新型換熱器管板密封焊渦流檢測(cè)技術(shù)

(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司, 蘇州 215021)

渦流檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于焊縫的檢測(cè)中，歐洲、美國(guó)和國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫的渦流檢測(cè)已經(jīng)有了明確的規(guī)定。實(shí)踐證明，多頻渦流檢測(cè)是焊縫檢測(cè)的快速有效的無損檢測(cè)方法[1-3]。由于焊縫及其熱影響區(qū)電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的不均勻以及表面狀態(tài)的不均勻會(huì)帶來探頭耦合的不均勻，所以焊縫渦流檢測(cè)的本底噪聲較大，信噪比較低。

工業(yè)領(lǐng)域常用的換熱器是熱量交換的設(shè)備，也是壓力邊界，而承擔(dān)壓力邊界的具體部件是管板和傳熱管。密封焊的焊接質(zhì)量直接影響壓力邊界的隔離效果。以核電站核心換熱器蒸汽發(fā)生器為例，國(guó)內(nèi)外在核電站生產(chǎn)和建造過程中，曾多次出現(xiàn)蒸汽發(fā)生器在制造和安裝階段的二回路水壓試驗(yàn)期間，其管板密封焊發(fā)生泄漏的安全事件。由于泄漏事件發(fā)生于機(jī)組的安裝后期，缺陷排查與返修工作不僅嚴(yán)重影響機(jī)組冷試關(guān)鍵路徑，而且投入了大量的資金和人力。因此，對(duì)管板密封焊進(jìn)行有效地?zé)o損檢測(cè)可以降低換熱器的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

筆者針對(duì)核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管與管板結(jié)合密封焊的渦流檢測(cè)，設(shè)計(jì)了專用的旋轉(zhuǎn)探頭和不同型號(hào)的檢測(cè)裝置。獨(dú)特的線圈類型選擇和柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能最大程度上減小噪聲和提高信噪比。筆者對(duì)檢測(cè)工藝做了系統(tǒng)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，渦流檢測(cè)可用于在役或制造期間蒸汽發(fā)生器傳熱管管板密封焊表面和近表面的缺陷檢測(cè)。

以CPR1000機(jī)組為例，蒸汽發(fā)生器傳熱管管板密封焊焊接方法通常為不填絲自動(dòng)氬弧焊，焊接時(shí)管子與管板邊沿平齊，傳熱管材料為NC30Fe，管板基體材料為18MND5低合金鋼，堆焊層材料為600型鎳基合金。焊接后管板及管板密封焊結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其中，傳熱管厚度為1.09 mm，焊縫的實(shí)際厚度一般小于1.5 mm。

管板密封焊常見的焊接缺陷包括：裂紋、氣孔、根部夾雜、焊縫夾雜、夾鎢、根部未熔合、熔合線偏移、根部不連續(xù)及其他類型的缺陷。

圖1 焊接后管板及管板密封焊結(jié)構(gòu)示意(10倍放大)

1 檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 檢測(cè)方案

渦流檢測(cè)系統(tǒng)由多頻多通道渦流儀、數(shù)據(jù)采集/分析軟件、檢測(cè)探頭、機(jī)械裝置和控制系統(tǒng)組成[4-6]。

渦流探頭由兩個(gè)差分連接的正交線圈探頭構(gòu)成，可以降低噪聲信號(hào)的影響，提高渦流信號(hào)的信噪比。渦流探頭與機(jī)械裝置連接接頭采用即插式快速接頭設(shè)計(jì)，保障了更換探頭的便捷性，只要更換不同規(guī)格探頭就可以滿足不同型號(hào)、不同規(guī)格管板密封焊的檢測(cè)要求。兩個(gè)正交線圈圓周方向呈90°分布，分別檢測(cè)端面和內(nèi)部側(cè)面。

檢測(cè)探頭線圈采用正交線圈，線圈寬度為3 mm，線圈連接方式為差分式連接。該型號(hào)探頭的兩個(gè)線圈分別對(duì)兩個(gè)垂直方向的線性顯示的靈敏度高，對(duì)線性缺陷方向的判斷能力強(qiáng)。探頭有兩個(gè)正交線圈分別位于焊縫內(nèi)側(cè)和外側(cè)。探頭上裝有磁芯，用于磁阻式指示燈。正交線圈和探頭設(shè)計(jì)示意如圖2所示。

機(jī)械裝置彈性機(jī)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)，為探頭與焊縫接觸提供了柔性連接，確保探頭與焊縫貼合穩(wěn)定，降低提離噪聲。

圖2 正交線圈和探頭設(shè)計(jì)示意

探頭配有磁阻式光電傳感器，探頭旋轉(zhuǎn)一周，傳感器自動(dòng)報(bào)警。方便渦流檢測(cè)人員對(duì)探頭旋轉(zhuǎn)角度的識(shí)別。

1.2 機(jī)械裝置

為了滿足不同現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件和檢測(cè)對(duì)象的要求，設(shè)計(jì)制造了3個(gè)型號(hào)的檢測(cè)裝置。型號(hào)1為單探頭手持式檢測(cè)裝置，單探頭手持式檢測(cè)裝置及其控制箱外觀如圖3所示；型號(hào)2為雙探頭手持式檢測(cè)裝置，雙探頭手持式檢測(cè)裝置及其控制箱外觀如圖4所示；型號(hào)3為自動(dòng)掃查裝置，自動(dòng)掃查裝置及其控制箱外觀如圖5所示。

圖3 單探頭手持式檢測(cè)裝置及其控制箱外觀

圖4 雙探頭手持式檢測(cè)裝置及其控制箱外觀

圖5 自動(dòng)掃查裝置及其控制箱外觀

單探頭手持式檢測(cè)裝置是為人工檢測(cè)設(shè)計(jì)的，適用于人可以達(dá)到的檢測(cè)區(qū)域。由于只有一個(gè)探頭且探頭可以更換規(guī)格，裝置使用靈活，適用于核電站蒸汽發(fā)生器和其他類型換熱器傳熱管管板密封焊的渦流檢測(cè)，也適用于其他工業(yè)領(lǐng)域換熱器和壓力容器管與管板連接焊縫的檢查。

雙探頭手持式檢測(cè)裝置根據(jù)CPR1000核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器管板密封焊的規(guī)格設(shè)計(jì)，人工檢測(cè)效率比單探頭手持式檢測(cè)裝置的檢測(cè)效率提高了1倍。

手動(dòng)采集裝置的特點(diǎn)為：

(1) 最大轉(zhuǎn)速為720°·s-1，速度可調(diào)；探頭帶有磁性接近開關(guān)，探頭旋轉(zhuǎn)一周指示燈會(huì)閃亮，提示采集人員信號(hào)采集完整。

(2) 探頭采用即插式設(shè)計(jì)，更換方便，適用于各種類型和規(guī)格的蒸汽發(fā)生器管板密封焊。

(3) 彈性機(jī)構(gòu)能保障探頭與密封焊的良好貼合，具有良好的提離噪聲控制功效。

(4) 適用性強(qiáng)，可更改探頭楔塊的規(guī)格，適用于不同規(guī)格密封焊的檢測(cè)。

自動(dòng)檢測(cè)裝置也為單探頭檢測(cè)裝置，是專門為有核輻射或者處于其他危險(xiǎn)環(huán)境下，人工不能靠近的區(qū)域或者檢測(cè)數(shù)量龐大、自動(dòng)化檢測(cè)需求高的檢測(cè)項(xiàng)目而設(shè)計(jì)的。例如，核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管管板密封焊的制造期間，檢測(cè)數(shù)量龐大；在役檢測(cè)期間，蒸汽發(fā)生器一次側(cè)水室屬于高輻射環(huán)境，人員不能長(zhǎng)時(shí)間停留。自動(dòng)化檢測(cè)裝置通過合適的機(jī)構(gòu)搭載在管板爬行定位機(jī)器人上，通過爬行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)管口的自動(dòng)定位和檢測(cè)。

自動(dòng)采集裝置是在手持式檢測(cè)裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了氣動(dòng)探頭升降機(jī)構(gòu)，控制探頭的進(jìn)出管口；裝置增加了專門搭載在管板定位爬行器上的固定連接機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用滑軌設(shè)計(jì)，可以適用于不同型號(hào)管板定位爬行器的尺寸要求；裝置設(shè)計(jì)了專用的控制軟件，該軟件除了具備探頭旋轉(zhuǎn)和升降控制功能外，還具備采集計(jì)劃編輯和采集狀態(tài)管理功能。

1.3 單探頭手持式檢測(cè)裝置

單探頭手持式渦流檢測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)包括：檢測(cè)探頭、控制開關(guān)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和探頭保護(hù)套組件等。單探頭手持式檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 單探頭手持式檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意

單探頭手持式渦流檢測(cè)裝置傳動(dòng)工作過程為：按動(dòng)控制開關(guān)，電機(jī)啟動(dòng)，通過電機(jī)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳輸?shù)絺鲃?dòng)套筒。傳動(dòng)套筒將動(dòng)力傳輸?shù)脚c之固定連接的滾珠導(dǎo)向軸，從而帶動(dòng)與之固定連接的探頭接頭旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)渦流探頭隨之旋轉(zhuǎn)。

實(shí)際工作時(shí)握住手柄，將渦流探頭插入待檢傳熱管中，向前推動(dòng)渦流探頭使得保護(hù)套的平面與管板對(duì)齊。由于滾珠導(dǎo)向軸與電機(jī)傳動(dòng)軸之間存在彈簧，渦流探頭沿著滾珠導(dǎo)向軸向內(nèi)壓縮，彈簧因?yàn)閺椥孕巫儺a(chǎn)生彈力，從而保證了渦流探頭與管板密封焊焊縫在檢測(cè)過程中柔性貼合。渦流探頭在旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)內(nèi)部的磁鐵與探頭保護(hù)套上的霍爾接近開關(guān)重合時(shí)，霍爾接近開關(guān)的紅燈就會(huì)亮起。當(dāng)再次亮起時(shí)，就說明渦流探頭在傳熱管里旋轉(zhuǎn)了一周。方便操作人員及時(shí)知道是否檢測(cè)完成。

2 系統(tǒng)測(cè)試及測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝配完成后，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)做了功能測(cè)試試驗(yàn)，主要包括以下內(nèi)容：

(1) 系統(tǒng)功能測(cè)試。手持式渦流檢測(cè)裝置包括：驅(qū)動(dòng)及控制箱、探頭旋轉(zhuǎn)功能、視頻檢測(cè)測(cè)試、信號(hào)燈功能測(cè)試、開關(guān)性能、信號(hào)傳輸及控制驅(qū)動(dòng)線纜接線定義、柔性貼合性能測(cè)試等。自動(dòng)渦流檢測(cè)裝置包括：驅(qū)動(dòng)及控制箱、探頭旋轉(zhuǎn)功能、探頭升降功能、鎖緊功能測(cè)試、視頻檢測(cè)測(cè)試、信號(hào)燈功能測(cè)試、開關(guān)性能、氣管密閉性能、信號(hào)傳輸及控制驅(qū)動(dòng)線纜接線定義、柔性貼合性能測(cè)試等。

(2) 自動(dòng)渦流檢測(cè)裝置控制軟件性能測(cè)試。包括：管板制作、采集計(jì)劃和采集狀態(tài)顯示、探頭轉(zhuǎn)速控制、重復(fù)定位精度測(cè)試、采集狀態(tài)信號(hào)燈功能測(cè)試等。

(3) 渦流信號(hào)測(cè)試。包括靈敏度和分辨力測(cè)試、信噪比測(cè)試等。

渦流儀測(cè)試系統(tǒng)的功能及組成如下所述。

(1) 多頻多通道渦流儀：西班牙TECNATOM生產(chǎn)的多頻多通道渦流儀ETbox-8i，該型號(hào)渦流儀廣泛應(yīng)用于核電站渦流檢測(cè)領(lǐng)域，支持BOBBIN探頭、旋轉(zhuǎn)探頭和陣列探頭。

(2) 數(shù)據(jù)采集/分析軟件：配套的數(shù)據(jù)采集軟件為Teddy ACQ 4.0，數(shù)據(jù)分析軟件為Teddy EVA 4.0。

(3) 渦流探頭適配器：自主設(shè)計(jì)了配套的渦流探頭適配器，該適配器最大支持4個(gè)“+”字線圈。

設(shè)計(jì)了測(cè)試平臺(tái)和試塊。測(cè)試試塊的缺陷分別為周向人工槽和平底孔，分別模擬裂紋和體積型缺陷。人工缺陷采用電火花加工，缺陷制造公差不超過±0.01 mm。人工槽的長(zhǎng)度均為5 mm，寬度×深度分別為0.1 mm×0.5 mm，0.2 mm×0.5 mm，0.2 mm×1.0 mm，0.2 mm×2.0 mm。平底孔直徑為1 mm，深度為1 mm。5個(gè)測(cè)試密封焊中，每個(gè)密封焊上有兩個(gè)相同的缺陷，呈180°分布，分別位于焊縫端面和焊縫內(nèi)側(cè)。試塊外觀如圖7所示。

圖7 試塊外觀

選擇最佳頻率的基本原則為渦流缺陷信號(hào)幅值響應(yīng)高，信噪比好。測(cè)試頻率范圍為20 kHz～800 kHz，經(jīng)過測(cè)試，在200 kHz～400 kHz頻率范圍內(nèi)，渦流信號(hào)噪聲小，信噪比高，缺陷信號(hào)響應(yīng)幅值高，信號(hào)響應(yīng)穩(wěn)定。因此,檢測(cè)頻率選擇為300 kHz。信號(hào)標(biāo)定時(shí)調(diào)整相位角，將0.2 mm×1.0 mm×5 mm(寬度×深度×長(zhǎng)度)人工槽信號(hào)噪聲調(diào)為水平且缺陷信號(hào)位于李莎茹圖上方，顯示幅度為滿屏的150%(見圖8)。圖中左側(cè)長(zhǎng)條圖和李莎茹圖為密封焊端面中心處缺陷，右側(cè)長(zhǎng)條圖和李莎茹圖為密封焊內(nèi)側(cè)缺陷。由于每個(gè)密封焊上兩個(gè)缺陷呈180°分布，兩個(gè)正交線圈圓周方向呈90°分布，因此在圖8中,從1和2兩條標(biāo)示線可以看出，兩個(gè)缺陷渦流信號(hào)有旋轉(zhuǎn)90°的時(shí)間差。φ1 mm平底孔缺陷信號(hào)如圖9所示。最小的0.1 mm×0.5 mm×5 mm人工槽型缺陷信號(hào)如圖10所示。

圖8 0.2 mm×1.0 mm×5 mm人工槽渦流檢測(cè)信號(hào)

圖9 φ1 mm平底孔缺陷信號(hào)

圖10 0.1 mm×0.5 mm×5 mm人工槽型缺陷信號(hào)

圖10中信號(hào)是測(cè)試過程中出現(xiàn)的典型信號(hào)，左側(cè)長(zhǎng)條圖和李莎茹圖為密封焊端面中心處缺陷，右側(cè)長(zhǎng)條圖和李莎茹圖為密封焊內(nèi)側(cè)缺陷。圖10中圓形圈住部分即為缺陷信號(hào),從圖10中左側(cè)李莎茹圖可以看出，渦流信號(hào)形成一個(gè)完整的閉合曲線，該閉合曲線為探頭在手持操作時(shí)，探頭與密封焊端面不能完全正向貼合而導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)過程中的典型提離噪聲信號(hào)，數(shù)據(jù)分析時(shí)將該信號(hào)作為本底信號(hào)。由于在信號(hào)標(biāo)定時(shí)，將標(biāo)定信號(hào)調(diào)整到了李莎茹圖上方，所以存在缺陷時(shí)會(huì)在缺陷信號(hào)上形成向上的突變。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的管板密封焊渦流檢測(cè)裝置渦流信號(hào)響應(yīng)良好，信噪比高。

3 結(jié)語

筆者所在公司開發(fā)了核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管-管板密封焊渦流檢測(cè)裝置，初步研究測(cè)試表明，通過柔性連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該裝置實(shí)現(xiàn)了渦流探頭與管板密封焊間的自適應(yīng)配合，提離噪聲小，檢測(cè)靈敏度高；信號(hào)穩(wěn)定性好，重復(fù)性好。在此設(shè)備開發(fā)的基礎(chǔ)上闡述了核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管-管板密封焊渦流檢測(cè)缺陷信號(hào)、噪聲信號(hào)形成的原因和規(guī)律，可以作為將來實(shí)際檢測(cè)時(shí)缺陷判斷的對(duì)比依據(jù)。闡述的檢測(cè)技術(shù)未使用濾波技術(shù)，由于提離噪聲信號(hào)特征單一，所以未來在此基礎(chǔ)上使用信號(hào)濾波技術(shù)會(huì)極大地提高信噪比。