王泉生 高少鋒 盧建明 劉 凱 李福元(.陜西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所 西安 70048)(.廈門渦流檢測(cè)技術(shù)研究所 廈門 36004)

超高壓水晶釜內(nèi)腔表面裂紋在役渦流檢測(cè)

王泉生1高少鋒1盧建明2劉 凱2李福元2
(1.陜西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所 西安 710048)(2.廈門渦流檢測(cè)技術(shù)研究所 廈門 361004)

磁粉、滲透和打水壓方法均無法有效用于超高壓人造水晶釜內(nèi)腔表面裂紋在役無損檢測(cè)，超聲波法難于判定早期缺陷，容易誤判和漏判。渦流法需保持渦流探頭在深達(dá)數(shù)米的內(nèi)腔表面平穩(wěn)地掃查。為此研制了渦流旋轉(zhuǎn)耦合無線傳輸新技術(shù)。詳細(xì)論述了軸向和周向裂紋的檢測(cè)采集、信號(hào)旋轉(zhuǎn)耦合、傳輸、存儲(chǔ)記錄的軟硬件。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)使用，有效解決在役金屬管道內(nèi)表面裂紋掃查檢測(cè)問題。

在役渦流檢測(cè) 旋轉(zhuǎn)耦合器 軸向和周向裂紋 聚焦探頭

超高壓人造水晶釜（以下簡(jiǎn)稱水晶釜）為整體鍛造的單層圓筒形管道式超高壓容器。釜體內(nèi)表面長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫、高壓和強(qiáng)腐蝕等惡劣工況下，容易出現(xiàn)裂紋和其它缺陷，當(dāng)裂紋深度達(dá)到一定程度，將急速擴(kuò)展而導(dǎo)致爆管的重大生產(chǎn)事故[1]。

水晶釜釜體直徑≤300mm，深度卻深達(dá)4000～6000mm，且內(nèi)表面有一層水晶膜的附著物，無法進(jìn)入釜體內(nèi)腔對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行磁粉或滲透檢測(cè)。打水壓查漏只能檢測(cè)接近貫穿的裂紋，這種方法無法提供裂紋擴(kuò)展信息，還會(huì)導(dǎo)致淺裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。超聲波法只能在釜體外壁手動(dòng)掃查檢測(cè)，水晶釜內(nèi)壁厚薄不均的結(jié)晶薄膜，對(duì)早期的缺陷波判定存在困難，誤判和漏判現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，且無法全程記錄檢測(cè)狀態(tài)。檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，效率低，成本高。

采用非接觸的渦流法檢測(cè)金屬表面及近表面裂紋，可以查出裂紋的具體位置和真實(shí)尺寸；為日后維修保養(yǎng)、避免意外爆管和生產(chǎn)停機(jī)提供指導(dǎo)信息。但渦流探傷存在趨膚效應(yīng)，要求渦流探頭在掃查檢測(cè)運(yùn)行時(shí)保持穩(wěn)定，而要求靠手工操作讓渦流探頭在肉眼無法觀察的釜體內(nèi)腔平穩(wěn)地掃查檢測(cè)，顯然無法辦到。況且內(nèi)表面有一層不易去除的水晶膜附著物，對(duì)信號(hào)采集影響很大。

研究發(fā)現(xiàn)，采用渦流旋轉(zhuǎn)掃查技術(shù)可以解決上述問題。用一臺(tái)機(jī)械爬行裝置在管內(nèi)沿軸向爬行，裝置上的旋轉(zhuǎn)掃查器周向旋轉(zhuǎn)，掃查器上安裝渦流傳感器，當(dāng)傳感器掃過管壁缺陷上方時(shí)，缺陷的信息將被傳感器接收，并耦合傳輸至渦流檢測(cè)儀器。

1 檢測(cè)原理

電磁渦流檢測(cè)的理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)。在探頭的激勵(lì)線圈中通以高頻交變電流，在附近的被測(cè)金屬管壁中就會(huì)感應(yīng)出渦流，管子的幾何缺陷、電磁異常和尺寸變化等因素都將影響管內(nèi)的渦流，而渦流的變化又使檢測(cè)線圈的阻抗和感生電壓發(fā)生改變，測(cè)出這種變化，就可得出管子的尺寸及缺陷情況[2]。

圖1 渦流檢測(cè)基本原理圖

2 檢測(cè)系統(tǒng)研究

2.1 信號(hào)傳輸

采用點(diǎn)探頭在金屬材料工件表面掃查檢測(cè)可以達(dá)到很高的檢測(cè)靈敏度，方便實(shí)用[3]。但點(diǎn)探頭有效檢測(cè)面積范圍小，被測(cè)件自轉(zhuǎn)、點(diǎn)探頭在外表面通過機(jī)械自動(dòng)軸向往返掃查或手動(dòng)軸向往返掃查檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)，在深長(zhǎng)管道內(nèi)腔掃查檢測(cè)只能采用螺旋式連續(xù)掃查檢測(cè)。顯然，渦流探頭與渦流儀之間的連接無法采用電纜連接方式，只能依靠無線傳送。并且渦流探頭拾取的缺陷信號(hào)在傳輸過程還必須無衰減、無噪聲、平穩(wěn)地傳送到渦流儀器。

實(shí)驗(yàn)表明，采用非接觸式電感耦合方式傳輸渦流信號(hào)無磨損、無噪聲、無衰減，可靠性高。

初級(jí)（轉(zhuǎn)子）和次級(jí)（定子）線圈繞組的品質(zhì)因數(shù)（Q）直接影響到電感耦合器的質(zhì)量好壞。為了降低耦合噪聲，采用提高品質(zhì)因數(shù)的方法。

式中：

F——激勵(lì)頻率；

R——線圈直流電阻；

L——電感量。

顯然，當(dāng)激勵(lì)頻率線圈直徑和長(zhǎng)度一定，電感量L是恒定的，Q值也隨之確定不變。因此，我們?cè)陔姼旭詈掀骷尤氪艑?dǎo)率非常高的磁環(huán)，即將線圈繞在磁環(huán)內(nèi)。這時(shí)，電感量L值明顯增加，因而線圈Q值得到顯著提高。

圖2所示為4通道電感耦合器結(jié)構(gòu)示意圖。為確保無衰減、無噪聲，提高耦合效率，經(jīng)多次試驗(yàn)篩選，采用鐵淦氧材料作線圈磁環(huán)。

鐵淦氧線圈磁環(huán)分別作轉(zhuǎn)子和定子旋轉(zhuǎn)配合，相互之間的間隙越小，耦合效率越高，但耦合器的尺寸精度將大幅提高。為提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)精度，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)比對(duì)，轉(zhuǎn)子和定子的安裝間隙取值0.3mm。

圖2 電感耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

渦流探傷存在提離效應(yīng)，在爬行旋轉(zhuǎn)掃查過程必須平穩(wěn)地壓附在水晶釜內(nèi)腔表面內(nèi)表面上，始終保持與被測(cè)表面垂直。若出現(xiàn)傾斜，擺動(dòng)和徑向跳動(dòng)，都會(huì)產(chǎn)生很大的提離信號(hào)。雖然可以通過設(shè)置最佳渦流檢測(cè)參數(shù)來增大缺陷信號(hào)與提離信號(hào)之間的相位差，將缺陷信號(hào)分離出來。但這種方法受被測(cè)材質(zhì)的制約，往往難于達(dá)到最佳狀態(tài)。采用浮動(dòng)式探頭架，使探頭在螺旋掃查過程中始終壓附在水晶釜內(nèi)腔表面內(nèi)表面上，沒有擺動(dòng)，間隙不變，提離效應(yīng)也就不復(fù)存在了。大幅提高渦流探頭在爬行旋轉(zhuǎn)掃查過程的平穩(wěn)性，達(dá)到事半功倍的效果。

2.3 檢測(cè)探頭

當(dāng)渦流場(chǎng)的流向垂直于缺陷的走向，在同等條件下可以達(dá)到最大靈敏度；反之，當(dāng)渦流場(chǎng)的流向完全平行于缺陷的走向，在同等條件下靈敏度趨近于零。雖然水晶釜內(nèi)腔表面內(nèi)表面大都為軸向裂紋，但也存在走向與之垂直的周向裂紋。

采用差動(dòng)式線圈旋轉(zhuǎn)掃查水晶釜內(nèi)腔表面軸向缺陷，靈敏度最佳；對(duì)周向缺陷則趨近于零。雖然采用多通道陣列式渦流點(diǎn)探頭軸向直線運(yùn)行檢測(cè)是可行的。但渦流儀器投入成本高，檢測(cè)效率低，周期長(zhǎng)。

為確保一次性螺旋式爬行旋轉(zhuǎn)掃查，就同時(shí)檢測(cè)水晶釜內(nèi)腔表面內(nèi)表面的軸向和周向缺陷，降低渦流儀器成本。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，采用高磁導(dǎo)率鐵淦氧細(xì)小磁芯，將兩組線圈相互垂直組合，再聚焦屏蔽，研制了全新的渦流聚焦探頭。一次性掃查就可檢測(cè)走向相互垂直的水晶釜內(nèi)腔表面表面裂紋。

2.4 電路與軟件

旋轉(zhuǎn)掃查檢測(cè)出缺陷后，還需精確定位裂紋的具體位置（包括軸向和周向）和真實(shí)尺寸，才能為日后維修保養(yǎng)、避免意外爆管和生產(chǎn)停機(jī)提供指導(dǎo)信息。

利用硬件中斷技術(shù)和軟件實(shí)時(shí)記錄、存儲(chǔ)和顯示技術(shù)，實(shí)時(shí)精確讀取旋轉(zhuǎn)掃查器隨動(dòng)編碼器信號(hào)和周向旋轉(zhuǎn)掃查同步信號(hào)，實(shí)時(shí)鎖定并記錄與渦流探傷信號(hào)對(duì)應(yīng)的被測(cè)點(diǎn)位置，包括水晶釜內(nèi)腔表面上的軸向位置（距入口端面的距離）和圓周方位（以最低點(diǎn)為0度）。圖3和圖4分別為控制器軟件界面和軟件編譯流程圖。

圖3 控制器軟件界面

圖4 軟件編譯流程圖

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室對(duì)比試管檢測(cè)在φ250×800試管內(nèi)開展，針對(duì)檢測(cè)靈敏度、障礙物通過能力和缺陷定位誤差等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)比試管內(nèi)各加工三個(gè)軸向和周向電火花刻槽，深度分別為1mm、2mm、3mm。

●3.1.1 檢測(cè)靈敏度

現(xiàn)場(chǎng)水晶釜清洗后，內(nèi)表面仍舊覆蓋著一層厚約0.5mm的保護(hù)膜，為與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)靈敏度保持一致，實(shí)驗(yàn)時(shí)在探頭的接觸面粘貼一厚0.5薄膜。

渦流儀器主要參數(shù)和人工缺陷渦流信號(hào)渦流信號(hào)阻抗圖如圖5所示。

圖5 主要參數(shù)和人工缺陷渦流信號(hào)

可以看出，所有6個(gè)缺陷都能夠檢測(cè)出，并且信噪比足夠大。雖然對(duì)比試管內(nèi)表面粗糙，底部噪聲大，但即便是最小的缺陷，其信噪比也大于10以上；隨著缺陷深度的增加，渦流信號(hào)的幅值線性遞增。

●3.1.2 障礙物通過能力與軸向計(jì)長(zhǎng)誤差

考慮到現(xiàn)場(chǎng)水晶釜清洗后有可能存在殘余顆粒，因而特地在試管內(nèi)人為粘貼一些障礙物。爬行器可以輕松越過2mm高障礙物，并且掃查器探頭檢測(cè)面越過障礙物后仍可自動(dòng)貼合試管內(nèi)表面。

對(duì)比試管上端頭至軸向人工缺陷的理論距離為750mm。測(cè)試10次，實(shí)測(cè)值在749～750mm之間，偏差-1mm。之所以出現(xiàn)誤差，與清零計(jì)長(zhǎng)瞬間渦流探頭的周向位置有關(guān)，屬一次性偏差，不存在累積誤差問題。

●3.1.3 周向定位誤差

對(duì)3個(gè)軸向和3個(gè)周向人工缺陷各重復(fù)掃描檢測(cè)10次，缺陷信號(hào)的方位顯示均偏差+3°，重復(fù)性良好。為對(duì)比試管的擺正誤差，顯然與掃描定位測(cè)量無關(guān)。

● 3.1.4 缺陷的分辨力和誤報(bào)率

在對(duì)比試管內(nèi)檢測(cè)，可清晰分辨3個(gè)軸向和3個(gè)周向人工刻槽，信噪比均遠(yuǎn)大于10，缺陷分辨力高，誤報(bào)率為零。

● 3.1.5 缺陷漏報(bào)率

采用臨界掃描螺距值20mm，偶會(huì)出現(xiàn)漏報(bào)現(xiàn)象，將掃描螺距值下降調(diào)至18mm，重復(fù)掃描檢測(cè)10次，未再出現(xiàn)漏報(bào)現(xiàn)象（漏報(bào)率約為0）。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2015年6月中旬，在陜西省洛商市鎮(zhèn)安縣常鑫晶體有限公司，對(duì)開爐取件后的水晶釜內(nèi)表面進(jìn)行了抽查檢測(cè)。檢測(cè)前后均用對(duì)比試管效驗(yàn)，1mm深的軸向和周向人工刻槽信噪比均遠(yuǎn)大于10，運(yùn)行狀況良好。水晶釜內(nèi)表面檢測(cè)靈敏度設(shè)定為超過2mm深的軸向和周向人工刻槽報(bào)警存儲(chǔ)。經(jīng)檢測(cè)底部噪聲信號(hào)較對(duì)比試管小，未見超標(biāo)裂紋信號(hào)。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)施照片

4 結(jié)論

綜上所述，采用內(nèi)插式渦流旋轉(zhuǎn)掃查技術(shù)可以解決超高壓水晶釜內(nèi)腔表面裂紋的在役檢測(cè)問題。適用范圍寬，運(yùn)行檢測(cè)速度快，缺陷的分辨力高，0誤報(bào)率。缺陷的軸向和周向定位準(zhǔn)確，圖形顯示直觀，便于分析。自動(dòng)化程度高，旋轉(zhuǎn)掃查、軸向爬行、到位停止以及超標(biāo)信號(hào)的報(bào)警、存儲(chǔ)記錄、缺陷的軸向和周向定位等工作，一經(jīng)設(shè)置啟動(dòng)，全程自動(dòng)完成。采用積木式結(jié)構(gòu)，設(shè)備小巧，輕便，適于野外作業(yè)等流動(dòng)性現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

[1] 董尚元，李新成. 超高壓水晶釜的在役檢驗(yàn)問題[A]. 國際機(jī)械工程學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì). 第一屆國際機(jī)械工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C]. 國際機(jī)械工程學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)，2000:1.

[2] 范賢振，倪進(jìn)飛，黎華，等. 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)在鍋爐水冷壁管檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 中國特種設(shè)備安全，2012，28（6）：21-23.

[3] 劉凱,張榮仁. 第十二專題 在役鐵磁性管渦流檢測(cè)方法與應(yīng)用[J]. 無損檢測(cè)，1996，12：345-348.

[國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目“水晶釜渦流檢測(cè)技術(shù)研究”：2013QK108]

In-Service Eddy Current Testing for Surface Crack on Ultra-high Pressure Crystal Vessel

Wang Quansheng1Gao Shaofeng1Lu Jianming2Liu Kai2Li Fuyuan2
(1. Shaanxi Boiler and Pressure Vessel Inspection Inspection Xi'an 710048)(2. Xiamen Eddy Current Testing Institute Xiamen 361004)

The magnetic powder testing, penetrant testing and hydraulic methods are unable to effectively fight for in-service non-destructive testing for ultra-high pressure crystal vessel surface crack, ultrasonic testing is difficult to determine early defects, easy to misjudge and missing. Eddy current testing required the eddy current probe maintaining at a depth of several meters smooth lumen surface scanning. To this end, we developed a vortex rotating coupling wireless transmission technology. It discusses the capture, signal rotating coupling, transmission, storage, software and hardware records for axial and circumferential crack detection. With laboratory verification and field inspection, an effective solution of the in-service metal pipe surface crack detection problem.

In-service eddy current testing Rotary couplings Axial and circumferential cracks Focus probe

X933.4

B

1673-257X(2015)12-0041-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.12.008

王泉生(1965～)，男，本科，副所長(zhǎng)，高級(jí)工程師，從事承壓類特種設(shè)備安全檢測(cè)工作。

2015-09-28）