非鐵磁性傳熱管陣列渦流檢測研究

谷昊

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連116300）

1 概述

對于非鐵磁性傳熱管，一般采用常規(guī)渦流檢測方法（Bobbin）對其運行狀況進行檢查。Bobbin 目前已經(jīng)是一種比較成熟的無損檢測方法，檢測效率高、信號可記錄、重復(fù)性好，尤其適合傳熱管的在役檢測。但是Bobbin 檢測方法同時也存在不足之處，檢測信號比較抽象、圖像顯示不夠直觀、不能區(qū)分開同一個圓周截面的多個缺陷、對于縱向的緩慢變形的長缺陷不夠敏感、對信號顯示的判傷較依賴分析人員的經(jīng)驗。

因此，采取合適的檢測方法對Bobbin 進行補充很有必要。旋轉(zhuǎn)探頭雖然檢測效果良好，但檢測速度慢、檢驗裝置復(fù)雜且造價高、探頭損耗嚴重、經(jīng)濟效益低[1]。尋找一種既經(jīng)濟方便，又對非鐵磁性傳熱管具有良好檢測效果的渦流探傷新方法就成為當(dāng)前的研究重點，本文介紹了非鐵磁性傳熱管陣列渦流檢測的試驗過程與試驗結(jié)果。

2 傳熱管陣列渦流檢測原理

陣列渦流探頭的常見激發(fā)方式主要分為絕對式及激勵-接收式兩種。絕對式是指陣列渦流線圈中每個線圈既用于激發(fā)渦流，又用來接收感應(yīng)的渦流信號。當(dāng)陣列渦流探頭處于此種激發(fā)模式時，檢測效果即可等同于若干個點式探頭同時掃查，提高了檢測效率。

然而，因為此種激發(fā)方式使檢測探頭的提離信號影響較大，不利于檢測的實施，所以，陣列渦流更多采用激勵-接受式的激發(fā)方式。激勵-接受式激發(fā)方式基本原理為：一個線圈針對工件激發(fā)感應(yīng)渦流，另外一個或若干的線圈接收感應(yīng)渦流產(chǎn)生的信號。

當(dāng)被檢工件存在電磁特性的不連續(xù)時，激勵的渦流會被這種不連續(xù)干擾，進而被接收線圈接收到。一對激勵-接受組合的線圈會因缺陷方向的不同而產(chǎn)生不同的檢測靈敏度。當(dāng)缺陷方向與渦流流動方向垂直時，缺陷干擾渦流的流動檢出效果好；當(dāng)缺陷方向與渦流方向相同時，缺陷對渦流的干擾較小，檢測效果較差。

密布的線圈按照預(yù)先設(shè)計的激發(fā)順序依次交替運行，在電磁場和渦流場發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)的同時，檢測的焦點也發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，以此達到對傳熱管內(nèi)表面旋轉(zhuǎn)掃查的目的，其效果近似于旋轉(zhuǎn)探頭的機械旋轉(zhuǎn)。陣列探頭的收發(fā)線圈以時序進行控制，不需要電機驅(qū)動，因此較旋轉(zhuǎn)探頭其檢測速度更快，檢測效率更高。

接收線圈收到的信號與其物理所處的周向位置相結(jié)合，再將多個線圈的信號進行疊加運算后可形成直觀的C－SCAN 三維圖。該探頭無需貼合傳熱管，且由于信號經(jīng)過了放大，抑制了提離效應(yīng)，故探頭檢測靈敏度接近旋轉(zhuǎn)探頭[2]。

3 傳熱管陣列渦流的特點及應(yīng)用

傳熱管的陣列渦流檢測有以下特點：

（1）能夠?qū)Ρ粰z換熱管整個圓周截面進行高速掃描檢測；

（2）對被檢表面（含近表面）有與傳統(tǒng)點探頭相近的分辨率，對縱向和橫向的缺陷具有相近的檢測能力，不存在對某一走向缺陷和長裂紋的“盲視”問題；

（3）根據(jù)被檢傳熱管尺寸，可以制作尺寸與之相匹配的陣列探頭，以達到更好的檢測效果；

（4）根據(jù)想要達到的檢測能力，選擇陣元線圈的直徑，線圈直徑越小，檢測靈敏度越高，成本越高；

（5）能變換線圈的結(jié)構(gòu)類型以形成特殊的陣列能力，可以采用多頻和混頻的方法，調(diào)節(jié)滲透深度，抑制干擾，提高信噪比；

（6）采用C 掃顯示方式時，圖像直觀、清晰，檢測結(jié)果一目了然，可以區(qū)分開傳熱管同一個圓周截面上的多個缺陷。

基于上述特點，國外傳熱管陣列渦流檢測技術(shù)發(fā)展較快，并且針對核島蒸汽發(fā)生器傳熱管有了較多的實際應(yīng)用。國外蒸汽發(fā)生器管采用了各種高性能合金和超級合金，包括316 型不銹鋼、Alloy 400、Alloy 600MA、Alloy 600TT、Alloy 690TT、800Mod、鉻鎳鐵合金等，均為非鐵磁性材料，采用陣列渦流檢測可以達到良好的檢測效果。

因此，國外檢測機構(gòu)使用陣列渦流檢測技術(shù)評估傳熱管與支撐結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，甚至還用于測量堆積物和泥渣的數(shù)量。由于傳統(tǒng)的渦流探頭分辨周向缺陷困難，陣列渦流探頭是渦流檢查程序的一個有價值的補充。陣列渦流探頭檢測效果與旋轉(zhuǎn)渦流探頭檢測效果類似，但陣列渦流檢測速度更快。管式陣列渦流探頭有X-probe、CXB-probe 等種類，其中X-probe 是加拿大蒸汽發(fā)生器管式陣列渦流的行業(yè)標準[3]，應(yīng)用于傳熱管陣列渦流檢測。

4 傳熱管陣列渦流試驗制備

4.1 試驗樣管的規(guī)格

常規(guī)島各換熱器的傳熱管外徑一般在φ15～30mm 之間，壁厚在0.5～1mm 之間。本次選擇外徑φ22.225mm、壁厚0.7mm 的鈦管作為試驗樣管。

4.2 試驗設(shè)備及數(shù)據(jù)采集、分析軟件

使用ZETEC MIZ-200 渦流儀實現(xiàn)陣列渦流數(shù)據(jù)的采集工作，使用與之配套的Velocity AN/AQ 軟件完成渦流數(shù)據(jù)的采集和分析。

4.3 試驗探頭

使用ZETEC CXB4-004 陣列渦流探頭。

4.4 人工傷試驗管的設(shè)計與制作

對于傳熱管陣列渦流檢測，國內(nèi)47013 標準尚無適用內(nèi)容。傳熱管通常采用Bobbin 方法進行檢測，因此借鑒常規(guī)渦流對比試樣的人工傷加工要求來加工試驗管，包括以下幾類人工傷：通孔、平底孔、外環(huán)槽、內(nèi)環(huán)槽、螺旋槽、縱向槽。

4.4.1 通孔

缺陷1 缺陷2 缺陷3 缺陷種類 通孔 通孔 通孔 直徑(mm) 1.7 0.83 0.5 傷深壁厚比 100% 100% 100%

4.4.2 外壁平底孔

缺陷4 缺陷5 缺陷6 缺陷7 缺陷8 缺陷種類 外壁平底孔 外壁平底孔 外壁平底孔 外壁平底孔 外壁平底孔 直徑(mm) 2.8 4.8 4.8 4.8 4.8 傷深壁厚比 60% 40% 20% 15% 10%

4.4.3 外壁周向槽

加工外環(huán)槽缺陷9：槽寬13.4mm，傷深34%，模擬外壁大范圍均勻腐蝕減?。?/p>

加工外壁周向槽缺陷10：槽寬1.0mm，傷深10%，模擬外壁周向裂紋。

4.4.4 內(nèi)環(huán)槽

缺陷11 缺陷12 缺陷13 缺陷種類 內(nèi)環(huán)槽 內(nèi)環(huán)槽 內(nèi)環(huán)槽 槽寬(mm) 1.0 1.0 1.6 傷深壁厚比 40% 10% 10%

4.4.5 外壁螺旋槽

加工外壁螺旋槽14：槽寬4.9mm，深度20%。

4.4.6 外壁縱向槽

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4.5 試驗參數(shù)

基于試驗管的材料和尺寸，進行了陣列探頭的參數(shù)測試，確定檢測參數(shù)如下：選擇400KHz、300KHz、100 KHz、80 KHz 作為檢測頻率，采樣率為2000 點/s，探頭回拉速度300mm/s 左右。

5 傳熱管陣列渦流試驗過程

采用上述陣列渦流設(shè)備進行檢測，利用試驗管上的脹管信號與溝槽（外環(huán)槽）信號調(diào)節(jié)相位和幅值，對采集所得信號進行分析觀察。檢測圖像見圖1。

圖1 陣列渦流試驗檢測圖像

6 傳熱管陣列渦流試驗結(jié)果

6.1 對φ0.5mm 及以上的通孔有較好的檢測效果，其檢測極限不僅限于此，有待加工更多的人工傷進行進一步驗證。

6.2 對外壁平底孔有較好的檢測效果，單個φ4.8mm*10%的平底孔可以輕易地探測到。

6.3 可以檢測到的局部外壁周向刻槽的最小尺寸是槽寬1.0mm、傷深10%，且能夠確定其周向覆蓋的區(qū)域。

6.4 可以檢測到的內(nèi)環(huán)槽最小尺寸是槽寬1.0mm、傷深10%。

6.5 可以清晰的顯示出槽寬4.9mm、深度20%的外壁螺旋槽的縱向與周向的分布。

6.6 對于外壁縱向的刻槽，可以檢測到的最小傷深是10%?？v向缺陷的檢測是Bobbin 的弱點，在這一點上陣列探頭有一定的優(yōu)勢。

7 結(jié)論

通過上文的試驗可以得知陣列渦流檢測對于通孔、平底孔都有很好的檢測效果，可以檢出內(nèi)外壁縱向和橫向10%傷深的缺陷；與Bobbin 檢測相比，陣列渦流檢測對于縱向和橫向的缺陷具有相近的檢測能力；具有多個陣元和通道，可以通過優(yōu)化運算邏輯得到更好的圖形顯示，從而抑制干擾，提高信噪比；得到在周向上更直觀的缺陷分布顯示。