孫鵬遠(yuǎn)，李 斌，王伏喜，王海登

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，洛陽(yáng) 471000)

鈦合金換熱器的輕量化與耐蝕性優(yōu)于鋼制換熱器的，目前已逐步應(yīng)用到海洋、核電等領(lǐng)域，但由于鈦合金成本較高，總體應(yīng)用比例小，生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)與質(zhì)量控制手段也在不斷進(jìn)步。傳熱管是換熱器的重要組成部分，在進(jìn)行熱交換的同時(shí)，也承擔(dān)著冷卻系統(tǒng)壓力邊界的職能，其質(zhì)量檢測(cè)十分重要，是設(shè)備安全運(yùn)行的重要保證。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鈦合金換熱管的檢測(cè)需要結(jié)合原材料生產(chǎn)、過(guò)程加工等多個(gè)流程來(lái)實(shí)施，而換熱器生產(chǎn)過(guò)程中的脹接易產(chǎn)生裂紋、微裂紋等缺陷，必須實(shí)施針對(duì)性的檢測(cè)。

換熱器傳熱管的檢查通常是通過(guò)渦流檢測(cè)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一般采用軸繞式探頭(BOBBIN探頭)進(jìn)行，軸繞式探頭線圈直徑與傳熱管管徑接近，渦流場(chǎng)覆蓋范圍大，檢測(cè)效率高[1]。傳熱管脹接區(qū)的受力影響區(qū)長(zhǎng)度較小，且附著在管板之上，軸繞式探頭的渦流場(chǎng)受管板信號(hào)的干涉嚴(yán)重，盡管通過(guò)混頻技術(shù)可以抑制管板信號(hào)的影響，但檢測(cè)靈敏度會(huì)降低。除上述原因外，軸繞式線圈只能沿?fù)Q熱管縱向移動(dòng)檢測(cè)，不能實(shí)施360°周向精細(xì)掃查，縱向裂紋的定位與檢出率均難以滿足需求。為了解決管板干涉與無(wú)法精細(xì)掃查的問(wèn)題，必須采用小直徑線圈減小渦流場(chǎng)的范圍，增加掃查路徑控制能力。筆者通過(guò)對(duì)模擬試樣、換熱管管板試樣脹接區(qū)的試驗(yàn)確定了合適的工藝參數(shù)，并結(jié)合脹接管解剖、滲透檢測(cè)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了檢測(cè)方案的有效性。

1 渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的一種常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法，主要適用于導(dǎo)電材料，是目前鈦合金薄壁管材檢測(cè)的重要手段。點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭是放置式線圈的一種，屬于放置式探頭結(jié)構(gòu)的延伸，檢測(cè)時(shí)在線圈激發(fā)的交變磁場(chǎng)作用下，被檢測(cè)工件表面會(huì)感應(yīng)出渦流。渦流場(chǎng)的分布由線圈激勵(lì)信號(hào)、線圈直徑、被檢材料等多種因素決定，對(duì)于管材，其屬于規(guī)則結(jié)構(gòu)，點(diǎn)式線圈的渦流場(chǎng)分布不受所處周向位置的影響，在激勵(lì)信號(hào)保持不變的條件下，其接收的信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定，具備實(shí)施檢測(cè)的基本條件。管材的壁厚T、半徑R、提離高度h、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化以及缺陷等均會(huì)影響線圈的阻抗[2]。若保持其他因素不變，僅將缺陷引起阻抗變化的信號(hào)取出，經(jīng)儀器放大并予以檢測(cè)，就能達(dá)到檢測(cè)的目的，渦流檢測(cè)原理示意如圖1所示。

圖1 渦流檢測(cè)原理示意

圖2 點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭和自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置外觀

點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭以平面線圈為基礎(chǔ)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝置(馬達(dá)單元)為探頭提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力或手動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)，點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭和自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置外觀如圖2所示。點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭通常采用柵格式掃查方式進(jìn)行掃查，探頭線圈垂直于被檢零件的表面，旋轉(zhuǎn)裝置提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢管材圓周方向的掃查，該次掃查周期完成后探頭向前步進(jìn)，實(shí)現(xiàn)下一個(gè)周期的掃查[3]。掃查過(guò)程中控制步進(jìn)的長(zhǎng)度以保證掃查區(qū)域邊界重疊覆蓋，防止檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)漏檢的情況。探頭線圈通常設(shè)計(jì)得非常小，具有較高的檢測(cè)靈敏度，但這種探頭的檢測(cè)速度較軸繞式探頭大為下降。因此，點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭通常用于對(duì)軸繞式探頭檢測(cè)盲區(qū)的補(bǔ)充檢測(cè)，或?qū)S繞式探頭發(fā)現(xiàn)的可疑信號(hào)進(jìn)行確認(rèn)，并且該種探頭可以測(cè)量缺陷的軸向長(zhǎng)度和周向?qū)挾?，但不具備?duì)缺陷深度精確定量的能力。點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭渦流檢測(cè)除了可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脹接區(qū)表面及近表面的缺陷檢測(cè)之外，還可用于零件局部檢測(cè)和非規(guī)則工件的檢測(cè)。

點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭的檢測(cè)效果很大程度上取決于線圈外形與被檢測(cè)零件形面的吻合狀況，良好的吻合是保證檢測(cè)線圈平穩(wěn)掃描、與被檢測(cè)零件形成最佳電磁耦合的重要前提。實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)定置專用探頭解決與被檢測(cè)零件形面吻合的問(wèn)題。渦流檢測(cè)中提離效應(yīng)、邊緣效應(yīng)等都會(huì)對(duì)點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭的阻抗產(chǎn)生較大影響，實(shí)際應(yīng)用中采用適當(dāng)?shù)碾妼W(xué)方法抑制磁通量的變化，從而降低提離效應(yīng)的影響；邊緣效應(yīng)會(huì)引發(fā)渦流流動(dòng)路徑的畸變，這種干擾信號(hào)很強(qiáng)，一般會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所要檢測(cè)的信號(hào)，渦流檢測(cè)中往往會(huì)利用一些電的或者機(jī)械的方法來(lái)消除邊緣效應(yīng)。

2 渦流檢測(cè)工藝

2.1 渦流檢測(cè)裝置

試驗(yàn)設(shè)備如下：愛德森EEC-39TG渦流儀；規(guī)格為φ16 mm的點(diǎn)式探頭，探頭線圈直徑為5 mm，用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。

圖3 渦流掃查方式示意

試驗(yàn)由手動(dòng)驅(qū)動(dòng)為自動(dòng)旋轉(zhuǎn)探頭的前進(jìn)提供驅(qū)動(dòng)力，試驗(yàn)過(guò)程中不僅要保持探頭的穩(wěn)定且需要控制掃查速度。掃查時(shí)保持勻速，掃查速度由選擇探頭的轉(zhuǎn)速n及線圈有效覆蓋范圍的直徑d決定，渦流掃查方式示意如圖3所示，線圈以螺旋狀路徑覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)域，一般應(yīng)保證20%的重疊覆蓋，故掃查速度v可由式(1)表示。

v≤0.8·n·d

(1)

試驗(yàn)中，旋轉(zhuǎn)槍的旋轉(zhuǎn)速度為300 r·min-1，檢測(cè)線圈的有效覆蓋范圍直徑約為5 mm，由式(1)可計(jì)算出v應(yīng)不大于20 mm·s-1。因?yàn)樘筋^是螺旋式前進(jìn)的，為了保證探頭的缺陷檢出率，應(yīng)控制探頭的前進(jìn)速度小于20 mm·s-1。

2.2 對(duì)比試樣

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和可比性，采用與傳熱管相同材料、同一批次的鈦合金管制作對(duì)比試樣，對(duì)比試樣是規(guī)格為φ16 mm×1.2 mm(外徑×壁厚)的鈦合金管，刻槽為V型槽，槽深分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm。實(shí)際檢測(cè)中，點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭的有效工作頻率一般不小于200 kHz，故通過(guò)試驗(yàn)裝置在550 kHz的工作頻率下，分別對(duì)制作的對(duì)比試樣進(jìn)行渦流檢測(cè)，不同槽深對(duì)比試樣的渦流檢測(cè)信號(hào)如圖4所示，圖中僅以無(wú)缺陷，0.1，0.2，0.3 mm槽深對(duì)比試樣的渦流檢測(cè)信號(hào)為例進(jìn)行分析。

圖4 不同槽深對(duì)比試樣的渦流檢測(cè)信號(hào)

由圖4可以看出：無(wú)缺陷的對(duì)比試樣在檢測(cè)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)；槽深為0.1 mm時(shí)檢測(cè)信號(hào)在S1.Y(阻抗在y軸上的分量)軸上的幅值雖然有所增加，但未發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)；槽深為0.2 mm時(shí)有缺陷信號(hào)顯示，但由于檢測(cè)設(shè)備及檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度不高，缺陷信號(hào)幅值不大；槽深為0.3 mm時(shí)已有明顯缺陷信號(hào)且已超標(biāo)。不同槽深對(duì)比試樣的渦流檢測(cè)信號(hào)幅值如表1所示。

表1 不同槽深對(duì)比試樣的渦流檢測(cè)信號(hào)幅值 V

由表1可以看出：在無(wú)刻槽和槽深為0.1 mm時(shí)未發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)；槽深由0.2 mm增加到0.5 mm時(shí)，缺陷信號(hào)幅值逐漸增大。結(jié)合圖4可以看出：槽深為0.2 mm時(shí)，有幅值較小的缺陷信號(hào)，幅值為0.069 V，此時(shí)信噪比較低；槽深為0.3 mm時(shí)，缺陷信號(hào)幅值為0.226 V，此時(shí)信噪比較大，缺陷信號(hào)已超標(biāo)且易于識(shí)別；槽深為0.4，0.5 mm時(shí)，缺陷信號(hào)幅值分別為0.335，0.394 V，呈逐漸增大的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)分析可以得出：點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭對(duì)深度為0.2 mm以下的缺陷不敏感，無(wú)法檢出；當(dāng)缺陷深度大于0.2 mm時(shí)，隨著缺陷深度的增加，檢測(cè)信號(hào)幅值逐漸增大，但由于槽深為0.2 mm時(shí)信號(hào)的信噪比較低，辨識(shí)度不高，再加上實(shí)際生產(chǎn)中檢測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)環(huán)境的影響，很容易出現(xiàn)誤判漏檢的情況；槽深大于0.3 mm時(shí)，缺陷信號(hào)的幅值較大，信噪比較高，易于識(shí)別。故實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用中選擇0.3 mm槽深的對(duì)比試樣作為參照。

2.3 工藝參數(shù)

頻率是渦流檢測(cè)中一項(xiàng)重要的工作參數(shù)，試驗(yàn)通過(guò)在不同頻率下用點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)渦流探頭對(duì)鈦合金管進(jìn)行渦流檢測(cè)，來(lái)選定合適的工作頻率。通過(guò)在不同頻率下對(duì)槽深為0.4 mm的規(guī)格為φ16 mm×1.2 mm的鈦合金管進(jìn)行渦流檢測(cè)試驗(yàn)，采用的工作頻率范圍為250 kHz1 000 kHz，不同頻率下渦流檢測(cè)信號(hào)幅值曲線如圖5所示。

圖5 不同頻率下的渦流檢測(cè)信號(hào)幅值曲線

由圖5可以看出：頻率為250 kHz1 000 kHz時(shí)，缺陷檢測(cè)信號(hào)的幅值隨著頻率的增大逐漸增大，當(dāng)頻率達(dá)到550 kHz左右時(shí)，缺陷信號(hào)的幅值達(dá)到最大，為0.335 V，此時(shí)檢測(cè)靈敏度較高，缺陷容易檢出；頻率為650 kHz1000 kHz時(shí)，隨著頻率的增大，檢測(cè)信號(hào)幅值有所減小，并趨于穩(wěn)定趨勢(shì)，靈敏度較頻率為550 kHz時(shí)有所降低。因此，點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)渦流探頭檢測(cè)鈦合金管的最佳工作頻率為500 kHz600 kHz。

3 試樣檢測(cè)及應(yīng)用

3.1 試樣檢測(cè)

通過(guò)上述結(jié)果可以得出，針對(duì)鈦合金管的點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭的檢測(cè)速度需不大于20 mm·s-1，最佳工作頻率為500 kHz600 kHz，對(duì)比試樣槽深為0.3 mm，在該工作條件下對(duì)換熱管管板試樣脹接區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)異常信號(hào)[見圖6(a)]，初步判斷該處為超標(biāo)缺陷。再對(duì)其進(jìn)行滲透檢測(cè)，結(jié)果如圖6(b)所示，與滲透檢測(cè)相比，點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭的渦流檢測(cè)不僅安全環(huán)保，而且具有較高的表面缺陷檢測(cè)靈敏度，對(duì)表面及近表面缺陷有一定的檢測(cè)能力。點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭渦流檢測(cè)除了具備穿過(guò)式渦流的檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)以外，還對(duì)脹接區(qū)有較高的檢測(cè)靈敏度，對(duì)常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

圖6 換熱管管板試樣脹接區(qū)的渦流檢測(cè)和滲透檢測(cè)結(jié)果

3.2 實(shí)際應(yīng)用

將換熱管管板試樣的渦流檢測(cè)工藝應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)中，采用相同的檢測(cè)裝置，0.3 mm槽深的對(duì)比試樣為標(biāo)樣管，550 kHz為工作頻率，探頭檢測(cè)速度為20 mm·s-1。

實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用該檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)多臺(tái)鈦合金換熱器，共檢測(cè)焊口幾千個(gè)，檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)7個(gè)脹接區(qū)有超標(biāo)缺陷，將其從換熱器管板上拆除下來(lái)并進(jìn)行解剖分析，換熱管脹接區(qū)缺陷外觀如圖7所示。

圖7 換熱管脹接區(qū)缺陷外觀

經(jīng)過(guò)解剖分析，從圖7中可以清楚觀察到脹接區(qū)存在裂紋和孔式缺陷，證明了點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭及該套檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。對(duì)有問(wèn)題的換熱管進(jìn)行更換，并按照原渦流檢測(cè)工藝進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)任何超標(biāo)缺陷，在后續(xù)換熱器的水壓試驗(yàn)、泄漏檢測(cè)中，未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，再次證明了該檢測(cè)工藝的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)鈦合金換熱管脹接區(qū)采用點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí)，標(biāo)樣管槽深為0.3 mm較合適；點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)渦流探頭對(duì)鈦合金管脹接區(qū)檢測(cè)的最佳工作條件為檢測(cè)速度不大于20 mm·s-1，工作頻率為500 kHz600 kHz；試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用表明：點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)渦流檢測(cè)不受管板結(jié)構(gòu)干涉的影響，能夠檢測(cè)出脹接區(qū)裂紋，靈敏度高，該檢測(cè)工藝具有較高的可靠性。