渦流檢測對管材槽和孔人工缺陷靈敏度的對比

李　冬,林俊明,許貴平,黃海翔,高三杰

(1.中國核動力研究設計院， 成都 610041;2.愛德森(廈門)電子有限公司， 廈門 361008)

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渦流檢測對管材槽和孔人工缺陷靈敏度的對比

李冬1,林俊明2,許貴平1,黃海翔1,高三杰1

(1.中國核動力研究設計院， 成都 610041;2.愛德森(廈門)電子有限公司， 廈門 361008)

對管材進行渦流檢測時，如何選擇槽或孔作為評判人工缺陷的靈敏度的標準一直是設計和使用單位重點關注的問題。通過理論分析，對某管材上3.0 mm(長)×0.075 mm(寬)×0.050 mm(深)槽、φ0.3 mm通孔人工缺陷渦流檢測靈敏度進行對比。結果表明：對于上述槽、孔人工缺陷的靈敏度對比是有條件的，在探頭頻率小于某個值時，孔缺陷的靈敏度高于槽缺陷的靈敏度；在該頻率時，孔的靈敏度等于槽的靈敏度；大于該頻率時，孔的靈敏度低于槽的靈敏度。在理論分析的基礎上，在低頻段通過外穿、內穿及筆式探頭開展試驗研究，驗證了理論分析的正確性。

管材渦流檢測;槽或孔人工缺陷;對比分析;靈敏度

在管材的渦流檢測中，檢測結果的判定主要借助于對比試樣人工缺陷與自然缺陷顯示信號幅值的對比，即當量比較法[1]。對比試樣上一般加工有刻槽或者通孔人工缺陷，以人工缺陷的渦流檢測信號靈敏度作為被檢管材上缺陷超標與否的評價標準，進而判斷管材質量是否滿足驗收要求[2]。許多標準或者規范對采用槽或孔人工缺陷的要求也不相同[3]，這給設計和使用部門帶來困難。針對該難題，筆者通過理論分析及試驗研究，對槽、孔人工缺陷的渦流檢測靈敏度進行對比分析，得出槽或孔人工缺陷靈敏度和探頭頻率密切相關。

1　理論分析

工作中接觸到的某樣品管規格為外徑φ8 mm，壁厚0.54 mm，對其管壁上的0.05 mm(深)×0.075 mm(寬)×3 mm(長)人工縱橫槽缺陷和直徑為φ0.3 mm的人工單壁通孔缺陷進行靈敏度對比分析。

交變磁場在試件中產生的渦流并不是自表面而下均勻分布的，而是在試件表面及近表面的渦流最為密集[4]，并且隨材料中渦流透入深度增大呈指數衰減，距離導體表面x深度處的渦流密度為：

(1)

式中:J0為半無限大導體表面的渦流密度，A;f為交流電流的頻率，Hz；μ為材料的磁導率，H·m-1；σ為材料的電導率，S·m-1。

從式(1)可以看出，距表面x深處的渦流密度大小與交流電流頻率f密切相關，隨著頻率f升高，該處的渦流密度降低。由此可以進一步推論出,同一個缺陷在不同的頻率下，渦流檢測靈敏度將不同。

缺陷渦流信號的靈敏度大小取決于該缺陷體積內的渦流畸變量大小。表面的一個開口缺陷從表面到深x處的渦流畸變量為：

(2)

式中:S為缺陷在x深處的截面積，m2。

上面的分析是針對半無限大導體進行的。針對該樣品管，在渦流檢測時，因為標準缺陷很小，管材表面可以近似看做半無限大平面，渦流靈敏度變化的規律同樣適用。

在100 kHz～10 MHz頻率下，樣品管槽缺陷和孔缺陷引起的渦流畸變量隨頻率的變化曲線如圖1所示。由圖1可以看出，在100 kHz～10 MHz頻率范圍內，孔缺陷引起的渦流畸變曲線較為傾斜，而樣品管槽缺陷引起的渦流畸變曲線較為平緩，兩者相交于5.649 MHz(該交點采用多次逼近法解得，是近似值；以下提到該頻率時，皆為近似值)。也就是說，在頻率f小于5.649 MHz時，樣品管槽缺陷的渦流畸變量小于孔缺陷的渦流畸變量，樣品槽缺陷的信號靈敏度將會小于孔缺陷的信號靈敏度；在頻率f大于5.649 MHz時，槽缺陷的渦流畸變量大于孔缺陷的渦流畸變量，槽缺陷的信號靈敏度將會大于孔缺陷的信號靈敏度[5]。

圖1　樣品管槽缺陷和孔缺陷渦流畸變量隨頻率變化曲線

根據渦流趨膚深度理論，在頻率f小于5.649 MHz時，渦流滲透較深，孔缺陷穿透整個管壁，渦流在其內的畸變量很大；而由于槽缺陷只有0.05 mm深，其內的畸變量較小。此時，孔缺陷信號靈敏度大于槽缺陷信號靈敏度。隨著頻率升高，渦流滲透深度變淺，當頻率足夠高時(高于5.649 MHz)，渦流僅在表面很淺范圍內流動，在孔缺陷的大部分體積內將沒有渦流流動，而此時渦流在槽缺陷里密集流動，槽缺陷切斷渦流引起渦流的畸變量超過了孔缺陷引起的渦流畸變量，所以出現了在較高頻率時，槽缺陷信號靈敏度大于孔缺陷的信號靈敏度的情況。

2　試驗方法

采用廈門愛德森公司生產的EEC-39RFT型多頻渦流檢測儀器，分別采用外穿式探頭、內穿式探頭、筆式探頭開展φ0.3 mm通孔、3.0 mm(長)×0.075 mm(寬)×0.050 mm(深)縱、橫槽缺陷靈敏度對比試驗。試驗中三種探頭的中心頻率皆為500 kHz，試驗的頻率范圍為200 kHz～5 MHz。

外穿探頭檢測時，槽缺陷位于外壁，槽缺陷、孔缺陷幅值隨頻率變化曲線如圖2所示。

圖2　外穿式探頭檢測樣品管槽缺陷、孔缺陷幅值隨頻率變化曲線

內穿式探頭檢測時，槽缺陷位于內壁，槽缺陷、孔缺陷幅值隨頻率變化曲線如圖3所示。

圖3　內穿式探頭檢測樣品管槽缺陷、孔缺陷幅值隨頻率變化曲線

筆式探頭檢測時，槽缺陷位于外壁，槽缺陷、孔缺陷幅值隨頻率變化趨勢如圖4所示。

圖4　筆式探頭檢測樣品管槽缺陷、孔缺陷幅值隨頻率變化曲線

從圖2～4可以看出，在頻率200 kHz～5 MHz范圍內：①φ0.3 mm孔缺陷較3.0 mm×0.075 mm×0.05 mm槽缺陷靈敏度高。② 隨著頻率升高，槽和孔靈敏度先升高后下降。③ 到5 MHz左右時，槽和孔靈敏度已經非常接近。這和理論分析結果是一致的。

3　試驗結果

由試驗結果可以看出，槽、孔靈敏度對比和頻率高低密切相關，而不能簡單地說槽比孔的判定標準嚴(或松)。隨著渦流檢測的應用越來越廣泛及對渦流檢測的研究越來越深入，在對管材質量要求較高的情況下，人工標準缺陷已經不再采用單一的槽缺陷或孔缺陷，而是槽和孔同時采用。如美國AP1000核電站蒸汽發生器傳熱管的管材制品材料為INCONEL690鎳基合金，規格為φ17.48 mm×1.01 mm，在安裝前，其直管段采用外穿式探頭，對比樣管上含有下列4個標準缺陷：① 內表面長度最大為12.7 mm、深度最大為0.08 mm、寬度最大為1.0 mm的周向槽。② 外表面長度最大為12.7 mm、深度最大為0.08 mm、寬度最大為1.0 mm的周向槽。③ 3個在同一軸向位置沿周向間隔120°分布，直徑不大于0.78 mm、深度不大于0.78 mm的外壁平底孔。④ 1個直徑1.57 mm的貫穿單側管壁的通孔[6]。這體現了AP1000蒸汽發生器渦流檢測要求的指導原則：在保證通孔缺陷檢出的同時，還要檢出內、外壁槽缺陷，也就是說，不僅要保證整個管壁缺陷的檢測靈敏度，也要保證內、外壁一定深度的缺陷的檢測靈敏度，這使得頻率的選擇更加趨于規范。

4　結語

通過理論分析和低頻段外穿、內穿及筆式探頭對人工孔和槽缺陷進行試驗研究，得出結論：槽、孔靈敏度和探頭頻率高低密切相關，而不能簡單地說槽比孔的判定標準嚴(或松)。由此可見，選擇人工槽和孔并不是非此即彼的關系，有時相輔相成更能發揮渦流檢測在管材質量檢驗中的作用。在實際工程應用時，應具體問題具體分析。一般情況下，應首先根據管材的制造工藝，分析管材易產生缺陷的部位，并重點關注。如重點關注的是管材外表面及其淺表面質量，宜采用外穿式探頭、人工槽標準缺陷及較高的檢測頻率；當重點關注的是整個管壁的質量時，應采用外(或內)穿式探頭、人工通孔標準缺陷及較低的檢測頻率(頻率也不能太低，頻率太低時靈敏度降低)；如重點關注的是管材內表面及其淺表面質量，宜采用內穿式探頭、人工槽標準缺陷及較高的檢測頻率等。

[1]蔡桂喜,段建剛,陳軍,等. 管材渦流探傷最佳頻率數值模擬與試驗驗證[J]. 無損檢測,2009,31(5):333-336.

[2]王東升,徐可北,陳星,等. 金屬薄壁管材渦流檢測中異常信號的產生原因[J]. 無損檢測,2014,36(7):52-55.

[3]陳軍,蔡桂喜,林莉,等. 基于ANSYS仿真分析的管材渦流檢測頻率優化研究[J]. 失效分析與預防,2014(5):257-261.

[4]張闖,劉素貞,金亮,等. 用于金屬管材裂紋檢測的渦流加載線圈設計[J]. 電工技術學報,2013(S2):172-175.

[5]范孟豹,尹亞丹,曹丙花. 基于截斷區域特征函數展開法的金屬管材電渦流檢測線圈阻抗解析模型[J]. 物理學報,2012(8):476-481.

[6]張瑛,石太智. 高精度薄壁管材的渦流檢測方法[J]. 無損探傷,2013(2):40-41.

Constract of Defect Sensitivity of Artificial Grooves and Holes in ET for Tubes

LI Dong1, LIN Jun-ming2, XU Gui-ping1, HUANG Hai-xiang1, GAO San-jie1

(1.Nucleate Power Institute of China, Chengdu 610041, China;2.EDDYSUN (Xiamen) Electronic Ltd., Xiamen 361008, China)

It is quite a important problem for design organizations and use units to choose grooves or holes as artificial discontinuities in ET for tubes. In this paper, first, through theoretical analysis, the sensitivity contrastive analysis is made between a groove and a hole, the size of the groove is 3.0 mm (length)× 0.075 mm (width)×0.050 mm (depth), the diameter of the through hole isφ0.3 mm. The theoretical analysis indicates that: when the frequency is higher than a certain value, the sensitivity of the groove is higher than the hole; when the frequency equals the value, the sensitivity of the two equals; when the frequency is lower than the value, the sensitivity of the groove is lower than the hole. And finally, several experiments using the external through coil, internal through coil and pen probe have been done, and it is confirmed that the results of the theoretical analysis are right.

ET for tube; Groove or through hole artificial discontinuitie; Contrastive analysis; Sensitivity

2015-10-23

李冬(1969-),女,碩士,研究員,主要從事材料無損檢驗與評價方法研究工作。

李冬， E-mail: 13880626689@139.com。

10.11973/wsjc201607007

TG115.28

A

1000-6656(2016)07-0028-03