渦流陣列技術在焊縫檢測上的應用初探

張一平 羅 雄 楊開宇 伍少杰 苗丕渝 王鈺淞

（1.成都市特種設備檢驗院 成都 610000）

（2.北京新興日祥科技發展有限公司 北京 100023）

1 渦流陣列的基本原理及應用現狀

渦流陣列技術與傳統的渦流檢測技術相比，主要不同點在于渦流陣列的探頭是由多個獨立工作的線圈構成（如圖1所示），通過特殊設計，利用計算機的強大能力，完成檢測。由于其探頭尺寸較大，且外形可根據實際被檢測對象的形面進行設計，因而還具有克服和消除提離效應的優勢[1]。同時渦流陣列能給出大量有關焊接接頭質量的數據，因而可從圖像中清楚地看出在材質變化的同時存在的微小缺陷（如裂紋等）[2]。

本文通過實驗對渦流陣列在承壓設備焊縫表面缺陷檢測中的使用可行性進行了驗證，并對實驗和現場使用中發現的問題，嘗試性提出了解決辦法。

圖1 傳統渦流（左）和渦流陣列（右）掃查對比

2 實驗與說明

為了驗證渦流陣列對焊縫的檢測效果，筆者做了焊縫對比實驗；考慮到焊縫存在涂層及高低不平，筆者做了提離實驗；考慮到裂紋是多種方向，筆者做了掃查角度實驗。

2.1 焊縫對比實驗

●2.1.1 實驗材料

1）Q345鋼焊接試板一塊，以下簡稱Q345板。規格為：300mm×280mm×12mm，雙面焊（焊縫兩面都有裂紋），余高3.5mm不等。

316鋼焊接試板一塊（以下簡稱316板）。規格為：400mm×300mm×25mm，雙面焊（焊縫兩面都有裂紋），余高3mm不等。

2）磁粉探傷設備、滲透探傷設備各一套、焊檢尺一把。

3）渦流探傷儀+帶提離補償功能一種新型渦流陣列探頭（該探頭線圈為焊縫檢測專用線圈）。

●2.1.2 實驗步驟

1）Q345板分別做滲透、磁粉、陣列渦流檢測，觀察并記錄其顯示圖像；

2）316板做滲透、渦流陣列檢測，觀察并記錄其顯示圖像。

●2.1.3 實驗結果及說明

1）實驗結果顯示如圖2～圖5所示。

說明：Q345板的磁粉顯示與滲透顯示完全吻合，但滲透顯示照相效果更好些，為節省篇幅，未羅列磁粉檢測圖片。

2）Q345板正面檢測情況：滲透檢測顯示與渦流陣列檢測的顯示非常吻合，見圖2。

圖2 Q345板正面的滲透檢測圖（左）和渦流陣列檢測圖（右）

3）Q345板背面檢測情況：滲透檢測顯示與渦流陣列檢測的顯示基本吻合，見圖3。但滲透圖中，右側區域的裂紋顯示很淺，應是右側的缺陷比較細小造成的，但渦流顯示明顯。

圖3 Q345板背面的滲透檢測圖（左）和渦流陣列檢測圖（右）

4）316板正面檢測情況：滲透與渦流陣列顯示照片非常吻合，見圖4。

圖4 316板正面的滲透檢測圖（左）和渦流陣列檢測圖（右）

5）316板背面檢測情況：滲透檢測與陣列渦流檢測相差很大，見圖5。滲透只顯示有一處缺陷，而渦流陣列顯示有三處缺陷。

圖5 316板背面的滲透檢測圖（左）和渦流陣列檢測圖（右）

2.2 提離實驗

●2.2.1 實驗材料

1）多刻槽平板試塊一塊，見圖6。

圖6 多刻槽平板試塊

該平板試塊的規格為355mm×115mm×7mm ，材料20號鋼，其刻槽參數見表1。

表1 多刻槽平板試塊刻槽參數

2）標準白色A4打印紙（70g）若干，游標卡尺一把。

3）渦流探傷儀+帶提離補償功能一種新型渦流陣列探頭（該探頭線圈為焊縫檢測專用線圈）。

●2.2.2 實驗步驟

1）將探頭在該試塊上掃查后，完成校核+深度校準，其顯示見圖7（圖7左側）。

2）在試塊上墊紙，逐張增加，掃查帶紙的試板，觀察圖形和刻槽2的深度變化。

●2.2.3 實驗結果及說明

1）渦流陣列檢測該試板，從不墊紙一直增加到20張紙，顯示的圖像都沒什么變化，見圖7。光標所在的2號刻槽深度值一直都穩定在0.5mm （見圖7中Depth位置）。

圖7 試板上不墊紙掃查（左）和墊20張紙掃查（右）對比圖

2）紙張數量為21張到30張時，刻槽深度測量值depth=0.4mm；紙張數量為31張到40張時，刻槽深度測量值depth=0.3mm，見圖8。

圖8 試板上墊30張紙掃查（左）和墊40張紙掃查（右）對比圖

2.3 掃查角度實驗

●2.3.1 實驗材料

1）帶刻槽平板試塊一塊，見圖9（圖9左側圖），其刻槽參數如下：長50mm×寬2mm×深0.5mm，材料20號鋼。

圖9 刻槽試塊（左）和在該試塊上的掃查圖（右）

2）量角器、直尺各一把、膠帶一卷。

3）渦流探傷儀+帶提離補償功能一種新型渦流陣列探頭（該探頭線圈為焊縫檢測專用線圈）。

●2.3.2 實驗步驟

1）將探頭沿著圖9（右側圖）箭頭所示方向對刻槽進行掃查，掃查角度B從0o開始遞增，到90o結束，每間隔為4o。探頭線圈布置須垂直于掃查方向。

2）觀察刻槽顯示并測量Vpp、Hpp、SZ-AMPL、?pp；

說明：Vpp、Hpp、SZ-AMPL、?pp為渦流探傷儀（本實驗用）對缺陷阻抗變化的四個測量參數，其分別對應缺陷的阻抗垂直分量幅值、水平分量幅值、整體幅值、渦流相應信號相位角。這四個參數在該機處于分析模式下可以讀出。

●2.3.3 實驗結果及說明

觀察顯示及記錄測量結果，見表2。

表2 Vpp、Hpp、SZ-AMPL、?pp測量值及顯示表

說明：刻槽顯示的主觀評定釋義見圖10、圖11。

圖10 刻槽顯示為“差”（見左圖）和刻槽顯示為“2端點隱約可見”（見右圖）對比圖

圖11 刻槽顯示為“中間有間隔”（見左圖）和 刻槽顯示為“好”（見右圖）對比圖

3 分析與結論

3.1 焊縫對比實驗的分析與結論

為了減小電磁背景噪音的影響，使用了濾波。為減小濾波對圖像的影響，采用的是中值濾波；并且根據一些相關知識[3]，背景噪音產生的調制頻率相對較低，又增加了高通濾波。因此，整個掃查采用的是中值+高通濾波方式。由圖2～圖5可以看出，這種設置方式，信噪比非常好，缺陷顯示也很清晰。

圖5中，滲透顯示只有一處缺陷，但渦流顯示有3處缺陷。對該316板進行了射線檢測，發現在圖5中標記有大H部位處有一片裂紋，而滲透完全沒有顯示。究其原因，圖2～圖5渦流檢測的頻率都采用的是200.2kHz，在該頻率下，不銹鋼的標準透入滲透可達2～3mm[4]，其有效透入深度應在5～9mm范圍內。圖5也說明了渦流陣列與常規渦流一樣，不僅可以檢測焊縫中表面裂紋，還可以檢測出不銹鋼焊縫中的近表面裂紋。

但是也可以看出（包括在提離實驗中也存在同樣問題），渦流陣列顯示的裂紋形狀與滲透檢測顯示的形狀有一定出入，渦流陣列對裂紋在縱向方向（以C掃圖為基準）的顯示有加強現象。這有賴于軟件升級改進。

3.2 提離實驗的分析與結論

渦流的提離效應是渦流的一個基本效應。有的學者認為：渦流陣列傳感器對提離距離十分敏感，利用這一特性可以進行微小距離或腐蝕坑深度的測量[5]；也有學者認為，渦流陣列具有克服和消除提離效應的優勢[1]。線圈不同的設計加之計算機強大的計算能力肯定會達到不同的結果。

20張A4紙厚度為1.8mm，30張A4厚度為2.7mm，40張A4厚度為3.6mm。從7圖～圖8可以看出，提離1.8mm對檢測基本無任何影響；提離達到2.7mm，對檢測的影響也可以接受。特種設備現場條件下，涂層厚度一般不超過0.5mm。

在2.1所述的焊縫對比實驗時，為保護探頭和檢測更順暢，焊縫上是墊了鼠標墊的（焊縫對比實驗所用試板都沒有做任何打磨，焊縫和母材上有飛濺物，這些飛濺物阻礙探頭移動）。實際上，墊和不墊鼠標墊對檢測圖像基本沒影響，圖2～圖5就是墊了薄的鼠標墊后的掃查圖像。在現場檢測時，如有可能，最好在檢測區域墊一層紙，這樣掃查更順暢。

從提離實驗可以看出，渦流陣列可以顯著降低提離效應的影響。加之實驗所用渦流線圈是柔性的，這也有助于降低提離效應對焊縫實施檢測的影響。

3.3 掃查角度實驗的分析與結論

因為對稱性關系，只做了0o～90o角度范圍內的掃查實驗。

對表2的刻槽顯示進行了量化統計，見圖12（量化方式見該圖）。

從圖12可見，在00～900角度范圍內，角度掃查時有2個盲區，0o～8o，40o～50o，當掃查方向與裂紋方向夾角在這2個角度范圍內時，渦流陣列的圖像顯示很不理想，容易漏檢。

圖12 掃查角度與刻槽顯示的關系圖

為克服這種現象，在現場對焊縫實施檢測時，可將掃查方式做調整：對焊縫進行兩次掃查。見圖13，兩次掃查方向的法線夾角a控制在12o～20o。這種掃查方式不僅解決了2個盲區問題，有利于缺陷發現，又保證了掃查效率（傾斜角度不大，則其掃查覆蓋面積可以得到較好保證）。

圖13 掃查布置圖

4 下一步實驗方向

筆者對多家大型鍋爐壓力容器制造企業和在用大型化工企業的近百臺各類壓力容器進行了驗證掃查。檢測部位包括封頭拼縫、筒體縱環焊縫、法蘭拼縫、鍛件；材料涉及碳鋼、耐熱鋼、不銹鋼等。相對于磁粉和滲透等傳統表面檢測方法，渦流陣列在現場檢測中具有檢測速度快、效率高、不需要打磨、清潔環保、可記錄等很多優點。

但由于特種設備承壓類設備種類較多，其不同的焊接方法、材料、熱處理方式、受壓情況、溫度高低、焊接后實施檢驗時間都可能影響渦流陣列檢測；頻率、濾波、背景、增益、角度、掃查步進等參數的不同設置，又將直接影響檢測結果；渦流陣列顯示分為C掃圖（圖2～圖5，圖7～圖8，圖10～圖11的渦流顯示都屬于C掃）、阻抗圖、條帶圖，對表2的Vpp、Hpp、SZ-AMPL、?pp進行統計（見圖14），可以看出，裂紋在阻抗圖中的角度和幅度顯示也都有一定的規律。

綜合這些因素，筆者下一步將分兩個方面開展工作：

1）使用濾波檢測工藝下的最佳參數問題。

中值濾波的點數、渦流頻率、旋轉角度、增益值等這些參數，對缺陷的分辨率和檢出率有相當大的影響。不同的參數組合，顯示的圖像差異較大。確定這些工藝參數非常重要。

圖14 ?pp 、Vpp、 Hpp 、SZ-AMPL -掃查角度圖

2）不使用或部分使用濾波情況下，C掃圖與阻抗圖、條帶圖信息的聯合判定問題。

加了濾波后，部分信號有可能被過濾掉，部分裂紋（如僅作單次掃查時，裂紋走向與掃查方向完全相同的裂紋）存在漏檢可能；由于渦流陣列檢測非常靈敏，將一些外觀影響（稱之為非相關顯示）也顯示在C掃圖中（如封頭成型時的褶帶等），影響對設備缺陷的判斷。有效的利用阻抗圖、條帶圖與C掃圖，也許是快速區分缺陷和非相關顯示的一種途徑。

[1] 任吉林，林俊明.電磁無損檢測[M].北京：科學出版社，2008：220.

[2] 趙磊.陣列渦流無損檢測技術的研究及進展[J].無損探傷，2009，33（02)：19-22.

[3] 渦流檢測[M].中國特種設備檢驗協會，69.

[4] 國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材——渦流檢測[M].北京：機械工業出版社，24.

[5] 杜金強.裂紋長度和提離距離對渦流陣列傳感器[J].無損檢測，2015，37 (07) ：36-39.