖識別較為困難,主要因幅值小,只有調(diào)高增益方能發(fā)現(xiàn),對于現(xiàn)場的實際裂紋深度區(qū)間變化較大的情況下,如何有效發(fā)現(xiàn)不同深度的裂紋對于檢測人員而言存在一定的難度,因此需要補充C掃描圖,提高檢出效率;同時還需要考慮設(shè)置增益時的有效區(qū)間,否則會導致阻抗信號過大無法判斷,譬如圖3(d)中所示,1 mm深刻槽信號無法判讀。因此,在確定了檢測評價要求后,可通過設(shè)定增益確定報警深度,從而達到有效檢出。

4 實際缺陷的應(yīng)用

4.1 裂紋的檢測

奧氏體不銹鋼裂紋主要是由應(yīng)力腐蝕導致的開裂,該類裂紋多表現(xiàn)為深度寬度較窄,裂紋方向與應(yīng)力方向垂直,又分為沿晶和穿晶裂紋。

制造過程中的機加工、裝配、焊接等原因?qū)е職堄鄳?yīng)力的存在,在腐蝕介質(zhì)的共同作用下,形成應(yīng)力腐蝕開裂,應(yīng)力腐蝕開裂多發(fā)生在熱影響區(qū)、材料形變或者外力損傷區(qū)域。應(yīng)力腐蝕開裂的成因較多,形成過程也較為復雜,但多表現(xiàn)為穿透式裂紋、開口小切形狀不平直,如圖4所示。

從圖4中可知,應(yīng)力腐蝕裂紋的相位走向基本一致,因深度不同引起的相位差別較小,引起的幅值差別較大,因此還可通過阻抗圖幅值可以評價裂紋深度。

圖4 不同深度的應(yīng)力腐蝕開裂渦流信號

圖5 孔蝕及其阻抗圖

4.2 腐蝕坑的檢測

點狀腐蝕是304不銹鋼常見的缺陷之一,多呈現(xiàn)為有一定直徑的圓形腐蝕坑/孔。如圖5(a)所示,圖5(b)為圓形缺陷的阻抗圖。由圖3(b)可知,點/孔蝕與裂紋的阻抗圖相比,阻抗相位相對較大,但幅值較低,且在幅值最大處有明顯的回轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

5 基于渦流檢測技術(shù)的缺陷判別方法

渦流檢測方法難以對缺陷進行準確定性和量化,不能對缺陷進行準確定性,但不同缺陷的渦流阻抗圖和信號特征有各具特點,可以簡單的通過阻抗相位和幅值進行區(qū)分,尤其是通過建立阻抗圖形貌與缺陷類型的對應(yīng)關(guān)系,可以作為缺陷類型的重要判斷方法,再輔以C掃描圖可以更加容易判斷出缺陷的類型、形貌和尺度范圍;此外,相位和幅度可以用來評價同類缺陷的深度、寬度,對于缺陷的安全評價具有重要的意義。

6 總結(jié)

本文借助于CIVA仿真軟件,開展了典型缺陷的電磁響應(yīng)特征研究。仿真結(jié)果表明,裂紋的寬度會讓阻抗幅值和相位增大,裂紋的深度對阻抗幅值的影響更大;平底孔的阻抗圖彎曲度較大且末端通常會呈現(xiàn)回轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

通過典型缺陷的阻抗特征的研究,總結(jié)了渦流檢測缺陷的判別參數(shù)是阻抗圖形狀、阻抗幅值和阻抗相位,且同類型缺陷因深度和寬度的不同導致阻抗圖在相位和幅值上存在一定的變化,但不影響其阻抗圖的形貌性;若要更準確的判斷,需補充渦流檢測的C掃描圖像,可更明確缺陷的形貌、表型尺寸和范圍。