304奧氏體不銹鋼渦流檢測(cè)頻率的優(yōu)化

付檢平，沈功田，于潤(rùn)橋，胡 斌

（1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330063；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京100013）

奧氏體不銹鋼壓力容器是壓力容器的重要組成部分，在抗腐蝕石油化工設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和航空航天設(shè)備中得到大量應(yīng)用，多用于腐蝕、有毒介質(zhì)的存儲(chǔ)。在役奧氏體不銹鋼壓力容器由于工作環(huán)境和材質(zhì)特性，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等一系列表面、近表面缺陷和微觀組織損傷，是設(shè)備失效的主要原因［1］。對(duì)奧氏體不銹鋼設(shè)備安全檢測(cè)的要求是不僅能檢出工件殼體和焊縫表面缺陷，還要檢測(cè)帶涂層的近表面缺陷。奧氏體不銹鋼屬于非鐵磁性材料，常用滲透法檢測(cè)其表面缺陷，但滲透法存在二次污染，且部分設(shè)備表面有涂層，故滲透法不是奧氏體不銹鋼檢測(cè)的最佳手段。奧氏體不銹鋼由于晶粒粗大，容易造成聲波散射，所以一般也不采用超聲波探傷。射線(xiàn)檢測(cè)對(duì)未熔合、未焊透、氣孔等缺陷檢測(cè)直觀，但對(duì)裂紋之類(lèi)的面積型缺陷檢測(cè)效率低，所以射線(xiàn)檢測(cè)也不是最佳的檢測(cè)方法。而渦流方法以其能快速檢測(cè)金屬材料表面及近表面缺陷的優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為奧氏體不銹鋼材料最有效的檢測(cè)方法之一［2］。

美國(guó)ASME 鍋爐壓力容器規(guī)范第V 分卷《管材制品渦流檢測(cè)》第八章和JB／T 4730.6－2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 渦流檢測(cè)》中只有采用內(nèi)外穿過(guò)式檢測(cè)法對(duì)奧氏體不銹鋼管材進(jìn)行檢測(cè)，缺少在役壓力容器奧氏體不銹鋼的檢測(cè)方法和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。放置式線(xiàn)圈適用于各種板材、帶材和大直徑管材、棒材的表面檢測(cè)，還能對(duì)形狀復(fù)雜的工件某一區(qū)域做局部檢測(cè)，其探傷靈敏度在很大程度上取決于工作頻率的選擇。

目前廣泛采用的確定渦流探傷頻率的方法主要有特征頻率法、仿真分析法和試驗(yàn)法［3］。筆者主要采用以上方法通過(guò)分析放置式線(xiàn)圈檢測(cè)304奧氏體不銹鋼試件表面裂紋的數(shù)據(jù)，并通過(guò)計(jì)算比對(duì)和實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證，得出最佳工作頻率。

1 最佳工作頻率原理分析

激勵(lì)信號(hào)頻率選取方法的基礎(chǔ)是交變磁場(chǎng)測(cè)量法。渦流的滲透深度與激勵(lì)頻率有關(guān)，在其他條件不變的情況下，改變激勵(lì)頻率，調(diào)節(jié)渦流在工件中的滲透深度，根據(jù)渦流信號(hào)在掃描過(guò)程中的變化規(guī)律，就可以對(duì)缺陷深度進(jìn)行定量分析。理論上，根據(jù)給定的頻率范圍，結(jié)合麥克斯韋方程組，可以求得缺陷深度。

缺陷深度與渦流滲透深度的關(guān)系模型如圖1所示，圖中顯示的是裂紋橫截面，d代表裂紋深度，δ代表渦流的滲透深度。

圖1 裂紋深度與渦流滲透深度的關(guān)系模型［4］

由交變磁場(chǎng)測(cè)量法的原理可知：無(wú)缺陷時(shí)，渦流在待檢工件表面會(huì)產(chǎn)生平行的勻強(qiáng)電流；有缺陷時(shí)，由于導(dǎo)體局部的電導(dǎo)率發(fā)生改變，勻強(qiáng)電流分布受到破壞，渦流將沿電阻小的途徑流動(dòng)，繞過(guò)裂紋斷面從缺陷底部和兩側(cè)流過(guò)。

隨著激勵(lì)頻率的增大，渦流的滲透深度會(huì)減小，在有效趨附深度內(nèi)，渦流密度增大，出現(xiàn)在缺陷深度附近的渦流分布依次為圖1（c）→1（b）→1（a）。

在此，定義一個(gè)比值t，表示Bz在空間某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度總量中所占的比例：

式中：Bx為平行于工件表面和裂紋方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度；By為與裂紋垂直但平行于工件表面方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bz為與工件表面垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度，上述3個(gè)方向構(gòu)成笛卡爾坐標(biāo)系。

若定義fo為激勵(lì)信號(hào)的拐點(diǎn)頻率，則：

（1）當(dāng)0＜f＜fo時(shí)，隨著激勵(lì)頻率f增大，滲透深度δ減小，從裂紋端面流過(guò)的渦流占總渦流的比例基本穩(wěn)定，但是因?yàn)殡娏髅芏鹊脑龃螅珺z的測(cè)量值在增大；但是從底面流過(guò)的渦流除了電流密度增大外，與表面的距離減小，因此Bx的測(cè)量值增大的程度大于Bz。

由上述的分析可知，隨著激勵(lì)頻率的增大，z方向的感應(yīng)電壓與總感應(yīng)電壓的比值減小。

（2）當(dāng)f＝fo時(shí)，t達(dá)到極值，出現(xiàn)拐點(diǎn)。

（3）當(dāng)f＞fo時(shí)，隨著激勵(lì)信號(hào)的頻率增大，流經(jīng)底面的渦流比例減小，電流密度也呈減小趨勢(shì)。而流過(guò)端面的渦流，除了電流密度增加外，與表面的距離也在減小，因此Bz增大的趨勢(shì)更大。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率增大到一定值后，Bx，Bz都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

根據(jù)上面的分析可知，合理選擇激勵(lì)信號(hào)的工作頻率f，可以達(dá)到最佳的檢測(cè)結(jié)果。

2 特征頻率法與仿真分析法選取頻率

2.1 特征頻率法

用渦流放置式線(xiàn)圈探傷時(shí)，由于放置式線(xiàn)圈的尺寸很小，可把工件看成半無(wú)限大平面，用電磁場(chǎng)理論推導(dǎo)出特征頻率的計(jì)算公式，按最大靈敏度原則計(jì)算出材料的工作頻率選擇范圍［5］。

孫金立等人根據(jù)電磁場(chǎng)理論提出，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體簡(jiǎn)化成渦流環(huán)后，采用放置式線(xiàn)圈探傷時(shí)，工件的半徑可以等效為渦流環(huán)的半徑r。于是特征頻率的公式為：

式中：fg為特征頻率；μr為工件相對(duì)磁導(dǎo)率，材料為奧氏體不銹鋼，μr≈1；σ為工件的電導(dǎo)率，材料為奧氏體不銹鋼，σ＝1.37×106s／m；r為渦流環(huán)的半徑；rb為激勵(lì)線(xiàn)圈外半徑。

此處激勵(lì)線(xiàn)圈外徑rb＝5 mm，代入公式可得fg＝1.93kHz。

在放置式線(xiàn)圈檢測(cè)工件表面裂紋時(shí)，其工作頻率選擇f＝（10～50）fg［6］，由fg可以算出檢測(cè)工作頻率f＝19.3～96.5kHz。通過(guò)特征頻率法計(jì)算的工作頻率是一段頻率范圍，可供檢測(cè)時(shí)選擇頻率做參考，而要得到最佳頻率還需要進(jìn)一步試驗(yàn)和仿真計(jì)算。

2.2 仿真分析法

目前，ANSYS 軟件應(yīng)用于電磁渦流仿真已經(jīng)相當(dāng)成熟，尤其對(duì)不銹鋼管的渦流檢測(cè)仿真研究比較多，比如蔡桂喜、段建剛及孟憲紅等分別對(duì)奧氏體不銹鋼管渦流檢測(cè)進(jìn)行了試驗(yàn)和仿真研究，找出最佳的激勵(lì)頻率，既能兼顧內(nèi)外壁缺陷的檢測(cè)靈敏度，又能從相位上區(qū)分內(nèi)外壁缺陷的激勵(lì)頻率［7］。但是對(duì)于板材的電磁渦流檢測(cè)研究比較少，主要是因?yàn)橛绊懓宀牡碾姶盘匦员容^復(fù)雜，影響因素較多。

針對(duì)304奧氏體不銹鋼平板件進(jìn)行研究，分析表面裂紋和埋藏裂紋尺寸變化與拐點(diǎn)頻率的關(guān)系。在趨附深度內(nèi)，對(duì)于表面裂紋，阻抗幅值與頻率成正比關(guān)系，頻率增大，阻抗幅值也隨之增大；信號(hào)相位與頻率的關(guān)系，存在一個(gè)拐點(diǎn)頻率，此時(shí)應(yīng)綜合考慮信號(hào)相位和幅值與頻率的關(guān)系，得出最佳工作頻率。對(duì)于埋藏裂紋，阻抗幅值和相位與頻率都存在一個(gè)拐點(diǎn)頻率，檢測(cè)時(shí)既要考慮到相位因素，又要顧及阻抗圖的飽滿(mǎn)、“8”字圖形對(duì)稱(chēng)，兩者綜合得出的頻率即為最佳工作頻率［7－8］。在有效檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)裂紋深度增加時(shí)，最佳工作頻率相應(yīng)減小。通過(guò)仿真分析，缺陷和提離相位的差值Δφ接近90°時(shí)，此時(shí)工作頻率為60kHz［8］，如圖2所示，恰好在特征頻率計(jì)算的f（19.3～96.5kHz）范圍之內(nèi)。選用此頻率檢測(cè)時(shí)，缺陷信號(hào)更容易從檢測(cè)信號(hào)中區(qū)分出來(lái)。

圖2 不同刻槽尺寸的頻率與相位差關(guān)系的仿真曲線(xiàn)

3 拐點(diǎn)頻率的試驗(yàn)選取

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)分析工作頻率與阻抗幅值的相對(duì)關(guān)系，得出阻抗幅值最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的工作頻率，即為拐點(diǎn)頻率。由于儀器本身原因，阻抗幅值不可能無(wú)限大，所以選用增益代替阻抗幅值，此時(shí)增益大小對(duì)應(yīng)阻抗幅值的反向大小。

3.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選用的是某型焊縫裂紋探傷儀，如圖3所示，儀器可調(diào)參數(shù)主要有：試驗(yàn)頻率、增益、相位和濾波等。頻率可調(diào)范圍為1kHz～1 MHz，相位為0°～359°，水平H與垂直V增益為0.0～100.0dB。探頭選用放置式差動(dòng)線(xiàn)圈。

圖3 某型焊縫裂紋探傷儀

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

以頻率10～500kHz內(nèi)步進(jìn)量為10kHz進(jìn)行頻率掃描，得出頻率與增益的關(guān)系曲線(xiàn)，找出不同缺陷的拐點(diǎn)頻率，其中增益最小時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即為拐點(diǎn)頻率。具體操作是：檢測(cè)時(shí)，選用不同頻率，調(diào)節(jié)增益大小，使得阻抗幅值大小恒定為40%，記錄不同頻率下的增益值，增益值最小時(shí)對(duì)應(yīng)頻率即為拐點(diǎn)頻率。由于增益范圍為0～100dB，所以試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)只能截止到增益接近于100dB 時(shí)增益大小和對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)頻率。試驗(yàn)所用試塊為304奧氏體不銹鋼刻槽對(duì)比試塊，規(guī)格220mm×170mm×6mm，刻槽規(guī)格（長(zhǎng)×寬×深）分別為：30 mm×1mm×0.5 mm，30 mm×0.5 mm×0.5mm，30mm×0.2 mm×0.5 mm，30 mm×1mm×1mm，30 mm×0.5 mm×1 mm，30 mm×0.2mm×1mm，30mm×1mm×2mm，30mm×0.5mm×2mm，30mm×0.2mm×2mm。根據(jù)刻槽尺寸不同，做了9組試驗(yàn)，分成3小組，分別對(duì)應(yīng)刻槽寬度為0.2，0.5，1 mm，小組內(nèi)刻槽深度依次為0.5，1，2mm 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

3.4 結(jié)果及分析

對(duì)9組試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)線(xiàn)性擬合處理，得到表征不同頻率與增益的關(guān)系曲線(xiàn)，橫坐標(biāo)是檢測(cè)頻率（kHz），縱坐標(biāo)是阻抗平面圖的增益大小，增益大小對(duì)應(yīng)的是阻抗幅值的反向關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，9個(gè)小組曲線(xiàn)都存在拐點(diǎn)頻率。在拐點(diǎn)頻率下，缺陷阻抗幅值最大，缺陷容易被檢出。從4（a）～（c）可知，刻槽寬度一定，不同深度下的拐點(diǎn)頻率稍有不同，刻槽越深，頻率越小；從3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，刻槽深度一定，不同刻槽寬度對(duì)應(yīng)的拐點(diǎn)頻率變化不明顯。缺陷不同的情況下，拐點(diǎn)頻率在120～150kHz之間，這段頻率范圍有助于實(shí)際奧氏體不銹鋼渦流檢測(cè)中最佳頻率的選取和參考。

鑒于以上試驗(yàn)反映的是增益大小與頻率之間的關(guān)系，可能與實(shí)際有所偏差，于是選擇60，100，110，120，130，140kHz頻率，保持增益大小一定，做了幾組不同頻率對(duì)應(yīng)的阻抗圖試驗(yàn)作補(bǔ)充，圖形截取如圖5所示。

從圖5可知，在增益一定的情況下，檢測(cè)頻率為120kHz時(shí)，渦流阻抗平面圖相比于130，140kHz時(shí)較飽滿(mǎn)、對(duì)稱(chēng)，相對(duì)于60，100，110kHz時(shí)阻抗幅值更大。因此，當(dāng)檢測(cè)頻率在120kHz左右時(shí)，缺陷阻抗平面圖比較容易識(shí)別，缺陷亦容易被檢出。

圖5 1mm 寬，1mm 深刻槽不同頻率阻抗平面圖

3.5 三種方法結(jié)果對(duì)比

相位－頻率選取法主要考慮的是減少提離效應(yīng)給檢測(cè)帶來(lái)的影響，當(dāng)檢測(cè)不光滑面（如焊縫）時(shí)，選擇一個(gè)適當(dāng)頻率，使相位差Δφ值最大，調(diào)節(jié)提離信號(hào)的相位到水平位置，由于相位差的原因，很容易分辨出缺陷信號(hào)和提離信號(hào)。幅值－頻率選取法主要考慮的是在保證阻抗圖飽滿(mǎn)的同時(shí)使阻抗幅值更大，此方法最適合用于檢測(cè)光滑或較光滑平面，如不銹鋼母材的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)較光滑平面時(shí)，提離效應(yīng)的影響因素較少，為了提高檢測(cè)靈敏度，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)念l率，使阻抗圖飽滿(mǎn)且幅值更大，此時(shí)細(xì)小缺陷更容易被檢出。

特征頻率法算得的頻率為19.3～96.5kHz，仿真分析得出的結(jié)果是60kHz左右，這兩種方法都是通過(guò)相位－頻率選取法得出的頻率，特征頻率法算出的結(jié)果是相位法最佳頻率范圍，而仿真法得出的頻率就是相位法的最佳頻率，恰好在算得的頻率范圍之內(nèi)；而本文的試驗(yàn)對(duì)象是表面光潔的對(duì)比試樣，因此考慮用幅值－頻率選取法，得出的最佳頻率為120kHz左右。

因此，如果只從相位區(qū)分考慮，檢測(cè)不光滑平面，選取60kHz左右頻率為最佳工作頻率；如果從信號(hào)幅值考慮，檢測(cè)光滑或較光滑平面，選取120kHz左右頻率為最佳工作頻率。如果采用雙頻進(jìn)行檢測(cè)，60kHz和120kHz組合是最佳選擇。

4 最佳工作頻率的影響因素討論

渦流檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、頻率、埋藏深度、缺陷類(lèi)型、工件厚度以及馬氏體相變等的變化都會(huì)引起阻抗的變化，其變化方向各不相同。因此可采用相位分離法將需要檢測(cè)的因素與干擾因素分離開(kāi)來(lái)，達(dá)到最優(yōu)檢測(cè)的目的。為了得到最好的檢測(cè)精度，最佳工作頻率點(diǎn)需選擇在阻抗曲線(xiàn)的拐點(diǎn)部分。因?yàn)樵谶@里阻抗曲線(xiàn)和提離效應(yīng)有較大的相角，即Δφ值最小，阻抗曲線(xiàn)和提離效應(yīng)的相位接近90°，檢測(cè)時(shí)易于鑒別。以下對(duì)幾個(gè)重要影響因素進(jìn)行討論。

4.1 埋藏深度的影響

由于趨膚效應(yīng)，渦流只能滲透到工件表面，當(dāng)工件厚度大于趨膚深度時(shí)，趨膚深度以?xún)?nèi)是有效檢測(cè)區(qū)域，在有效檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，存在一個(gè)頻率，使得f＝fo，此時(shí)裂紋深度d恰與渦流滲透深度δ相等，此頻率f即為有效覆蓋頻率。

4.2 缺陷類(lèi)型的影響

裂紋類(lèi)缺陷，考慮因素是裂紋的尺寸、埋藏裂紋的深度等。在有效檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，裂紋深度d與特征頻率fg成反比，當(dāng)裂紋深度增加時(shí)，最佳工作頻率相應(yīng)減小。表面裂紋的檢測(cè)頻率與阻抗幅值成正比關(guān)系，與相位之間存在一個(gè)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)處的頻率即為最佳工作頻率；埋藏裂紋的檢測(cè)頻率與阻抗幅值、相位都存在一個(gè)拐點(diǎn)，檢測(cè)時(shí)既要考慮到相位角，又要顧及阻抗圖的飽滿(mǎn)、“8”字圖形對(duì)稱(chēng)，兩者綜合得出的頻率即為最佳工作頻率。

4.3 馬氏體相變的影響

304奧氏體不銹鋼在加工制造過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)冷軋、冷拔、冷彎、平整及矯正等冷加工，會(huì)發(fā)生變形，致使部分奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，即形變誘發(fā)馬氏體相變［9］。焊縫區(qū)的形變馬氏體含量均明顯高于母材區(qū)，且焊縫區(qū)還存在鐵素體［10］。在經(jīng)過(guò)ECAP（等徑角擠壓）工藝后，馬氏體含量最高可達(dá)54%［11］。304奧氏體不銹鋼為弱磁性材料，相對(duì)磁導(dǎo)率近似為1，而馬氏體和鐵素體具有鐵磁性，相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1。由特征頻率公式可知，相對(duì)磁導(dǎo)率與fg成反比，當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率變大時(shí)，最佳工作頻率變小。

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比分析可知，對(duì)于奧氏體不銹鋼中不同深度和寬度的槽型缺陷，其最優(yōu)檢測(cè)頻率基本相同，由此可知，在實(shí)際最優(yōu)頻率的選取過(guò)程中，通過(guò)制造單一深度的人工缺陷，確定該深度下的最優(yōu)檢測(cè)頻率，即為探傷時(shí)所需采用的檢測(cè)頻率。

（2）實(shí)際檢測(cè)中，奧氏體不銹鋼工件內(nèi)缺陷類(lèi)型不同、存在馬氏體相變等諸多因素都會(huì)影響最佳工作頻率的選取。因此，得出的最佳工作頻率在實(shí)際工作中只能作參考，頻率選取還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

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