凝汽器不銹鋼管雙頻渦流檢測缺陷信號分析

黃橋生，鄒建偉，沈丁杰

（湖南省電力公司試驗研究院，長沙 410007）

凝汽器是火力發電廠的重要設備之一，而凝汽器換熱管在制造和加工過程中易產生夾雜、裂紋、劃痕等缺陷，這些缺陷易使換熱管腐蝕穿孔出現泄漏，使汽輪機的真空度降低，影響機組的出力和鍋爐水質。現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械性能、耐蝕性能、經濟性能，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、質量合格、安裝正確、運行維護得當，才能充分發揮其技術、經濟優勢。否則，也會出現腐蝕泄漏。

凝汽器不銹鋼管常用的渦流檢測主要采用幅值分析法、橢圓分析法或單頻渦流檢測，幾種方式都無法抑制鋼管內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方法進行檢測，即采用兩個頻率同時工作，具有兩個相對獨立的測試通道，管材產生的噪聲信號和缺陷被分解成X，Y兩個分量，得到二維阻抗圖形的顯示，既可有效地抑制干擾信號，又可準確檢出缺陷信號，給電廠凝汽器鋼管檢測的準確性提供了可靠的保證［1］。

1 雙頻渦流檢測概念

1.1 基本原理

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

圖1 渦流檢測原理示意圖

雙頻渦流儀檢測是通過兩個頻率的信號來激勵檢測線圈，根據兩個激勵頻率下的信號進行矢量迭加處理，來消除管材的噪聲干擾信號，從顯示器上得到缺陷的幅值和相位阻抗圖形，對缺陷信號進行分析、比較、判斷。原則上一個激勵頻率只能消除一個干擾噪聲信號的影響因素。

1.2 檢測方法

缺陷信號和干擾信號對探頭的反應是相互獨立的，其中一個頻率用于支撐板的混頻處理，兩者共同作用時的反應為單獨作用時反應的矢量相加。利用這點，可以通過改變檢測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渦流產生不同的反應，通過矢量運算，消去干擾的影響，僅保留缺陷信號。雙頻渦流檢測技術就是用兩個不同頻率同時激勵探頭線圈，根據不同頻率對不同參數變化所取得的檢測結果，通過上述方法分析處理，提取所需信號，抑制不需要的干擾信號。

設C1，C2分別為激勵頻率f1，f2的輸出信號，P1，P2分別表示檢測信號、噪聲干擾信號的兩個不同參數的增量，則有如下線性關系：

解聯立方程可求得P1，P2。如果以P2作為干擾噪聲信號，可通過計算機模擬或數學運算，將信號P2消除，提取P1信號作為被測管材判斷依據。

在標樣管外面套上碳鋼環以模擬支撐板信號，當探頭通過時，單頻檢測與雙頻檢測的結果對比見圖2。單頻渦流檢測時，缺陷與支撐板疊加使波形畸變，無法確定相位而不易識別。雙頻檢測能較好地抑制支撐板干擾信號，缺陷信號能較好地識別。

圖2 單頻和雙頻渦流檢測有支撐板干擾通孔信號對比

2 信號試驗分析

渦流檢測中，電導率σ、磁導率μ、填充系數η、試件幾何形狀、提離效應Δd、試件的不連續性Cr、邊界效應和頻率f等均能影響檢測線圈的阻抗，缺陷對線圈阻抗的影響可以看作是電導率和幾何尺寸兩個參數影響的綜合結果。因此，它的效應方向應該介于電導率σ效應和直徑d效應之間。以下主要討論缺陷與阻抗信號的關系。

2.1 模擬缺陷信號特征

當線圈掃查遇到缺陷時，渦流將發生畸變，改變檢測線圈的阻抗。根據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，從復雜的噪聲干擾信號中提取信息進行分析、比較。

根據凝汽器不銹鋼管材質、規格使用情況，采用兩根外徑大小分別為φ27mm×1mm、φ36mm×1mm不銹鋼管（材質TP304H）設計制作了兩種對比試樣。每一個對比試樣采用電火花加工了8個外、內壁深度分別為0.2，0.4，0.6，0.8mm 的周向槽和4個外、內壁深度分別為0.5，0.8mm的軸向槽人工缺陷，每一個槽寬0.2mm，長20mm，分別用來模擬內外壁橫向裂紋、縱向裂紋等缺陷；并按標準GB／T 7735—2004《鋼管渦流探傷檢驗方法》驗收等級A，B要求分別加工徑向通孔各1個，內外壁深度分別為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。

根據凝汽器不銹鋼管材質電導率、磁導率等參數的特點，同時考慮將干擾和雜波信號相位調整到水平位置、幅值調整在60%左右波幅。經多次試驗，確定以下檢測參數，激勵頻率：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。現以規格為φ27mm×1mm、材質為TP304H的對比試樣缺陷阻抗圖為例進行分析，如圖4。

2.2 模擬缺陷信號分析

通過對模擬缺陷阻抗圖分析，渦流檢測缺陷信號參數如表1所示。可歸納為：內壁周向槽的相位值20°～40°，內壁軸向槽的相位值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系如圖5所示，內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 渦流檢測缺陷信號參數

圖5 相位－減薄關系圖

3 現場實例分析

3.1 簡述

湖南某電廠2×600MW超超臨界新建機組凝汽器，2010年8月灌水試驗中發現部分不銹鋼新管泄漏，兩臺機組共使用42986根，材質為TP304L，規格為φ31.75mm×0.7mm 和φ31.75mm×0.5mm。采用ET556H數字電腦遠場雙頻渦流儀對兩臺機組凝汽器鋼管進行了100%在役檢測，檢測執行標準GB／T 7735—2004《鋼管渦流探傷檢驗方法》。

3.2 檢測結果

對不銹鋼管進行在役渦流檢測，發現657根鋼管存在超標缺陷，353根存在記錄缺陷。在有超標缺陷的不銹鋼管中隨機抽取50根進行宏觀及表面檢查，并結合缺陷信號阻抗圖顯示，對超標缺陷管提取信息進行分類、比較，抽取的超標缺陷管信息見表2所示。

表2 缺陷管信息匯總表

如表2缺陷信息可知：內壁腐蝕穿孔的相位值符合以上相位－減薄關系圖，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分析中外壁軸向槽的相位值90°～135°范圍。

4 分析結論

通過試驗分析并結合現場實例，對缺陷信號分析總結歸納如下：

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

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

（3）管材上存在的嚴重缺陷，如穿孔、裂紋、腐蝕孔和夾雜等，其規律特征可總結如下：① 一般性的腐蝕穿孔或針孔的相位角位于50°～60°之間。②管內壁的缺陷，如內壁表面裂紋，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）鋼管內外壁腐蝕程度與相位關系如圖5所示，內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；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［2］。

5 其他應用

圖8 凝汽器銅管缺陷檢測相位圖

現場對凝汽器銅管和鈦管的檢測發現，管外壁缺陷顯示的相位角在50°～120°，管內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果，可以得出該分析結果同樣適用于非鐵磁性薄壁金屬管材。

6 結語

雙頻渦流阻抗分析法是我國一直在開展的新技術。采用雙頻渦流檢測技術對缺陷信號進行試驗分析，并結合現場應用中缺陷信號的特征，提出了阻抗信號參數與缺陷性質的關系。試驗分析結果不僅解決了凝汽器不銹鋼管渦流檢測定性問題，避免了錯判、漏判的出現，同時對其他非鐵磁性凝汽器管的渦流檢測具有指導意義。

［1］鄒建偉.雙頻渦流技術在冷凝器銅管檢測中的應用［J］.湖南電力技術，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［J］.無損檢測，2008，30（8）：548－549.