切向渦流陣列技術(shù)檢測(cè)碳鋼表面裂紋

李 磊，牛廣旭，王 偉

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅蘭州 730050）

0 引言

在石油化工行業(yè)，碳鋼材料制的承壓類設(shè)備被廣泛應(yīng)用與各個(gè)領(lǐng)域。設(shè)備使用過(guò)程中，在設(shè)備表面不可避免地會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋或應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋的存在嚴(yán)重影響到設(shè)備的安全使用。針對(duì)裂紋的檢測(cè)，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法有磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和常規(guī)渦流檢測(cè)：磁粉和滲透檢測(cè)對(duì)設(shè)備表面光潔度要求較高，需要進(jìn)行涂層處理和表面清潔，工作量大且伴隨風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法進(jìn)行裂紋深度的測(cè)量，檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄能力有限；常規(guī)渦流檢測(cè)只能采用基礎(chǔ)的阻抗圖對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)檢測(cè)人員的操作能力和信號(hào)分析能力要求較高，且無(wú)法對(duì)裂紋的深度進(jìn)行測(cè)量。

1 切向渦流陣列技術(shù)原理

渦流陣列技術(shù)是在傳統(tǒng)渦流技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，傳統(tǒng)的渦流技術(shù)是用單個(gè)渦流傳感器實(shí)施檢測(cè)，其關(guān)鍵部件是敏感線圈。渦流陣列是將多個(gè)敏感線圈以陣列形式布置，制作成一個(gè)傳感器，針對(duì)不同的檢測(cè)條件和技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)和形式，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形面的檢測(cè)。切向渦流的激勵(lì)與接收線圈均垂直于檢測(cè)面表面，線圈的繞制方向與檢測(cè)表面相切，故名切向渦流（圖1）。這種方式的線圈激勵(lì)的磁場(chǎng)能夠最大程度地滲透到鐵磁性材料（主要是碳鋼）表面以下，得到更好的檢測(cè)靈敏度。相對(duì)于一般的表面渦流檢測(cè)，渦流在線圈下方回旋流動(dòng)形成漩渦，切向渦流的渦流場(chǎng)朝著一個(gè)方向平行傳輸，當(dāng)局部的平行渦流場(chǎng)與表面開(kāi)口裂紋相互作用產(chǎn)生可用于標(biāo)定的信號(hào)。渦流經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)口裂紋時(shí)會(huì)在裂紋兩端聚集且產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)（一次方向磁場(chǎng)產(chǎn)生），同時(shí)在經(jīng)過(guò)裂紋的下端時(shí)也產(chǎn)生了渦流的聚集與反相流動(dòng)，通過(guò)這些渦流局部特征信號(hào)，可以對(duì)裂紋的長(zhǎng)度、深度在一定范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

圖1 切向渦流線圈排布原理

2 切向渦流陣列技術(shù)應(yīng)用研究

碳鋼材料制承壓類設(shè)備在使用過(guò)程中，最容易出現(xiàn)的缺陷是疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋，技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)利用磁粉檢測(cè)的過(guò)程中實(shí)際檢測(cè)到的缺陷，與切向陣列渦流檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，檢測(cè)結(jié)果能夠一一對(duì)應(yīng)。

2.1 疲勞裂紋檢測(cè)結(jié)果比對(duì)

對(duì)某石化公司一臺(tái)換熱器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)在焊趾部位發(fā)現(xiàn)一條裂紋（圖2 C區(qū)），裂紋長(zhǎng)度約為16 mm，對(duì)此區(qū)域利用切向陣列渦流技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，在渦流成像結(jié)果中（圖2 A區(qū)）可明顯看到一紅色條狀顯示（原始畫(huà)面為彩圖），紅色顯示出現(xiàn)的位置與磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋的位置重疊，分析右側(cè)阻抗圖（圖2 D區(qū)）的顯示結(jié)果，呈現(xiàn)裂紋特征。讀取圖1右下角的渦流測(cè)量結(jié)果，該裂紋長(zhǎng)16.8 mm、深1.7 mm。后期對(duì)該裂紋進(jìn)行了打磨消除，打磨深度約2 mm時(shí)裂紋消除。

圖2 疲勞裂紋比對(duì)

2.2 應(yīng)力腐蝕裂紋檢測(cè)結(jié)果比對(duì)

某石化公司檢修期間，發(fā)現(xiàn)某條管道表面應(yīng)力腐蝕裂紋群（圖3 A區(qū)），技術(shù)人員利用磁粉檢測(cè)技術(shù)和切向陣列渦流檢測(cè)技術(shù)同時(shí)對(duì)裂紋群進(jìn)行檢測(cè)（圖3中的B區(qū)、C區(qū)），對(duì)比兩幅圖可以看出，磁粉檢測(cè)所顯示的裂紋群位置與渦流陣列檢測(cè)C掃成像結(jié)果基本一致。在C掃描圖中，技術(shù)人員選取了C掃結(jié)果呈現(xiàn)紅色的區(qū)域，并與磁粉檢測(cè)形成的磁痕一一進(jìn)行對(duì)位，共選出7處缺陷位置進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)識(shí)，在裂紋打磨消除后對(duì)各個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，打磨深度與渦流測(cè)厚深度也基本一致。

圖3 應(yīng)力腐蝕裂紋比對(duì)

以上是在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中對(duì)疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋的檢測(cè)結(jié)果比對(duì)分析，切向渦流陣列技術(shù)通過(guò)C掃描成像技術(shù)，可直觀地得到掃查區(qū)域的C掃圖，對(duì)已發(fā)現(xiàn)的缺陷可得到與磁粉檢測(cè)一致的結(jié)果檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)與廠家技術(shù)人員的溝通可知，切向渦流技術(shù)的檢測(cè)精度一般設(shè)計(jì)能達(dá)到檢測(cè)0.5 mm深、2 mm長(zhǎng)的表面開(kāi)口裂紋，此精度基本上與傳統(tǒng)的人工磁粉檢測(cè)的檢測(cè)精度持平。

3 切線陣列渦流技術(shù)特點(diǎn)

（1）這項(xiàng)技術(shù)是專門為鐵磁性材料表面檢測(cè)設(shè)計(jì)的，主要針對(duì)碳鋼，且只能檢測(cè)開(kāi)口裂紋。

（2）能夠檢測(cè)和測(cè)量縱向（沿檢測(cè)掃查方向）裂紋的長(zhǎng)度、深度，能夠檢測(cè)出橫向（垂直與掃查方向）裂紋。檢測(cè)出橫向裂紋后，需要橫向掃查確定其長(zhǎng)度與深度。

（3）通過(guò)獨(dú)特的探頭設(shè)計(jì)可以自動(dòng)適應(yīng)有焊縫余高的不平整表面，一次性對(duì)熱影響區(qū)、焊趾、焊縫余高進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)。

（4）可以支持2～3 mm的提離變化，在無(wú)需去除表面涂層油漆前提下，可對(duì)焊縫、母材實(shí)施檢測(cè)。

（5）檢測(cè)結(jié)果以C掃描圖像顯示，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，探頭可根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同設(shè)計(jì)成各種形狀配合檢測(cè)。

4 總結(jié)

切向陣列渦流技術(shù)作為一種新檢測(cè)技術(shù)，雖然還存在一定局限性，例如只能檢測(cè)碳鋼材料、只能檢測(cè)表面缺陷，但是在某些特定條件下，它有著其他檢測(cè)技術(shù)無(wú)法具有的優(yōu)勢(shì)，例如無(wú)需去除表面涂層、可測(cè)量裂紋深度等。它為檢驗(yàn)檢測(cè)人員提供了一種新的技術(shù)手段，為設(shè)備的安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。