朱 明，諶曉華，張虎龍，石 玗

1.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050 2.蘭州理工大學(xué)有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050

0 前言

在核燃料生產(chǎn)、儲運(yùn)、后處理和乏/廢料的運(yùn)輸、地質(zhì)儲藏環(huán)節(jié)中，使用特種不銹鋼制造核容器及其管路[1]。由于儲存介質(zhì)具有一定的放射性和強(qiáng)腐蝕性，容易在容器或管路內(nèi)壁由內(nèi)而外產(chǎn)生腐蝕缺陷，嚴(yán)重的會造成放射性物質(zhì)的泄漏，造成極大的安全隱患或質(zhì)量安全事故，因此需要對此類容器或管路進(jìn)行無損檢測，判斷缺陷的危害程度[2]。由于服役環(huán)境具有放射性且不能引入其他介質(zhì)，常規(guī)的超聲、射線、磁粉、滲透等檢測方法不適用于核容器內(nèi)壁缺陷的檢測。因此，利用渦流檢測技術(shù)具有不需要耦合介質(zhì)、非接觸、易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)[3]，開發(fā)面向核容器及管路的不銹鋼內(nèi)壁缺陷渦流檢測工藝，具有十分重要的工程與研究價(jià)值。

針對提高渦流檢測的深度、靈敏度、自動化等方面，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。遼寧石油化工大學(xué)[4]對奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕層厚度的渦流檢測進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁腐蝕層厚度會引起渦流檢測信號幅值、阻抗模的變化；江南大學(xué)[5]研究了渦流檢測線圈的尺寸和激勵(lì)頻率對非鐵磁性材料板材亞表面缺陷的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)降低激勵(lì)頻率可以有效地提高振幅響應(yīng)的檢測靈敏度；中國物理工程研究院[6]研究了基于磁通門磁強(qiáng)計(jì)深層渦流檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)對不銹鋼的最大檢測深度達(dá)20 mm；O.J.R.Sudhakar[7]等為實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)壁和外壁腐蝕減薄的檢測，開發(fā)了瞬態(tài)渦流振蕩（TECO）系統(tǒng)。上述研究為設(shè)計(jì)專用渦流檢測裝置提供了參考，但針對放射環(huán)境下的渦流檢測工藝研究相對較少。

為此，面向核容器及管路的內(nèi)壁缺陷，設(shè)計(jì)了專用渦流檢測裝置，搭建了以機(jī)器人為載體的渦流自動檢測系統(tǒng)，開發(fā)對316L不銹鋼內(nèi)壁缺陷的渦流檢測工藝，通過分析缺陷深度對信號特征的影響，建立缺陷信號特征與缺陷深度的對應(yīng)關(guān)系，并獲得可以實(shí)現(xiàn)厚壁內(nèi)壁缺陷檢測的合理工藝范圍。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及探頭設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由BKN-01CH型渦流檢測儀、檢測探頭、UR10機(jī)器人手臂、PC上位機(jī)及其他配套設(shè)備組成，如圖1所示。其中渦流檢測儀用于產(chǎn)生探頭中激勵(lì)線圈施加的激勵(lì)電壓信號，實(shí)時(shí)分析探頭中檢測線圈的阻抗值變化；PC上位機(jī)用于渦流檢測主機(jī)的參數(shù)設(shè)定和檢測信號存儲以及檢測信號的后處理；UR10機(jī)械臂用于保障檢測探頭運(yùn)動過程中的提離穩(wěn)定。

圖1 渦流自動檢測系統(tǒng)Fig.1 Eddy current automatic testing system

1.2 渦流檢測探頭設(shè)計(jì)

由于渦流檢測對提離的靈敏度高，實(shí)際檢測過程中，檢測區(qū)域不平整引起的提離會對渦流檢測結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。而傳統(tǒng)渦流檢測探頭產(chǎn)生的渦流場垂直于被檢物體表面，當(dāng)探頭在檢測區(qū)域晃動或掃描時(shí)，由于探頭的上下波動，線圈阻抗發(fā)生變化，從而影響檢測效果。因此，需要一種能夠有效降低干擾的專用渦流檢測探頭。

本研究設(shè)計(jì)了一種放置式、互感式平面探頭，探頭由兩個(gè)相互垂直放置的矩形線圈組成，如圖2所示，其中激勵(lì)線圈垂直試樣表面放置，檢測線圈平行試樣表面并包裹激勵(lì)線圈放置。與傳統(tǒng)渦流探頭相比，所設(shè)計(jì)探頭產(chǎn)生平行于試樣表面的渦流，當(dāng)探頭通過不平整的區(qū)域時(shí)，渦流的取向幾乎不發(fā)生改變，因此，檢測信號不受提離效應(yīng)的影響。

圖2 渦流檢測探頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Eddy current testing probe

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 缺陷信號的特征分析

采用搭建的渦流檢測系統(tǒng)與設(shè)計(jì)的專用渦流檢測探頭進(jìn)行不銹鋼亞表面缺陷的渦流檢測試驗(yàn)。檢測對象采用6 mm厚的316L不銹鋼板材，運(yùn)用線切割加工方式加工寬度為0.3 mm、深度為5 mm的槽型缺陷來模擬核容器內(nèi)壁腐蝕裂紋，如圖3所示。調(diào)節(jié)不銹鋼板材渦流檢測系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)激勵(lì)電壓為9.6 V，檢測頻率為5 kHz，提離高度為1 mm，掃查速度為44.8 mm/s，檢測結(jié)果如圖4所示。

圖3 人工缺陷示意Fig.3 Schematic diagram of artificial defects

圖4 渦流檢測結(jié)果Fig.4 Testing results

由渦流檢測結(jié)果可知，當(dāng)渦流探頭經(jīng)過樣板上無缺陷區(qū)域時(shí)，渦流檢測信號在坐標(biāo)原點(diǎn)附近小范圍波動，表現(xiàn)為較小的噪聲信號，如圖4a所示；當(dāng)探頭掃查過有缺陷區(qū)域時(shí)，渦流檢測信號在平面內(nèi)呈現(xiàn)利薩如圖形，類似于“8”字形，如圖4b所示，該圖像在電磁領(lǐng)域又被稱為阻抗圖。

阻抗圖的形成過程如圖5所示。當(dāng)檢測探頭距離缺陷較遠(yuǎn)時(shí)，在內(nèi)部平衡電路的調(diào)整下，檢測線圈的輸出阻抗基本無變化，在信號原點(diǎn)附近小幅度變化，如圖5a所示。當(dāng)探頭沿著x正方向掃查到缺陷的正上方時(shí)，信號變化軌跡為OMN，如圖5b所示。當(dāng)探頭沿著x正方向繼續(xù)掃查、遠(yuǎn)離缺陷時(shí)，信號變化軌跡為NLO，如圖5c所示。探頭的掃查方式為往復(fù)式掃查，到達(dá)最大掃查位置后，反向沿著x負(fù)方向掃查。當(dāng)反向到達(dá)缺陷正上方時(shí)，信號變化軌跡為OPQ，如圖5d所示。探頭再次遠(yuǎn)離缺陷時(shí)，信號變化軌跡為QRO，如圖5e所示[8]。然而，實(shí)際檢測過程中，渦流檢測信號受到由于被檢試樣表面不平整引起的探頭提離改變、試樣材質(zhì)不均勻引起的材料電導(dǎo)率的改變和缺陷形式、缺陷尺寸的影響，使得阻抗圖不會呈現(xiàn)規(guī)則的“8”字形。但是，阻抗圖的變化趨勢與理想狀態(tài)的趨勢一致。

圖5 阻抗圖形成過程Fig.5 Formation process of impedance diagram

通過對比多個(gè)不同深度的槽型缺陷的阻抗圖數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著槽型缺陷距上表面距離的變化，阻抗圖的形狀也會發(fā)生變化，對此選取阻抗圖的幅值d、相位θ、包絡(luò)面積S、與x軸交點(diǎn)的最大值xmax'作為表征其幾何形狀的特征參數(shù)，如圖6所示。

圖6 阻抗圖的幾何特征參數(shù)Fig.6 Geometric feature parameters of impedance diagram

2.2 缺陷深度對缺陷信號特征的影響

為研究本系統(tǒng)的最大檢測深度，開展不銹鋼渦流檢測實(shí)驗(yàn)。檢測對象為10 mm厚的316L不銹鋼，為模擬核容器距外壁不同深度的內(nèi)壁腐蝕裂紋，運(yùn)用線切割加工寬度為0.3 mm，深度分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm的槽型缺陷。通過研究不同檢測參數(shù)對阻抗圖的影響規(guī)律，得到最優(yōu)檢測參數(shù)：激勵(lì)電壓9.6 V、檢測頻率5 kHz、提離高度1 mm、掃查速度44.8 mm/s，探頭掃查路徑與缺陷長度方向垂直進(jìn)行檢測。對每個(gè)缺陷進(jìn)行了10組試驗(yàn)，提取10組數(shù)據(jù)的渦流檢測信號特征值，最后對10組數(shù)據(jù)的特征值求平均值，得到結(jié)果如圖7所示。

圖7 缺陷信號特征提取結(jié)果Fig.7 Results of defect signal feature extraction

由圖7可知，缺陷距上表面的距離小于6 mm時(shí)，隨著缺陷距上表面距離的增加，檢測信號的相位θ逐漸增大，幅值d、包絡(luò)面積S、信號與x軸交點(diǎn)最大值xmax'的變化趨勢近似呈指數(shù)型減小。這是由于在實(shí)驗(yàn)試樣內(nèi)部，激勵(lì)磁場和感應(yīng)產(chǎn)生的渦流都是呈指數(shù)型衰減。距離上表面越遠(yuǎn)，磁場的相位越滯后，缺陷切割激勵(lì)磁場產(chǎn)生的感應(yīng)磁場的相位滯后程度越嚴(yán)重。

根據(jù)渦流滲透深度的計(jì)算公式見式（1），所采用的檢測參數(shù)在316L不銹鋼中的有效滲透深度為6.18 mm，當(dāng)缺陷距上表面的距離大于6 mm時(shí)，缺陷的深度大于渦流的有效滲透深度，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的磁場不足以對檢測線圈的電阻和電抗特性產(chǎn)生影響。因此，距上表面距離大于6 mm的缺陷的檢測信號幅值、包絡(luò)面積基本不發(fā)生變化，檢測信號與水平軸的交點(diǎn)變化趨勢很??；檢測信號相位呈無規(guī)律的減小，是因?yàn)樵撟杩箞D的相位基本都是噪聲所產(chǎn)生的，具有一定的隨機(jī)性。

式中δ代表渦流滲透深度，f代表檢測頻率，μ代表試件導(dǎo)磁率，σ代表試件電導(dǎo)率。

3 結(jié)論

通過分析316L不銹鋼槽型缺陷的渦流檢測阻抗圖，將阻抗圖幅值、相位、包絡(luò)面積及與x軸交點(diǎn)最大值作為表征阻抗圖的幾何特征參數(shù)。為研究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最大檢測深度，開展了不同深度缺陷的渦流檢測實(shí)驗(yàn)，分析了不同深度對特征參數(shù)的影響，結(jié)果表明：本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能對距離上表面6mm以內(nèi)的缺陷做出響應(yīng)，與理論計(jì)算值基本吻合；幅值、包絡(luò)面積、與x軸交點(diǎn)最大值三個(gè)特征參數(shù)能很好的反應(yīng)缺陷深度信息，而相位特征參數(shù)隨深度增大呈無規(guī)律變化。