基于渦流信號的應力腐蝕裂紋區域電導率特性研究?

黃太回,張東利,陳振茂

(西安交通大學航天航空學院強度與振動教育部重點實驗室,陜西西安 710049）

0 引 言

應力腐蝕裂紋是工件在腐蝕環境中,在靜態拉應力作用下產生的裂紋,一般用肉眼很難發現.應力腐蝕裂紋導致的結構功能失效對大型機械系統如核電站造成了非常嚴重的影響,需要合適的無損檢測方法對其進行檢測和定量.

目前國內外在應力腐蝕裂紋的研究中,一般認為疲勞裂紋區域導電率為零,應力腐蝕裂紋存在著弱于基體材料的部分導電性[1],在電導率精確定量方面尚無更成熟的結論.因此對應力腐蝕裂紋進行渦流檢測[2-3]定量重構時,由于裂紋區域電導率特性尚不明確,影響了裂紋的定量精度.本文提出了采用實測渦流檢測信號與模擬渦流信號比對的方法確定奧氏體不銹鋼工件中應力腐蝕裂紋區域的電導率的方法,并通過模型實驗對其有效性進行了研究.

1 基于渦流信號的應力腐蝕裂紋電導率定量檢測方法

1.1 裂紋模型

當某一選定的渦流檢測探頭的激勵頻率和電壓幅值確定時,影響奧氏體不銹鋼中的渦流信號的參數主要有裂紋的寬度、長度、深度和電導率值[4-5].由于渦流存在趨膚效應,當采用高頻率渦流(2.5 M Hz～ 3 M Hz)進行檢測時,信號將集中于三倍趨膚深度(約1mm)范圍內.當裂紋的深度大于 1mm時,本文將整個應力腐蝕裂紋在深度方向上分為若干等厚層(每層深度均為1mm),各層具有不同的均勻電導率值,如圖1所示,因此可以將各層中的裂紋視為貫穿于該層(即深度已知為 1mm)的裂紋,并運用逐層打磨逐層檢測的方法考察裂紋各層的電導率值,最終確定整個應力腐蝕裂紋在深度方向上的電導率分布情況.

1.2 檢測原理及標準裂紋信號的標定

圖1 裂紋模型Fig.1 Themodel of SCC

本文采用實測渦流檢測信號與模擬渦流信號對比的方法確定裂紋的電導率.當裂紋的長度、寬度和深度已知時,影響試件中渦流信號的參數只有裂紋的電導率值,因此將實測信號與不同裂紋電導率值下的模擬信號進行比對,即可確定實際裂紋的電導率值[6].

由于實測信號與模擬信號的相位和幅值存在差異[7],所以要對二者進行標定.標定及檢測過程如圖2所示,首先對標準人工裂紋求取實測信號與模擬信號幅值最大處的相位差和幅值比,用此相位差和幅值比調整實測應力腐蝕裂紋渦流檢測信號,并將其與基于假設導電率計算所得應力腐蝕裂紋信號反復比對從而獲取其電導率值.檢測中擬采用有限元邊界元 (FEMBEM)混合法程序進行數值模擬.

2 應力腐蝕裂紋電導率定量檢測結果

2.1 實驗參數及標定過程

實驗中使用兩套渦流檢測設備(分別命名為設備 1和設備 2)進行檢測,在實驗和模擬計算過程所使用的基體材料均為奧氏體不銹鋼,其電導率值計為 1.4×106S/m.用于標定的 2個標準裂紋長度均為10mm,寬度為 0.2mm,深度分別為 1mm和 3 mm(位于尺寸為 200mm×200mm×15mm的工件上);待檢測的應力腐蝕裂紋位于尺寸為 200mm×100mm×10mm的奧氏體不銹鋼工件上,通過光學顯微鏡觀察其長度約為 13mm,寬度約為 0.6mm,通過超聲波飛行時差衍射法(TOFD)檢測其深度約為3mm.實驗及模擬計算所用探頭為餅狀高頻探頭,激勵頻率為 2.5 M Hz和 3 MHz,探頭提離為0.5 mm,圖3為一次信號標定過程,圖中各條線為信號的李薩育圖.圖3(a)為標準裂紋信號的標定過程,即獲取標準裂紋實測信號與模擬信號間的相位差和幅值比;圖3(b)為按圖3(a)的調整比例變換后的 SCC信號,即用從標準裂紋試件信號獲取的相位差和幅值比調整 SCC實測信號.

圖3 實驗信號的標定Fig.3 The calib ration of signal from test

2.2 實驗結果對比

激勵頻率為 2.5M Hz,3 MHz時,渦流信號的趨膚深度約為 0.3 mm,本文對多個電導率值和裂紋深度值下的渦流信號峰值進行了計算并形成了如圖4所示的基準曲線.計算中所用電導率值為基體材料電導率的 3%～16%,裂紋深度值為 0.3mm,0.6mm,0.9 mm,1mm,1.1mm,1.2 mm,1.5 mm.

圖4 不同條參數下的基準曲線和檢測信號Fig.4 The benchmark cu rveand test signal on different parameters

由圖4可知,激勵頻率為 2.5 MHz,3 MHz時,當裂紋深度小于 1 mm時,裂紋信號峰值受深度影響較大;當裂紋深度大于 1mm時,裂紋信號峰值受深度影響很小,且約為 1mm深度時的值.通過將標定后的 SCC信號與基準曲線進行對比即可得到 SCC的電導率值.圖4同時給出了工件第一層進行檢測信號圖.圖4(a)為設備 2在 2.5 MHz頻率下,用 1 mm深度的標準裂紋作標定獲得的實驗結果,通過對比可得 SCC區域的電導率為基體材料(即奧氏體 304不銹鋼)電導率的 4.5%;圖4(b)為設備 1在3M Hz頻率下,用 3mm深度的標準裂紋作標定后獲得的實驗信號,此時獲得的 SCC區域電導率為基體材料電導率的 8%.

對工件第一層進行了 4次重復實驗,結果對比如表1～表4所示.表中的數據為在相應實驗條件及實驗參數下獲得的 SCC信號經標定后對比基準曲線得到的裂紋電導率.由對比結果可以看到:

1)實驗重復性較好,各次實驗相同參數下獲取的實驗結果較接近.

2)使用不同設備、不同激勵頻率,用相同深度的標準裂紋進行標定檢測,SCC的電導率值都較接近,即驗證了該標定方法的正確性.

3)用不同深度的標準裂紋進行標定檢測,獲得的結果存在相對固定的差異,且各個實驗結果穩定在4%～8%之間.

表1 第一次實驗結果Tab.1 The result of the first experiment

表2 第二次實驗結果Tab.2 The result of the second experime

表3 第三次實驗結果Tab.3 The result of the third experiment

3 結 論

表4 第四次實驗結果Tab.4 The result of the forth experiment

本文提出了將工件上的應力腐蝕裂紋考慮成在深度方向上分為若干等深厚層,各層具有不同的均勻電導率值,用高頻渦流探頭檢測應力腐蝕裂紋區域,通過實驗信號與模擬計算信號對比的方法確定裂紋電導率值的方法.在對第一層進行檢測后,驗證了該方法的可行性,初步確定該工件中的應力腐蝕裂紋在 1mm深度內的電導率值約為基體材料電導率的 4%～8%.

[1] Chen Zhenmao,Ladislav J,Noritaka Y,et al.A nondestructive strategy for the distinc tion of natural fatigue and stress corrosion cracks based on signals from eddy current testing[J].Journal of Pressure Vessel Technology,2007,129:719-728.

[2] Ladislav J,Chen Zhenmao,Noritaka Y,et al.Excitation with phase shifted fields-enhancing evaluation o f deep cracks in eddy current testing[J].NDT&E Int.,2005,38:508-515.

[3] Ladislav J,Noritaka Y,Kenzo M.U tilization of tw o-directional AC currentdistribution for enhancing sizing ability o f electromagnetic nondestructive testing methods[J].NDT&E Int.,2006,39:542-546.

[4] Zhang Dong li,Chen Zhenmao,Xu Minglong,et al.Quantitative NDE o f cellu larmetallicmaterial and struc tures by using eddy current testing technique,submitted to Int[J].J.Appl.Electromagn.Mech.,2009,26:238-242.

[5] W ang Li,Chen Zhenmao,Lu Tian jian,et al.Sizing of long stress corrosion crack from 2D ECT signals by using a m ultisegment inverseanalysis strategy[J].Int.J.Appl.Electromagn.Mech.,2008,28(1,2):155-161.

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[7] Auld A B,Moulder JC.Review of advances in quantitativeeddy current nondestructive evaluation[J].J.Nondestr.Eval.,1999,18:3-36.