圖 1 TOC-ET的檢測原理示意
分享：碳鋼小口徑接管焊縫切向正交線圈渦流檢測試驗(yàn)分析
碳鋼小口徑接管常用于連接承壓設(shè)備與儀表,常見的小口徑接管焊縫包括管座角焊縫、凸臺角焊縫和對接焊縫。管座角焊縫用于連接小口徑接管與承壓設(shè)備殼體；凸臺角焊縫用于小口徑接管的變徑連接；小口徑接管對接焊縫用于連接儀表。小口徑接管焊縫通常采用手工電弧焊,焊接表面粗糙,為了防止腐蝕,接管部位都會涂有絕緣防腐漆,漆層厚度并不均勻。據(jù)報(bào)道,在役承壓設(shè)備的小口徑接管焊縫部位經(jīng)常出現(xiàn)裂紋類缺陷[1-2]。
由于帶有漆層,傳統(tǒng)的磁粉檢測方法和滲透檢測方法無法實(shí)施檢測,但電磁渦流檢測技術(shù)可以,且不會產(chǎn)生太多的干擾信號。由于管座結(jié)構(gòu)復(fù)雜、小口徑接管曲率大、焊縫表面粗糙,普通渦流探頭中的渦流線圈中心線與被檢工件表面平行,對提離不敏感,但對裂紋走向的敏感性高,通常用于檢測碳鋼焊縫[3-4]。文章采用切向正交線圈渦流檢測技術(shù)（Eddy current technique with tangential and orthogonal coils,以下簡稱TOC-ET）對碳鋼小口徑接管焊縫的裂紋進(jìn)行檢測。
1. TOC-ET的工作原理
TOC-ET基于電磁感應(yīng)原理,遵循麥克斯韋方程。電磁場的計(jì)算滿足時(shí)諧電磁場的復(fù)函數(shù)形式的麥克斯韋方程組。
TOC-ET的檢測原理示意如圖1所示。該技術(shù)將兩個(gè)絕對橋式切向線圈正交差分布置,可以保證兩個(gè)線圈工作時(shí)不相互串?dāng)_。當(dāng)探頭靠近碳鋼表面時(shí),正交交變電場會使得工件表面產(chǎn)生正交的感應(yīng)電流,兩個(gè)正交的感應(yīng)電流使得產(chǎn)生的交變感應(yīng)磁場又分別作用于對應(yīng)的切向線圈,將缺陷信息傳遞給對應(yīng)的切向線圈,使切向線圈的阻抗發(fā)生變化[5]。兩個(gè)正交線圈尺寸和匝數(shù)相近,激勵的電流相同,執(zhí)行平衡操作可使兩個(gè)切向正交線圈對于同一材料電磁特性的阻抗響應(yīng)相同,將兩個(gè)切向正交線圈的阻抗響應(yīng)進(jìn)行差分,便可得到檢測信號。
為了分析切向正交渦流檢測的檢測能力,將裂紋缺陷按走向劃分為橫向裂紋、縱向裂紋和45°斜向裂紋。檢測過程中,當(dāng)探頭處于無裂紋部位時(shí),兩個(gè)正交線圈產(chǎn)生相同的阻抗響應(yīng),達(dá)到平衡,差分后的阻抗電壓等于0,因此輸出的信號位于平衡點(diǎn)位置。當(dāng)檢測過程中遇到與掃查方向垂直的橫向裂紋時(shí),橫向裂紋走向與線圈1的感應(yīng)電流方向垂直,由于刻槽的電阻率大于金屬的電阻率,因此,線圈1的感應(yīng)電流流動路徑受到阻礙,將會從刻槽的兩端或底部金屬流過,感應(yīng)電流路徑的改變會使得線圈1的渦流信號發(fā)生變化,橫向裂紋走向與線圈2的感應(yīng)電流一致,對其阻礙性很小,因此,線圈2的渦流信號不變,兩個(gè)線圈的阻抗響應(yīng)失去平衡,信號差分后的阻抗電壓信號不等于0,便會出現(xiàn)向上的半“8”字形的缺陷信號（規(guī)定線圈1阻抗減去線圈2的差分信號為正）。同樣,縱向裂紋會阻礙線圈2的感應(yīng)電流,引起線圈2阻抗響應(yīng)的變化,但縱向裂紋對線圈1感應(yīng)電流的影響不大,兩個(gè)切向線圈的阻抗響應(yīng)失去平衡,信號差分后便會呈現(xiàn)出向下的半“8”字形。45°斜向裂紋對于線圈1和線圈2的感應(yīng)電流的阻礙效果正好相同,導(dǎo)致兩個(gè)切向線圈的阻抗響應(yīng)都發(fā)生相同的變化,依然達(dá)到平衡,差分后的阻抗電壓等于0,缺陷信號位于平衡點(diǎn)位置。
由切向正交渦流線圈的工作原理可知,當(dāng)出現(xiàn)向上的半“8”字形渦流信號時(shí),表明存在橫向裂紋；當(dāng)出現(xiàn)向下的半“8”字形渦流信號時(shí),表明存在縱向裂紋；如果沒有出現(xiàn)明顯的阻抗變化,可能是沒有缺陷,也有可能存在45°斜向裂紋。因此,采用TOC-ET進(jìn)行一次性掃查時(shí),容易漏檢45°斜向裂紋。
2. 試驗(yàn)設(shè)備及步驟
由于小口徑接管焊縫表面帶有厚度不均勻的漆層,文章借助試塊開展試驗(yàn)。采用EVIDENT公司生產(chǎn)的型號為Nortec 600D-CCC的渦流檢測儀器以及型號為WLD-5-63/7L的切向正交渦流探頭,探頭的工作頻率為100~600 kHz,其實(shí)物如圖2所示。
圖 2 TOC-ET檢測儀器實(shí)物
2.1 TOC-ET的提離效應(yīng)
試塊為帶有4張絕緣薄片的碳鋼刻槽板,其材料為美國鋼材牌號4340（相當(dāng)于中國鋼材牌號40CrNi2Mo）,刻槽的深度分別為0.5,1.0,2.0 mm,絕緣薄片單張厚度為0.5 mm,用于模擬防腐漆層,其實(shí)物如圖3所示（“+”標(biāo)記為vc bvbvcvb正交探頭,箭頭為掃查方向,下同）。試驗(yàn)時(shí),檢測頻率為500 kHz,探頭驅(qū)動為中級,增益為65.0 dB,相位為0°,低通濾波頻率為200 Hz。
圖 3 帶絕緣薄片的碳鋼刻槽板實(shí)物
首先,將4張絕緣薄片（厚度為2.0 mm）覆蓋到碳鋼刻槽板的刻槽側(cè)表面上,并將探頭放置在遠(yuǎn)離刻槽和邊緣的區(qū)域進(jìn)行平衡操作,手持探頭以相同姿勢橫掃刻槽,并保證探頭中一個(gè)切向線圈的軸向方向垂直于刻槽長度方向,分別采集3條刻槽的渦流檢測信號；然后,依次減少絕緣薄片的數(shù)量,提離高度分別為1.5,1.0,0.5,0 mm,分別采集刻槽的渦流檢測信號,觀察渦流信號特征的變化情況,測量渦流信號的幅值,并制作不同提離高度下各刻槽的幅值曲線。
2.2 TOC-ET的碳鋼焊縫裂紋渦流信號特征
試驗(yàn)采用碳鋼焊縫刻槽試塊,其實(shí)物如圖4所示,其材料為美國鋼材牌號4340。試塊尺寸（長×寬×厚）為76.8 mm×50.5 mm×9.4 mm,焊縫采用手工電弧焊接,焊縫焊紋較淺,共有4個(gè)刻槽,1個(gè)長橫槽橫跨焊趾、熱影響區(qū)和母材,3個(gè)短橫槽分別位于焊冠和焊趾部位,刻槽長度和深度的尺寸公差為±10%；碳鋼焊縫刻槽試塊的刻槽信息如表1所示。
圖 4 碳鋼焊縫刻槽試塊實(shí)物
Table 1. 碳鋼焊縫刻槽試塊的刻槽信息
| 刻槽編號 | 刻槽走向 | 刻槽尺寸 | 刻槽位置 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 長 | 寬 | 深 | |||
| ① | 橫向 | 19.05 | ≤0.18 | 0.508 | 熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材 |
| ② | 橫向 | 3.175 | ≤0.18 | 0.508 | 焊冠 |
| ③ | 縱向 | 5.08 | ≤0.18 | 0.508 | 焊冠 |
| ④ | 縱向 | 5.08 | ≤0.18 | 0.508 | 熔合區(qū) |
檢測頻率為500 kHz,探頭驅(qū)動為中級,增益為65.0 dB,相位為0°,低通濾波頻率為200 Hz。將探頭在母材遠(yuǎn)離刻槽或邊緣的區(qū)域進(jìn)行平衡操作,沿著焊縫長度方向進(jìn)行掃查,并保證探頭中一個(gè)切向線圈的軸向方向與焊縫長度方向一致。
2.3 TOC-ET的小口徑接管焊縫裂紋檢測能力
試塊為小口徑接管焊縫刻槽試塊,其實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。試塊材料為20#鋼,試塊焊縫分為3部分：外徑為280 mm的管道與外徑為30 mm的小口徑接管之間的管座角焊縫,外徑為30 mm與外徑為20 mm的小口徑接管凸臺角焊縫,外徑為20 mm的小口徑接管對接焊縫。各焊縫上均加工了3條刻槽（橫向刻槽、縱向刻槽和45°斜向刻槽）,刻槽尺寸如表2所示。
圖 5 小口徑接管焊縫刻槽試塊實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意
Table 2. 小口徑接管焊縫刻槽試塊的刻槽信息
| 刻槽編號 | 刻槽走向 | 刻槽尺寸 | 刻槽位置 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 長 | 寬 | 深 | |||
| ⑤ | 縱向 | 5 | 0.25 | 1.0 | 管座角焊縫 |
| ⑥ | 斜向 | 5 | 0.25 | 1.0 | 管座角焊縫 |
| ⑦ | 橫向 | 5 | 0.25 | 1.0 | 管座角焊縫 |
| ⑧ | 縱向 | 5 | 0.25 | 1.0 | 凸臺角焊縫 |
| ⑨ | 斜向 | 5 | 0.25 | 1.0 | 凸臺角焊縫 |
| ⑩ | 橫向 | 5 | 0.25 | 1.0 | 凸臺角焊縫 |
| ? | 縱向 | 5 | 0.25 | 1.0 | 小口徑接管對接焊縫 |
| ? | 斜向 | 5 | 0.25 | 1.0 | 小口徑接管對接焊縫 |
| ? | 橫向 | 5 | 0.25 | 1.0 | 小口徑接管對接焊縫 |
檢測頻率為500 kHz,探頭驅(qū)動為中級,增益為75.0 dB,相位為0°,低通濾波頻率為200 Hz。工件表面沒有噴涂絕緣的防腐漆層,在探頭表面貼有0.54 mm厚的鐵氟龍耐磨膠帶,可視為采用不帶鐵氟龍耐磨膠帶的探頭直接掃查防腐漆層厚度為0.54 mm的工件。將探頭在母材遠(yuǎn)離刻槽或邊緣的區(qū)域進(jìn)行平衡操作,沿著焊縫長度方向進(jìn)行掃查,并保證探頭中一個(gè)切向線圈的軸向方向與焊縫長度方向一致。
3. 試驗(yàn)結(jié)果及討論
3.1 TOC-ET的提離效應(yīng)
碳鋼刻槽試塊各刻槽在不同提離下的渦流信號如圖6所示（其中D為刻槽深度,L為提離,單位為mm）,不同提離下的渦流信號幅值如表3所示,不同提離下的渦流信號幅值曲線如圖7所示。
圖 6 碳鋼刻槽試塊各刻槽在不同提離下的渦流信號
Table 3. 各刻槽在不同提離下的渦流信號幅值
| 槽深/mm | 提離/mm | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | |
| 0.5 | 60 | 37 | 21 | 17 | 10 |
| 1.0 | 70 | 38 | 25 | 18 | 16 |
| 2.0 | 90 | 42 | 37 | 21 | 17 |
圖 7 碳鋼刻槽試塊各刻槽的提離-幅值曲線
由圖6和圖7可知,碳鋼刻槽渦流信號都是垂直方向,信號相位變化不大,信號幅值隨刻槽深度增加而增加,隨提離高度增加而減少,當(dāng)提離高度達(dá)到2.0 mm時(shí),0.5 mm深度刻槽的信號幅值達(dá)到10%以上,信噪比大于3,刻槽信號仍可清晰識別,因此,碳鋼材料表面裂紋檢測的允許提離可達(dá)到2.0 mm。
3.2 TOC-ET的碳鋼焊縫裂紋渦流信號特征
碳鋼焊縫刻槽試塊中各刻槽的渦流信號如圖8所示,可知,橫向刻槽的信號圖是向上的半“8”字軌跡,縱向刻槽的信號圖是向下的半“8”字軌跡。母材的長刻槽信號的基礎(chǔ)點(diǎn)是屏幕中心,而焊縫區(qū)域缺陷的信號起點(diǎn)不是屏幕中心,這是由于焊冠區(qū)域的結(jié)構(gòu)和電磁特性與母材的不同,無缺陷區(qū)域兩個(gè)正交線圈的阻抗電壓差分不等于0。另外,刻槽④在焊趾位置,焊縫余高導(dǎo)致探頭很難貼近缺陷,提離過高,故信號幅值下降。
圖 8 碳鋼焊縫刻槽試塊各刻槽的渦流信號
3.3 TOC-ET的小口徑接管焊縫裂紋檢測能力
小口徑接管焊縫對比試塊各刻槽的渦流信號如圖9所示,可知,各焊縫的縱向刻槽和橫向刻槽的渦流信號為垂直向上或向下,幅值很大,容易檢出但方向相反,而45°斜向缺陷信號最弱。因此,當(dāng)沿著焊縫掃查時(shí),應(yīng)考慮45°斜向裂紋的盲區(qū)問題。
圖 9 小口徑接管焊縫對比試塊各刻槽的渦流信號
根據(jù)TOC-ET的原理,可將探頭旋轉(zhuǎn)45°,仍然沿著焊縫長度方向進(jìn)行掃查,將會出現(xiàn)幅值較大的渦流信號,如圖10所示。探頭旋轉(zhuǎn)45°的掃查示意如圖11所示。如果仍沿著原來的方向掃查,兩個(gè)切向線圈的感應(yīng)電流方向一個(gè)與裂紋走向平行,一個(gè)與裂紋走向垂直。這樣,兩個(gè)切向正交線圈的阻抗平衡被打破,將會出現(xiàn)半“8”字形渦流信號,信號幅值增大。由以上可知,可通過探頭旋轉(zhuǎn)45°的補(bǔ)充掃查,檢出45°斜向刻槽。
圖 10 探頭旋轉(zhuǎn)45°掃查45°斜向刻槽⑥時(shí)的渦流信號
圖 11 探頭旋轉(zhuǎn)45°的掃查示意
4. 結(jié)論
文章通過采用TOC-ET對碳鋼表面開口裂紋的信號特征、提離高度進(jìn)行分析,以及對碳鋼小口徑接管焊縫表面開口裂紋的檢測能力進(jìn)行試驗(yàn),得到如下結(jié)論。
（1）TOC-ET的渦流信號相位不變,幅值隨裂紋深度的增加而增加,隨提離的增加而減小,最大提離可達(dá)到2.0 mm。
（2）TOC-ET的碳鋼焊縫表面開口橫向裂紋和縱向裂紋的渦流信號方向相反,為向上或向下；橫向裂紋和縱向裂紋容易檢出,但焊趾位置的縱向裂紋信號弱,對45°走向的裂紋不敏感。
（3）TOC-ET能夠檢出漆層厚度為0.5 mm,尺寸（長×寬×深）為5.00 mm×0.25 mm×1.00 mm的碳鋼小口徑接管焊縫橫向和縱向表面開口裂紋,可允許接管的最小外徑為20 mm。
（4）可通過探頭旋轉(zhuǎn)45°的補(bǔ)充掃查,檢出45°斜向刻槽。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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