304奧氏體不銹鋼渦流檢測頻率的優化

付檢平，沈功田，于潤橋，胡 斌

（1.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌330063；2.中國特種設備檢測研究院，北京100013）

奧氏體不銹鋼壓力容器是壓力容器的重要組成部分，在抗腐蝕石油化工設備、醫療設備和航空航天設備中得到大量應用，多用于腐蝕、有毒介質的存儲。在役奧氏體不銹鋼壓力容器由于工作環境和材質特性，易產生應力腐蝕開裂等一系列表面、近表面缺陷和微觀組織損傷，是設備失效的主要原因［1］。對奧氏體不銹鋼設備安全檢測的要求是不僅能檢出工件殼體和焊縫表面缺陷，還要檢測帶涂層的近表面缺陷。奧氏體不銹鋼屬于非鐵磁性材料，常用滲透法檢測其表面缺陷，但滲透法存在二次污染，且部分設備表面有涂層，故滲透法不是奧氏體不銹鋼檢測的最佳手段。奧氏體不銹鋼由于晶粒粗大，容易造成聲波散射，所以一般也不采用超聲波探傷。射線檢測對未熔合、未焊透、氣孔等缺陷檢測直觀，但對裂紋之類的面積型缺陷檢測效率低，所以射線檢測也不是最佳的檢測方法。而渦流方法以其能快速檢測金屬材料表面及近表面缺陷的優點，正逐步成為奧氏體不銹鋼材料最有效的檢測方法之一［2］。

美國ASME 鍋爐壓力容器規范第V 分卷《管材制品渦流檢測》第八章和JB／T 4730.6－2005《承壓設備無損檢測 渦流檢測》中只有采用內外穿過式檢測法對奧氏體不銹鋼管材進行檢測，缺少在役壓力容器奧氏體不銹鋼的檢測方法和檢測標準。放置式線圈適用于各種板材、帶材和大直徑管材、棒材的表面檢測，還能對形狀復雜的工件某一區域做局部檢測，其探傷靈敏度在很大程度上取決于工作頻率的選擇。

目前廣泛采用的確定渦流探傷頻率的方法主要有特征頻率法、仿真分析法和試驗法［3］。筆者主要采用以上方法通過分析放置式線圈檢測304奧氏體不銹鋼試件表面裂紋的數據，并通過計算比對和實際檢測驗證，得出最佳工作頻率。

1 最佳工作頻率原理分析

激勵信號頻率選取方法的基礎是交變磁場測量法。渦流的滲透深度與激勵頻率有關，在其他條件不變的情況下，改變激勵頻率，調節渦流在工件中的滲透深度，根據渦流信號在掃描過程中的變化規律，就可以對缺陷深度進行定量分析。理論上，根據給定的頻率范圍，結合麥克斯韋方程組，可以求得缺陷深度。

缺陷深度與渦流滲透深度的關系模型如圖1所示，圖中顯示的是裂紋橫截面，d代表裂紋深度，δ代表渦流的滲透深度。

圖1 裂紋深度與渦流滲透深度的關系模型［4］

由交變磁場測量法的原理可知：無缺陷時，渦流在待檢工件表面會產生平行的勻強電流；有缺陷時，由于導體局部的電導率發生改變，勻強電流分布受到破壞，渦流將沿電阻小的途徑流動，繞過裂紋斷面從缺陷底部和兩側流過。

隨著激勵頻率的增大，渦流的滲透深度會減小，在有效趨附深度內，渦流密度增大，出現在缺陷深度附近的渦流分布依次為圖1（c）→1（b）→1（a）。

在此，定義一個比值t，表示Bz在空間某點磁感應強度總量中所占的比例：

式中：Bx為平行于工件表面和裂紋方向的磁感應強度；By為與裂紋垂直但平行于工件表面方向的磁感應強度；Bz為與工件表面垂直的磁感應強度，上述3個方向構成笛卡爾坐標系。

若定義fo為激勵信號的拐點頻率，則：

（1）當0＜f＜fo時，隨著激勵頻率f增大，滲透深度δ減小，從裂紋端面流過的渦流占總渦流的比例基本穩定，但是因為電流密度的增大，Bz的測量值在增大；但是從底面流過的渦流除了電流密度增大外，與表面的距離減小，因此Bx的測量值增大的程度大于Bz。

由上述的分析可知，隨著激勵頻率的增大，z方向的感應電壓與總感應電壓的比值減小。

（2）當f＝fo時，t達到極值，出現拐點。

（3）當f＞fo時，隨著激勵信號的頻率增大，流經底面的渦流比例減小，電流密度也呈減小趨勢。而流過端面的渦流，除了電流密度增加外，與表面的距離也在減小，因此Bz增大的趨勢更大。當激勵信號的頻率增大到一定值后，Bx，Bz都呈現減小的趨勢。

根據上面的分析可知，合理選擇激勵信號的工作頻率f，可以達到最佳的檢測結果。

2 特征頻率法與仿真分析法選取頻率

2.1 特征頻率法

用渦流放置式線圈探傷時，由于放置式線圈的尺寸很小，可把工件看成半無限大平面，用電磁場理論推導出特征頻率的計算公式，按最大靈敏度原則計算出材料的工作頻率選擇范圍［5］。

孫金立等人根據電磁場理論提出，當被測導體簡化成渦流環后，采用放置式線圈探傷時，工件的半徑可以等效為渦流環的半徑r。于是特征頻率的公式為：

式中：fg為特征頻率；μr為工件相對磁導率，材料為奧氏體不銹鋼，μr≈1；σ為工件的電導率，材料為奧氏體不銹鋼，σ＝1.37×106s／m；r為渦流環的半徑；rb為激勵線圈外半徑。

此處激勵線圈外徑rb＝5 mm，代入公式可得fg＝1.93kHz。

在放置式線圈檢測工件表面裂紋時，其工作頻率選擇f＝（10～50）fg［6］，由fg可以算出檢測工作頻率f＝19.3～96.5kHz。通過特征頻率法計算的工作頻率是一段頻率范圍，可供檢測時選擇頻率做參考，而要得到最佳頻率還需要進一步試驗和仿真計算。

2.2 仿真分析法

目前，ANSYS 軟件應用于電磁渦流仿真已經相當成熟，尤其對不銹鋼管的渦流檢測仿真研究比較多，比如蔡桂喜、段建剛及孟憲紅等分別對奧氏體不銹鋼管渦流檢測進行了試驗和仿真研究，找出最佳的激勵頻率，既能兼顧內外壁缺陷的檢測靈敏度，又能從相位上區分內外壁缺陷的激勵頻率［7］。但是對于板材的電磁渦流檢測研究比較少，主要是因為影響板材的電磁特性比較復雜，影響因素較多。

針對304奧氏體不銹鋼平板件進行研究，分析表面裂紋和埋藏裂紋尺寸變化與拐點頻率的關系。在趨附深度內，對于表面裂紋，阻抗幅值與頻率成正比關系，頻率增大，阻抗幅值也隨之增大；信號相位與頻率的關系，存在一個拐點頻率，此時應綜合考慮信號相位和幅值與頻率的關系，得出最佳工作頻率。對于埋藏裂紋，阻抗幅值和相位與頻率都存在一個拐點頻率，檢測時既要考慮到相位因素，又要顧及阻抗圖的飽滿、“8”字圖形對稱，兩者綜合得出的頻率即為最佳工作頻率［7－8］。在有效檢測區域內，當裂紋深度增加時，最佳工作頻率相應減小。通過仿真分析，缺陷和提離相位的差值Δφ接近90°時，此時工作頻率為60kHz［8］，如圖2所示，恰好在特征頻率計算的f（19.3～96.5kHz）范圍之內。選用此頻率檢測時，缺陷信號更容易從檢測信號中區分出來。

圖2 不同刻槽尺寸的頻率與相位差關系的仿真曲線

3 拐點頻率的試驗選取

3.1 試驗目的

試驗目的是通過分析工作頻率與阻抗幅值的相對關系，得出阻抗幅值最大時所對應的工作頻率，即為拐點頻率。由于儀器本身原因，阻抗幅值不可能無限大，所以選用增益代替阻抗幅值，此時增益大小對應阻抗幅值的反向大小。

3.2 試驗裝置

試驗選用的是某型焊縫裂紋探傷儀，如圖3所示，儀器可調參數主要有：試驗頻率、增益、相位和濾波等。頻率可調范圍為1kHz～1 MHz，相位為0°～359°，水平H與垂直V增益為0.0～100.0dB。探頭選用放置式差動線圈。

圖3 某型焊縫裂紋探傷儀

3.3 試驗過程

以頻率10～500kHz內步進量為10kHz進行頻率掃描，得出頻率與增益的關系曲線，找出不同缺陷的拐點頻率，其中增益最小時對應的頻率即為拐點頻率。具體操作是：檢測時，選用不同頻率，調節增益大小，使得阻抗幅值大小恒定為40%，記錄不同頻率下的增益值，增益值最小時對應頻率即為拐點頻率。由于增益范圍為0～100dB，所以試驗采集到的數據只能截止到增益接近于100dB 時增益大小和對應的試驗頻率。試驗所用試塊為304奧氏體不銹鋼刻槽對比試塊，規格220mm×170mm×6mm，刻槽規格（長×寬×深）分別為：30 mm×1mm×0.5 mm，30 mm×0.5 mm×0.5mm，30mm×0.2 mm×0.5 mm，30 mm×1mm×1mm，30 mm×0.5 mm×1 mm，30 mm×0.2mm×1mm，30mm×1mm×2mm，30mm×0.5mm×2mm，30mm×0.2mm×2mm。根據刻槽尺寸不同，做了9組試驗，分成3小組，分別對應刻槽寬度為0.2，0.5，1 mm，小組內刻槽深度依次為0.5，1，2mm 試驗結果見圖4。

3.4 結果及分析

對9組試驗測得的數據經過線性擬合處理，得到表征不同頻率與增益的關系曲線，橫坐標是檢測頻率（kHz），縱坐標是阻抗平面圖的增益大小，增益大小對應的是阻抗幅值的反向關系，結果如圖4所示。由圖可知，9個小組曲線都存在拐點頻率。在拐點頻率下，缺陷阻抗幅值最大，缺陷容易被檢出。從4（a）～（c）可知，刻槽寬度一定，不同深度下的拐點頻率稍有不同，刻槽越深，頻率越??；從3組試驗數據對比可知，刻槽深度一定，不同刻槽寬度對應的拐點頻率變化不明顯。缺陷不同的情況下，拐點頻率在120～150kHz之間，這段頻率范圍有助于實際奧氏體不銹鋼渦流檢測中最佳頻率的選取和參考。

鑒于以上試驗反映的是增益大小與頻率之間的關系，可能與實際有所偏差，于是選擇60，100，110，120，130，140kHz頻率，保持增益大小一定，做了幾組不同頻率對應的阻抗圖試驗作補充，圖形截取如圖5所示。

從圖5可知，在增益一定的情況下，檢測頻率為120kHz時，渦流阻抗平面圖相比于130，140kHz時較飽滿、對稱，相對于60，100，110kHz時阻抗幅值更大。因此，當檢測頻率在120kHz左右時，缺陷阻抗平面圖比較容易識別，缺陷亦容易被檢出。

圖5 1mm 寬，1mm 深刻槽不同頻率阻抗平面圖

3.5 三種方法結果對比

相位－頻率選取法主要考慮的是減少提離效應給檢測帶來的影響，當檢測不光滑面（如焊縫）時，選擇一個適當頻率，使相位差Δφ值最大，調節提離信號的相位到水平位置，由于相位差的原因，很容易分辨出缺陷信號和提離信號。幅值－頻率選取法主要考慮的是在保證阻抗圖飽滿的同時使阻抗幅值更大，此方法最適合用于檢測光滑或較光滑平面，如不銹鋼母材的檢測，當檢測較光滑平面時，提離效應的影響因素較少，為了提高檢測靈敏度，應選取適當的頻率，使阻抗圖飽滿且幅值更大，此時細小缺陷更容易被檢出。

特征頻率法算得的頻率為19.3～96.5kHz，仿真分析得出的結果是60kHz左右，這兩種方法都是通過相位－頻率選取法得出的頻率，特征頻率法算出的結果是相位法最佳頻率范圍，而仿真法得出的頻率就是相位法的最佳頻率，恰好在算得的頻率范圍之內；而本文的試驗對象是表面光潔的對比試樣，因此考慮用幅值－頻率選取法，得出的最佳頻率為120kHz左右。

因此，如果只從相位區分考慮，檢測不光滑平面，選取60kHz左右頻率為最佳工作頻率；如果從信號幅值考慮，檢測光滑或較光滑平面，選取120kHz左右頻率為最佳工作頻率。如果采用雙頻進行檢測，60kHz和120kHz組合是最佳選擇。

4 最佳工作頻率的影響因素討論

渦流檢測在實際應用時，電導率、磁導率、頻率、埋藏深度、缺陷類型、工件厚度以及馬氏體相變等的變化都會引起阻抗的變化，其變化方向各不相同。因此可采用相位分離法將需要檢測的因素與干擾因素分離開來，達到最優檢測的目的。為了得到最好的檢測精度，最佳工作頻率點需選擇在阻抗曲線的拐點部分。因為在這里阻抗曲線和提離效應有較大的相角，即Δφ值最小，阻抗曲線和提離效應的相位接近90°，檢測時易于鑒別。以下對幾個重要影響因素進行討論。

4.1 埋藏深度的影響

由于趨膚效應，渦流只能滲透到工件表面，當工件厚度大于趨膚深度時，趨膚深度以內是有效檢測區域，在有效檢測區域內，存在一個頻率，使得f＝fo，此時裂紋深度d恰與渦流滲透深度δ相等，此頻率f即為有效覆蓋頻率。

4.2 缺陷類型的影響

裂紋類缺陷，考慮因素是裂紋的尺寸、埋藏裂紋的深度等。在有效檢測區域內，裂紋深度d與特征頻率fg成反比，當裂紋深度增加時，最佳工作頻率相應減小。表面裂紋的檢測頻率與阻抗幅值成正比關系，與相位之間存在一個拐點，拐點處的頻率即為最佳工作頻率；埋藏裂紋的檢測頻率與阻抗幅值、相位都存在一個拐點，檢測時既要考慮到相位角，又要顧及阻抗圖的飽滿、“8”字圖形對稱，兩者綜合得出的頻率即為最佳工作頻率。

4.3 馬氏體相變的影響

304奧氏體不銹鋼在加工制造過程中，要經過冷軋、冷拔、冷彎、平整及矯正等冷加工，會發生變形，致使部分奧氏體相轉變為馬氏體相，即形變誘發馬氏體相變［9］。焊縫區的形變馬氏體含量均明顯高于母材區，且焊縫區還存在鐵素體［10］。在經過ECAP（等徑角擠壓）工藝后，馬氏體含量最高可達54%［11］。304奧氏體不銹鋼為弱磁性材料，相對磁導率近似為1，而馬氏體和鐵素體具有鐵磁性，相對磁導率遠大于1。由特征頻率公式可知，相對磁導率與fg成反比，當相對磁導率變大時，最佳工作頻率變小。

5 結論

（1）試驗與仿真結果對比分析可知，對于奧氏體不銹鋼中不同深度和寬度的槽型缺陷，其最優檢測頻率基本相同，由此可知，在實際最優頻率的選取過程中，通過制造單一深度的人工缺陷，確定該深度下的最優檢測頻率，即為探傷時所需采用的檢測頻率。

（2）實際檢測中，奧氏體不銹鋼工件內缺陷類型不同、存在馬氏體相變等諸多因素都會影響最佳工作頻率的選取。因此，得出的最佳工作頻率在實際工作中只能作參考，頻率選取還有待進一步優化。

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