鈦管渦流檢測(cè)的頻率選擇及其汽蝕減薄缺陷的定量

(1.核動(dòng)力運(yùn)行研究所，武漢 430223；2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223；3.大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，深圳 518124)

核電站運(yùn)行時(shí)，二回路的高溫高壓蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)發(fā)電機(jī)做功后，乏蒸汽將在凝汽器中迅速冷凝成水，從而在原來(lái)被蒸汽充滿的凝汽器封閉空間中形成真空，以提高機(jī)組的循環(huán)熱效率。凝汽器工作時(shí)，冷卻水(海水)由一定速度和壓力流經(jīng)三回路(水側(cè))，通過(guò)鈦管管壁的熱傳導(dǎo)帶走二次側(cè)(汽側(cè))的熱量，將二次側(cè)乏蒸汽凝結(jié)成水后流向凝汽器底部，凝結(jié)水通過(guò)凝結(jié)水泵送往除氧器方向，作為給水循環(huán)使用。由于凝汽器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝制造工藝以及工作環(huán)境惡劣等因素的影響，鈦管會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，如：振動(dòng)損壞、應(yīng)力腐蝕、凝結(jié)水腐蝕、氣流沖蝕等[1]。為了保證核電站的安全可靠運(yùn)行，每次大修時(shí)都會(huì)對(duì)凝汽器鈦管進(jìn)行渦流檢測(cè)。在役檢查期間，渦流檢測(cè)不僅能對(duì)缺陷進(jìn)行定量測(cè)量，還可以對(duì)已有缺陷的發(fā)展做出預(yù)估，給鈦管的預(yù)防性堵管提供參考。

檢測(cè)頻率是渦流檢測(cè)時(shí)最重要的參數(shù)，選取合適的檢測(cè)頻率可以提高渦流檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。缺陷定量時(shí)選擇的測(cè)量方法也極為重要，不合適的測(cè)量方法會(huì)導(dǎo)致誤判甚至漏檢，從而帶來(lái)安全隱患。因此，如何選取更適合的檢測(cè)頻率和更精確的缺陷測(cè)量方法，是研究的主要目的。

1 檢測(cè)頻率

在役檢測(cè)時(shí)，選取最佳的檢測(cè)頻率，能提高渦流檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性。選取渦流檢測(cè)頻率時(shí)，既要提高頻率以提高檢測(cè)靈敏度，又要保證一定的滲透深度(鈦管壁厚)。若薄壁管完全填充檢測(cè)線圈，即η=1，則內(nèi)穿過(guò)式線圈渦流檢測(cè)的特征頻率fg為[2]

圖2 ASME標(biāo)定管結(jié)構(gòu)示意

(1)

式中：μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率；di為管材內(nèi)徑；W為管材壁厚。

特征頻率并不是工程應(yīng)用中的實(shí)際渦流檢測(cè)頻率，而是作為選取檢測(cè)頻率時(shí)的理論參考值，最終檢測(cè)頻率還需通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。檢測(cè)頻率f一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式f=3ρ/T2或f=10ρ/T2計(jì)算得到，其中電阻率ρ=1/σ，T為壁厚[3]。

以25 mm×0.5 mm規(guī)格(外徑×壁厚)的試驗(yàn)鈦管為例，將試管對(duì)應(yīng)的各種參數(shù)代入上式，試管的特征頻率以及經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)應(yīng)的檢測(cè)頻率為fg=23.5 kHz。

在渦流檢測(cè)過(guò)程中，f/fg值的范圍為5～150，即117 kHz～3 525 kHz的頻率范圍具有實(shí)用意義。從結(jié)果可以看出，在上述特征頻率范圍內(nèi)很難選擇檢測(cè)頻率，且實(shí)際檢測(cè)中由于填充系數(shù)η不為1，頻率選擇時(shí)需要在對(duì)應(yīng)填充系數(shù)的阻抗變化曲線上選取合適的頻率比，以獲得理論的檢測(cè)頻率。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得的2個(gè)頻率約為667 kHz和1 390 kHz，其主要差異在于對(duì)應(yīng)ASME標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)準(zhǔn)樣管上的通孔和20%平底孔間的相位差值不同。根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)第五卷渦流檢測(cè)部分《已安裝好的換熱器非鐵磁性管材的渦流檢測(cè)》關(guān)于檢測(cè)頻率的描述，選定基本頻率(主檢測(cè)頻率)時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)樣管上使4個(gè)20%壁厚平底孔和100%穿透壁厚的通孔所獲得的響應(yīng)信號(hào)具有 50°～120°之間的相位角差。4個(gè)20%平底孔和100%通孔信號(hào)的相位差示意如圖1所示。具體檢測(cè)頻率的選擇和差異將根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)一步分析。

圖1 4個(gè)20%平底孔和100%通孔信號(hào)的相位差示意

2 鈦管渦流檢測(cè)頻率試驗(yàn)測(cè)定

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)使用的軟件及硬件設(shè)備為：CEDDY采集分析軟件；計(jì)算機(jī)(Win7系統(tǒng))；OMNI-200R渦流儀和BOBBIN探頭(線圈直徑為22.6 mm)；鈦管(外徑×壁厚為25 mm×0.5 mm)。

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并參照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的檢測(cè)頻率，以及按照上述ASME頻率的選取原則，選取一組從600 kHz逐步提高到1 200 kHz的頻率。在標(biāo)定管上測(cè)試4個(gè)20%平底孔和100%通孔響應(yīng)信號(hào)之間的相位差。ASME標(biāo)定管與減薄標(biāo)定管結(jié)構(gòu)示意如圖2，3所示，標(biāo)定管各缺陷參數(shù)如表1，2所示。

測(cè)試時(shí)，將100%通孔信號(hào)相位調(diào)至40°，不同頻率時(shí)，對(duì)應(yīng)的4個(gè)20%平底孔和單個(gè)100%通孔響應(yīng)信號(hào)之間的相位差見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，頻率從600 kHz到1 200 kHz，4個(gè)20%平底孔和100%通孔響應(yīng)信號(hào)的相位差在71°～114°之間，均滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)相位差(50°～120°)的要求。

選取其中5個(gè)頻率(600，666，800，900，1 000 kHz)，分別做出其在主頻差分通道的“相位-傷深”曲線，其中666 kHz和1 000 kHz的“相位-傷深”曲線如圖4，5所示。并且，在表4中列出5種頻率下的“相位-傷深”曲線中1%，10%，20%和40%壁厚外壁缺陷分別對(duì)應(yīng)的相位。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

由圖4，5和表4可知，頻率從600 kHz～1 000 kHz

圖5 1 000 kHz的“相位-傷深”曲線

缺陷深度(占壁厚百分比)/%不同頻率對(duì)應(yīng)的相位/(°)600 kHz666 kHz800 kHz900 kHz1 000 kHz10040404040404010010711612212820111120128136143101151251331411491119130137146154

的渦流信號(hào)雖然都滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)要求，但是隨著檢測(cè)頻率的提高，“相位-傷深”曲線外傷部分(相位角大于40°部分)變得更加平緩。這樣，當(dāng)渦流探頭在管子中檢測(cè)時(shí)，由于探頭擺動(dòng)會(huì)引起相位角變化，使用“相位-傷深”曲線對(duì)外壁傷深定量的誤差會(huì)更小。

以上述5個(gè)頻率為主頻，80 kHz為輔頻，對(duì)主頻幅值進(jìn)行歸一化。666 kHz和1 000 kHz兩種主頻對(duì)應(yīng)的80 kHz絕對(duì)通道“幅值-傷深”曲線如圖6，7所示。

由圖6，7可知，輔助定位及外壁減薄通道的頻率同為80 kHz，但是對(duì)應(yīng)的主頻不同，歸一化后的幅值響應(yīng)也不同。當(dāng)使用深度為20%和40%的缺陷畫(huà)“相位-傷深”曲線時(shí)，666 kHz主頻對(duì)應(yīng)的輔頻(80 kHz)通道的“幅值-傷深”曲線的幅值顯示范圍為0～11.61 V；而1 000 kHz主頻對(duì)應(yīng)的輔頻(80 kHz)的幅值顯示范圍為0～39.56 V。由此可見(jiàn)，1 000 kHz頻率對(duì)應(yīng)輔頻通道的“幅值-傷深”曲線更加平緩(幅值范圍更寬)，在外壁減薄顯示定量時(shí)的誤差也會(huì)更小。

圖6 666 kHz對(duì)應(yīng)的“幅值-傷深”曲線

圖7 1 000 kHz對(duì)應(yīng)的“幅值-傷深”曲線

3 對(duì)缺陷管的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

由于凝汽器鈦管主要的缺陷為凹陷(顯示代碼為DENT)，凹陷的相位角一般在180°左右，但是在支撐板處，超薄壁鈦管如果出現(xiàn)凹陷，相位角有可能在165°～195°之間。選取檢測(cè)頻率時(shí)，主頻通道的“相位-傷深”曲線的1%傷深相位一般不超過(guò)160°。選取666 kHz和1 000 kHz作為試驗(yàn)對(duì)比頻率。

選取10根有顯示的管子，分別設(shè)置不同頻率進(jìn)行渦流檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，當(dāng)檢測(cè)頻率提高時(shí)(滲透深度滿足鈦管壁厚)，渦流信號(hào)幅值也會(huì)隨之增大。這是因?yàn)殡S著頻率的提高，渦流檢測(cè)靈敏度增大，檢測(cè)時(shí)表現(xiàn)為渦流響應(yīng)信號(hào)幅值增大，數(shù)據(jù)分析時(shí)細(xì)小的缺陷更易觀察，可避免漏檢。

對(duì)于“幅值-傷深”判傷，由表5中管號(hào)為(95,38)和(95,37)的兩根管子的檢測(cè)結(jié)果可知，兩種檢測(cè)主頻下，使用“幅值-傷深”曲線檢測(cè)得到的材料的壁厚損失基本一致。

表5 兩組頻率的渦流檢測(cè)結(jié)果

4 鈦管減薄的在役定量檢測(cè)

凝汽器鈦管在役渦流檢測(cè)時(shí)，除了非壁厚損失類缺陷凹陷外，壁厚損失類缺陷主要有汽蝕減薄、應(yīng)力腐蝕缺陷和凝結(jié)水腐蝕缺陷。汽蝕減薄缺陷主要發(fā)生在凝汽器上部及周圍2層管子上。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的

圖10 外壁減薄試管結(jié)構(gòu)示意

汽蝕減薄缺陷一般比較長(zhǎng)，長(zhǎng)度從幾厘米到幾百厘米(跨越幾個(gè)支撐板)不等。腐蝕缺陷的分布則和凝汽器的設(shè)計(jì)及安裝狀態(tài)有關(guān)，沒(méi)有規(guī)律性。上述缺陷都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是壁厚損失都是從外壁開(kāi)始，并逐步向內(nèi)表面擴(kuò)展的。鈦管汽蝕減薄缺陷外觀及其渦流檢測(cè)信號(hào)如圖8，9所示。

圖8 鈦管汽蝕減薄缺陷外觀

圖9 鈦管汽蝕減薄信號(hào)

為對(duì)鈦管汽蝕減薄缺陷進(jìn)行精確定量檢測(cè)，設(shè)計(jì)了如圖10所示的試管。因?yàn)殁伖芷g減薄主要發(fā)生在周邊的管子上，故試驗(yàn)時(shí)選取周邊規(guī)格(外徑×壁厚)為25 mm×0.7 mm的厚壁管。試管模擬缺陷傷深和實(shí)際計(jì)量傷深見(jiàn)表6。試驗(yàn)時(shí)使用的BOBBIN探頭線圈直徑為22.1 mm，線圈寬度為4.5 mm，試驗(yàn)頻率分別為550，300，150，80 kHz。

表6 試管模擬缺陷傷深和實(shí)際計(jì)量傷深

使用上述頻率對(duì)試管進(jìn)行渦流檢測(cè)，對(duì)試管模擬缺陷分別在550 kHz差分通道和80 kHz絕對(duì)通道進(jìn)行測(cè)量。圖11為缺陷軸向長(zhǎng)度為13.5 mm，計(jì)量傷深為41%的缺陷信號(hào)。由圖11可見(jiàn)，在缺陷軸向長(zhǎng)度較短時(shí)，高頻差分通道的“相位判傷法”對(duì)缺陷深度的定量更準(zhǔn)確一些。由表6中軸向長(zhǎng)度為4.5，9 mm的缺陷測(cè)量百分比傷深也符合這一規(guī)律。

圖11 缺陷軸向長(zhǎng)度為13.5 mm，計(jì)量傷深為41%的缺陷信號(hào)

圖12 缺陷軸向長(zhǎng)度為49.5 mm，計(jì)量傷深為16%的缺陷信號(hào)

圖12為缺陷軸向長(zhǎng)度為49.5 mm、計(jì)量傷深為16%的缺陷信號(hào)。當(dāng)缺陷軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，低頻絕對(duì)通道的“幅值判傷法”對(duì)缺陷的定量更準(zhǔn)確一些。表6中軸向長(zhǎng)度為54 mm、計(jì)量深度分別為16%和42%的缺陷，在高頻差分通道的相位判傷意義不大。但是，低頻通道的“幅值判傷法”測(cè)量的缺陷深度都接近實(shí)際計(jì)量傷深。由表6可以看出，大部分長(zhǎng)缺陷在高頻差分通道和低頻絕對(duì)通道都存在渦流信號(hào)顯示。這是因?yàn)樵嚬苣M人工缺陷存在明顯的加工邊界，而實(shí)際檢測(cè)時(shí)遇到的缺陷不一定存在明顯的邊界，故當(dāng)缺陷較長(zhǎng)時(shí)，在差分通道不一定有顯示，而在絕對(duì)通道可以看到顯示。

實(shí)際在役檢測(cè)時(shí)，可以根據(jù)式(2)近似計(jì)算缺陷的軸向長(zhǎng)度。設(shè)渦流采樣率為K，數(shù)據(jù)記錄速度為V，管子信號(hào)每毫米的數(shù)據(jù)點(diǎn)為N，缺陷包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)為M。則缺陷長(zhǎng)度L為

L=M/N=MV/K

(2)

計(jì)算出缺陷的長(zhǎng)度后，可以根據(jù)缺陷的長(zhǎng)度來(lái)確定使用何種判傷方法對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)量。

5 結(jié)語(yǔ)

渦流檢測(cè)是在役監(jiān)測(cè)凝汽器鈦管質(zhì)量的比較可靠、經(jīng)濟(jì)可行的無(wú)損檢測(cè)方法。在設(shè)備、檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)人員都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)，可以提高渦流檢測(cè)的靈敏度。隨著檢測(cè)頻率的提高，雖然渦流信號(hào)幅值有所增大，但是對(duì)于存在鈦管壁厚材料損失的缺陷(危險(xiǎn)性缺陷)，檢測(cè)結(jié)果基本是一致的。同時(shí)，渦流信號(hào)幅值增大更有利于數(shù)據(jù)分析人員對(duì)渦流信號(hào)的觀察及判定。

在缺陷測(cè)量時(shí)，當(dāng)缺陷軸向長(zhǎng)度小于3倍檢測(cè)線圈寬度時(shí)，高頻差分通道測(cè)量的缺陷百分比傷深更接近缺陷的實(shí)際計(jì)量傷深。當(dāng)缺陷軸向長(zhǎng)度介于線圈寬度的3～10倍，以及低頻絕對(duì)通道存在顯示而高頻差分通道無(wú)傷深顯示時(shí)，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)為低頻絕對(duì)通道的結(jié)果；當(dāng)高頻差分通道和低頻絕對(duì)通道都存在顯示時(shí)，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)為傷深較大的顯示。而當(dāng)缺陷軸向長(zhǎng)度大于10倍的線圈寬度時(shí)，低頻絕對(duì)通道測(cè)量的缺陷百分比傷深更接近缺陷的實(shí)際計(jì)量傷深。