鐵素體不銹鋼傳熱管遠場渦流檢測分析技術

國核電站運行服務技術有限公司 于 巖 曾啟暢 郭 韻

遠場渦流（RFT）技術最早發表于1951年美國W.R.Maclean的一篇專利報告中，50年代末60年代初，殼牌公司將該技術成功應用于油井套管的檢測中。在核電領域，遠場渦流技術更多地被用于鐵磁性傳熱管的在役檢查中。

標準方面，美國ASTM E2096對于已安裝鐵磁性傳熱管（外徑12.7mm至50.8mm，壁厚0.71mm至3.4mm）遠場渦流檢測的基本要求、系統、樣管、程序、報告等內容。2010版ASME第V卷第17章引用了E2096，并對對比樣管、系統準備及參數設置等內容進行了補充。無論E2096還是ASME第V卷第17章，都未涉及驗收的要求。國內的遠場標準如NB/T 47013.6-2015和DL/T 833-2004基本參考引用了E2096，由于儀器設備的原因，都不要求遠場渦流信號用極坐標電壓幅值平面，這對于遠場渦流信號分析是不利的。DL/T 833-2004增加了檢測結果的評定，為實際缺陷評定及處理提供了依據。

無論參考ASME或E2096或者依據國內NB/T 47013.6-2015和DL/T 833-2004進行現場的遠場渦流檢測，都會遇到一些問題，比如如何設計和使用對比樣管；缺陷信號特征分析；缺陷的定量。實際上，國內鐵磁性遠場渦流檢測技術并未完全應用成熟，尤其在分析技術上還存在諸多問題，個別文獻也只針對碳鋼管。

1 鐵磁性不銹鋼傳熱管的常見降質形式

TP439鐵素體不銹鋼換熱管的抗腐蝕特性優于碳鋼，特別在高溫下有良好的力學性能，熱膨脹系數與碳鋼相當，與奧氏體不銹鋼相比，具有良好的傳熱性和耐蝕性（耐氯化物應力腐蝕、耐點蝕、耐縫隙腐蝕等局部腐蝕），高溫抗氧化性更高，膨脹系數小，抗熱應力能力大，在運行條件下應力腐蝕開裂敏感性小，硬度高，具有優良的耐磨和耐沖蝕性能，又在停機期間不需要氣相保護，且價格便宜。國際上核電機組的高壓加熱器已大量采用這種換熱管，國內嶺澳、紅沿河、寧德以及田灣核電三、四號機組也采用了該材質。

雖然鐵素體不銹鋼具有諸多優良性能，但是由于其可焊性差，在焊接過程中容易產生微裂紋；在冷變形的過程中，存在脆性開裂；室溫及低溫韌性差，缺口敏感性高，對晶間腐蝕比較敏感（尤其在氯離子的化學侵蝕下）。高壓加熱器傳熱管采用鐵素體不銹鋼材料時，主要的失效形式包括：腐蝕（晶間腐蝕、應力腐蝕）、液體沖蝕、裂紋以及振動磨損。

2 鐵磁性不銹鋼傳熱管的缺陷遠場渦流分析

2.1 缺陷特征分析

通過一系列試驗研究發現：遠場渦流對于體積量較小的缺陷（比如孔徑小于一倍壁厚以下的通孔）是不靈敏的，因此遠場渦流是用于檢測較大的缺陷或大面積管壁減薄的；遠場渦流對于內壁缺陷和外壁缺陷是無法從相位上予以區分的，因此對比樣管上都采用了外壁缺陷表征；遠場渦流由于檢測線圈響應范圍比常規渦流探頭要大，所以缺陷的分辨力不如常規探頭，相鄰缺陷信號比較容易疊加，疊加之后信號特征分析由于篇幅關系在本文中不作討論；遠場渦流檢測對于缺陷的軸向方向的變化能夠反映在信號特征，但同一圓周上缺陷的幾何形態和數量是綜合作用于信號的幅值上，并不能從信號特征上予以區分。

基于以上所述第4點，遠場渦流信號從信號特征只能分為長缺陷（軸向長度超過檢測線圈響應范圍）和短缺陷（軸向長度小于檢測線圈響應范圍）兩種。而遠場渦流探頭根據激勵形式的不同又可以分為單激勵和雙激勵。下文針對單激勵和雙激勵的渦流信號特征進行闡述。

2.1.1 單激勵探頭信號特征

單激勵探頭是遠場檢測探頭中常見的一類內穿差分式探頭，探頭由1個激勵線圈與2個檢測線圈組成。由于兩個檢測線圈距離激勵線圈的相對距離不一致，因此信號上呈現“8”字不對稱的特點，但相較于雙激勵探頭，其具有檢測盲區較小的優勢。如圖1所示，靠近探頭頂部的為激勵線圈，靠近探頭尾部的藍色及紅色線圈為檢測線圈。

圖1 單激勵探頭示意圖

短缺陷在差分通道上表現為一個較大差分信號和一個單邊小信號，絕對通道極坐標上是兩個幅值和角度近似的單邊信號，單激勵短缺陷（圓底孔）的特征如圖2所示。

圖2 短缺陷顯示信號（圓底孔）

另外，如圖3所示的幾種缺陷信號特征也和圖2類似。

圖3 具有短缺陷特征的缺陷

長缺陷在差分通道上表現為一個差分大信號（信號中有“臺階”）和一個單邊小信號（信號有“臺階”），絕對通道極坐標上是兩個幅值和角度近似的單邊信號（有“臺階”），單激勵長缺陷（周向槽）的特征如圖4所示。

圖4 長缺陷顯示信號（長環槽）

另外，如圖5所示長單邊槽信號響應也和圖4類似。

圖5 單邊長槽

2.1.2 雙激勵探頭信號特征

雙激勵探頭是遠場檢測探頭中另一類常見的內穿差分式探頭，探頭由2個激勵線圈與2個檢測線圈組成。如圖6所示，靠近探頭兩端的是激勵線圈，探頭中部的藍色及紅色線圈為檢測線圈。由于雙激勵探頭存在兩個激勵線圈，因此雙激勵探頭的長度較單激勵探頭長很多，檢測盲區也更大，但信號的對稱性上明顯優于單激勵探頭。

圖6 雙激勵探頭示意圖

短缺陷在差分通道和絕對通道上表現為一個較大差分信號和兩側各有一個單邊小信號，雙激勵短缺陷（圓底孔）的特征如圖7所示。

圖7 短陷顯示信號（180°短槽）

另外，圖8所示幾種缺陷信號特征也和圖7類似。

圖8 具有短缺陷特征的缺陷

長缺陷在差分通道上和絕對通道上都出現了“臺階”“一大兩小信號”都變長，長缺陷（周向槽）的特征如圖9所示。另外，對于雙激勵探頭，圖5所示單邊長槽的信號特征和圖9相類似。

圖9 長缺陷顯示信號（長環槽）

2.2 信號顯示評定方法

根據上文中信號特征對缺陷信號進行分類，信號顯示可分為長缺陷和短缺陷。實際長缺陷包括了周向、軸向、漸變長缺陷。實際短缺陷包括了點狀、軸向和周向短缺陷。點狀&短軸向缺陷和短周向缺陷從幅值上可以進行區分，短周向缺陷的幅值大于點狀&短軸向缺陷。將長缺陷、點狀或短軸向缺陷、短周向缺陷三類分別依據如圖10所示流程進行評定。

圖10 信號顯示評定流程圖

以上評定缺陷所用判傷曲線，都應采用與被檢缺陷形態近似的不同深度的人工缺陷制作擬合。以點狀缺陷為例，可采用圖11所示對比樣管。

圖11 點狀缺陷對比樣管

以短周向缺陷為例，若實際缺陷是單側的減薄，則可采用圖12所示單邊周向短槽的對比樣管。

圖12 單邊周向短槽的對比樣管

將研究結果應用于某核電廠在役檢查，對Φ19×0.9mm低壓加熱器的TP439傳熱管實施遠場渦流檢測，其中一臺發現了缺陷，一處缺陷深度壁厚減薄量超過40%。

3 結語

采用遠場渦流可有效地檢測鐵素體不銹鋼傳熱管中較大體積量的缺陷。依據缺陷的信號特征可將缺陷區分為長缺陷和短缺陷，再依據幅值可以進一步將短缺陷細分為點狀還是周向缺陷，從而實現缺陷的分類和評定。缺陷的評定時，所用對比樣管的人工缺陷要和實際缺陷類似，以不同深度缺陷擬合出判傷曲線。本文系統地闡述了對于鐵素體不銹鋼傳熱管遠場渦流檢測分析中缺陷特征分析、缺陷評定以及對比樣管缺陷設計三個重點，對于行業內，在參考國內相關標準實施遠場渦流檢測有參考和借鑒價值。