非鐵磁性傳熱管陣列渦流檢測研究

谷昊

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連116300）

1 概述

對于非鐵磁性傳熱管，一般采用常規渦流檢測方法（Bobbin）對其運行狀況進行檢查。Bobbin 目前已經是一種比較成熟的無損檢測方法，檢測效率高、信號可記錄、重復性好，尤其適合傳熱管的在役檢測。但是Bobbin 檢測方法同時也存在不足之處，檢測信號比較抽象、圖像顯示不夠直觀、不能區分開同一個圓周截面的多個缺陷、對于縱向的緩慢變形的長缺陷不夠敏感、對信號顯示的判傷較依賴分析人員的經驗。

因此，采取合適的檢測方法對Bobbin 進行補充很有必要。旋轉探頭雖然檢測效果良好，但檢測速度慢、檢驗裝置復雜且造價高、探頭損耗嚴重、經濟效益低[1]。尋找一種既經濟方便，又對非鐵磁性傳熱管具有良好檢測效果的渦流探傷新方法就成為當前的研究重點，本文介紹了非鐵磁性傳熱管陣列渦流檢測的試驗過程與試驗結果。

2 傳熱管陣列渦流檢測原理

陣列渦流探頭的常見激發方式主要分為絕對式及激勵-接收式兩種。絕對式是指陣列渦流線圈中每個線圈既用于激發渦流，又用來接收感應的渦流信號。當陣列渦流探頭處于此種激發模式時，檢測效果即可等同于若干個點式探頭同時掃查，提高了檢測效率。

然而，因為此種激發方式使檢測探頭的提離信號影響較大，不利于檢測的實施，所以，陣列渦流更多采用激勵-接受式的激發方式。激勵-接受式激發方式基本原理為：一個線圈針對工件激發感應渦流，另外一個或若干的線圈接收感應渦流產生的信號。

當被檢工件存在電磁特性的不連續時，激勵的渦流會被這種不連續干擾，進而被接收線圈接收到。一對激勵-接受組合的線圈會因缺陷方向的不同而產生不同的檢測靈敏度。當缺陷方向與渦流流動方向垂直時，缺陷干擾渦流的流動檢出效果好；當缺陷方向與渦流方向相同時，缺陷對渦流的干擾較小，檢測效果較差。

密布的線圈按照預先設計的激發順序依次交替運行，在電磁場和渦流場發生高速旋轉的同時，檢測的焦點也發生高速旋轉，以此達到對傳熱管內表面旋轉掃查的目的，其效果近似于旋轉探頭的機械旋轉。陣列探頭的收發線圈以時序進行控制，不需要電機驅動，因此較旋轉探頭其檢測速度更快，檢測效率更高。

接收線圈收到的信號與其物理所處的周向位置相結合，再將多個線圈的信號進行疊加運算后可形成直觀的C－SCAN 三維圖。該探頭無需貼合傳熱管，且由于信號經過了放大，抑制了提離效應，故探頭檢測靈敏度接近旋轉探頭[2]。

3 傳熱管陣列渦流的特點及應用

傳熱管的陣列渦流檢測有以下特點：

（1）能夠對被檢換熱管整個圓周截面進行高速掃描檢測；

（2）對被檢表面（含近表面）有與傳統點探頭相近的分辨率，對縱向和橫向的缺陷具有相近的檢測能力，不存在對某一走向缺陷和長裂紋的“盲視”問題；

（3）根據被檢傳熱管尺寸，可以制作尺寸與之相匹配的陣列探頭，以達到更好的檢測效果；

（4）根據想要達到的檢測能力，選擇陣元線圈的直徑，線圈直徑越小，檢測靈敏度越高，成本越高；

（5）能變換線圈的結構類型以形成特殊的陣列能力，可以采用多頻和混頻的方法，調節滲透深度，抑制干擾，提高信噪比；

（6）采用C 掃顯示方式時，圖像直觀、清晰，檢測結果一目了然，可以區分開傳熱管同一個圓周截面上的多個缺陷。

基于上述特點，國外傳熱管陣列渦流檢測技術發展較快，并且針對核島蒸汽發生器傳熱管有了較多的實際應用。國外蒸汽發生器管采用了各種高性能合金和超級合金，包括316 型不銹鋼、Alloy 400、Alloy 600MA、Alloy 600TT、Alloy 690TT、800Mod、鉻鎳鐵合金等，均為非鐵磁性材料，采用陣列渦流檢測可以達到良好的檢測效果。

因此，國外檢測機構使用陣列渦流檢測技術評估傳熱管與支撐結構的狀態，甚至還用于測量堆積物和泥渣的數量。由于傳統的渦流探頭分辨周向缺陷困難，陣列渦流探頭是渦流檢查程序的一個有價值的補充。陣列渦流探頭檢測效果與旋轉渦流探頭檢測效果類似，但陣列渦流檢測速度更快。管式陣列渦流探頭有X-probe、CXB-probe 等種類，其中X-probe 是加拿大蒸汽發生器管式陣列渦流的行業標準[3]，應用于傳熱管陣列渦流檢測。

4 傳熱管陣列渦流試驗制備

4.1 試驗樣管的規格

常規島各換熱器的傳熱管外徑一般在φ15～30mm 之間，壁厚在0.5～1mm 之間。本次選擇外徑φ22.225mm、壁厚0.7mm 的鈦管作為試驗樣管。

4.2 試驗設備及數據采集、分析軟件

使用ZETEC MIZ-200 渦流儀實現陣列渦流數據的采集工作，使用與之配套的Velocity AN/AQ 軟件完成渦流數據的采集和分析。

4.3 試驗探頭

使用ZETEC CXB4-004 陣列渦流探頭。

4.4 人工傷試驗管的設計與制作

對于傳熱管陣列渦流檢測，國內47013 標準尚無適用內容。傳熱管通常采用Bobbin 方法進行檢測，因此借鑒常規渦流對比試樣的人工傷加工要求來加工試驗管，包括以下幾類人工傷：通孔、平底孔、外環槽、內環槽、螺旋槽、縱向槽。

4.4.1 通孔

缺陷1 缺陷2 缺陷3 缺陷種類 通孔 通孔 通孔 直徑(mm) 1.7 0.83 0.5 傷深壁厚比 100% 100% 100%

4.4.2 外壁平底孔

缺陷4 缺陷5 缺陷6 缺陷7 缺陷8 缺陷種類 外壁平底孔 外壁平底孔 外壁平底孔 外壁平底孔 外壁平底孔 直徑(mm) 2.8 4.8 4.8 4.8 4.8 傷深壁厚比 60% 40% 20% 15% 10%

4.4.3 外壁周向槽

加工外環槽缺陷9：槽寬13.4mm，傷深34%，模擬外壁大范圍均勻腐蝕減薄；

加工外壁周向槽缺陷10：槽寬1.0mm，傷深10%，模擬外壁周向裂紋。

4.4.4 內環槽

缺陷11 缺陷12 缺陷13 缺陷種類 內環槽 內環槽 內環槽 槽寬(mm) 1.0 1.0 1.6 傷深壁厚比 40% 10% 10%

4.4.5 外壁螺旋槽

加工外壁螺旋槽14：槽寬4.9mm，深度20%。

4.4.6 外壁縱向槽

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4.5 試驗參數

基于試驗管的材料和尺寸，進行了陣列探頭的參數測試，確定檢測參數如下：選擇400KHz、300KHz、100 KHz、80 KHz 作為檢測頻率，采樣率為2000 點/s，探頭回拉速度300mm/s 左右。

5 傳熱管陣列渦流試驗過程

采用上述陣列渦流設備進行檢測，利用試驗管上的脹管信號與溝槽（外環槽）信號調節相位和幅值，對采集所得信號進行分析觀察。檢測圖像見圖1。

圖1 陣列渦流試驗檢測圖像

6 傳熱管陣列渦流試驗結果

6.1 對φ0.5mm 及以上的通孔有較好的檢測效果，其檢測極限不僅限于此，有待加工更多的人工傷進行進一步驗證。

6.2 對外壁平底孔有較好的檢測效果，單個φ4.8mm*10%的平底孔可以輕易地探測到。

6.3 可以檢測到的局部外壁周向刻槽的最小尺寸是槽寬1.0mm、傷深10%，且能夠確定其周向覆蓋的區域。

6.4 可以檢測到的內環槽最小尺寸是槽寬1.0mm、傷深10%。

6.5 可以清晰的顯示出槽寬4.9mm、深度20%的外壁螺旋槽的縱向與周向的分布。

6.6 對于外壁縱向的刻槽，可以檢測到的最小傷深是10%?？v向缺陷的檢測是Bobbin 的弱點，在這一點上陣列探頭有一定的優勢。

7 結論

通過上文的試驗可以得知陣列渦流檢測對于通孔、平底孔都有很好的檢測效果，可以檢出內外壁縱向和橫向10%傷深的缺陷；與Bobbin 檢測相比，陣列渦流檢測對于縱向和橫向的缺陷具有相近的檢測能力；具有多個陣元和通道，可以通過優化運算邏輯得到更好的圖形顯示，從而抑制干擾，提高信噪比；得到在周向上更直觀的缺陷分布顯示。