鈦合金導管的渦流檢測

劉國增

（西安航天發動機廠，陜西西安710100）

0 引言

鈦的熔點高、密度小、強度大、耐熱、耐腐蝕、具有良好的焊接和低溫性能，作為理想的工程材料廣泛應用于航天、航空等領域。

在液體火箭發動機中，鈦管的應用最為廣泛，主要應用在高溫、耐沖擊、燃料導流等關鍵部位，因此鈦管的質量和安全可靠性直接影響著發動機的安全可靠性。為了更好地解決管材可靠性的檢測，引進了管材渦流探傷設備。經過大量調試試驗得到了各種規格管材的渦流檢測參數，為其性能可靠性判斷提供了依據。

1 渦流檢測原理

渦流檢測的基本原理為電磁感應原理。由高頻振蕩器供給交變電流激勵檢測線圈 (探頭)，線圈中的交變電流激發交變的磁場。當載有交變電流的檢測線圈接近被檢的金屬試件時，由于檢測線圈磁場的作用，在試件表面和近表面將感應出渦流，渦流又產生自己的磁場，渦流磁場的作用是削弱和抵消激勵磁場的變化。渦流的大小、相位和流動軌跡與試件的電磁特性、幾何尺寸和缺陷等因素有關，因此通過測定檢測線圈的阻抗變化即可獲得被檢件有無缺陷的質量信息。

交變電流通過導線時，導線周圍變化的磁場會使電流分布不均勻，表面的電流密度大，越往中心處越小，按負指數規律衰減，這種電流主要集中在導體表面的現象稱為集膚效應。

渦流密度衰減到其表面值1/e時的透入深度為標準透入深度，也稱集膚深度，它表征渦流在導體中的集膚程度，用符號δ表示，單位m。由半無限大導體中電磁場的麥克斯韋方程可以導出距離導體表面x深度處的渦流密度為

式中：I0為半無限大導體表面的渦流密度，A；f為交流電流的頻率，Hz；μ為材料的磁導率，H/m；σ為材料的電導率，S/m。

則標準透入深度為

該公式為渦流檢測的最基本依據，透入深度和檢測頻率成反比，而靈敏度又和檢測頻率成正比，這種矛盾在實際工作中根據檢測需要來選擇側重點。

2 檢測方案及試驗

2.1 檢測方案選擇

ET-555全數字電腦多頻渦流探傷儀可實現自動檢測和手動檢測兩種功能。根據送檢材料的長度、數量來選擇檢測方案。

2.1.1 批量檢測方法

對于長度長、數量比較大的批次產品，選擇自動與手動結合的方式，檢測步驟如下：

1)選用自動檢測進行篩選，把合格品和顯示有超標信號的產品分開；

2)將有超標信號的產品再次檢測，確認檢測結果。標記超標信號出現的范圍，對于超標信號出現頻繁的產品，直接篩選出來；

3)精確標記超標信號位置，在自動檢測確定的范圍內，將設備調到手動模式，對超標信號進行精確定位。

2.1.2 手動檢測方法

對于傳動裝置無法正常傳輸的材料，進行手動檢測，檢測步驟如下：

1)固定好探頭，調零后，勻速的拉動管材并觀察屏幕顯示的信號；

2)對于出現超標信號的部位，在附近重新調零檢測，確認并標記。對于信號顯示幅度比較大但是不超標的位置也進行重新調零檢測，確認信號是否超標。

2.2 檢測試驗

依據GJB4540-2002《航天推進系統用鈦管材規范》制作標準樣管，直徑大于8 mm的鈦管采用不大于Φ0.6 mm的通孔，直徑小于8 mm的鈦管采用不大于Φ0.3 mm的通孔。樣管規格分別為Φ6×1，Φ8×1，Φ10×1，Φ12×1，Φ12×1.5。試驗條件為：

1)儀器：ET-555型渦流探傷儀，具有阻抗平面分析技術功能；

2)探頭：差動結構穿過式探頭；

3)傳動架：ETS-5/30渦流檢測傳動設備；

4)檢測速度：15 m/min。

每一規格批次的管材用相應的標準樣管校準設備，設定頻率、相位、增益、報警范圍框。選擇相應直徑的導向套，讓標準樣管連續通過探頭，通過觀察通孔信號的的零點漂移來調整設備的對中情況。

2.3 檢測參數選擇

依據相關標準制作的各規格的標準樣管，通過標準樣管的校驗以及有關產品渦流檢測的規范，確定鈦合金管材的參數范圍。

制作標準樣管的材料的噪聲信號較小，而實際檢測的材料由于表面粗糙度、成型劃痕、材料組織以及長度都會對信號顯示造成影響。

依據標準透入深度公式，將所檢管材壁厚設為透入深度，可以求出檢測頻率f的最大值。檢測頻率小于最大值才能覆蓋所檢管材的壁厚，頻率越小，靈敏度越低，同時對噪聲信號的響應度越低。如圖1是在高頻下出現的自然缺陷信號，圖2是低頻率下的自然缺陷信號，由圖可見滿足靈敏度要求下低頻率時缺陷信號的細節顯示更加清晰。

圖1 高頻下的自然缺陷信號Fig.1 Natural defect signal at high frequency

圖2 低頻下的自然缺陷信號Fig.2 Natural defect signal at low frequency

2.3.1 增益

管材渦流檢測結果是用標準缺陷試樣標定的，不同的設備具有不同的信號放大裝置，反映到設備參數上就是增益G。合理的G值是使設備具有易于觀察的信噪比。圖3顯示的是接近滿屏顯示的標準樣管，可以看見零點處由于漂移及震動影響顯示比較大，圖4是增益降低后的顯示，零點相對比較小而清晰。

圖3 高增益顯示Fig.3 High gain display

圖4 低增益顯示Fig.4 Low gain display

2.3.2 相位及噪聲

通孔缺陷的相位出現在40°位置時，依據內外壁缺陷的出現時延可以知道，內壁缺陷出現在圖像左側，外壁信號出現在圖像右側。因此對于不同厚度的試樣，可通過相位調節，使其通孔信號的相位位于40°位置，如圖5所示。

圖5 標準樣管通孔信號Fig.5 Through-hole signal of standard duct sample

管材傳動時的震動等影像因素具有一定的隨即性，依據概率分布原理，當通過探頭的合格管材達到一定長度時，噪聲信號、震動影響信號是以原點為圓心，平均噪聲為半徑的圓形顯示。因此選擇合適的導向裝置，提高傳動裝置的對中程度，可有效降低由于震動所產生的零點漂移，從而提高臨界缺陷的識別率，如圖6為長度2 m的合格產品的零點漂移及噪聲顯示。

圖6 正常的合格產品信號Fig.6 Normal signal of qualified product

2.3.3 垂直/水平分量比

垂直/水平分量比V/H是調節圖像在屏幕上顯示的垂直和水平比例，通過調整比例可以區分面積狀缺陷和線狀缺陷。

2.4 參數調整

經過每個規格各5個批次，每批次約200 m的檢測調試，調整得到了各個參數的具體數值，檢測結果與相關單位的檢測結果一致，但是，非超標缺陷的識別靈敏度更高，同時缺陷定位的準確度更高。

3 結論

根據每個規格各5個批次的試驗結果，可以得出以下結論：

1)所采用渦流設備自動化程度高，傳送速度穩定，周向靈敏度高，一次檢測結果的可靠性高；

2)所制定的檢測方法穩定，檢測結果的重現率達到100%，設備的檢測靈敏度可以達到相關標準的要求；

3)由于具有穩定可靠的自動傳輸設備，因此傳送、振動、對中以及填充系數所引起的零點漂移很小，標準樣管連續通過探頭時通孔信號穩定、工作效率高。

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