小徑管周向裂紋渦流檢測仿真與試驗研究

秦建柱，唐甸武，殷 尊，李佼佼，張明東，侯召堂，李朝陽，孟永樂

(1.華能海南發(fā)電股份有限公司 東方電廠，海南東方 562700；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032；3.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

0 引言

電站鍋爐以及其他種類的壓力容器等許多大型承壓設備，廣泛工作于惡劣的環(huán)境之中，設備內部往往存在數以千計的小徑管,例如電站機組中的凝汽器換熱管、鍋爐受熱面管等，這些小徑管在高速流體的沖刷和內外部的腐蝕下、難以保證其密封性和壽命，需要定期或者不定期在役檢測。在小徑管的缺陷中，周向裂紋相較于其他缺陷不易于檢測且管道出現事故常常包含周向裂紋的因素，因此對小徑管的周向裂紋檢測是國內外無損檢測研究的熱點之一[1-4]。

對小徑管進行無損檢測的方法中，渦流檢測技術是應用最為廣泛的技術之一[5-7]。實際小徑管檢測中最常使用的渦流檢測方法是單頻阻抗法，最常使用的探頭是Bobbin差分探頭。Bobbin探頭使用兩個同樣的線圈(線圈與管道具有相同軸線)組成差動線圈，能對管內外缺陷做出檢測[8]。但是這種探頭有一個缺點，就是渦流的走向與周向裂紋類缺陷是平行的，因此裂紋的存在對渦流造成的擾動不大，對周向裂紋的檢測靈敏度不高。

使用線圈陣列可以提高對裂紋的檢測靈敏度，其原因在于陣列中的每個線圈單元都很小，相當于一個小的筆式探頭，依靠陣列單元間的相互補充，可以保證必有某個線圈的渦流垂直于周向裂紋，從而提高檢測靈敏度。Olymbus，Eddyfi等公司都設計和生產了陣列探頭用于檢測小徑管[9-12]，但設備和探頭都復雜，儀器需要許多通道協(xié)同工作，探頭一般也需要十幾到幾十個小線圈組合在一起，導致開發(fā)成本高因而售價也很高。GE Inspection Technologies的系統(tǒng)則更復雜，其Apollo多通道/多頻率渦流檢測系統(tǒng)，除傳統(tǒng)的標準渦流探頭和遠場渦流探頭外，使用了多達1 024個通道支持多通道與陣列技術[13]，用于解決管道缺陷的全面檢測問題。還有旋轉探頭技術則是探頭附帶有復雜的旋轉機械結構，例如Zetec公司的MPRC探頭[14]。實際使用中，因為換熱器管道等一般都有幾千至數萬根，探頭由于磨損消耗較大，導致檢測成本高昂。因此研究者們一直在探索降低成本同時也有效的方法。

以上針對小徑管周向裂紋的已有的檢測技術及其正在進行的研究，主要是方法簡便的成本低的檢測靈敏度不夠高，檢測靈敏度較高的陣列檢測或旋轉檢測等則檢測設備復雜、儀器的一次性成本(價值一般達數十萬元)和運行中的探頭消耗成本(陣列探頭價值一般達數萬元)都很高。

本文是在常規(guī)渦流檢測儀器(單通道正弦波)的基礎上進行相關研究，嘗試采用激勵結構較為簡單的橫向探頭解決周向裂紋的檢測問題。工作的起因是因為進行仿真的時候發(fā)現橫向激勵探頭的渦流場在圓周上有一半以上基本垂直于周向裂紋，因此周向裂紋會對渦流場造成較大擾動。基于此一發(fā)現，首先設計了相關激勵探頭，并通過實際試驗設計了合適的接收探頭。接收線圈由多個小型線圈在導磁體上串聯組成，并將兩個接收線圈差分連接，以此來提高對于窄的周向裂紋的檢測靈敏度。論文針對H62小徑銅管進行了包括仿真和試驗在內的完整的研究工作。

1 試驗平臺

1.1 試驗設備

試驗研究平臺由常規(guī)渦流檢測儀器、顯示器、檢測試件和探頭組成，如圖 1所示。渦流檢測儀可以使用的標準正弦波作為激勵信號驅動激勵線圈，接收線圈接收到的電壓經過多級放大之后交由計算機處理并在顯示屏上顯示。

圖1 試驗平臺

1.2 檢測試件

檢測試件為外徑25 mm、厚度1 mm的H62黃銅管(電導率：15.6 MS/m，磁導率：1)。在試件外表面存在9個裂紋，如圖 2所示，每個裂紋的寬度均為0.2 mm，其深度為0.3 mm，長度由18 mm至2 mm遞減。

圖2 被測試件

探頭實物圖如圖 1所示。在圓柱形骨架中心放置的是纏繞在鐵氧體磁芯的激勵線圈，差分接收線圈貼在圓柱形骨架的外表面，具體尺寸參數如圖 3所示。其中激勵線圈使用線徑0.3 mm的漆包銅線均勻繞制240圈在鐵氧體圓柱磁芯上面；差分接收線圈由兩個接收傳感器差分相接而成，每個傳感器為4個小線圈串聯于導磁體薄片上，每個小線圈以線徑為0.12 mm的漆包銅線繞制15圈。

圖3 探頭尺寸

2 仿真模型

2.1 模型建立

利用COMSOL Multi-physics 5.6版本作為仿真平臺建立常規(guī)渦流檢測三維有限元仿真模型，建立的模型切割面視圖如圖 4所示。模型中的管道為H62銅管，每種探頭分別建立3種不同的仿真試件：無裂紋銅管試件，裂紋寬度分別為0.2 mm和0.05 mm的有裂紋試件(周向裂紋長度為18 mm，裂紋深度為0.3 mm，其他參數與實際試件保持一致)。圖 4(a)是單個Bobbin探頭模型；圖 4(b)是橫向放置的圓柱形探頭模型。仿真模型采用8 kHz的正弦波作為激勵源。圖中空氣域已隱藏。

(a)Bobbin模型

2.2 渦流分布形態(tài)分析

圖5為Bobbin探頭在無裂紋試件上的內表面渦流分布?？梢钥闯?，渦流密度集中分布在管道正中間，其最密渦流分布為X軸為0的位置，即Bobbin探頭放置的位置。渦流流向沿著管道周向均勻流動，在無裂紋的內表面上，不存在渦流畸變。

圖5 Bobbin探頭在無裂紋試件上的渦流分布

圖 6為橫向放置圓柱形探頭在無裂紋試件上的內表面渦流分布，這種結構的激勵探頭與傳統(tǒng)的Bobbin探頭引起管道表面渦流分布截然不同。在管道渦流密度分布在X=0，Y<0附近出現一個渦流沿順時針流向的漩渦，在Y=0部位附近，渦流整體流向為沿X軸正向。

圖6 橫向放置圓柱形探頭在無裂紋試件上的

圖7(a)所示為Bobbin探頭在裂紋寬度為0.2 mm 時試件內表面渦流分布。周向裂紋中心坐標為(0，0，12.5)，在X=0處沿管道外壁分布，位于渦流分布最密的線的后面，可以發(fā)現，渦流形態(tài)并沒有發(fā)生明顯改變，其原因是渦流走向與裂紋平行，裂紋對渦流的擾動不大。

(a)裂紋寬度為0.2 mm試件內表面渦流分布

(b)裂紋寬度為0.05 mm試件內表面渦流分布

圖7(b)示出Bobbin探頭在裂紋寬度為0.05 mm時試件內表面渦流分布。裂紋位置沒有變化，由于同樣的原因寬度更細的裂紋對渦流形態(tài)的影響也不大。對Bobbin探頭產生的渦流場，無論裂紋寬度的大小，周向裂紋對渦流分布情況主要影響是最大數值的變化，對渦流形態(tài)并沒有明顯改變。

(a)裂紋寬度為0.2 mm試件內表面渦流分布

圖8(a)為橫向放置圓柱形探頭在裂紋寬度為0.2 mm試件上內表面的渦流分布圖，裂紋位置與上圖保持一致。橫向探頭產生的渦流場與Bobbin探頭產生的渦流場存在明顯的差異，橫向探頭在靠近探頭兩端的管道壁產生圓周流向渦流場，在靠近探頭中部的管道壁渦流場會疊加，沿X軸正向流動，垂直于周向裂紋。在內表面上，正上方中部區(qū)域會存在一條明顯的橫向渦流密度更高的線，這是由于渦流繞過上表面裂紋向裂紋下部流動，導致在裂紋的下部聚集更多的渦流，渦流密度更大。與Bobbin探頭在管道內壁渦流場相比，渦流場受到裂紋的影響更大。圖8(b)為當裂紋寬度減小到0.05 mm時內表面渦流分布圖，橫向圓柱形探頭在試件內表面的渦流與裂紋寬度為0.2 mm的區(qū)別較小。這說明了當裂紋寬度減小的時候，裂紋對渦流場的擾動不會因為裂紋的寬度減小而減小。對于比0.2 mm更窄的自然裂紋(如仿真中裂紋寬度為0.05 mm)，裂紋對橫向探頭產生的渦流場的影響也會很明顯，這從原理上說明橫向探頭與Bobbin相比，對更窄裂紋的檢測存在著很大優(yōu)勢。

在渦流場分布形態(tài)方面，還可以注意到，軸向方向流動的渦流場占到了管道圓周的一半以上。在一半的區(qū)域內，渦流垂直于周向裂紋，這意味著用兩個激勵探頭就可以讓軸向渦流完整覆蓋整個圓周，為周向裂紋的檢測奠定基礎。

2.3 周向裂紋對渦流場的擾動的數值分析

通過計算如圖9所示的裂紋下方區(qū)域的平均電流密度分析裂紋對渦流場的擾動情況。其計算結果如表1所示。

圖9 數值計算區(qū)域示意

表1 裂紋對計算區(qū)域平均渦流密度的數值計算

渦流密度提升百分比越大，代表裂紋對渦流場擾動越大，由仿真結果可知，裂紋對橫向放置的圓柱形探頭產生的渦流場的擾動更加明顯，這是由于橫向放置的圓柱形探頭渦流場垂直于裂紋，所以和Bobbin探頭相比，裂紋對場的擾動比較大。同時仿真結果還表明，當裂紋寬度更小的時候，裂紋對Bobbin探頭渦流場的擾動明顯變弱，而對橫向放置的圓柱形探頭來說，裂紋變窄后對于渦流場的擾動還有輕微增強。

3 試驗結果與討論

圖10示出Bobbin探頭和橫向放置圓柱形探頭在裂紋長度為18 mm、寬度分別為0.5 mm和0.2 mm的檢測信號。

圖10 裂紋長度為18 mm兩種探頭的檢測信號

當裂紋寬度從0.5 mm減小到0.2 mm后，Bobbin探頭的信號相對幅值(本文所述幅值均為相對電壓幅值)由778.48變?yōu)?26.32，降低47.91%；橫向放置圓柱形探頭的信號幅值由410.49變?yōu)?60.56，增長10.87%。說明當裂紋寬度逐漸減小時，Bobbin探頭的檢測信號幅值會變小，橫向放置圓柱形探頭的檢測信號會略有升高，與仿真結果相符。試驗結果說明橫向探頭由于渦流走向與周向裂紋垂直，具有更好的對于窄裂紋的檢測能力。

圖11示出橫向圓柱探頭在實際試件上的測試結果，圖 11(a)～(h)分別對應裂紋長度為16～2 mm的裂紋的阻抗圖。由于人工裂紋基本是兩端對稱的，所以檢測到的裂紋信號基本以對稱性的“8字形”呈現。隨著裂紋長度的減少，阻抗曲線幅值變小。當裂紋長度為16 mm時，幅值范圍變化約為310；當裂紋長度為2 mm時，幅值范圍變化為150左右。試驗也表明，當探頭與實際管道結合較為緊密，提離效應不明顯時，檢測過程中的背景噪聲幅值小于50，只要裂紋在接收線圈覆蓋范圍內，就可以檢測較短的裂紋。在實際檢測中，通過設計一對探頭使得接收線圈能夠覆蓋整個圓周。

圖11 橫向圓柱探頭在試件上的試驗結果

由試驗結果看出，橫向圓柱探頭可以有效檢測試件周向裂紋，且隨著裂紋寬度的減小，并沒有降低檢測靈敏度。由于受到機械加工市場加工能力的限制，在不影響電磁參數的前提下，所加工的裂紋寬度最窄為0.2 mm，沒有能夠加工出0.05 mm量級寬度的裂紋。但是從原理以及仿真結果來看，隨著裂紋寬度的變窄，傳統(tǒng)探頭的渦流場由于和裂紋平行而受裂紋的擾動顯著變小，橫向探頭則不會變小。因此隨著裂紋寬度的變窄，橫向探頭的優(yōu)勢會突出。并且從行業(yè)內檢測人員已有的現場檢測經驗來看，實際的自然裂紋往往很窄，一些裂紋肉眼都難以看到，因此采用橫向探頭具有提高檢測靈敏度的實際意義。

4 結論

本文為研究小徑管周向裂紋的渦流檢測，進行了電磁場有限元仿真研究和試驗研究。

(1)通過仿真對H62銅管建立三維仿真模型，比較了傳統(tǒng)Bobbin探頭和橫向放置的圓柱形激勵線圈探頭的渦流場。Bobbin探頭渦流為周向流動，與之平行的周向裂紋引起渦流擾動較小，不適合檢測寬度很窄的周向裂紋。橫向放置的圓柱形激勵線圈探頭的渦流會引起管內渦流的軸向流動，與之正交的周向裂紋會對軸向渦流存在截斷效果，造成大的擾動，有利于裂紋檢測。橫向渦流覆蓋范圍超過半個圓周，用兩個橫向探頭可以完成整個圓周的周向裂紋檢測。

(2)依托仿真研究的結果設計了圓柱形激勵線圈探頭，并設計了一種新型差分接收線圈，這種線圈由多個小型線圈在導磁體片上串聯組成接收傳感器，兩個接收傳感器差分連接。結果表明可以有效檢測試件裂紋。并且對于寬度更窄的自然裂紋，預期會比傳統(tǒng)的Bobbin探頭具有更高的檢測靈敏度。

(3)仿真和試驗表明，橫向激勵結合差分設計的接收線圈，可以作為解決小徑管周向裂紋檢測難題的有效方法之一。