黃橋生，鄒建偉，沈丁杰

（湖南省電力公司試驗(yàn)研究院，長(zhǎng)沙 410007）

凝汽器是火力發(fā)電廠的重要設(shè)備之一，而凝汽器換熱管在制造和加工過程中易產(chǎn)生夾雜、裂紋、劃痕等缺陷，這些缺陷易使換熱管腐蝕穿孔出現(xiàn)泄漏，使汽輪機(jī)的真空度降低，影響機(jī)組的出力和鍋爐水質(zhì)?，F(xiàn)在使用不銹鋼管凝汽器的電廠越來越多，與銅管、鈦管相比，不銹鋼管具有良好的機(jī)械性能、耐蝕性能、經(jīng)濟(jì)性能，不銹鋼管凝汽器總的傳熱性能也較好。但是無論是不銹鋼管還是鈦管都不是萬無一失的，只有選材合理、質(zhì)量合格、安裝正確、運(yùn)行維護(hù)得當(dāng)，才能充分發(fā)揮其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。否則，也會(huì)出現(xiàn)腐蝕泄漏。

凝汽器不銹鋼管常用的渦流檢測(cè)主要采用幅值分析法、橢圓分析法或單頻渦流檢測(cè)，幾種方式都無法抑制鋼管內(nèi)部噪聲和熱處理等因素的干擾，都存在著管材缺陷漏檢和誤判的問題。而采用雙頻渦流檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，即采用兩個(gè)頻率同時(shí)工作，具有兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的測(cè)試通道，管材產(chǎn)生的噪聲信號(hào)和缺陷被分解成X，Y兩個(gè)分量，得到二維阻抗圖形的顯示，既可有效地抑制干擾信號(hào)，又可準(zhǔn)確檢出缺陷信號(hào)，給電廠凝汽器鋼管檢測(cè)的準(zhǔn)確性提供了可靠的保證［1］。

1 雙頻渦流檢測(cè)概念

1.1 基本原理

渦流檢測(cè)是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)。當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈置于金屬材料上，金屬材料在載流線圈感應(yīng)的交變磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流的大小及分布受材料性能及有無缺陷的影響。因而，通過檢測(cè)線圈感拾出金屬材料內(nèi)渦流的變化就能判斷出材料中有無缺陷（圖1）。

圖1 渦流檢測(cè)原理示意圖

雙頻渦流儀檢測(cè)是通過兩個(gè)頻率的信號(hào)來激勵(lì)檢測(cè)線圈，根據(jù)兩個(gè)激勵(lì)頻率下的信號(hào)進(jìn)行矢量迭加處理，來消除管材的噪聲干擾信號(hào)，從顯示器上得到缺陷的幅值和相位阻抗圖形，對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行分析、比較、判斷。原則上一個(gè)激勵(lì)頻率只能消除一個(gè)干擾噪聲信號(hào)的影響因素。

1.2 檢測(cè)方法

缺陷信號(hào)和干擾信號(hào)對(duì)探頭的反應(yīng)是相互獨(dú)立的，其中一個(gè)頻率用于支撐板的混頻處理，兩者共同作用時(shí)的反應(yīng)為單獨(dú)作用時(shí)反應(yīng)的矢量相加。利用這點(diǎn)，可以通過改變檢測(cè)頻率來改變渦流在被檢材料中的大小和分布，使同一缺陷或干擾在不同頻率下對(duì)渦流產(chǎn)生不同的反應(yīng)，通過矢量運(yùn)算，消去干擾的影響，僅保留缺陷信號(hào)。雙頻渦流檢測(cè)技術(shù)就是用兩個(gè)不同頻率同時(shí)激勵(lì)探頭線圈，根據(jù)不同頻率對(duì)不同參數(shù)變化所取得的檢測(cè)結(jié)果，通過上述方法分析處理，提取所需信號(hào)，抑制不需要的干擾信號(hào)。

設(shè)C1，C2分別為激勵(lì)頻率f1，f2的輸出信號(hào)，P1，P2分別表示檢測(cè)信號(hào)、噪聲干擾信號(hào)的兩個(gè)不同參數(shù)的增量，則有如下線性關(guān)系：

解聯(lián)立方程可求得P1，P2。如果以P2作為干擾噪聲信號(hào)，可通過計(jì)算機(jī)模擬或數(shù)學(xué)運(yùn)算，將信號(hào)P2消除，提取P1信號(hào)作為被測(cè)管材判斷依據(jù)。

在標(biāo)樣管外面套上碳鋼環(huán)以模擬支撐板信號(hào)，當(dāng)探頭通過時(shí)，單頻檢測(cè)與雙頻檢測(cè)的結(jié)果對(duì)比見圖2。單頻渦流檢測(cè)時(shí)，缺陷與支撐板疊加使波形畸變，無法確定相位而不易識(shí)別。雙頻檢測(cè)能較好地抑制支撐板干擾信號(hào)，缺陷信號(hào)能較好地識(shí)別。

圖2 單頻和雙頻渦流檢測(cè)有支撐板干擾通孔信號(hào)對(duì)比

2 信號(hào)試驗(yàn)分析

渦流檢測(cè)中，電導(dǎo)率σ、磁導(dǎo)率μ、填充系數(shù)η、試件幾何形狀、提離效應(yīng)Δd、試件的不連續(xù)性Cr、邊界效應(yīng)和頻率f等均能影響檢測(cè)線圈的阻抗，缺陷對(duì)線圈阻抗的影響可以看作是電導(dǎo)率和幾何尺寸兩個(gè)參數(shù)影響的綜合結(jié)果。因此，它的效應(yīng)方向應(yīng)該介于電導(dǎo)率σ效應(yīng)和直徑d效應(yīng)之間。以下主要討論缺陷與阻抗信號(hào)的關(guān)系。

2.1 模擬缺陷信號(hào)特征

當(dāng)線圈掃查遇到缺陷時(shí)，渦流將發(fā)生畸變，改變檢測(cè)線圈的阻抗。根據(jù)阻抗分析的相位角和幅值的不同，來判斷缺陷的大致形狀以及深度，從復(fù)雜的噪聲干擾信號(hào)中提取信息進(jìn)行分析、比較。

根據(jù)凝汽器不銹鋼管材質(zhì)、規(guī)格使用情況，采用兩根外徑大小分別為φ27mm×1mm、φ36mm×1mm不銹鋼管（材質(zhì)TP304H）設(shè)計(jì)制作了兩種對(duì)比試樣。每一個(gè)對(duì)比試樣采用電火花加工了8個(gè)外、內(nèi)壁深度分別為0.2，0.4，0.6，0.8mm 的周向槽和4個(gè)外、內(nèi)壁深度分別為0.5，0.8mm的軸向槽人工缺陷，每一個(gè)槽寬0.2mm，長(zhǎng)20mm，分別用來模擬內(nèi)外壁橫向裂紋、縱向裂紋等缺陷；并按標(biāo)準(zhǔn)GB／T 7735—2004《鋼管渦流探傷檢驗(yàn)方法》驗(yàn)收等級(jí)A，B要求分別加工徑向通孔各1個(gè)，內(nèi)外壁深度分別為0.2，0.4，0.6，0.8mm 的φ0.9mm 的孔，用來模擬點(diǎn)腐蝕、材料夾雜、成分偏析、熱處理或磁性不均勻等缺陷，見圖3。

根據(jù)凝汽器不銹鋼管材質(zhì)電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等參數(shù)的特點(diǎn)，同時(shí)考慮將干擾和雜波信號(hào)相位調(diào)整到水平位置、幅值調(diào)整在60%左右波幅。經(jīng)多次試驗(yàn)，確定以下檢測(cè)參數(shù)，激勵(lì)頻率：一通道75～85kHz，二通道55～65kHz；相位：一通道340°～345°，二通道20°～25°；增益：45～50dB?，F(xiàn)以規(guī)格為φ27mm×1mm、材質(zhì)為TP304H的對(duì)比試樣缺陷阻抗圖為例進(jìn)行分析，如圖4。

2.2 模擬缺陷信號(hào)分析

通過對(duì)模擬缺陷阻抗圖分析，渦流檢測(cè)缺陷信號(hào)參數(shù)如表1所示?？蓺w納為：內(nèi)壁周向槽的相位值20°～40°，內(nèi)壁軸向槽的相位值25°～35°；外壁周向槽的相位值80°～160°，外壁軸向槽的相位值90°～135°，缺陷幅值與缺陷的大小成正比。壁厚減薄與相位的關(guān)系如圖5所示，內(nèi)壁腐蝕隨著壁厚的減薄相位從20°至50°遞增，外壁腐蝕隨著壁厚的減薄相位從180°至50°遞減，幅值與缺陷的大小成正比（表1）。

表1 渦流檢測(cè)缺陷信號(hào)參數(shù)

圖5 相位－減薄關(guān)系圖

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例分析

3.1 簡(jiǎn)述

湖南某電廠2×600MW超超臨界新建機(jī)組凝汽器，2010年8月灌水試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)部分不銹鋼新管泄漏，兩臺(tái)機(jī)組共使用42986根，材質(zhì)為TP304L，規(guī)格為φ31.75mm×0.7mm 和φ31.75mm×0.5mm。采用ET556H數(shù)字電腦遠(yuǎn)場(chǎng)雙頻渦流儀對(duì)兩臺(tái)機(jī)組凝汽器鋼管進(jìn)行了100%在役檢測(cè)，檢測(cè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB／T 7735—2004《鋼管渦流探傷檢驗(yàn)方法》。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

對(duì)不銹鋼管進(jìn)行在役渦流檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)657根鋼管存在超標(biāo)缺陷，353根存在記錄缺陷。在有超標(biāo)缺陷的不銹鋼管中隨機(jī)抽取50根進(jìn)行宏觀及表面檢查，并結(jié)合缺陷信號(hào)阻抗圖顯示，對(duì)超標(biāo)缺陷管提取信息進(jìn)行分類、比較，抽取的超標(biāo)缺陷管信息見表2所示。

表2 缺陷管信息匯總表

如表2缺陷信息可知：內(nèi)壁腐蝕穿孔的相位值符合以上相位－減薄關(guān)系圖，相位為20°～50°范圍；外表面裂紋相位為90°～110°，符合以上模擬缺陷信號(hào)分析中外壁軸向槽的相位值90°～135°范圍。

4 分析結(jié)論

通過試驗(yàn)分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，對(duì)缺陷信號(hào)分析總結(jié)歸納如下：

（1）人工通孔缺陷隨通孔孔徑的遞增，信號(hào)幅值呈直線上升，且相位角基本保持不變。

（2）在對(duì)比樣管上制作的人工缺陷間隔大、形狀規(guī)則，顯示在渦流阻抗圖上形狀較規(guī)則，而自然缺陷形狀復(fù)雜，分布不均勻。

（3）管材上存在的嚴(yán)重缺陷，如穿孔、裂紋、腐蝕孔和夾雜等，其規(guī)律特征可總結(jié)如下：① 一般性的腐蝕穿孔或針孔的相位角位于50°～60°之間。②管內(nèi)壁的缺陷，如內(nèi)壁表面裂紋，顯示的相位角在20°～40°之間。③ 管外壁缺陷，如裂紋，相位顯示的角度在80°～160°之間。④ 管內(nèi)外壁表面的夾雜、壓痕、壓坑等相位角一般位于0～60°之間。

（4）鋼管內(nèi)外壁腐蝕程度與相位關(guān)系如圖5所示，內(nèi)壁腐蝕坑顯示的相位角位于20°～50°。隨著腐蝕程度的增加，相位角呈遞增趨勢(shì)；外壁腐蝕坑顯示的相位角位于50°～180°，隨著腐蝕程度的增加，相位角呈遞減趨勢(shì)［2］。

5 其他應(yīng)用

圖8 凝汽器銅管缺陷檢測(cè)相位圖

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)凝汽器銅管和鈦管的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，管外壁缺陷顯示的相位角在50°～120°，管內(nèi)壁缺陷顯示的相位角在10°～60°（圖8）。缺陷的相位分布基本符合以上分析結(jié)果，可以得出該分析結(jié)果同樣適用于非鐵磁性薄壁金屬管材。

6 結(jié)語

雙頻渦流阻抗分析法是我國(guó)一直在開展的新技術(shù)。采用雙頻渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中缺陷信號(hào)的特征，提出了阻抗信號(hào)參數(shù)與缺陷性質(zhì)的關(guān)系。試驗(yàn)分析結(jié)果不僅解決了凝汽器不銹鋼管渦流檢測(cè)定性問題，避免了錯(cuò)判、漏判的出現(xiàn)，同時(shí)對(duì)其他非鐵磁性凝汽器管的渦流檢測(cè)具有指導(dǎo)意義。

［1］鄒建偉.雙頻渦流技術(shù)在冷凝器銅管檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.湖南電力技術(shù)，1992（3）：31－36.

［2］沈建民，邱法聚，王小華.奧氏體不銹鋼換熱器管的渦流檢測(cè)［J］.無損檢測(cè)，2008，30（8）：548－549.