收發(fā)式X型渦流檢測探頭在壓力容器頂蓋焊縫檢測中的運用

王冬冬，曾啟暢，郭 韻，曹 剛

(國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海200233)

反應(yīng)堆壓力容器作為無法更換的核島主設(shè)備，對無損檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性都有很高的要求。由于渦流檢測方法可以采用非接觸式探頭進(jìn)行掃查，且對于表面和近表面均具有很高的檢測靈敏度，相比其他表面檢測方法(滲透、磁粉)，具有易于實現(xiàn)自動化、檢測靈敏度高、兼顧近表面缺陷等優(yōu)點，是在役檢查中一種非常高效的檢測方法。在三代核電站反應(yīng)堆壓力容器在役表面檢測中，渦流主要檢測對象有CRDM接管安全端焊縫、頂蓋貫穿件內(nèi)壁、頂蓋貫穿件J焊縫等。ASME規(guī)范XI卷IWA-3300《缺陷特征標(biāo)注》《非強制性附錄O-2000缺陷分析模型》、IWB-3660分卷 《壓水堆反應(yīng)堆容器封頭貫穿接管的評定規(guī)程和驗收準(zhǔn)則》、ASME Code Case N-729-1《Alternative Examination Requirements for PWR Reactor Vessel Upper Heads With Nozzles Having Pressure-Retaining Partial-Penetration Welds》中對于缺陷信號的特征、分析、驗收等要求主要有以下幾點：(1)對于容器焊縫，部分貫穿接管中任何線狀表面缺陷都不可接受[1]。所以對于缺陷要能夠?qū)ζ涠ㄐ?，即區(qū)分為圓型顯示還是線性顯示；(2)要求缺陷應(yīng)向兩個軸向和環(huán)向投影，且對每個方向進(jìn)行評定[1]。即檢測方法要能區(qū)分缺陷的方向；(3)若合適，要盡量區(qū)分表面缺陷還是深埋缺陷[1]； (4)在接管中相交軸向和環(huán)向缺陷是不可接受的[1]。即要能分辨相交型缺陷；(5)缺陷特征描述中將缺陷分為復(fù)合缺陷和單個缺陷[1]。即我們要了解整個檢測系統(tǒng)對相鄰缺陷的分辨能力；(6)明確要求檢測方法能夠探傷和定量。即能夠測量缺陷的長度、寬度和深度。深度測量可以通過超聲進(jìn)行。所以渦流檢測部分對于定量要重點研究其長度的測量方式和精度。

鑒于這些要求，我們自主研發(fā)了一款收發(fā)式X型渦流探頭。采用收發(fā)模式能有效減少探頭在表面運動過程中探頭提離對檢測效果的影響，采用雙線圈X形布置，在保證檢測效果的同時還能辨別缺陷方向，并對周向及軸向缺陷具有最大靈敏度，此外還能提供缺陷形態(tài)方面的信息。充分了解其檢測原理，并研究其檢測性能有助于提高其在實際檢測中的運用，并對可能產(chǎn)生的缺陷信號做出更好的辨別。

檢測性能研究主要從以下幾方面著手：(1)缺陷定性，包含區(qū)分表面缺陷或近表面缺陷、缺陷方向、相交缺陷等；(2)表面開口缺陷和近表面缺陷檢測靈敏度；(3)不同長度、不同方向的線性顯示的長度測量；(4)相鄰缺陷的分辨能力； (5)不同提離下信號的響應(yīng)變化。

1 收發(fā)式X型探頭檢測原理

X型點探頭由兩個相互垂直的線圈組成，線圈的結(jié)構(gòu)及參數(shù)經(jīng)過詳細(xì)的計算和優(yōu)化，激勵線圈與接受線圈以X型安裝于探頭上，兩線圈與掃查軸呈45°分布，檢測模式采用發(fā)射-接收(T-R)工作模式，如圖1所示。

圖1 X型線圈結(jié)構(gòu)Fig.1 X coil structure

圖2為X型渦流探頭仿真表面平底孔(Φ1)的信號顯示。其中帶“+”號的區(qū)域代表缺陷顯示在信號圖形中朝上，帶“-”號的區(qū)域代表缺陷顯示在信號圖形中朝下。當(dāng)軸向裂紋缺陷響應(yīng)信號設(shè)置為朝上時，周向裂紋缺陷響應(yīng)信號將向下。通過上述現(xiàn)象可辨別缺陷的方向，如缺陷交叉進(jìn)入多個區(qū)域，信號變化顯示則為以上所有顯示的復(fù)合。此外，兩個區(qū)域的交界線上，未有信號顯示[5]。

通過對X型線圈實施仿真，如圖3所示。圖3為激勵線圈電磁場分布。標(biāo)準(zhǔn)磁場區(qū)域，即渦流密度為最大密度37%所覆蓋的區(qū)域，面積約(3×3)mm。

圖2 圓形缺陷C掃信號圖Fig.2 Circular defect C scan signal diagram

圖3 X型線圈電磁場仿真Fig.3 Electromagnetic field simulation of X coil

2 檢測性能研究

2.1 缺陷定性

2.1.1 缺陷方向辨別能力

對于X型探頭，其分辨缺陷方向的能力非常重要，這有助于判斷軸向和周向缺陷，也能提供缺陷形態(tài)方面的信息。收發(fā)式X型探頭掃查方向與缺陷方向呈0°、45°、90°和135°不同夾角(θ)檢測試塊上的線性狹槽(12 mm×0.2 mm×1 mm)，探頭與缺陷的角度定義如圖4所示。不同掃查方向時，信號的幅值響應(yīng)變化和相位響應(yīng)變化如圖5、圖6所示。

圖4 探頭掃查方向與缺陷方向呈不同角度Fig.4 The scanning direction of the probe is at different angles from the direction of the defect

圖5 不同掃查方向信號響應(yīng)幅值變化Fig.5 Variation of signal response amplitude in different scanning directions

圖6 不同掃查方向信號響應(yīng)相位變化Fig.6 Phase change of signal response in different scanning directions

由圖4可知，當(dāng)探頭以不同角度通過同一缺陷時，其信號響應(yīng)幅值差異較大。0°和90°通過時，信號幅值較大，且近乎相同；45°和135°通過時，信號幅值較小。從圖5可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)0°通過周向缺陷時，缺陷相位向右朝下，90°通過軸向缺陷時則向左朝上，分辨缺陷方向能力良好。

實際的檢測中還可以通過軟件對其掃查信號進(jìn)行整合，在C掃圖中判斷缺陷信號的方向。我們選取了圓形試塊上周向、弦向、徑向三種方向不同長度(6 mm、12 mm、25 mm、38 mm)的線性缺陷進(jìn)行測試，具體C掃圖如圖7至圖9所示。掃查方向為圓周方向。由下圖可知，對于周向、弦向、徑向三種不同方向的線性缺陷在C掃圖上很容易辨別其方向，其中紅色代表響應(yīng)信號向上，藍(lán)色代表響應(yīng)信號向下。對于周向和弦向缺陷，只有當(dāng)缺陷長度足夠長(例如25 mm)時，才能看出明顯區(qū)別。

圖9 徑向不同長度線性信號顯示Fig.9 Radial linear signal display with different lengths

圖7 弦向不同長度線性信號顯示Fig.7 Linear signal display with different lengths in chord direction

圖8 周向不同長度線性信號顯示Fig.8 Linear signal display with different lengths in circumferential direction

對于規(guī)范中提到的相交型缺陷不可接受，我們在試塊上加工了兩條10×0.2×1 mm的相交L型缺陷，其C掃圖如圖10所示。由圖10，我們可以很明顯直觀地看出其形狀。

圖10 相交L型缺陷的信號顯示Fig.10 Signal display of intersecting L-type defects

2.1.2 表面開口缺陷與近表面缺陷辨別

ASME規(guī)范IWA-3300中對于缺陷特征的標(biāo)注要求如果適用，缺陷應(yīng)分為表面缺陷或深埋缺陷，也就是說最好要能區(qū)分缺陷是表面開口缺陷或近表面缺陷。所以我們研究了周向、弦向、徑向三種方向不同長度及不同深度的表面開口缺陷和近表面缺陷的相位變化，具體如圖11、圖12所示。由以下兩圖可知，三種不同方向、不同深度、不同長度的表面開口缺陷相位普遍在10°～30°之間，而近表面缺陷則在60°～110°之間，兩者之間還是有比較大的相位差，能夠辨別出來。

圖11 不同深度表面和近表面缺陷相位變化[長×寬為(12×0.2)mm]Fig.11 Phase variation of surface and near-surface defects at different depths[length × width is (12×0.2)mm]

圖12 不同長度表面和近表面缺陷相位變化Fig.12 Phase variation of surface and near-surface defects of different lengths

2.2 檢測靈敏度

為研究檢測靈敏度，分別選取了周向、徑向、弦向三種不同方向、不同深度(0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm、1 mm)的表面開口線性缺陷和不同埋藏深度(0.1 mm、0.25 mm、0.37 mm、0.75 mm)的近表面線性缺陷[長×寬為(12×0.2)mm]。對于開口性缺陷，均能發(fā)現(xiàn)0.25 mm深的狹槽，且信號幅度隨著傷深的增大而增大。對于近表面缺陷，除了埋藏深度0.75 mm的缺陷，其他均能發(fā)現(xiàn)，且信號幅度隨著埋藏深度的增加而減小。具體如圖13、圖14所示。

圖13 不同方向表面缺陷檢測靈敏度[長×寬為(12×0.2)mm]Fig.13 Sensitivity of surface defect detection in different directions[length × width is (12×0.2)mm]

圖14 不同方向近表面缺陷檢測靈敏度[長×寬為(12×0.2)mm]Fig.14 Sensitivity of near-surface defect detection in different directions[length× width is (12×0.2)mm]

2.3 缺陷長度響應(yīng)與長度定量方式

為了確定X型探頭對不同長度表面缺陷的響應(yīng)，以試塊上1～10 mm長0.2 mm寬1.0 mm深的狹槽為試驗對象，探頭緊貼試塊表面以垂直于缺陷的方向進(jìn)行掃查，試驗方法如圖15所示。

圖15 探頭0°通過不同長度缺陷的試驗Fig.15 Test of probe 0° passing through defects of different lengths

試驗結(jié)果如圖16所示，自制探頭能探測到1 mm長0.2 mm寬1.0 mm深最短的EDM槽，且探頭幅值隨著缺陷長度的增加隨之增加，當(dāng)缺陷長度大于等于3 mm時幅值變化趨于緩慢。從X型線圈的磁場分布圖中，磁場的影響直徑約3 mm(1倍線圈直徑)，與試驗結(jié)果吻合，在小于3 mm范圍內(nèi)，缺陷信號幅值受到缺陷長度的影響較大[5]。

圖16 不同長度線性缺陷幅度響應(yīng)[寬×深為(0.2×1)mm]Fig.16 Linear defect amplitude response with different lengths[width × depth is (0.2×1)mm]

壓力容器頂蓋檢測過程中，渦流檢測技術(shù)定量主要用于缺陷長度的測量。行業(yè)內(nèi)通常采用-6dB法進(jìn)行測量。為了驗證此測長方法，對長10 mm寬0.2 mm深1 mm的表面EDM槽在200 kHz的頻率下采用CIVA進(jìn)行仿真[5]。

仿真結(jié)果如圖17所示，從中可得知，當(dāng)0≤d<4.5 mm， 且U幾乎保持不變，當(dāng)d≥4.5 mm，而U將大幅降低，且Ud=5 mm=33%Ud=0 mm。這意味著如果按照-6dB法測長，則所量缺陷長度偏短。而對于較短的缺陷，若掃查步進(jìn)較大，未能掃查到最大值點，將導(dǎo)致測長出現(xiàn)較大誤差[5]。注：d為缺陷中心至掃查路徑的垂直距離。

圖17 缺陷C掃查仿真信號圖Fig.17 Defect C scan simulation signal diagram

我們選取了周向、徑向、弦向三種不同方向、不同長度(6 mm、12 mm、25 mm、38 mm)的表面缺陷(寬0.2 mm，深1 mm)和近表面缺陷(寬0.2 mm，埋藏深度0.37 mm)采用6dB法進(jìn)行長度測量。測量的長度與實際長度的誤差見下圖18。由下圖可知，測量誤差在2 mm之內(nèi)，且絕大部分的缺陷測量誤差均為負(fù)值，也即比實際設(shè)計長度略小。

圖18 不同方向不同長度表面和近表面缺陷測長誤差Fig.18 Length measurement errors of different lengths,surfaces and near-surface defects in different directions

2.4 檢測分辨力

ASME規(guī)范中壓容器頂蓋缺陷的特征記錄要區(qū)分其為復(fù)合缺陷還是單個缺陷，所以我們做了一個相鄰缺陷的分辨力研究。試塊上人工傷尺寸為(10×0.2×1)mm的，間距分別為3 mm、5 mm、7 mm的一組弦向缺陷，具體檢測結(jié)果如圖19所示。左圖為其C掃圖，右圖為其信號顯示圖。由下圖可知，X探頭能很好地分辨3 mm間距的缺陷。這也符合我們前面的仿真結(jié)果線圈的有效磁場范圍為3 mm。

圖19 相鄰缺陷顯示結(jié)果Fig.19 Adjacent defects show results

2.5 不同提離下的信號響應(yīng)

壓力容器頂蓋焊縫通常為曲面，探頭與檢測表面的貼合度對檢測結(jié)果的影響至關(guān)重要。以試塊上長12 mm寬0.2 mm不同深度(0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm、1 mm)和寬0.2 mm深1 mm不同長度(6 mm、12 mm、25 mm、38 mm)的表面缺陷在不同的提離(0 mm、0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm)下信號的幅度響應(yīng)變化作為研究基礎(chǔ)，具體如圖20和圖21所示。由下圖可知，提離越大，信號幅度越小。隨著提離距離的增大，信號幅度的變化梯度減小。對于0.25 mm的淺裂紋，當(dāng)提離到0.25 mm及以上時，就很難發(fā)現(xiàn)了。

圖20 不同深度表面缺陷在不同提離下的信號響應(yīng)變化[長×寬為(12×0.2)mm]Fig.20 Signal response changes of surface defects at different depths under different lifting conditions[length × width is (12×0.2)mm]

圖21 不同長度表面缺陷在不同提離下的信號響應(yīng)變化[寬×深為(0.2×1)mm]Fig.21 Signal response changes of surface defects of different lengths under different lifting conditions[width × depth is (0.2×1)mm]

3 實際檢測中的應(yīng)用

3.1 檢測對象

海陽AP1000核電站壓力容器頂蓋進(jìn)行了渦流表面檢測。其中包含69根CRDM接管，規(guī)格為內(nèi)徑Ф 69.85×15.88 mm。頂蓋本體采用SA-508 Gr.3 Cl.2低合金鋼，內(nèi)表面堆焊F309L和F308L不銹鋼。渦流主要檢測貫穿件J焊縫一次側(cè)水作用下產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋。具體檢測區(qū)域如圖22所示。

圖22 壓力容器頂蓋貫穿件渦流檢測區(qū)域Fig.22 Eddy current testing area of pressure vessel top cover penetration

3.2 應(yīng)用結(jié)果

根據(jù)相關(guān)規(guī)程可將渦流信號分為相關(guān)顯示和非相關(guān)顯示。相關(guān)顯示指裂紋類缺陷，具有以下特征：(1)信號顯示至少出現(xiàn)在三個連續(xù)的掃查線中；(2)在MAG模式C掃圖中具有正向的幅值變化；(3)在Y模式C掃圖像中具有正向(軸向缺陷)或負(fù)向(周向缺陷)的幅值變化；(4)在DY/DMAG模式C掃圖像中具有正負(fù)向的幅值變化。非相關(guān)顯示則主要包括幾何結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)西信號、探頭提離、局部磁導(dǎo)率變化、電噪聲、隨機電噪聲等。非相關(guān)顯示特征如下：(1)幾何結(jié)構(gòu)信號及探頭提離：由于檢驗對象幾個形狀不連續(xù)造成，如內(nèi)徑變化等，通過C掃圖像中信號顯示的分布及檢驗對象幾何形狀可以進(jìn)行綜合判斷；(2)局部磁導(dǎo)率變化：可以通過在不同頻道通道中相位特性進(jìn)行判定，通常較低頻率的響應(yīng)具有更大的相位；(3)電噪聲：通常是由渦流儀器引起，幅度通常在10%范圍以內(nèi)，信號圖像無固定特征，信號的存在與探頭是否與檢驗面接觸無關(guān)；(4)隨機電噪聲：類似于點噪聲信號，但通常幅度較高，單個出現(xiàn)的隨機信號；(5)其他原因：對于其他原因產(chǎn)生的無效顯示，數(shù)據(jù)分析人員對信號的特征進(jìn)行分析及判定。

本次渦流檢測，在某貫穿件外壁發(fā)現(xiàn)1處渦流信號顯示。該顯示的C掃信號如圖23所示，渦流信號顯示特征參數(shù)如表1所示。該貫穿件外壁的實際情況如圖24所示。根據(jù)渦流信號和實際情況，我們判斷此信號為非相關(guān)顯示信號。

圖23 CRDM #27貫穿件外壁渦流信號C掃圖Fig.23 CRDM # 27 C-scan of eddy current signal on the outer wall of penetration parts

圖24 CRDM #27貫穿件外壁實際情況Fig.24 CRDM # 27 actual situation of the outer wall of the piercing part

表1 CRDM #27貫穿件外壁渦流信號特征參數(shù)

4 結(jié)論

通過對自制X型探頭在缺陷方向響應(yīng)、長度響應(yīng)、深度響應(yīng)方面的研究與應(yīng)用，可以得出如下結(jié)論：

(1)X型探頭對于表面和近表面缺陷具有較高的檢測靈敏度。表面缺陷能發(fā)現(xiàn)至少0.25 mm深的線性缺陷，近表面缺陷至少能發(fā)現(xiàn)埋藏0.37 mm的線性缺陷；

(2)能對缺陷進(jìn)行基本定性，包括辨別是否為線性缺陷；辨別缺陷方向如徑向或周向；區(qū)分缺陷是表面還是近表面缺陷(有助于結(jié)合超聲的結(jié)果辨別缺陷的產(chǎn)生機理)；能區(qū)分相交L型缺陷；

(3)能對不同方向的缺陷進(jìn)行測長，測量誤差在±2 mm范圍之內(nèi)。采用6dB法進(jìn)行測量時，測量長度通常比實際長度略小；

(4)探頭相鄰缺陷的分辨能力較強，至少能區(qū)分間距不小于3 mm缺陷；

(5)提離越大，信號幅度越小。隨著提離距離的增大，信號幅度的變化梯度減小。對于0.25 mm的淺裂紋，當(dāng)提離到0.25 mm及以上時，就很難發(fā)現(xiàn)了；

(6)在實際役前檢查中X型探頭綜合性能良好，信噪比、探頭提離均滿足規(guī)范要求，測長與定位準(zhǔn)確性高。