黃太回,張東利,陳振茂

(西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院強(qiáng)度與振動(dòng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710049）

0 引 言

應(yīng)力腐蝕裂紋是工件在腐蝕環(huán)境中,在靜態(tài)拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋,一般用肉眼很難發(fā)現(xiàn).應(yīng)力腐蝕裂紋導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)功能失效對(duì)大型機(jī)械系統(tǒng)如核電站造成了非常嚴(yán)重的影響,需要合適的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和定量.

目前國(guó)內(nèi)外在應(yīng)力腐蝕裂紋的研究中,一般認(rèn)為疲勞裂紋區(qū)域?qū)щ娐蕿榱?應(yīng)力腐蝕裂紋存在著弱于基體材料的部分導(dǎo)電性[1],在電導(dǎo)率精確定量方面尚無(wú)更成熟的結(jié)論.因此對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋進(jìn)行渦流檢測(cè)[2-3]定量重構(gòu)時(shí),由于裂紋區(qū)域電導(dǎo)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(shí)測(cè)渦流檢測(cè)信號(hào)與模擬渦流信號(hào)比對(duì)的方法確定奧氏體不銹鋼工件中應(yīng)力腐蝕裂紋區(qū)域的電導(dǎo)率的方法,并通過模型實(shí)驗(yàn)對(duì)其有效性進(jìn)行了研究.

1 基于渦流信號(hào)的應(yīng)力腐蝕裂紋電導(dǎo)率定量檢測(cè)方法

1.1 裂紋模型

當(dāng)某一選定的渦流檢測(cè)探頭的激勵(lì)頻率和電壓幅值確定時(shí),影響奧氏體不銹鋼中的渦流信號(hào)的參數(shù)主要有裂紋的寬度、長(zhǎng)度、深度和電導(dǎo)率值[4-5].由于渦流存在趨膚效應(yīng),當(dāng)采用高頻率渦流(2.5 M Hz～ 3 M Hz)進(jìn)行檢測(cè)時(shí),信號(hào)將集中于三倍趨膚深度(約1mm)范圍內(nèi).當(dāng)裂紋的深度大于 1mm時(shí),本文將整個(gè)應(yīng)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(dǎo)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(yùn)用逐層打磨逐層檢測(cè)的方法考察裂紋各層的電導(dǎo)率值,最終確定整個(gè)應(yīng)力腐蝕裂紋在深度方向上的電導(dǎo)率分布情況.

1.2 檢測(cè)原理及標(biāo)準(zhǔn)裂紋信號(hào)的標(biāo)定

圖1 裂紋模型Fig.1 Themodel of SCC

本文采用實(shí)測(cè)渦流檢測(cè)信號(hào)與模擬渦流信號(hào)對(duì)比的方法確定裂紋的電導(dǎo)率.當(dāng)裂紋的長(zhǎng)度、寬度和深度已知時(shí),影響試件中渦流信號(hào)的參數(shù)只有裂紋的電導(dǎo)率值,因此將實(shí)測(cè)信號(hào)與不同裂紋電導(dǎo)率值下的模擬信號(hào)進(jìn)行比對(duì),即可確定實(shí)際裂紋的電導(dǎo)率值[6].

由于實(shí)測(cè)信號(hào)與模擬信號(hào)的相位和幅值存在差異[7],所以要對(duì)二者進(jìn)行標(biāo)定.標(biāo)定及檢測(cè)過程如圖2所示,首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)人工裂紋求取實(shí)測(cè)信號(hào)與模擬信號(hào)幅值最大處的相位差和幅值比,用此相位差和幅值比調(diào)整實(shí)測(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋渦流檢測(cè)信號(hào),并將其與基于假設(shè)導(dǎo)電率計(jì)算所得應(yīng)力腐蝕裂紋信號(hào)反復(fù)比對(duì)從而獲取其電導(dǎo)率值.檢測(cè)中擬采用有限元邊界元 (FEMBEM)混合法程序進(jìn)行數(shù)值模擬.

2 應(yīng)力腐蝕裂紋電導(dǎo)率定量檢測(cè)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及標(biāo)定過程

實(shí)驗(yàn)中使用兩套渦流檢測(cè)設(shè)備(分別命名為設(shè)備 1和設(shè)備 2)進(jìn)行檢測(cè),在實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算過程所使用的基體材料均為奧氏體不銹鋼,其電導(dǎo)率值計(jì)為 1.4×106S/m.用于標(biāo)定的 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)裂紋長(zhǎng)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(cè)的應(yīng)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(xué)顯微鏡觀察其長(zhǎng)度約為 13mm,寬度約為 0.6mm,通過超聲波飛行時(shí)差衍射法(TOFD)檢測(cè)其深度約為3mm.實(shí)驗(yàn)及模擬計(jì)算所用探頭為餅狀高頻探頭,激勵(lì)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(hào)標(biāo)定過程,圖中各條線為信號(hào)的李薩育圖.圖3(a)為標(biāo)準(zhǔn)裂紋信號(hào)的標(biāo)定過程,即獲取標(biāo)準(zhǔn)裂紋實(shí)測(cè)信號(hào)與模擬信號(hào)間的相位差和幅值比;圖3(b)為按圖3(a)的調(diào)整比例變換后的 SCC信號(hào),即用從標(biāo)準(zhǔn)裂紋試件信號(hào)獲取的相位差和幅值比調(diào)整 SCC實(shí)測(cè)信號(hào).

圖3 實(shí)驗(yàn)信號(hào)的標(biāo)定Fig.3 The calib ration of signal from test

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

激勵(lì)頻率為 2.5M Hz,3 MHz時(shí),渦流信號(hào)的趨膚深度約為 0.3 mm,本文對(duì)多個(gè)電導(dǎo)率值和裂紋深度值下的渦流信號(hào)峰值進(jìn)行了計(jì)算并形成了如圖4所示的基準(zhǔn)曲線.計(jì)算中所用電導(dǎo)率值為基體材料電導(dǎo)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(shù)下的基準(zhǔn)曲線和檢測(cè)信號(hào)Fig.4 The benchmark cu rveand test signal on different parameters

由圖4可知,激勵(lì)頻率為 2.5 MHz,3 MHz時(shí),當(dāng)裂紋深度小于 1 mm時(shí),裂紋信號(hào)峰值受深度影響較大;當(dāng)裂紋深度大于 1mm時(shí),裂紋信號(hào)峰值受深度影響很小,且約為 1mm深度時(shí)的值.通過將標(biāo)定后的 SCC信號(hào)與基準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比即可得到 SCC的電導(dǎo)率值.圖4同時(shí)給出了工件第一層進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)圖.圖4(a)為設(shè)備 2在 2.5 MHz頻率下,用 1 mm深度的標(biāo)準(zhǔn)裂紋作標(biāo)定獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過對(duì)比可得 SCC區(qū)域的電導(dǎo)率為基體材料(即奧氏體 304不銹鋼)電導(dǎo)率的 4.5%;圖4(b)為設(shè)備 1在3M Hz頻率下,用 3mm深度的標(biāo)準(zhǔn)裂紋作標(biāo)定后獲得的實(shí)驗(yàn)信號(hào),此時(shí)獲得的 SCC區(qū)域電導(dǎo)率為基體材料電導(dǎo)率的 8%.

對(duì)工件第一層進(jìn)行了 4次重復(fù)實(shí)驗(yàn),結(jié)果對(duì)比如表1～表4所示.表中的數(shù)據(jù)為在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)參數(shù)下獲得的 SCC信號(hào)經(jīng)標(biāo)定后對(duì)比基準(zhǔn)曲線得到的裂紋電導(dǎo)率.由對(duì)比結(jié)果可以看到:

1)實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好,各次實(shí)驗(yàn)相同參數(shù)下獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較接近.

2)使用不同設(shè)備、不同激勵(lì)頻率,用相同深度的標(biāo)準(zhǔn)裂紋進(jìn)行標(biāo)定檢測(cè),SCC的電導(dǎo)率值都較接近,即驗(yàn)證了該標(biāo)定方法的正確性.

3)用不同深度的標(biāo)準(zhǔn)裂紋進(jìn)行標(biāo)定檢測(cè),獲得的結(jié)果存在相對(duì)固定的差異,且各個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定在4%～8%之間.

表1 第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The result of the first experiment

表2 第二次實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The result of the second experime

表3 第三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The result of the third experiment

3 結(jié) 論

表4 第四次實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 The result of the forth experiment

本文提出了將工件上的應(yīng)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(dǎo)率值,用高頻渦流探頭檢測(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋區(qū)域,通過實(shí)驗(yàn)信號(hào)與模擬計(jì)算信號(hào)對(duì)比的方法確定裂紋電導(dǎo)率值的方法.在對(duì)第一層進(jìn)行檢測(cè)后,驗(yàn)證了該方法的可行性,初步確定該工件中的應(yīng)力腐蝕裂紋在 1mm深度內(nèi)的電導(dǎo)率值約為基體材料電導(dǎo)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.

[6] Yusa N,Machida E,Janousek L,et al.App lication of eddy current inversion technique to the sizing of defects in Inconelw elds.Nucl.Eng.Design,2005(235):1469-1480.

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