李俊江，崔衛(wèi)東，王家?guī)?/p>

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院， 鄭州 450016)

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鐵磁性材料熱損傷的渦流檢測(cè)

李俊江，崔衛(wèi)東，王家?guī)?/p>

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院， 鄭州 450016)

摘要：熱損傷會(huì)導(dǎo)致鐵磁性材料組織、力學(xué)性能等發(fā)生改變，進(jìn)而影響承壓設(shè)備安全性，而表征此類失效模式的方法較少。使用自制渦流檢測(cè)探頭及系統(tǒng)，對(duì)不同熱損傷程度的試塊進(jìn)行掃查，分析了檢測(cè)信號(hào)(ΔL,ΔR)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：兩變化量均隨熱損傷程度的增加呈遞增趨勢(shì)，且ΔL變化較ΔR明顯，根據(jù)ΔL可表征熱損傷范圍和大小。上述結(jié)論有望在承壓設(shè)備安全運(yùn)行中得到實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：熱損傷；渦流檢測(cè)；激勵(lì)頻率；承壓設(shè)備

工業(yè)和生活用鍋爐等常年承受熱量的特種設(shè)備構(gòu)件易出現(xiàn)裂管、爆管等重大事故，而引起此類事故的根本原因就是其受熱部位在熱量交替變換的過(guò)程中產(chǎn)生了熱損傷，進(jìn)而導(dǎo)致材料發(fā)生重大變化，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求[1-2]。

常用的熱損傷檢測(cè)方法主要有酸洗法、磁粉檢驗(yàn)、熒光滲透檢驗(yàn)、X射線衍射法等，但這些方法對(duì)熱損傷程度的表征都存在一定缺點(diǎn)，如破壞在用設(shè)備，無(wú)法定量，靈敏度、準(zhǔn)確度不高、檢測(cè)過(guò)程耗時(shí)、不方便，檢測(cè)內(nèi)容單一等。基于電磁感應(yīng)的渦流檢測(cè)法具有無(wú)損、定量、準(zhǔn)確、方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于表征鐵磁性材料中熱損傷部位和大小，從而對(duì)特種設(shè)備的安全進(jìn)行評(píng)價(jià)[3-6]。

目前，國(guó)內(nèi)外將此方法應(yīng)用于裂紋等缺陷檢測(cè)的研究較多，而應(yīng)用于表征熱損傷方面的研究較少[7-8]。筆者使用自制渦流檢驗(yàn)系統(tǒng)，分析了渦流信號(hào)經(jīng)過(guò)熱損傷區(qū)域的變化特征，為承壓設(shè)備的安全運(yùn)行提供了技術(shù)支持。

1渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)時(shí)將試樣放在通有交流電的線圈中或者接近線圈，由線圈產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)；在交變磁場(chǎng)的作用下，金屬試樣上會(huì)感應(yīng)出渦流，渦流也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)；這個(gè)磁場(chǎng)與交變磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致原磁場(chǎng)發(fā)生變化，使線圈內(nèi)的磁通發(fā)生變化，從而改變線圈的阻抗。工件的各種變化(如尺寸、電導(dǎo)率、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)等)都會(huì)改變渦流的密度和分布,從而改變線圈的阻抗。

線圈阻抗的變化，同時(shí)與電渦流效應(yīng)和靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)，即與金屬導(dǎo)體的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)，激勵(lì)電流頻率以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離等參數(shù)有關(guān)。假定金屬導(dǎo)體是均質(zhì)的，其性能是線性和各向同性的，而線圈等系統(tǒng)的物理性質(zhì)通?？捎纱艑?dǎo)率μ、電導(dǎo)率ρ、尺寸因子γ、溫度t、距離x、激勵(lì)電流I和頻率ω等參數(shù)來(lái)描述，則線圈的阻抗Z可用如下函數(shù)表示:

(1)

假設(shè)μ,ρ,γ,t,I，ω不變，則Z為線圈與被測(cè)導(dǎo)體距離x的單值函數(shù)。由于導(dǎo)體中的電渦流難以直接測(cè)量，但可通過(guò)測(cè)量渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)使原線圈的Z的變化來(lái)測(cè)量距離x，再將Z的變化通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)[9]。

等效電路圖如圖1所示。圖中R1和L1為線圈的直流電阻和電感；R2和L2為金屬導(dǎo)體的電阻和電感；U為激勵(lì)電壓；M為線圈與導(dǎo)體之間的互感系數(shù)，且隨著二者間距x的縮短而增大。根據(jù)克希霍夫平衡方程式可得到線圈受金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗為[10]：

(2)

圖1　電渦流探頭的等效電路

圖2　渦流檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2渦流檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示，主要由硬件模塊及計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)組成，硬件模塊包括探頭、移相器、相敏檢波電路、幅度鑒別器、提離效應(yīng)抑制電路、殘余電壓補(bǔ)償電路等。其中，采用MAX038信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路正交正弦信號(hào)；信號(hào)調(diào)理電路采用AD620、LM138、MC1496器件對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大、移相、電阻和電感分離；信號(hào)采集部分采用USB4671即插采集卡。

2.1渦流檢測(cè)探頭

檢測(cè)探頭是檢測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分，工件中的感應(yīng)磁場(chǎng)遇到材料性能改變時(shí)會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)感應(yīng)磁場(chǎng)的變化量可表征熱損傷信息，故如何獲取這些磁場(chǎng)變化量并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)是檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。實(shí)際生產(chǎn)中，能夠測(cè)量磁場(chǎng)的元件有很多，在無(wú)損檢測(cè)儀器制造領(lǐng)域應(yīng)用的主要有霍爾元件、巨磁阻元件、磁敏元件、檢測(cè)線圈等;其中，應(yīng)用最廣泛的是檢測(cè)線圈。

實(shí)際檢測(cè)中，單個(gè)線圈的感應(yīng)電壓值非常小，為了增大感應(yīng)電壓值，提高檢測(cè)靈敏度，需采用多匝數(shù)線圈；另外，增加磁芯可以提高電磁感應(yīng)強(qiáng)度。自制檢測(cè)探頭組成結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖片見圖3。探頭主要由磁芯、檢測(cè)線圈、保護(hù)外殼組成。將直徑為0.03 mm的漆包線繞制在長(zhǎng)方體鐵氧體骨架上，匝數(shù)為150，測(cè)量電阻為2.3 Ω[11-12]。

圖3　檢測(cè)探頭組成結(jié)構(gòu)與外觀圖片

2.2信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)處理模塊將檢測(cè)線圈阻抗Z轉(zhuǎn)換成電壓值，由公式(1)可知，Z包含R和L兩部分,不同的檢測(cè)環(huán)境對(duì)兩者的影響程度會(huì)有差異。為提高檢測(cè)靈敏度，增強(qiáng)熱損傷識(shí)別能力，在此采用MC1496集成芯片對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分離，分別得到表達(dá)R與L數(shù)值的電壓值。其工作原理可通過(guò)以下公式表示[13]。

設(shè)us為參考電壓：

(3)

u1實(shí)部u1r和虛部u1i分別為：

(4)

u1i=U1icos(ωt+π/2)

(5)

則u1為：

(6)

乘法器兩個(gè)輸入端分別輸入電壓u1和us，乘法器的輸出為：

(7)

(8)

經(jīng)過(guò)以上處理后即可得到信號(hào)虛部u1i。

3不同熱損傷程度渦流檢測(cè)信號(hào)表征

3.1熱損傷程度及試塊規(guī)格

采用三種焊接參數(shù)制作不同熱損傷程度(以電流/時(shí)間來(lái)表征)試塊，將25 A/1.5 s、80 A/1.5 s、150 A /1.5 s熱損傷試塊分別定義為S1、S2、S3，激勵(lì)頻率選擇600,800,1 000 kHz，試塊結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。為保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將試塊表面打磨干凈，且試塊加熱前后對(duì)同一部位進(jìn)行射線、超聲、磁粉檢測(cè)，以此消除面積、體積型缺陷等外來(lái)因素對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。

圖4　試塊結(jié)構(gòu)示意

圖5　80 A/1.5 s熱損傷試塊在800 kHz激勵(lì)頻率下的渦流檢測(cè)結(jié)果

3.2檢測(cè)結(jié)果及分析

采用系統(tǒng)獲取的電壓值分別表示ΔL與ΔR變化量，圖5為激勵(lì)頻率800 kHz下，80 A/1.5 s熱損傷檢測(cè)結(jié)果，由圖中可看出渦流信號(hào)經(jīng)過(guò)熱損傷區(qū)域時(shí)發(fā)生了明顯變化。不同加熱電流下熱損傷渦流檢測(cè)信號(hào)見圖6，由圖可知，相同檢測(cè)參數(shù)下，不同熱損傷程度的檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)明顯變化。檢測(cè)結(jié)果顯示S1、S2、S3試塊ΔL電壓變化值分別為35，49，82 mV，ΔR電壓變化值分別為25，36，60 mV。由此可知，隨著熱損傷程度的增加，ΔL和ΔR隨之變大。盡管兩個(gè)相關(guān)信號(hào)都發(fā)生變化，但ΔL和ΔR變化程度有較大差異，兩者差值隨著熱損傷程度的增加呈上升趨勢(shì)，分別為10，13，22 mV。

圖6　不同熱損傷程度時(shí)試塊的ΔL與ΔR的電壓變化

圖7　不同激勵(lì)頻率時(shí)試塊的ΔL與ΔR的電壓變化

相同熱損傷程度下，不同激勵(lì)頻率下的檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，雖然試件相同，熱損傷程度相同，線圈匝數(shù)也相同，但是隨著檢測(cè)頻率的改變，采集到的信號(hào)的變化是不一樣的。圖中顯示600,800,1 000 kHz激勵(lì)頻率下的ΔL電壓變化值分別為30,51,110 mV，電阻ΔR電壓變化值分別為25,42,73 mV。由此可知，隨著激勵(lì)頻率的增加，檢測(cè)信號(hào)反應(yīng)更加強(qiáng)烈。

綜上所述，渦流探頭經(jīng)過(guò)熱損傷區(qū)域時(shí)，檢測(cè)信號(hào)都會(huì)有反應(yīng)，即L和R隨熱損傷程度增加逐漸變大，且存在一定的線性關(guān)系，只是兩者變化趨勢(shì)不同而已。盡管增加激勵(lì)頻率會(huì)增強(qiáng)感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致渦流信號(hào)反應(yīng)更強(qiáng)烈，但由于趨膚效應(yīng)會(huì)影響檢測(cè)深度，在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中還是要合理選擇這一參數(shù)。

4結(jié)論

(1) 隨著熱損傷程度增加，渦流檢測(cè)信號(hào)ΔL和ΔR分量有明顯變化，均呈遞增趨勢(shì)，且ΔL反應(yīng)更強(qiáng)烈，可使用ΔL表征熱損傷部位和大小。

(2) 檢測(cè)信號(hào)變化量隨激勵(lì)頻率的增加逐漸升高，但同時(shí)降低了工件檢測(cè)深度，故為得到較高的檢測(cè)靈敏度需要優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。

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The Eddy Current Testing of Thermal Damage of Ferromagnetic Materials

LI Jun-jiang, CUI Wei-dong, WANG Jia-bang

(The Boiler & Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province, Zhengzhou 450016, China)

Abstract：The thermal damage can cause changes of ferromagnetic material microstructure and mechanical property, and further have an impact on pressure equipment safety, whereas the available methods used to test this kind of failure mode are few. The test block with different thermal damage degrees was scanned based on eddy current testing probe and system, and research on the variation of detection signal ΔL and ΔR was conducted. The experimental results show that both of the two variations present an upward trend with the increasing of thermal damage degree, except for that ΔL changes more obviously than ΔR, and the scope and size of thermal damage can be characterized by ΔL. These conclusions are expected to be used in the safe operation of pressure equipment.

Key words:Thermal damage; Eddy current testing; Excitation frequency; Pressure equipment

中圖分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)04-0045-04

DOI:10.11973/wsjc201604012

作者簡(jiǎn)介：李俊江(1985-)，男，助理工程師，主要從事承壓設(shè)備檢驗(yàn)與檢測(cè)工作。通信作者：李俊江，E-mail: 475860417@qq.com。

收稿日期：2015-07-22