U形管彎管段消應力熱處理過渡區的異常渦流信號

江 華，曹 萍，閆生志，李歡妮，肖 琪，李偉源，徐占標，馬 駿，潘華彪

(浙江久立特材科技股份有限公司，湖州 313000)

U形傳熱管常采用冷彎的方式進行加工，冷彎過程中常伴有應力的產生，這些應力會對管材的正常運行帶來一些風險。主要表現為在高溫高壓環境下容易引起應力腐蝕開裂(SCC),且往往發生于無明顯宏觀變形的情況，為了減少SCC的發生概率，制造廠常需要對彎頭段進行消應力熱處理，其目的是消除彎管彎制時產生的內應力[1]。其方法是采用電極加熱的方式對彎頭進行熱處理，通過電極導電使得彎頭迅速升溫然后切斷電源采用風冷的方式進行冷卻。消應力熱處理工藝如圖1所示。

1 異常渦流信號的產生

消應力熱處理后，需要對U形傳熱管進行內穿式探頭渦流檢測，采用四頻八通道同時采集信號并分析。頻率分別為200 kHz,130 kHz,80 kHz,20 kHz,其中1,3,5,7為差分通道，2,4,6,8為絕對通道。采樣率為1 200采樣點/s;采集速度為300 mm·s-1;數字化率為每毫米4個采樣點，數據以回拉的方式進行存儲。

多頻多通道渦流檢測采用的是相位-深度分析法，即根據標定管的標準深度與相位關系制作出一條相位-深度判傷曲線(見圖2)。曲線的軸線為缺陷的相位值，縱軸為缺陷深度(以壁厚百分比表示)，管內壁的缺陷使用一次直線擬合，管外壁缺陷使用二次曲線擬合獲得相位-深度曲線[2]。對檢驗過程中發現的缺陷顯示使用該曲線進行對比,得出缺陷深度的估計值，即所謂的“不連續性的估計深度與信號的相互關系”。

在使用該熱處理工藝生產某普通18-8型奧氏體不銹鋼熱交換U形管后，采用多頻多通道渦流探傷儀進行內穿式探頭內渦流檢測時發現,在2個電極夾鉗位置也就是在熱影響區的過渡段(見圖3)有1個異常渦流信號顯示(藍色色標范圍內信號顯示)，該信號在輔頻差分通道和絕對通道均有較明顯的顯示，將該信號按照相位傷深曲線規律判斷該處存在嚴重外表面壁厚減薄，最大處減薄達到87%，兩夾鉗位置彎管內渦流異常信號顯示如圖4所示。

圖3 彎管內異常渦流信號位置示意

圖4 兩夾鉗位置彎管內異常渦流信號顯示

根據渦流信號規律進行分析時，發現該處存在典型的外部損傷，特征為79%和87%的外壁壁厚減薄，為了驗證分析該結論，對實物進行定位分析并且采用其他無損檢測方法輔助檢測。

2 異常渦流信號的分析

首先通過渦流采集數據點的計算對產生異常信號的位置進行定位，然后采用目視檢測的方法進行內外表面檢驗，通過對該處及附近位置的外表面放大鏡檢測和內表面內窺鏡查看，并未發現任何缺陷，內外表面完好無損。另外，對其尺寸也進行了檢測，并未出現異常，表面無凹坑、外凸、波浪、夾癟等。異常信號位置處外表面及內表面形貌如圖5所示。

圖5 異常信號位置處外表面及內表面形貌

既然內外表面沒有發現缺陷，則需判斷該處橢圓度是否有突變或者內部及近表面是否存在缺陷，接下來采取其他無損檢測手段進行輔助分析。將帶有異常信號的位置截取下來進行超聲檢測(UT)、滲透檢測(PT)和射線檢測(RT)，超聲檢測按照標準GB/T 5777-2008 L2 《無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法》 執行，采用GE ROTA40設備進行檢測，沿管材縱向橫向內外表面進行雙向掃查，結果顯示該處并沒有分層、折疊、裂紋等類型缺陷顯示，管材超聲波A掃波形非常規律。另外，還利用超聲波探傷儀自動全長測厚測外徑的功能對所截取管材進行全長連續測量，結果顯示異常信號及附近尺寸(壁厚、外徑)也沒有明顯變化，處于穩定的狀態。超聲檢測A掃波形如圖6所示，外徑及壁厚連續尺寸測量圖如圖7所示。

圖6 超聲檢測A掃波形

圖7 外徑及壁厚連續尺寸測量圖

液體滲透檢測主要是針對表面開口缺陷的檢測[5]，由于管材內徑較小，只能對管材外表面進行檢測。因為現場條件及檢測靈敏度要求比較高，所以采用溶劑去除型著色滲透檢測法對異常信號處及其附近表面進行檢測，嚴格按照NB/T 47013.5-2015 《承壓設備無損檢測》 進行操作，檢測結果為實物被滲透，表面沒有線狀、點狀顯示，檢測結論為外表面合格。異常信號及其附近液體滲透檢測結果如圖8所示。

圖8 異常信號及其附近液體滲透檢測結果

同樣的也對其進行X射線檢測，X射線是波長極短的電磁波，能量較高，能夠穿透較厚的物體。當其穿過物體時存在衰減作用，如果被檢物體中存在缺陷就會影響射線的吸收，使透過的射線強度發生變化[6]。由于被檢測產品為無縫鋼管，使用X射線實時成像設備進行檢測，掃查完成后發現并無分層、裂紋等缺陷的顯示，檢測結果為合格。異常信號及其附近的X射線檢測結果如圖9所示。

圖9 異常信號及其附近的X射線檢測結果

通過上述不同的無損檢測方法輔助檢測，得出的結論都是一致的，即異常信號及其附近位置是完好的，并未存在不連續缺陷顯示。這一結論與內渦流分析檢測結果差異較大，說明利用渦流缺陷信號的分析規律分析該顯示是不恰當的，會造成檢測的誤報。該熱處理工藝下產生的異常渦流信號不是缺陷信號，而是一種固有的信號，一種該熱處理條件下固有的工藝加工信號。這類信號產生的原因是消應力處理導致了材料物理性能的改變，這變化來自消應力后基體中溶質原子濃度的改變，脫溶相微粒的影響和合金中應變場的作用等。消應力初期使電子散射幾率增加，故合金電阻上升，但過了時效則因基體中溶質原子貧化(經脫溶分解造成溶質原子缺失)而使得電阻下降[4]。合金的磁性也因時效而變化，由于脫溶相阻礙磁疇壁的移動，磁導率會因時效而下降。當這種狀態重新進行固溶處理后又會恢復到初始的狀態，為了驗證以上分析同時也排除其作為缺陷信號的定性，另增加了試驗。

試驗方法為對帶有該異常信號的兩支U形管(1#和2#)重新進行整體固溶熱處理，熱處理溫度為1 050 ℃。1#，2#管材整體熱處理前后渦流信號如圖10所示。

從圖10可以發現帶有異常信號的1#，2#管經整體熱處理后，異常渦流信號在各個通道消失，從這也可定性這種電極加熱式熱處理異常內渦流信號不是一種缺陷信號。

最后，在帶有異常渦流信號的U形管中任取3支，進行XRD(X射線衍射)殘余應力檢測。每支U形管檢測部位分別為異常渦流信號顯示、上下各50 mm位置以及上下各100 mm位置，共5個截面，每個截面檢測上、下、左、右共4個檢測點，每個檢測點檢測環向殘余應力。

檢測結果顯示，在未消應力區、過渡區以及消應力區3個部位的環向殘余應力有明顯變化，其中未消應力區為拉應力，消應力區為壓應力，中間存在拉應力向壓應力轉變的區域為過渡區，殘余應力過渡區位置與異常渦流信號位置一致。

圖10 1#，2#管材整體熱處理前后渦流信號

3 結語

通過對經過消應力熱處理的U形傳熱管彎管段實施渦流檢測，并對出現異常信號的熱處理過渡區采用多種檢測手段進行驗證試驗，經分析可以得出以下結論。

(1) 發現經VT、UT、RT、PT等檢測方法檢測，均未出現缺陷顯示及其他異常情況，從而可以得出U形管彎管段消應力熱處理后出現的異常渦流信號不是不連續的缺陷信號顯示，它只是一種加工工藝信號，即一種在該種熱處理工藝下固有的信號顯示。這種信號是一種新的組織結構類別的顯示，是在這種熱處理工藝下所特有的。所以現有的渦流檢測分析方法及規律已經不適用于這種信號的分析，需要在對生產工藝深入了解的基礎上，進行大量的渦流及其他檢測方法的試驗研究，以探討信號是否存在于夾鉗處熱影響過渡段，并作為現有渦流信號分析規律的一種補充，準確地對信號進行定性判斷，真正做到不漏檢，不誤檢。

(2) 該過渡區出現異常渦流信號的根本原因是U形管局部消應力熱處理后，消應力區與未消應力區的環向應力發生變化，存在應力變化過渡區，屬于局部消應力熱處理固有的工藝信號。