佟海山，李明達(dá)，周德強(qiáng)，趙學(xué)永，仝金瀟

(1.江蘇恒正檢測技術(shù)有限公司，江蘇 淮安 223005； 2.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122；3.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122； 4.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司,山東 淄博 255000)

0 引 言

蒸汽發(fā)生器是核電站反應(yīng)堆重要的熱交換部件。由于傳熱管運(yùn)行環(huán)境處于高溫高壓狀態(tài)且所處環(huán)境有一定的腐蝕性，所以傳熱管缺陷以腐蝕開裂的形式較多，常見的有長、短、環(huán)形的軸向和周向缺陷。為確保傳熱管的安全運(yùn)行，國內(nèi)外各個(gè)核電站均采用渦流檢測的方法對傳熱管實(shí)施役前和在役檢查，利用Bobbin探頭進(jìn)行檢查是渦流檢測的主要手段[1]。曾玉華、吳海林等對腐蝕裂紋的渦流檢測結(jié)果進(jìn)行對比，分析了渦流檢測誤差原因，總結(jié)出腐蝕裂紋特性對檢測結(jié)果的影響，提高檢測準(zhǔn)確性[2]。Jinhyun Park和Seong-Jin Han等使用渦流探頭對蒸汽發(fā)生器管道進(jìn)行檢測，對所采集的數(shù)據(jù)通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練后，用于對軸向和周向缺陷的識別，對軸向和周向缺陷識別率有較大提升[3]。筆者利用COMSOL軟件對傳熱管軸向和周向缺陷渦流檢測進(jìn)行仿真，并利用Bobbin探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過對仿真與實(shí)驗(yàn)的幅值和相位信號的分析，研究軸向和周向缺陷的檢測方法，并確定最優(yōu)檢測頻率區(qū)間。

1 檢測原理

渦流檢測技術(shù)是一種以電磁學(xué)為理論基礎(chǔ)的無損檢測方法。在電荷和電流隨時(shí)間變化的狀態(tài)下，他們所產(chǎn)生的電場和磁場也會隨之變化。渦流線圈與導(dǎo)體試件之間相互作用引起的電磁場變化是以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)[4]。利用電磁感應(yīng)原理，當(dāng)Bobbin探頭在傳熱管中移動(dòng)并靠近缺陷時(shí)，傳熱管中感應(yīng)電流產(chǎn)生的渦流會產(chǎn)生變化，從而引起阻抗的改變[5]。阻抗的變化主要表現(xiàn)為電壓幅值與相位的變化規(guī)律[6]。文中渦流檢測所采用的模型如圖1所示，檢測所用探頭為Bobbin探頭，被檢測樣管上有電火花制作的人工缺陷。Bobbin線圈由兩個(gè)線圈串聯(lián)相接，這兩個(gè)線圈具有相同匝數(shù)，但是旋向相反，加載激勵(lì)源后，兩個(gè)線圈分別產(chǎn)生方向相反的時(shí)諧電流Iejωt和-Iejωt。

圖1 Bobbin探頭渦流檢測模型圖

2 有限元仿真分析

2.1 有限元仿真模型建立

本文采用的仿真軟件為COMSOL Multiphysics 5.3，利用該軟件建立軸向與周向缺陷有限元仿真模型。仿真模型主要由四部分組成：激勵(lì)線圈、檢測線圈、被檢測傳熱管、空氣域，其中傳熱管模型為非鐵磁性材料Inconel 690，線圈的材料為銅，如圖2所示，圖2(a)和(b)分別為軸向和周向缺陷模型圖，均為外壁軸向和周向缺陷，缺陷深度為壁厚的20%、40%、60%和100%，傳熱管模型尺寸為φ17.48 mm×1.01 mm×300 mm(外徑×壁厚×長度)，所有缺陷均為長9.5 mm，寬0.5 mm的長方形槽。

圖2 傳熱管缺陷模型

2.2 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)傳熱管實(shí)際模型，為傳熱管仿真模型各個(gè)參數(shù)域進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，傳熱管、檢測線圈、空氣域等材料的實(shí)際情況在材料庫中選擇所需材料。模型各部分材料設(shè)置如表1所示，線圈參數(shù)如表2所示。參數(shù)設(shè)置完成后對模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。

表1 仿真材料參數(shù)

表2 線圈參數(shù)表

2.3 仿真結(jié)果與分析

2.3.1 軸向缺陷仿真分析

圖3所示為傳熱管軸向缺陷與幅值仿真關(guān)系，從圖3可以看出，在線圈靠近缺陷過程中輸出信號的幅值發(fā)生明顯變化，仿真激勵(lì)頻率為100～500 kHz，步長100 kHz，渦流檢測幅值信號對深度為100%的缺陷響應(yīng)較高，說明探頭對通孔類缺陷響應(yīng)最為明顯。由于頻率的增加，渦流滲透的深度也隨之減小，在100～300 kHz時(shí)幅值的變化對軸向缺陷的響應(yīng)幅值變化較為明顯，400～500 kHz時(shí)，20%～60%深度缺陷的響應(yīng)幅值變低。

圖3 軸向缺陷仿真幅值變化

如圖4所示為不同激勵(lì)頻率的缺陷與相位仿真關(guān)系。從圖4可看出，深度為壁厚的100%的缺陷響應(yīng)信號變化較為明顯。在激勵(lì)頻率增加過程中，深度為壁厚的20%～60%的缺陷對于相位信號的響應(yīng)逐漸增加，100 kHz時(shí)相位變化對不同深度缺陷響應(yīng)值較小，但其他頻率下對不同深度的缺陷區(qū)分度相對較好，相對于幅值來說可以更好的反映出缺陷的變化。

圖4 軸向缺陷仿真相位變化

2.3.2 周向缺陷仿真分析

圖5所示為周向缺陷渦流檢測缺陷與幅值仿真關(guān)系。從圖5可以看出，由于周向缺陷在軸線方向距離較短，因此在線圈移動(dòng)相同的距離過程中，信號響應(yīng)的峰值比軸向缺陷的峰值要早；對于缺陷深度為100%的缺陷幅值信號響應(yīng)值最為明顯。相對于軸向缺陷，對于缺陷深度為20%～60%的周向缺陷，幅值信號響應(yīng)的區(qū)分度較好，隨著頻率的增加缺陷響應(yīng)的幅值大小也在增加，但是隨著頻率的增加，由于滲透深度的減小，在500 kHz時(shí)，對于缺陷深度為20%的缺陷幅值信號響應(yīng)較小。

圖6所示為周向缺陷渦流檢測缺陷與相位仿真關(guān)系。從圖6可以看出，在100 kHz時(shí)缺陷深度為20%～60%的缺陷相位信號響應(yīng)區(qū)分度不大。由圖6(b)～(e)所示，在激勵(lì)頻率增加過程中，20%～60%的缺陷具有較好響應(yīng)值，而且在線圈經(jīng)過缺陷的過程中相位信號的響應(yīng)曲線出現(xiàn)峰值變化。對于周向缺陷相位信號的響應(yīng)值比幅值信號更能反映出缺陷的變化。

2.3.3 仿真結(jié)果對比分析

由圖3與圖5對比缺陷深度為20%～60%的軸向和周向缺陷可知：在頻率增加過程中，軸向缺陷的幅值信號響應(yīng)在100～300 kHz時(shí)相對于周向缺陷的響應(yīng)較好，400～500 kHz時(shí)軸向缺陷幅值響應(yīng)信號降低，頻率的增加對軸向缺陷的幅值影響較大。由于檢測過程中周向缺陷的響應(yīng)信號峰值出現(xiàn)先于軸向缺陷，且軸向缺陷響應(yīng)信號寬度峰值寬度遠(yuǎn)小于周向缺陷，能夠有效區(qū)分軸向和周向缺陷。同時(shí)將缺陷深度為20%～60%的軸向和周向缺陷的相位變化進(jìn)行比較，如圖4與圖6可知：在200～500 kHz處軸向缺陷的相位響應(yīng)的峰值變化明顯優(yōu)于周向缺陷。

圖5 周向缺陷仿真幅值變化

圖6 周向缺陷仿真相位變化

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與檢測系統(tǒng)

EEC-39RFT智能八頻渦流檢測儀是由廈門愛德森電子有限公司生產(chǎn)的新型渦流無損檢測儀。檢測頻率的范圍64 Hz～5 MHz可調(diào)，應(yīng)用范圍較為廣泛，適用于核能、電力、航天等多個(gè)領(lǐng)域，可以對各種非鐵磁性材料進(jìn)行檢測[7]。渦流檢測探頭由前導(dǎo)、支撐架、檢測線圈、彈性件以及延長管組成，如圖7(a)所示。渦流檢測探頭的線圈采用差分式Bobbin線圈。Bobbin式探頭在機(jī)械可靠性方面表現(xiàn)較好，同時(shí)還具有快速的檢測速度，可長期用于蒸汽發(fā)生器管道的渦流檢測。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7(b)所示，由EEC-39RFT渦流檢測儀、計(jì)算機(jī)、渦流檢測探頭、檢測樣管組成。計(jì)算機(jī)具有與儀器配套的渦流檢測軟件EEC-2018net實(shí)驗(yàn)前需要先對系統(tǒng)信號進(jìn)行標(biāo)定，對信號標(biāo)定時(shí)需采用標(biāo)定樣管，將通孔信號相位值標(biāo)定為40°。

圖7 實(shí)驗(yàn)探頭與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用檢測樣管的材料為Inconel 690，管子的尺寸為φ17.48 mm×1.01 mm×300 mm(直徑×壁厚×長度)，檢測樣管上的軸向和周向人工傷均為電火花加工，缺陷深度分別為壁厚的20%、40%、60%和100%。缺陷的形狀為9.5 mm×0.13 mm的長方形槽，檢測樣管如圖8(a)和圖8(b)所示。

圖8 缺陷樣管

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖9所示為軸向和周向缺陷渦流檢測幅值變化圖，其中圖9(a)為軸向缺陷的渦流檢測，缺陷深度為20%的缺陷時(shí)信號響應(yīng)較差，無法根據(jù)頻率-幅值曲線進(jìn)行判斷，說明缺陷深度較小的軸向缺陷通過幅值變化來判斷較難被發(fā)現(xiàn)。圖9(b)中周向缺陷深度為20%的幅值信號的響應(yīng)值優(yōu)于圖9(a)中軸向的響應(yīng)值。但是對于缺陷深度為60%的周向缺陷，其幅值信號響應(yīng)值相對于軸向缺陷有所下降。對于傳熱管渦流檢測的幅值響應(yīng)軸向缺陷的響應(yīng)值要優(yōu)于周向缺陷。

圖9 軸向和周向缺陷幅值關(guān)系

圖10為軸向和周向缺陷的相位變化值，由于對通孔的相位信號進(jìn)行了標(biāo)定，缺陷深度為100%的相位信號的響應(yīng)值均為40°左右。其他深度的缺陷檢測時(shí)頻率增加相位的響應(yīng)值也在增加。由圖10(a)可知，各個(gè)缺陷在大部分的檢測頻率中具有較好的相位響應(yīng)值，在100～500 kHz時(shí)深度為20%的軸向缺陷和深度為40%的軸向缺陷通過頻率-相位曲線可以被檢出。由圖10(b)可知，缺陷深度為20%的缺陷和40%的缺陷各個(gè)頻率的檢測區(qū)分度較低，說明在檢測中對周向缺陷的這兩類缺陷區(qū)分度較差。

圖10 軸向和周向缺陷相位變化

圖11所示為軸向和周向缺陷的檢測對比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)軸向缺陷對于缺陷深度為20%的缺陷響應(yīng)較差，其他深度缺陷響應(yīng)較好。周向缺陷深度為20%的缺陷幅值響應(yīng)優(yōu)于軸向缺陷，說明Bobbin探頭對于深度較淺的軸向缺陷靈敏度較低，檢測過程中不易被發(fā)現(xiàn)，但是相同深度的周向缺陷在相同的頻率下可以被檢出。對于缺陷深度為60%和100%的軸向缺陷選擇在檢測頻率為300 kHz、400 kHz、500 kHz時(shí)幅值信號的響應(yīng)較好。

圖11 軸向和周向缺陷幅值變化對比

圖12所示為缺陷深度較小的20%的缺陷，可以通過相位信號進(jìn)行檢測。在檢測頻率為100～300 kHz時(shí)有較好的響應(yīng)值，而且對于軸向和周向缺陷的相位值變化較為明顯，軸向缺陷的相位響應(yīng)值優(yōu)于周向缺陷；缺陷深度為40%的缺陷軸向和周向缺陷的幅值信號響應(yīng)相近難以區(qū)分。因此，在對軸向和周向缺陷檢測時(shí)要選擇信號響應(yīng)較好的頻率區(qū)間，100～300 kHz為首選區(qū)間，同時(shí)要結(jié)合幅值信號和相位信號來共同檢測軸向和周向缺陷，使檢測結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖12 軸向和周向缺陷相位變化對比

4 結(jié) 論

(1) 在渦流檢測過程中，對于軸向缺陷深度較小的缺陷，如缺陷深度小于20%的缺陷，探頭的幅值響應(yīng)靈敏度不高。周向缺陷深度較小的缺陷幅值靈敏度相對軸向缺陷較好。軸向缺陷的相位信號靈敏度優(yōu)于周向缺陷。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對于使用的探頭100～300 kHz周向缺陷的幅值響應(yīng)較好。

(2) 通過仿真和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相位信號的響應(yīng)值在一定檢測頻率下可以更好的檢測出深度較小的缺陷；對于缺陷深度為20%的缺陷研究發(fā)現(xiàn)，通過幅值信號不易被發(fā)現(xiàn)，但是通過相位信號可以被檢出；在100～300 kHz時(shí)，對缺陷深度較小的軸向和周向缺陷相位響應(yīng)值較好，對于其他相同深度的軸向和周向缺陷也能夠具有較高的靈敏度。

(3) 傳熱管軸向和周向缺陷的檢測需要通過幅值和相位信號的結(jié)合才能更好的反映出缺陷類別和對深度的定量。對于通孔缺陷的檢測幅值和相位都能夠快速的檢測出，尤其是相位，由于進(jìn)行了通孔相位信號的標(biāo)定，相位信號對于判斷通孔類別的缺陷更優(yōu)。