奧氏體不銹鋼均勻表面的渦流陣列檢測技術應用

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(中國特種設備檢測研究院, 北京 100029)

奧氏體不銹鋼板材、管道、鍛件等在特種設備行業中比較常見，其表面形狀規則，表面狀態比較均勻，材料也相對均勻。應力腐蝕開裂(SCC)和孔蝕是在役奧氏體不銹鋼材料常見的失效模式[1-2],其中SCC是最危險的缺陷類型。

溶劑去除型著色滲透檢測技術(PT)是奧氏體不銹鋼加工件(管材和鍛件)的常見表面檢測方法。其能夠檢出表面開口缺陷，檢測結果直觀，在一定程度上能夠對缺陷進行定性；但存在無法檢出近表面缺陷、檢測工序多、檢測時間長、表面清潔度要求高、可重復性差、檢測結果對檢測人員依賴性強等問題[3]。

常規表面渦流檢測技術也是奧氏體不銹鋼加工件的表面檢測方法之一，能檢出表面開口缺陷和一定程度的近表面缺陷[4]。但該方法檢測結果不直觀，難以對缺陷定性，檢測速度慢，檢測結果對操作人員的依賴性更強，很容易出現漏檢或誤判。因而，常規表面渦流檢測技術并未在特種設備行業得到廣泛應用。

渦流陣列檢測技術(ECA)是在常規表面渦流檢測技術基礎上發展起來的一種新型表面渦流檢測技術。其將若干個渦流線圈有規律地致密排列，能進行一次性大面積掃查，并且能夠形成直觀性較好的C掃顯示。雖然其檢測靈敏度與對應的常規表面渦流檢測技術相同，但檢測結果直觀、檢測速度快、檢測結果對操作人員的依賴性不強，減少了檢測過程中的漏檢和誤判，提高了檢測效率，從而越來越受到檢測人員的關注。

最近幾年，關于奧氏體不銹鋼材料ECA應用的報道越來越多[5-9]。然而，這些報道的信息并未讓使用者清楚ECA的檢測能力。因此，筆者開展了一系列的ECA檢測試驗，并與溶劑去除型著色滲透檢測結果進行比較，得出了兩種檢測技術在奧氏體不銹鋼均勻表面檢測中的優缺點。

1 試驗制備

1.1 儀器和探頭

試驗所用儀器是Olympus NDT公司生產的OmniScan MX ECA渦流陣列檢測系統，其由主機、ECA探頭組成，如圖1所示。所用ECA探頭(以下簡稱SBB探頭)具有32個檢測通道，中央頻率為150 kHz，工作模式為絕對橋式。

圖1 試驗儀器和探頭

1.2 工作原理

試驗所用的SBB探頭具有32個渦流線圈。這些線圈按規則排成2排，每排16個，2排探頭相互錯開，以減少漏檢區域。陣列探頭中獨立工作的最小單元稱為陣列元，此試驗裝置的陣列元是由單個自發自收的渦流線圈組成的，其工作模式如圖2所示。

圖2 SBB探頭的工作模式

為避免臨近陣列元之間的相互串擾，采用多路切換技術對陣列元分時、分批激活。圖2顯示的是第1個時隙的陣列元激活狀態，激活的陣列元為1#、5#、9#、13#；第2個時隙同時激活的陣列元為17#、21#、25#、29#；第3個時隙同時激活的陣列元為2#、6#、10#、14#陣列元等,激發完全部32個陣列元需要8個時隙。由于多路切換的時隙時間很短，對探頭掃查速度的影響不大。

各陣列元都有1個檢測通道，在激活后會產生檢測數據，在編碼器的觸發下這些數據可被保存起來；經軟件調整后，這些數據形成C掃顯示。在C掃顯示中，通常橫坐標為位置參數，采集點的幅值垂直分量作為C掃顯示顏色的參數。C掃顯示中缺陷的顯示顏色將不同于完好材料處的顯示顏色。因此，可以通過C掃顯示的顏色差別來直觀地判別缺陷。

為了說明ECA的C掃顯示的形成原理，采用CIVA仿真軟件模擬自發自收式渦流陣列探頭的C掃顯示結果,如圖3所示。從圖3(b)中可以看出，每個通道都是C掃顯示中的一定寬度的長條，這些長條組成了一個C掃顯示。

圖3 渦流陣列C掃顯示仿真

1.3 試驗試樣

試樣材料均為304奧氏體不銹鋼，編號分別為1#和2#，缺陷包括人工缺陷和自然缺陷。

1.3.1 1#試樣

1#試樣為人工缺陷薄試樣，其缺陷是電火花加工的刻槽和機械加工的平底孔，厚度為1.1 mm，共計12個人工缺陷，編號分別為a～l，如圖4所示。 編號a～f為長度和寬度相同、深度不同的刻槽，用于模擬均勻平面的小裂紋類缺陷，尺寸如表1所示。編號g～l為直徑個別不同、深度不同的平底孔，用于模擬孔蝕類缺陷，尺寸如表2所示。人工缺陷公差為±0.05 mm。

圖4 1#試樣外觀及其缺陷編號

表1 1#試樣正面的刻槽缺陷尺寸mm

表2 1#試樣正面的平底孔缺陷尺寸 mm

圖5 2#試樣內壁照片

1.3.2 2#試樣

2#試樣為自然缺陷試樣。其缺陷是壓力管道在使用過程中產生的SCC和孔蝕；試樣是從失效的在役壓力管道上切下的一部分，內壁有多處SCC和孔蝕(見圖5)，管道厚度為7 mm。這些SCC和孔蝕都起源于內壁，然后逐漸向外壁擴展。試樣的內壁表面比較均勻。

1.4 滲透檢測劑

所用的滲透檢測劑為中日合資美柯達探傷器材有限公司的DPT-5型溶劑去除型著色滲透檢測劑。

2 試驗結果及討論

2.1 1#試樣的試驗結果及討論

對于1#試樣，如果帶有開口缺陷的正面是掃查面，則a～l均可視為表面開口缺陷。

1#試樣正面的PT試驗是在室溫26 ℃下完成的,滲透時間為15 min，顯像時間為15 min。PT檢測結果如圖6(a)所示。

ECA試驗采用SBB探頭進行掃查，檢測頻率為150 kHz，探頭驅動電壓為2.0V。ECA的C掃顯示如圖6(b)所示。

2.1.1 淺缺陷檢測能力分析

由圖6(a)可知，對于PT的檢測結果，深度較小的e、f、k、l編號的PT相關顯示較弱，而淺而寬的k、l平底孔的相關顯示更弱。由圖6(b)可知，對于ECA的C掃顯示，除刻槽f的C掃顯示稍弱外，其他刻槽的C掃顯示都較清晰。

通過對比圖6(a)和圖6(b)可知，ECA的缺陷檢出數量多于PT的檢出數量。

對于PT，刻槽深度小，刻槽內存留的滲透劑就比較少；淺而寬的平底孔，在去除多余滲透劑時，容易去除掉平底孔內的滲透劑，造成過清洗，使得平底孔內的截留滲透液更少。滲透劑量少，回滲到顯像劑的滲透劑就少，相關顯示就會不清晰。因此，PT很難檢出淺缺陷，特別是寬而淺的缺陷[3]。

對于ECA，根據趨膚效應，渦流主要集中在表面和近表面位置，工件內的渦流密度隨著深度的增加而迅速衰減。渦流密度越大，檢測靈敏度越高[4]。因此，ECA檢測表面開口淺缺陷的靈敏度較高。

通過以上分析可知，對于奧氏體不銹鋼表面開口淺缺陷，ECA的檢測能力高于PT。

2.1.2 淺缺陷的ECA深度評價

(1) 淺刻槽的ECA深度評價

圖7為1#試樣刻槽a～f的ECA檢測結果。由圖7可知，刻槽C掃顯示的顏色隨著深度的減小而有規律地變淺。將刻槽a～f的C掃顯示的中間位置峰峰幅值(以下簡稱“幅值”)和峰峰相位(以下簡稱“相位”)與刻槽深度建立關系曲線，如圖8所示。

圖7 1#試樣刻槽a～f的ECA檢測結果

圖8 刻槽深度-幅值和刻槽深度-相位曲線

由圖8可知，刻槽的幅值和相位均隨著深度的減小單調下降；且2條曲線的斜率總體上隨著缺陷深度的減小而增大。這表明，表面開口淺裂紋的深度越小，ECA對于深度變化的響應越敏感，甚至能分辨出0.1 mm的深度變化。

由上可知，可根據ECA的顏色、幅值和相位對表面開口裂紋類淺缺陷的深度進行評價。

(2) 淺平底孔的ECA深度評價

圖9為1#試樣平底孔g～l的ECA檢測結果。由圖9可知，平底孔C掃顯示的顏色并未隨著深度的減小而有規律地變淺。將平底孔g～l的C掃顯示的中間位置峰峰幅值與平底孔尺寸建立關系曲線，如圖10所示。

圖9 1#試樣平底孔的ECA檢測結果

圖10 平底孔的尺寸-幅值和尺寸-相位曲線

由圖10可知，從整體來看，幅值和相位并未隨著缺陷深度的增加而有規律地變化；這表明，平底孔的ECA信號不但與平底孔的深度有關，也與平底孔的直徑有關。對于直徑相同的j、k、l平底孔，其C掃顯示顏色卻隨著深度的減小而有規律地變深，對應渦流信號的幅值和相位卻隨著平底孔深度的減小而上升；這2段曲線的斜率隨著深度的減小而增大。這表明，表面開口淺平底孔的深度越小，ECA對于深度變化的響應越敏感，能分辨出0.1 mm的深度變化。

由上可知，可根據ECA的顏色、幅值和相位對表面開口孔蝕類淺缺陷的深度進行評價，但要選擇直徑相同或相近的平底孔參考體。

2.1.3 薄試樣埋藏較淺缺陷的檢測能力

對于1#試樣，如果背面是掃查面，則除a和g兩個貫穿性缺陷外，其余的都可視為近表面缺陷。PT是無法檢出近表面缺陷的[3]。

圖11 1#試樣背面的ECA的C掃顯示

圖11是1#試樣背面采用SBB探頭的檢測結果，檢測頻率為150 kHz，探頭驅動電壓為2.0 V。由圖11可知，ECA能夠檢出b、c近表面刻槽缺陷和h～k近表面平底孔缺陷。

由上可知，ECA可以在一定程度上檢出埋藏較淺的近表面缺陷。

2.2 2#試樣的試驗結果及討論

2#試樣的試驗主要用以評價均勻表面的表面開口SCC和孔蝕的檢測能力。

2#試樣內壁的PT試驗是在室溫17℃下完成的,滲透時間為15 min，顯像時間為10 min。PT檢測結果如圖12(a)所示。

2#試樣內壁的ECA試驗的激發頻率為150 kHz，探頭驅動為2.0 V。其C掃顯示如圖12(b),(c),(d)所示。

為了便于對比，將SCC的PT相關顯示和ECA的缺陷C掃顯示分別編號為F1～F6，將孔蝕的PT相關顯示和ECA的缺陷C掃顯示分別編號為P1～P6，如圖12(a),(b)中的虛線框所示。各孔蝕PT相關顯示直徑為1.0 mm左右。

圖12 2#試樣內壁的檢測結果

2.2.1 表面開口缺陷的分辨力

缺陷分辨力是指通過相關顯示或C掃顯示分辨最小缺陷尺寸的能力。

對比圖12(a),(b)中的F1～F5可知， PT的相關顯示能夠呈現SCC的分叉細節；而ECA的缺陷C掃顯示只能呈現SCC的大致形狀。

PT顯像劑的顆粒粒度很小(通常為微米級)，顯像劑吸附缺陷內存留的滲透劑后，如果觀察時機合適，會得到與真實缺陷表面開口形狀相近、尺寸稍微放大的相關顯示，通常能夠呈現SCC的分叉細節。因此，PT在一定程度上可用于缺陷的定性分析。

而自發自收式ECA的C掃顯示取決于探頭中檢測線圈的尺寸大小，線圈的尺寸越小，缺陷C掃顯示越接近實際缺陷形狀。SBB探頭的檢測線圈直徑是3 mm，則其探頭分辨力為1.5 mm。因此，很難呈現某些局部細節。

由上可知，ECA對表面開口缺陷的分辨力要稍低于PT。

2.2.2 表面開口缺陷顯示對比度

缺陷對比度是指相關顯示或缺陷C掃顯示和圍繞這個顯示的表面背景之間的亮度和顏色之差。缺陷顯示對比度越高，越容易檢出缺陷。

對比圖12(a),(b)中的F1～F5及P1、P4、P5可知，PT的對比度要低于ECA。

應力腐蝕裂紋屬于細微裂紋，針尖大的孔蝕也屬于小缺陷，空隙較小。對于PT，著色滲透檢測劑雖然能夠滲透進去，但裂紋截留的滲透劑量不大，難以形成顏色很濃的相關顯示。對于在役管道內壁，其表面粗糙度較大，會給PT的清洗工序帶來困難，通常會因清洗不徹底而形成一定程度的背景色，也是相關顯示對比度低的主要原因[3]。

ECA對表面要求不高，且可以通過調整濾波、增益或旋轉角度等方式，得到想要的結果。如果檢測微小缺陷，可以將增益調大，如圖12(c)所示；如果只想檢測應力腐蝕開裂，可通過降低增益和旋轉角度，將孔蝕的信號弱化，如圖12(d)所示。因此，可以通過ECA的參數優化提高C掃顯示的對比度。

由上可知， ECA的表面開口缺陷顯示對比度通常高于PT的。

2.2.3 表面開口缺陷檢出率

在圖12(a)中，F6的PT相關顯示只有3個孤立的紅點，容易誤判為3個孔蝕；但在圖12(b)中，F6的C掃顯示清晰指示為一條裂紋狀缺陷。在圖12(b)中，P3和P6的C掃顯示清晰指示為孔蝕；但在圖12(a)中，對應位置沒有出現PT相關顯示。這是因為應力腐蝕裂紋和孔蝕截留的滲透劑量不大，難以形成顏色很濃的相關顯示；如果缺陷開口部分堵塞，形成的相關顯示將無法反映缺陷特征，甚至無法顯示，造成缺陷的誤判或漏判。

對于小缺陷，ECA也會有漏檢的情況。圖12(a)中P2的虛線框中有3點孔蝕，但在圖12(b)中只顯示了2點孔蝕。

ECA的C掃圖中的缺陷顯示是因為陣列元通過缺陷時，接收的渦流信號發生擾動，這種擾動會造成陣列元渦流信號幅值和相位的變化，在C掃圖中形成缺陷顯示。擾動程度越大，缺陷顯示就越明顯。但如果陣列元的非敏感部位掃過缺陷且缺陷尺寸小于探頭分辨力，則陣列元在缺陷位置接收的渦流信號的擾動很小，很難在C掃圖中與背景色分開，容易造成小缺陷的漏檢。

但總體而言，ECA的表面開口缺陷檢出率還是要高于PT的。因為ECA對于表面檢測條件的要求比PT要低，其能夠顯示表面開口缺陷的完整形狀，缺陷顯示對比度高，減少了缺陷的漏檢，提高了缺陷檢出率。

3 結論

(1) 對于均勻平面的表面開口淺缺陷，ECA的檢出能力優于PT； ECA能在一定程度上檢出埋藏較淺的近表面缺陷，而PT無法檢測近表面缺陷；ECA能在一定程度上對表面開口淺缺陷進行深度評估，但要選擇表面開口相近的參考體。

(2) 對于均勻表面的開口SCC和孔蝕的檢測，ECA的缺陷分辨力略低于PT，但是ECA的缺陷顯示對比度和缺陷檢出率高于PT的。