奧氏體不銹鋼均勻表面的渦流陣列檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

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(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院, 北京 100029)

奧氏體不銹鋼板材、管道、鍛件等在特種設(shè)備行業(yè)中比較常見(jiàn)，其表面形狀規(guī)則，表面狀態(tài)比較均勻，材料也相對(duì)均勻。應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)和孔蝕是在役奧氏體不銹鋼材料常見(jiàn)的失效模式[1-2],其中SCC是最危險(xiǎn)的缺陷類型。

溶劑去除型著色滲透檢測(cè)技術(shù)(PT)是奧氏體不銹鋼加工件(管材和鍛件)的常見(jiàn)表面檢測(cè)方法。其能夠檢出表面開口缺陷，檢測(cè)結(jié)果直觀，在一定程度上能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行定性；但存在無(wú)法檢出近表面缺陷、檢測(cè)工序多、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、表面清潔度要求高、可重復(fù)性差、檢測(cè)結(jié)果對(duì)檢測(cè)人員依賴性強(qiáng)等問(wèn)題[3]。

常規(guī)表面渦流檢測(cè)技術(shù)也是奧氏體不銹鋼加工件的表面檢測(cè)方法之一，能檢出表面開口缺陷和一定程度的近表面缺陷[4]。但該方法檢測(cè)結(jié)果不直觀，難以對(duì)缺陷定性，檢測(cè)速度慢，檢測(cè)結(jié)果對(duì)操作人員的依賴性更強(qiáng)，很容易出現(xiàn)漏檢或誤判。因而，常規(guī)表面渦流檢測(cè)技術(shù)并未在特種設(shè)備行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

渦流陣列檢測(cè)技術(shù)(ECA)是在常規(guī)表面渦流檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型表面渦流檢測(cè)技術(shù)。其將若干個(gè)渦流線圈有規(guī)律地致密排列，能進(jìn)行一次性大面積掃查，并且能夠形成直觀性較好的C掃顯示。雖然其檢測(cè)靈敏度與對(duì)應(yīng)的常規(guī)表面渦流檢測(cè)技術(shù)相同，但檢測(cè)結(jié)果直觀、檢測(cè)速度快、檢測(cè)結(jié)果對(duì)操作人員的依賴性不強(qiáng)，減少了檢測(cè)過(guò)程中的漏檢和誤判，提高了檢測(cè)效率，從而越來(lái)越受到檢測(cè)人員的關(guān)注。

最近幾年，關(guān)于奧氏體不銹鋼材料ECA應(yīng)用的報(bào)道越來(lái)越多[5-9]。然而，這些報(bào)道的信息并未讓使用者清楚ECA的檢測(cè)能力。因此，筆者開展了一系列的ECA檢測(cè)試驗(yàn)，并與溶劑去除型著色滲透檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，得出了兩種檢測(cè)技術(shù)在奧氏體不銹鋼均勻表面檢測(cè)中的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 試驗(yàn)制備

1.1 儀器和探頭

試驗(yàn)所用儀器是Olympus NDT公司生產(chǎn)的OmniScan MX ECA渦流陣列檢測(cè)系統(tǒng)，其由主機(jī)、ECA探頭組成，如圖1所示。所用ECA探頭(以下簡(jiǎn)稱SBB探頭)具有32個(gè)檢測(cè)通道，中央頻率為150 kHz，工作模式為絕對(duì)橋式。

圖1 試驗(yàn)儀器和探頭

1.2 工作原理

試驗(yàn)所用的SBB探頭具有32個(gè)渦流線圈。這些線圈按規(guī)則排成2排，每排16個(gè)，2排探頭相互錯(cuò)開，以減少漏檢區(qū)域。陣列探頭中獨(dú)立工作的最小單元稱為陣列元，此試驗(yàn)裝置的陣列元是由單個(gè)自發(fā)自收的渦流線圈組成的，其工作模式如圖2所示。

圖2 SBB探頭的工作模式

為避免臨近陣列元之間的相互串?dāng)_，采用多路切換技術(shù)對(duì)陣列元分時(shí)、分批激活。圖2顯示的是第1個(gè)時(shí)隙的陣列元激活狀態(tài)，激活的陣列元為1#、5#、9#、13#；第2個(gè)時(shí)隙同時(shí)激活的陣列元為17#、21#、25#、29#；第3個(gè)時(shí)隙同時(shí)激活的陣列元為2#、6#、10#、14#陣列元等,激發(fā)完全部32個(gè)陣列元需要8個(gè)時(shí)隙。由于多路切換的時(shí)隙時(shí)間很短，對(duì)探頭掃查速度的影響不大。

各陣列元都有1個(gè)檢測(cè)通道，在激活后會(huì)產(chǎn)生檢測(cè)數(shù)據(jù)，在編碼器的觸發(fā)下這些數(shù)據(jù)可被保存起來(lái)；經(jīng)軟件調(diào)整后，這些數(shù)據(jù)形成C掃顯示。在C掃顯示中，通常橫坐標(biāo)為位置參數(shù)，采集點(diǎn)的幅值垂直分量作為C掃顯示顏色的參數(shù)。C掃顯示中缺陷的顯示顏色將不同于完好材料處的顯示顏色。因此，可以通過(guò)C掃顯示的顏色差別來(lái)直觀地判別缺陷。

為了說(shuō)明ECA的C掃顯示的形成原理，采用CIVA仿真軟件模擬自發(fā)自收式渦流陣列探頭的C掃顯示結(jié)果,如圖3所示。從圖3(b)中可以看出，每個(gè)通道都是C掃顯示中的一定寬度的長(zhǎng)條，這些長(zhǎng)條組成了一個(gè)C掃顯示。

圖3 渦流陣列C掃顯示仿真

1.3 試驗(yàn)試樣

試樣材料均為304奧氏體不銹鋼，編號(hào)分別為1#和2#，缺陷包括人工缺陷和自然缺陷。

1.3.1 1#試樣

1#試樣為人工缺陷薄試樣，其缺陷是電火花加工的刻槽和機(jī)械加工的平底孔，厚度為1.1 mm，共計(jì)12個(gè)人工缺陷，編號(hào)分別為a～l，如圖4所示。 編號(hào)a～f為長(zhǎng)度和寬度相同、深度不同的刻槽，用于模擬均勻平面的小裂紋類缺陷，尺寸如表1所示。編號(hào)g～l為直徑個(gè)別不同、深度不同的平底孔，用于模擬孔蝕類缺陷，尺寸如表2所示。人工缺陷公差為±0.05 mm。

圖4 1#試樣外觀及其缺陷編號(hào)

表1 1#試樣正面的刻槽缺陷尺寸mm

表2 1#試樣正面的平底孔缺陷尺寸 mm

圖5 2#試樣內(nèi)壁照片

1.3.2 2#試樣

2#試樣為自然缺陷試樣。其缺陷是壓力管道在使用過(guò)程中產(chǎn)生的SCC和孔蝕；試樣是從失效的在役壓力管道上切下的一部分，內(nèi)壁有多處SCC和孔蝕(見(jiàn)圖5)，管道厚度為7 mm。這些SCC和孔蝕都起源于內(nèi)壁，然后逐漸向外壁擴(kuò)展。試樣的內(nèi)壁表面比較均勻。

1.4 滲透檢測(cè)劑

所用的滲透檢測(cè)劑為中日合資美柯達(dá)探傷器材有限公司的DPT-5型溶劑去除型著色滲透檢測(cè)劑。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 1#試樣的試驗(yàn)結(jié)果及討論

對(duì)于1#試樣，如果帶有開口缺陷的正面是掃查面，則a～l均可視為表面開口缺陷。

1#試樣正面的PT試驗(yàn)是在室溫26 ℃下完成的,滲透時(shí)間為15 min，顯像時(shí)間為15 min。PT檢測(cè)結(jié)果如圖6(a)所示。

ECA試驗(yàn)采用SBB探頭進(jìn)行掃查，檢測(cè)頻率為150 kHz，探頭驅(qū)動(dòng)電壓為2.0V。ECA的C掃顯示如圖6(b)所示。

2.1.1 淺缺陷檢測(cè)能力分析

由圖6(a)可知，對(duì)于PT的檢測(cè)結(jié)果，深度較小的e、f、k、l編號(hào)的PT相關(guān)顯示較弱，而淺而寬的k、l平底孔的相關(guān)顯示更弱。由圖6(b)可知，對(duì)于ECA的C掃顯示，除刻槽f的C掃顯示稍弱外，其他刻槽的C掃顯示都較清晰。

通過(guò)對(duì)比圖6(a)和圖6(b)可知，ECA的缺陷檢出數(shù)量多于PT的檢出數(shù)量。

對(duì)于PT，刻槽深度小，刻槽內(nèi)存留的滲透劑就比較少；淺而寬的平底孔，在去除多余滲透劑時(shí)，容易去除掉平底孔內(nèi)的滲透劑，造成過(guò)清洗，使得平底孔內(nèi)的截留滲透液更少。滲透劑量少，回滲到顯像劑的滲透劑就少，相關(guān)顯示就會(huì)不清晰。因此，PT很難檢出淺缺陷，特別是寬而淺的缺陷[3]。

對(duì)于ECA，根據(jù)趨膚效應(yīng)，渦流主要集中在表面和近表面位置，工件內(nèi)的渦流密度隨著深度的增加而迅速衰減。渦流密度越大，檢測(cè)靈敏度越高[4]。因此，ECA檢測(cè)表面開口淺缺陷的靈敏度較高。

通過(guò)以上分析可知，對(duì)于奧氏體不銹鋼表面開口淺缺陷，ECA的檢測(cè)能力高于PT。

2.1.2 淺缺陷的ECA深度評(píng)價(jià)

(1) 淺刻槽的ECA深度評(píng)價(jià)

圖7為1#試樣刻槽a～f的ECA檢測(cè)結(jié)果。由圖7可知，刻槽C掃顯示的顏色隨著深度的減小而有規(guī)律地變淺。將刻槽a～f的C掃顯示的中間位置峰峰幅值(以下簡(jiǎn)稱“幅值”)和峰峰相位(以下簡(jiǎn)稱“相位”)與刻槽深度建立關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖7 1#試樣刻槽a～f的ECA檢測(cè)結(jié)果

圖8 刻槽深度-幅值和刻槽深度-相位曲線

由圖8可知，刻槽的幅值和相位均隨著深度的減小單調(diào)下降；且2條曲線的斜率總體上隨著缺陷深度的減小而增大。這表明，表面開口淺裂紋的深度越小，ECA對(duì)于深度變化的響應(yīng)越敏感，甚至能分辨出0.1 mm的深度變化。

由上可知，可根據(jù)ECA的顏色、幅值和相位對(duì)表面開口裂紋類淺缺陷的深度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2) 淺平底孔的ECA深度評(píng)價(jià)

圖9為1#試樣平底孔g～l的ECA檢測(cè)結(jié)果。由圖9可知，平底孔C掃顯示的顏色并未隨著深度的減小而有規(guī)律地變淺。將平底孔g～l的C掃顯示的中間位置峰峰幅值與平底孔尺寸建立關(guān)系曲線，如圖10所示。

圖9 1#試樣平底孔的ECA檢測(cè)結(jié)果

圖10 平底孔的尺寸-幅值和尺寸-相位曲線

由圖10可知，從整體來(lái)看，幅值和相位并未隨著缺陷深度的增加而有規(guī)律地變化；這表明，平底孔的ECA信號(hào)不但與平底孔的深度有關(guān)，也與平底孔的直徑有關(guān)。對(duì)于直徑相同的j、k、l平底孔，其C掃顯示顏色卻隨著深度的減小而有規(guī)律地變深，對(duì)應(yīng)渦流信號(hào)的幅值和相位卻隨著平底孔深度的減小而上升；這2段曲線的斜率隨著深度的減小而增大。這表明，表面開口淺平底孔的深度越小，ECA對(duì)于深度變化的響應(yīng)越敏感，能分辨出0.1 mm的深度變化。

由上可知，可根據(jù)ECA的顏色、幅值和相位對(duì)表面開口孔蝕類淺缺陷的深度進(jìn)行評(píng)價(jià)，但要選擇直徑相同或相近的平底孔參考體。

2.1.3 薄試樣埋藏較淺缺陷的檢測(cè)能力

對(duì)于1#試樣，如果背面是掃查面，則除a和g兩個(gè)貫穿性缺陷外，其余的都可視為近表面缺陷。PT是無(wú)法檢出近表面缺陷的[3]。

圖11 1#試樣背面的ECA的C掃顯示

圖11是1#試樣背面采用SBB探頭的檢測(cè)結(jié)果，檢測(cè)頻率為150 kHz，探頭驅(qū)動(dòng)電壓為2.0 V。由圖11可知，ECA能夠檢出b、c近表面刻槽缺陷和h～k近表面平底孔缺陷。

由上可知，ECA可以在一定程度上檢出埋藏較淺的近表面缺陷。

2.2 2#試樣的試驗(yàn)結(jié)果及討論

2#試樣的試驗(yàn)主要用以評(píng)價(jià)均勻表面的表面開口SCC和孔蝕的檢測(cè)能力。

2#試樣內(nèi)壁的PT試驗(yàn)是在室溫17℃下完成的,滲透時(shí)間為15 min，顯像時(shí)間為10 min。PT檢測(cè)結(jié)果如圖12(a)所示。

2#試樣內(nèi)壁的ECA試驗(yàn)的激發(fā)頻率為150 kHz，探頭驅(qū)動(dòng)為2.0 V。其C掃顯示如圖12(b),(c),(d)所示。

為了便于對(duì)比，將SCC的PT相關(guān)顯示和ECA的缺陷C掃顯示分別編號(hào)為F1～F6，將孔蝕的PT相關(guān)顯示和ECA的缺陷C掃顯示分別編號(hào)為P1～P6，如圖12(a),(b)中的虛線框所示。各孔蝕PT相關(guān)顯示直徑為1.0 mm左右。

圖12 2#試樣內(nèi)壁的檢測(cè)結(jié)果

2.2.1 表面開口缺陷的分辨力

缺陷分辨力是指通過(guò)相關(guān)顯示或C掃顯示分辨最小缺陷尺寸的能力。

對(duì)比圖12(a),(b)中的F1～F5可知， PT的相關(guān)顯示能夠呈現(xiàn)SCC的分叉細(xì)節(jié)；而ECA的缺陷C掃顯示只能呈現(xiàn)SCC的大致形狀。

PT顯像劑的顆粒粒度很小(通常為微米級(jí))，顯像劑吸附缺陷內(nèi)存留的滲透劑后，如果觀察時(shí)機(jī)合適，會(huì)得到與真實(shí)缺陷表面開口形狀相近、尺寸稍微放大的相關(guān)顯示，通常能夠呈現(xiàn)SCC的分叉細(xì)節(jié)。因此，PT在一定程度上可用于缺陷的定性分析。

而自發(fā)自收式ECA的C掃顯示取決于探頭中檢測(cè)線圈的尺寸大小，線圈的尺寸越小，缺陷C掃顯示越接近實(shí)際缺陷形狀。SBB探頭的檢測(cè)線圈直徑是3 mm，則其探頭分辨力為1.5 mm。因此，很難呈現(xiàn)某些局部細(xì)節(jié)。

由上可知，ECA對(duì)表面開口缺陷的分辨力要稍低于PT。

2.2.2 表面開口缺陷顯示對(duì)比度

缺陷對(duì)比度是指相關(guān)顯示或缺陷C掃顯示和圍繞這個(gè)顯示的表面背景之間的亮度和顏色之差。缺陷顯示對(duì)比度越高，越容易檢出缺陷。

對(duì)比圖12(a),(b)中的F1～F5及P1、P4、P5可知，PT的對(duì)比度要低于ECA。

應(yīng)力腐蝕裂紋屬于細(xì)微裂紋，針尖大的孔蝕也屬于小缺陷，空隙較小。對(duì)于PT，著色滲透檢測(cè)劑雖然能夠滲透進(jìn)去，但裂紋截留的滲透劑量不大，難以形成顏色很濃的相關(guān)顯示。對(duì)于在役管道內(nèi)壁，其表面粗糙度較大，會(huì)給PT的清洗工序帶來(lái)困難，通常會(huì)因清洗不徹底而形成一定程度的背景色，也是相關(guān)顯示對(duì)比度低的主要原因[3]。

ECA對(duì)表面要求不高，且可以通過(guò)調(diào)整濾波、增益或旋轉(zhuǎn)角度等方式，得到想要的結(jié)果。如果檢測(cè)微小缺陷，可以將增益調(diào)大，如圖12(c)所示；如果只想檢測(cè)應(yīng)力腐蝕開裂，可通過(guò)降低增益和旋轉(zhuǎn)角度，將孔蝕的信號(hào)弱化，如圖12(d)所示。因此，可以通過(guò)ECA的參數(shù)優(yōu)化提高C掃顯示的對(duì)比度。

由上可知， ECA的表面開口缺陷顯示對(duì)比度通常高于PT的。

2.2.3 表面開口缺陷檢出率

在圖12(a)中，F(xiàn)6的PT相關(guān)顯示只有3個(gè)孤立的紅點(diǎn)，容易誤判為3個(gè)孔蝕；但在圖12(b)中，F(xiàn)6的C掃顯示清晰指示為一條裂紋狀缺陷。在圖12(b)中，P3和P6的C掃顯示清晰指示為孔蝕；但在圖12(a)中，對(duì)應(yīng)位置沒(méi)有出現(xiàn)PT相關(guān)顯示。這是因?yàn)閼?yīng)力腐蝕裂紋和孔蝕截留的滲透劑量不大，難以形成顏色很濃的相關(guān)顯示；如果缺陷開口部分堵塞，形成的相關(guān)顯示將無(wú)法反映缺陷特征，甚至無(wú)法顯示，造成缺陷的誤判或漏判。

對(duì)于小缺陷，ECA也會(huì)有漏檢的情況。圖12(a)中P2的虛線框中有3點(diǎn)孔蝕，但在圖12(b)中只顯示了2點(diǎn)孔蝕。

ECA的C掃圖中的缺陷顯示是因?yàn)殛嚵性ㄟ^(guò)缺陷時(shí)，接收的渦流信號(hào)發(fā)生擾動(dòng)，這種擾動(dòng)會(huì)造成陣列元渦流信號(hào)幅值和相位的變化，在C掃圖中形成缺陷顯示。擾動(dòng)程度越大，缺陷顯示就越明顯。但如果陣列元的非敏感部位掃過(guò)缺陷且缺陷尺寸小于探頭分辨力，則陣列元在缺陷位置接收的渦流信號(hào)的擾動(dòng)很小，很難在C掃圖中與背景色分開，容易造成小缺陷的漏檢。

但總體而言，ECA的表面開口缺陷檢出率還是要高于PT的。因?yàn)镋CA對(duì)于表面檢測(cè)條件的要求比PT要低，其能夠顯示表面開口缺陷的完整形狀，缺陷顯示對(duì)比度高，減少了缺陷的漏檢，提高了缺陷檢出率。

3 結(jié)論

(1) 對(duì)于均勻平面的表面開口淺缺陷，ECA的檢出能力優(yōu)于PT； ECA能在一定程度上檢出埋藏較淺的近表面缺陷，而PT無(wú)法檢測(cè)近表面缺陷；ECA能在一定程度上對(duì)表面開口淺缺陷進(jìn)行深度評(píng)估，但要選擇表面開口相近的參考體。

(2) 對(duì)于均勻表面的開口SCC和孔蝕的檢測(cè)，ECA的缺陷分辨力略低于PT，但是ECA的缺陷顯示對(duì)比度和缺陷檢出率高于PT的。