李志浩,王東旭,王永帥

(北京建筑材料檢驗研究院股份有限公司,北京 100041)

金屬波紋管通常由多層不銹鋼金屬薄板脹壓成型,其主要作用是補償管路位移和減震降噪,是各類管網(wǎng)和承壓設(shè)備進行熱補償?shù)年P(guān)鍵部件之一。目前,金屬波紋管廣泛應(yīng)用于石化、市政管網(wǎng)、冶金、電力、船舶、建筑、航空等工業(yè)和民用部門的輸熱管網(wǎng)、煙氣管路、工業(yè)流體管道和承壓容器設(shè)備上。

管道運行過程中,金屬波紋管起到補償、減振的作用,應(yīng)力水平比較高,同時還要承受來自輸送介質(zhì)的腐蝕作用。在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下,波紋管易出現(xiàn)應(yīng)力疲勞裂紋,引發(fā)波紋管失效[1]。隨著服役時間的加長,對于已接近或超過設(shè)計疲勞壽命的在役波紋管,迫切需要一種檢測手段,在不影響其繼續(xù)服役的前提下,對波紋管的安全可靠性進行檢測、評估,以保障管線的安全運行。

金屬波紋管成型的主要方法有液壓脹型、滾壓成型、機械脹型等。由于波紋管為多層曲面結(jié)構(gòu),現(xiàn)有的射線、超聲、磁粉、滲透等常規(guī)檢測方法均無法有效檢測其內(nèi)部缺陷[2]。對各類無損檢測方法的特點進行分析后,筆者選擇陣列渦流檢測技術(shù)對多層金屬薄板和波紋管人工缺陷試樣進行檢測,旨在為金屬波紋管的在役檢測提供一些參考。

1 多層金屬薄板檢測試驗

1.1 檢測原理及試驗設(shè)備

陣列渦流檢測技術(shù)(ECA)基于常規(guī)渦流檢測發(fā)展而來,陣列渦流的每一個探頭都集成了多個線圈,線圈按照特定的順序進行信號的激勵和接收,繼而完成對工件的檢測。陣列渦流技術(shù)與常規(guī)渦流檢測技術(shù)相比,檢測速度大幅度提高,檢測結(jié)果可以二維的方式顯示,受人工操作的影響更小[3]。

陣列渦流檢測操作軟件不但可以提供常規(guī)渦流的阻抗圖,還可以提供二維C掃描圖像,降低數(shù)據(jù)分析的難度,并提高數(shù)據(jù)分析的速度。C掃描圖像橫軸平行于掃查方向,縱軸垂直于掃查方向,單次掃描即可呈現(xiàn)掃查區(qū)域面積內(nèi)的缺陷情況,不受缺陷延伸方向限制。試驗采用加拿大Eddyfi公司的ECTANE-E128RNMI型陣列渦流檢測儀,配備I-Flex型柔性陣列探頭(見圖1),該柔性陣列探頭可彎曲,適用于曲面工件檢測。

圖1 I-Flex型柔性陣列探頭實物

柔性陣列渦流探頭的激勵-接收方式有兩種,分別為長單激勵和短雙激勵(見圖2)。長單激勵(LSD)方式使用一個線圈激勵(T),多個線圈接收(R),適合檢測較大的表面和近表面缺陷,對提離效應(yīng)不敏感;短雙激勵(SDD)方式使用兩個線圈同時激勵,雙線圈接收,對于小缺陷有更高的靈敏度[4]。此次試驗采用短雙激勵檢測模式,激勵電壓為5 V,激勵頻率為50 kHz。

圖2 陣列渦流探頭激勵接收方式示意

1.2 人工缺陷試樣制作

由于金屬波紋管規(guī)格尺寸、厚度各異,在役檢測時需要根據(jù)待檢工件對檢測設(shè)備進行能力驗證,即采用標準試樣或人工缺陷試樣進行調(diào)校。由于平板試樣取樣及加工方便,可在與待檢波紋管相同材料、相同厚度的平板上制作人工缺陷進行檢測能力驗證。

金屬波紋管疲勞裂紋缺陷為線性缺陷,且沿圓周方向延伸,因此筆者制作了8塊材料為304不銹鋼,尺寸為200 mm×100 mm×1 mm(長×寬×厚)的平板試樣,在其中2塊平板中心位置各制作長為10 mm,寬為0.5 mm的人工線性穿透性缺陷一處,1 mm厚平板人工缺陷試樣實物如圖3所示。

圖3 1 mm厚平板人工缺陷試樣實物

在人工缺陷試樣上可依次疊加無人工缺陷試樣,在最上層試樣表面使用陣列渦流探頭進行掃查。通過上層無缺陷試樣數(shù)量的增減,可分別模擬多層不同厚度的波紋管進行測試,陣列探頭掃查方向與人工線性缺陷延伸方向平行。

1.3 人工缺陷試樣檢測結(jié)果

當(dāng)人工缺陷試樣分別位于第1層至第6層時,對其進行陣列渦流掃描,多層平板試樣人工缺陷檢測結(jié)果如圖4所示。圖4中各分圖左側(cè)顯示為二維C掃圖,C掃圖中綠色顯示為無缺陷部位,紅色顯示為人工缺陷部位;各分圖右側(cè)顯示為十字光標位置數(shù)據(jù)點的幅值-相位圖。由C掃圖可看出,對于不同埋深的缺陷,人工缺陷中間位置紅色顯示基本一致。多層平板試樣人工缺陷中心位置的幅值和相位數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 多層平板試樣人工缺陷檢測結(jié)果

1.4 檢測結(jié)果分析

筆者根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制缺陷信號幅值與缺陷埋深關(guān)系曲線,其結(jié)果如圖5所示,可見,缺陷信號幅值隨缺陷埋深的增加而遞減。

表1 多層平板試樣人工缺陷中心位置的幅值和相位數(shù)據(jù)

圖5 平板試樣的缺陷信號幅值與缺陷埋深關(guān)系曲線

同理,繪制缺陷信號相位與缺陷埋深關(guān)系曲線,其結(jié)果如圖6所示,可見,缺陷信號相位隨著缺陷埋深的增加而增加,基本呈線性關(guān)系。

圖6 平板試樣的缺陷信號相位與缺陷埋深關(guān)系曲線

2 波紋管檢測試驗

2.1 試驗設(shè)備及試樣制作

在內(nèi)徑為890 mm,材料為304不銹鋼,采用液壓脹型方式成型,層數(shù)為5層,每層厚度為1.0 mm的波紋管試樣上切割缺陷,在波紋管最內(nèi)層波峰和波谷中心位置分別制作長為10 mm,寬為0.5 mm的穿透型人工線性缺陷,試樣層數(shù)可以自由增減,最薄可減至1層,最厚可增至5層。波紋管人工缺陷試樣實物如圖7所示。

采用陣列渦流檢測方法進行檢測試驗,試驗設(shè)備及參數(shù)與平板試樣檢測試驗時的相同,掃查方向與缺陷延伸方向平行。波紋管陣列渦流檢測現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 波紋管陣列渦流檢測現(xiàn)場

2.2 檢測結(jié)果分析

對檢測所得的缺陷信號幅值進行分析,波紋管缺陷和平板試樣的缺陷信號幅值對比如表2所示,同時繪制波峰、波谷與平板缺陷信號幅值與埋深關(guān)系曲線(見圖9)。

表2 波紋管與平板試樣的缺陷信號幅值對比

由圖9可知,波紋管的波峰、波谷缺陷與平板缺陷在相同材料、相同厚度的情況下,檢測信號幅值幾乎一致,即在柔性陣列探頭與波紋管表面貼合緊密的情況下,可忽略波紋管表面較大的曲率,看作是對平板進行檢測。

波紋管和平板試樣人工缺陷信號相位對比如表3所示,繪制波峰、波谷與平板缺陷信號相位與埋深關(guān)系曲線,其結(jié)果如圖10所示。

表3 波紋管與平板試樣的缺陷信號相位對比

由圖10可知,波紋管波峰、波谷缺陷與平板缺陷的信號相位隨缺陷埋深的增加而遞增,基本呈線性關(guān)系。波紋管的波峰與波谷缺陷信號相比,相位無較大差異,與多層平板的相位有適當(dāng)差異,但斜率相近。

圖10 波紋管波峰、波谷與平板試樣的缺陷信號相位與埋深關(guān)系曲線

3 結(jié)語

使用陣列渦流檢測技術(shù)對金屬薄板和金屬波紋管人工缺陷試樣進行檢測,得出如下結(jié)論。

(1) 陣列渦流檢測技術(shù)可對一定厚度的多層不銹鋼薄板和金屬波紋管的表面及內(nèi)層人工線性缺陷進行定位檢測。

(2) 陣列渦流檢測結(jié)果呈二維圖像顯示,可通過檢測結(jié)果對缺陷位置、埋深及大小進行評估。

(3) 缺陷信號幅值和相位與缺陷埋藏深度有關(guān),可通過幅值和相位來綜合判斷缺陷埋藏深度。