碳鋼小口徑接管常用于連接承壓設(shè)備與儀表,常見(jiàn)的小口徑接管焊縫包括管座角焊縫、凸臺(tái)角焊縫和對(duì)接焊縫。管座角焊縫用于連接小口徑接管與承壓設(shè)備殼體；凸臺(tái)角焊縫用于小口徑接管的變徑連接；小口徑接管對(duì)接焊縫用于連接儀表。小口徑接管焊縫通常采用手工電弧焊,焊接表面粗糙,為了防止腐蝕,接管部位都會(huì)涂有絕緣防腐漆,漆層厚度并不均勻。據(jù)報(bào)道,在役承壓設(shè)備的小口徑接管焊縫部位經(jīng)常出現(xiàn)裂紋類缺陷[1-2]。 

由于帶有漆層,傳統(tǒng)的磁粉檢測(cè)方法和滲透檢測(cè)方法無(wú)法實(shí)施檢測(cè),但電磁渦流檢測(cè)技術(shù)可以,且不會(huì)產(chǎn)生太多的干擾信號(hào)。由于管座結(jié)構(gòu)復(fù)雜、小口徑接管曲率大、焊縫表面粗糙,普通渦流探頭中的渦流線圈中心線與被檢工件表面平行,對(duì)提離不敏感,但對(duì)裂紋走向的敏感性高,通常用于檢測(cè)碳鋼焊縫[3-4]。文章采用切向正交線圈渦流檢測(cè)技術(shù)（Eddy current technique with tangential and orthogonal coils,以下簡(jiǎn)稱TOC-ET）對(duì)碳鋼小口徑接管焊縫的裂紋進(jìn)行檢測(cè)。 

1.   TOC-ET的工作原理

TOC-ET基于電磁感應(yīng)原理,遵循麥克斯韋方程。電磁場(chǎng)的計(jì)算滿足時(shí)諧電磁場(chǎng)的復(fù)函數(shù)形式的麥克斯韋方程組。 

TOC-ET的檢測(cè)原理示意如圖1所示。該技術(shù)將兩個(gè)絕對(duì)橋式切向線圈正交差分布置,可以保證兩個(gè)線圈工作時(shí)不相互串?dāng)_。當(dāng)探頭靠近碳鋼表面時(shí),正交交變電場(chǎng)會(huì)使得工件表面產(chǎn)生正交的感應(yīng)電流,兩個(gè)正交的感應(yīng)電流使得產(chǎn)生的交變感應(yīng)磁場(chǎng)又分別作用于對(duì)應(yīng)的切向線圈,將缺陷信息傳遞給對(duì)應(yīng)的切向線圈,使切向線圈的阻抗發(fā)生變化[5]。兩個(gè)正交線圈尺寸和匝數(shù)相近,激勵(lì)的電流相同,執(zhí)行平衡操作可使兩個(gè)切向正交線圈對(duì)于同一材料電磁特性的阻抗響應(yīng)相同,將兩個(gè)切向正交線圈的阻抗響應(yīng)進(jìn)行差分,便可得到檢測(cè)信號(hào)。 

圖  1  TOC-ET的檢測(cè)原理示意

為了分析切向正交渦流檢測(cè)的檢測(cè)能力,將裂紋缺陷按走向劃分為橫向裂紋、縱向裂紋和45°斜向裂紋。檢測(cè)過(guò)程中,當(dāng)探頭處于無(wú)裂紋部位時(shí),兩個(gè)正交線圈產(chǎn)生相同的阻抗響應(yīng),達(dá)到平衡,差分后的阻抗電壓等于0,因此輸出的信號(hào)位于平衡點(diǎn)位置。當(dāng)檢測(cè)過(guò)程中遇到與掃查方向垂直的橫向裂紋時(shí),橫向裂紋走向與線圈1的感應(yīng)電流方向垂直,由于刻槽的電阻率大于金屬的電阻率,因此,線圈1的感應(yīng)電流流動(dòng)路徑受到阻礙,將會(huì)從刻槽的兩端或底部金屬流過(guò),感應(yīng)電流路徑的改變會(huì)使得線圈1的渦流信號(hào)發(fā)生變化,橫向裂紋走向與線圈2的感應(yīng)電流一致,對(duì)其阻礙性很小,因此,線圈2的渦流信號(hào)不變,兩個(gè)線圈的阻抗響應(yīng)失去平衡,信號(hào)差分后的阻抗電壓信號(hào)不等于0,便會(huì)出現(xiàn)向上的半“8”字形的缺陷信號(hào)（規(guī)定線圈1阻抗減去線圈2的差分信號(hào)為正）。同樣,縱向裂紋會(huì)阻礙線圈2的感應(yīng)電流,引起線圈2阻抗響應(yīng)的變化,但縱向裂紋對(duì)線圈1感應(yīng)電流的影響不大,兩個(gè)切向線圈的阻抗響應(yīng)失去平衡,信號(hào)差分后便會(huì)呈現(xiàn)出向下的半“8”字形。45°斜向裂紋對(duì)于線圈1和線圈2的感應(yīng)電流的阻礙效果正好相同,導(dǎo)致兩個(gè)切向線圈的阻抗響應(yīng)都發(fā)生相同的變化,依然達(dá)到平衡,差分后的阻抗電壓等于0,缺陷信號(hào)位于平衡點(diǎn)位置。 

由切向正交渦流線圈的工作原理可知,當(dāng)出現(xiàn)向上的半“8”字形渦流信號(hào)時(shí),表明存在橫向裂紋；當(dāng)出現(xiàn)向下的半“8”字形渦流信號(hào)時(shí),表明存在縱向裂紋；如果沒(méi)有出現(xiàn)明顯的阻抗變化,可能是沒(méi)有缺陷,也有可能存在45°斜向裂紋。因此,采用TOC-ET進(jìn)行一次性掃查時(shí),容易漏檢45°斜向裂紋。 

2.   試驗(yàn)設(shè)備及步驟

由于小口徑接管焊縫表面帶有厚度不均勻的漆層,文章借助試塊開(kāi)展試驗(yàn)。采用EVIDENT公司生產(chǎn)的型號(hào)為Nortec 600D-CCC的渦流檢測(cè)儀器以及型號(hào)為WLD-5-63/7L的切向正交渦流探頭,探頭的工作頻率為100~600 kHz,其實(shí)物如圖2所示。 

圖  2  TOC-ET檢測(cè)儀器實(shí)物

2.1   TOC-ET的提離效應(yīng)

試塊為帶有4張絕緣薄片的碳鋼刻槽板,其材料為美國(guó)鋼材牌號(hào)4340（相當(dāng)于中國(guó)鋼材牌號(hào)40CrNi2Mo）,刻槽的深度分別為0.5,1.0,2.0 mm,絕緣薄片單張厚度為0.5 mm,用于模擬防腐漆層,其實(shí)物如圖3所示（“+”標(biāo)記為vc bvbvcvb正交探頭,箭頭為掃查方向,下同）。試驗(yàn)時(shí),檢測(cè)頻率為500 kHz,探頭驅(qū)動(dòng)為中級(jí),增益為65.0 dB,相位為0°,低通濾波頻率為200 Hz。 

圖  3  帶絕緣薄片的碳鋼刻槽板實(shí)物

首先,將4張絕緣薄片（厚度為2.0 mm）覆蓋到碳鋼刻槽板的刻槽側(cè)表面上,并將探頭放置在遠(yuǎn)離刻槽和邊緣的區(qū)域進(jìn)行平衡操作,手持探頭以相同姿勢(shì)橫掃刻槽,并保證探頭中一個(gè)切向線圈的軸向方向垂直于刻槽長(zhǎng)度方向,分別采集3條刻槽的渦流檢測(cè)信號(hào)；然后,依次減少絕緣薄片的數(shù)量,提離高度分別為1.5,1.0,0.5,0 mm,分別采集刻槽的渦流檢測(cè)信號(hào),觀察渦流信號(hào)特征的變化情況,測(cè)量渦流信號(hào)的幅值,并制作不同提離高度下各刻槽的幅值曲線。 

2.2   TOC-ET的碳鋼焊縫裂紋渦流信號(hào)特征

試驗(yàn)采用碳鋼焊縫刻槽試塊,其實(shí)物如圖4所示,其材料為美國(guó)鋼材牌號(hào)4340。試塊尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）為76.8 mm×50.5 mm×9.4 mm,焊縫采用手工電弧焊接,焊縫焊紋較淺,共有4個(gè)刻槽,1個(gè)長(zhǎng)橫槽橫跨焊趾、熱影響區(qū)和母材,3個(gè)短橫槽分別位于焊冠和焊趾部位,刻槽長(zhǎng)度和深度的尺寸公差為±10%；碳鋼焊縫刻槽試塊的刻槽信息如表1所示。 

圖  4  碳鋼焊縫刻槽試塊實(shí)物

檢測(cè)頻率為500 kHz,探頭驅(qū)動(dòng)為中級(jí),增益為65.0 dB,相位為0°,低通濾波頻率為200 Hz。將探頭在母材遠(yuǎn)離刻槽或邊緣的區(qū)域進(jìn)行平衡操作,沿著焊縫長(zhǎng)度方向進(jìn)行掃查,并保證探頭中一個(gè)切向線圈的軸向方向與焊縫長(zhǎng)度方向一致。 

2.3   TOC-ET的小口徑接管焊縫裂紋檢測(cè)能力

試塊為小口徑接管焊縫刻槽試塊,其實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。試塊材料為20#鋼,試塊焊縫分為3部分：外徑為280 mm的管道與外徑為30 mm的小口徑接管之間的管座角焊縫,外徑為30 mm與外徑為20 mm的小口徑接管凸臺(tái)角焊縫,外徑為20 mm的小口徑接管對(duì)接焊縫。各焊縫上均加工了3條刻槽（橫向刻槽、縱向刻槽和45°斜向刻槽）,刻槽尺寸如表2所示。 

圖  5  小口徑接管焊縫刻槽試塊實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意

檢測(cè)頻率為500 kHz,探頭驅(qū)動(dòng)為中級(jí),增益為75.0 dB,相位為0°,低通濾波頻率為200 Hz。工件表面沒(méi)有噴涂絕緣的防腐漆層,在探頭表面貼有0.54 mm厚的鐵氟龍耐磨膠帶,可視為采用不帶鐵氟龍耐磨膠帶的探頭直接掃查防腐漆層厚度為0.54 mm的工件。將探頭在母材遠(yuǎn)離刻槽或邊緣的區(qū)域進(jìn)行平衡操作,沿著焊縫長(zhǎng)度方向進(jìn)行掃查,并保證探頭中一個(gè)切向線圈的軸向方向與焊縫長(zhǎng)度方向一致。 

3.   試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1   TOC-ET的提離效應(yīng)

碳鋼刻槽試塊各刻槽在不同提離下的渦流信號(hào)如圖6所示（其中D為刻槽深度,L為提離,單位為mm）,不同提離下的渦流信號(hào)幅值如表3所示,不同提離下的渦流信號(hào)幅值曲線如圖7所示。 

圖  6  碳鋼刻槽試塊各刻槽在不同提離下的渦流信號(hào)

圖  7  碳鋼刻槽試塊各刻槽的提離-幅值曲線

由圖6和圖7可知,碳鋼刻槽渦流信號(hào)都是垂直方向,信號(hào)相位變化不大,信號(hào)幅值隨刻槽深度增加而增加,隨提離高度增加而減少,當(dāng)提離高度達(dá)到2.0 mm時(shí),0.5 mm深度刻槽的信號(hào)幅值達(dá)到10%以上,信噪比大于3,刻槽信號(hào)仍可清晰識(shí)別,因此,碳鋼材料表面裂紋檢測(cè)的允許提離可達(dá)到2.0 mm。 

3.2   TOC-ET的碳鋼焊縫裂紋渦流信號(hào)特征

碳鋼焊縫刻槽試塊中各刻槽的渦流信號(hào)如圖8所示,可知,橫向刻槽的信號(hào)圖是向上的半“8”字軌跡,縱向刻槽的信號(hào)圖是向下的半“8”字軌跡。母材的長(zhǎng)刻槽信號(hào)的基礎(chǔ)點(diǎn)是屏幕中心,而焊縫區(qū)域缺陷的信號(hào)起點(diǎn)不是屏幕中心,這是由于焊冠區(qū)域的結(jié)構(gòu)和電磁特性與母材的不同,無(wú)缺陷區(qū)域兩個(gè)正交線圈的阻抗電壓差分不等于0。另外,刻槽④在焊趾位置,焊縫余高導(dǎo)致探頭很難貼近缺陷,提離過(guò)高,故信號(hào)幅值下降。 

圖  8  碳鋼焊縫刻槽試塊各刻槽的渦流信號(hào)

3.3   TOC-ET的小口徑接管焊縫裂紋檢測(cè)能力

小口徑接管焊縫對(duì)比試塊各刻槽的渦流信號(hào)如圖9所示,可知,各焊縫的縱向刻槽和橫向刻槽的渦流信號(hào)為垂直向上或向下,幅值很大,容易檢出但方向相反,而45°斜向缺陷信號(hào)最弱。因此,當(dāng)沿著焊縫掃查時(shí),應(yīng)考慮45°斜向裂紋的盲區(qū)問(wèn)題。 

圖  9  小口徑接管焊縫對(duì)比試塊各刻槽的渦流信號(hào)

根據(jù)TOC-ET的原理,可將探頭旋轉(zhuǎn)45°,仍然沿著焊縫長(zhǎng)度方向進(jìn)行掃查,將會(huì)出現(xiàn)幅值較大的渦流信號(hào),如圖10所示。探頭旋轉(zhuǎn)45°的掃查示意如圖11所示。如果仍沿著原來(lái)的方向掃查,兩個(gè)切向線圈的感應(yīng)電流方向一個(gè)與裂紋走向平行,一個(gè)與裂紋走向垂直。這樣,兩個(gè)切向正交線圈的阻抗平衡被打破,將會(huì)出現(xiàn)半“8”字形渦流信號(hào),信號(hào)幅值增大。由以上可知,可通過(guò)探頭旋轉(zhuǎn)45°的補(bǔ)充掃查,檢出45°斜向刻槽。 

圖  10  探頭旋轉(zhuǎn)45°掃查45°斜向刻槽⑥時(shí)的渦流信號(hào)

圖  11  探頭旋轉(zhuǎn)45°的掃查示意

4.   結(jié)論

文章通過(guò)采用TOC-ET對(duì)碳鋼表面開(kāi)口裂紋的信號(hào)特征、提離高度進(jìn)行分析,以及對(duì)碳鋼小口徑接管焊縫表面開(kāi)口裂紋的檢測(cè)能力進(jìn)行試驗(yàn),得到如下結(jié)論。 

（1）TOC-ET的渦流信號(hào)相位不變,幅值隨裂紋深度的增加而增加,隨提離的增加而減小,最大提離可達(dá)到2.0 mm。 

（2）TOC-ET的碳鋼焊縫表面開(kāi)口橫向裂紋和縱向裂紋的渦流信號(hào)方向相反,為向上或向下；橫向裂紋和縱向裂紋容易檢出,但焊趾位置的縱向裂紋信號(hào)弱,對(duì)45°走向的裂紋不敏感。 

（3）TOC-ET能夠檢出漆層厚度為0.5 mm,尺寸（長(zhǎng)×寬×深）為5.00 mm×0.25 mm×1.00 mm的碳鋼小口徑接管焊縫橫向和縱向表面開(kāi)口裂紋,可允許接管的最小外徑為20 mm。 

（4）可通過(guò)探頭旋轉(zhuǎn)45°的補(bǔ)充掃查,檢出45°斜向刻槽。

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