鐵素體不銹鋼傳熱管遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)分析技術(shù)

國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司 于 巖 曾啟暢 郭 韻

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流（RFT）技術(shù)最早發(fā)表于1951年美國(guó)W.R.Maclean的一篇專利報(bào)告中，50年代末60年代初，殼牌公司將該技術(shù)成功應(yīng)用于油井套管的檢測(cè)中。在核電領(lǐng)域，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)更多地被用于鐵磁性傳熱管的在役檢查中。

標(biāo)準(zhǔn)方面，美國(guó)ASTM E2096對(duì)于已安裝鐵磁性傳熱管（外徑12.7mm至50.8mm，壁厚0.71mm至3.4mm）遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的基本要求、系統(tǒng)、樣管、程序、報(bào)告等內(nèi)容。2010版ASME第V卷第17章引用了E2096，并對(duì)對(duì)比樣管、系統(tǒng)準(zhǔn)備及參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充。無(wú)論E2096還是ASME第V卷第17章，都未涉及驗(yàn)收的要求。國(guó)內(nèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)如NB/T 47013.6-2015和DL/T 833-2004基本參考引用了E2096，由于儀器設(shè)備的原因，都不要求遠(yuǎn)場(chǎng)渦流信號(hào)用極坐標(biāo)電壓幅值平面，這對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流信號(hào)分析是不利的。DL/T 833-2004增加了檢測(cè)結(jié)果的評(píng)定，為實(shí)際缺陷評(píng)定及處理提供了依據(jù)。

無(wú)論參考ASME或E2096或者依據(jù)國(guó)內(nèi)NB/T 47013.6-2015和DL/T 833-2004進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)，都會(huì)遇到一些問(wèn)題，比如如何設(shè)計(jì)和使用對(duì)比樣管；缺陷信號(hào)特征分析；缺陷的定量。實(shí)際上，國(guó)內(nèi)鐵磁性遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)并未完全應(yīng)用成熟，尤其在分析技術(shù)上還存在諸多問(wèn)題，個(gè)別文獻(xiàn)也只針對(duì)碳鋼管。

1 鐵磁性不銹鋼傳熱管的常見(jiàn)降質(zhì)形式

TP439鐵素體不銹鋼換熱管的抗腐蝕特性優(yōu)于碳鋼，特別在高溫下有良好的力學(xué)性能，熱膨脹系數(shù)與碳鋼相當(dāng)，與奧氏體不銹鋼相比，具有良好的傳熱性和耐蝕性（耐氯化物應(yīng)力腐蝕、耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕等局部腐蝕），高溫抗氧化性更高，膨脹系數(shù)小，抗熱應(yīng)力能力大，在運(yùn)行條件下應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性小，硬度高，具有優(yōu)良的耐磨和耐沖蝕性能，又在停機(jī)期間不需要?dú)庀啾Ｗo(hù)，且價(jià)格便宜。國(guó)際上核電機(jī)組的高壓加熱器已大量采用這種換熱管，國(guó)內(nèi)嶺澳、紅沿河、寧德以及田灣核電三、四號(hào)機(jī)組也采用了該材質(zhì)。

雖然鐵素體不銹鋼具有諸多優(yōu)良性能，但是由于其可焊性差，在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生微裂紋；在冷變形的過(guò)程中，存在脆性開(kāi)裂；室溫及低溫韌性差，缺口敏感性高，對(duì)晶間腐蝕比較敏感（尤其在氯離子的化學(xué)侵蝕下）。高壓加熱器傳熱管采用鐵素體不銹鋼材料時(shí)，主要的失效形式包括：腐蝕（晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕）、液體沖蝕、裂紋以及振動(dòng)磨損。

2 鐵磁性不銹鋼傳熱管的缺陷遠(yuǎn)場(chǎng)渦流分析

2.1 缺陷特征分析

通過(guò)一系列試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)場(chǎng)渦流對(duì)于體積量較小的缺陷（比如孔徑小于一倍壁厚以下的通孔）是不靈敏的，因此遠(yuǎn)場(chǎng)渦流是用于檢測(cè)較大的缺陷或大面積管壁減薄的；遠(yuǎn)場(chǎng)渦流對(duì)于內(nèi)壁缺陷和外壁缺陷是無(wú)法從相位上予以區(qū)分的，因此對(duì)比樣管上都采用了外壁缺陷表征；遠(yuǎn)場(chǎng)渦流由于檢測(cè)線圈響應(yīng)范圍比常規(guī)渦流探頭要大，所以缺陷的分辨力不如常規(guī)探頭，相鄰缺陷信號(hào)比較容易疊加，疊加之后信號(hào)特征分析由于篇幅關(guān)系在本文中不作討論；遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)對(duì)于缺陷的軸向方向的變化能夠反映在信號(hào)特征，但同一圓周上缺陷的幾何形態(tài)和數(shù)量是綜合作用于信號(hào)的幅值上，并不能從信號(hào)特征上予以區(qū)分。

基于以上所述第4點(diǎn)，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流信號(hào)從信號(hào)特征只能分為長(zhǎng)缺陷（軸向長(zhǎng)度超過(guò)檢測(cè)線圈響應(yīng)范圍）和短缺陷（軸向長(zhǎng)度小于檢測(cè)線圈響應(yīng)范圍）兩種。而遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭根據(jù)激勵(lì)形式的不同又可以分為單激勵(lì)和雙激勵(lì)。下文針對(duì)單激勵(lì)和雙激勵(lì)的渦流信號(hào)特征進(jìn)行闡述。

2.1.1 單激勵(lì)探頭信號(hào)特征

單激勵(lì)探頭是遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)探頭中常見(jiàn)的一類內(nèi)穿差分式探頭，探頭由1個(gè)激勵(lì)線圈與2個(gè)檢測(cè)線圈組成。由于兩個(gè)檢測(cè)線圈距離激勵(lì)線圈的相對(duì)距離不一致，因此信號(hào)上呈現(xiàn)“8”字不對(duì)稱的特點(diǎn)，但相較于雙激勵(lì)探頭，其具有檢測(cè)盲區(qū)較小的優(yōu)勢(shì)。如圖1所示，靠近探頭頂部的為激勵(lì)線圈，靠近探頭尾部的藍(lán)色及紅色線圈為檢測(cè)線圈。

圖1 單激勵(lì)探頭示意圖

短缺陷在差分通道上表現(xiàn)為一個(gè)較大差分信號(hào)和一個(gè)單邊小信號(hào)，絕對(duì)通道極坐標(biāo)上是兩個(gè)幅值和角度近似的單邊信號(hào)，單激勵(lì)短缺陷（圓底孔）的特征如圖2所示。

圖2 短缺陷顯示信號(hào)（圓底孔）

另外，如圖3所示的幾種缺陷信號(hào)特征也和圖2類似。

圖3 具有短缺陷特征的缺陷

長(zhǎng)缺陷在差分通道上表現(xiàn)為一個(gè)差分大信號(hào)（信號(hào)中有“臺(tái)階”）和一個(gè)單邊小信號(hào)（信號(hào)有“臺(tái)階”），絕對(duì)通道極坐標(biāo)上是兩個(gè)幅值和角度近似的單邊信號(hào)（有“臺(tái)階”），單激勵(lì)長(zhǎng)缺陷（周向槽）的特征如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)缺陷顯示信號(hào)（長(zhǎng)環(huán)槽）

另外，如圖5所示長(zhǎng)單邊槽信號(hào)響應(yīng)也和圖4類似。

圖5 單邊長(zhǎng)槽

2.1.2 雙激勵(lì)探頭信號(hào)特征

雙激勵(lì)探頭是遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)探頭中另一類常見(jiàn)的內(nèi)穿差分式探頭，探頭由2個(gè)激勵(lì)線圈與2個(gè)檢測(cè)線圈組成。如圖6所示，靠近探頭兩端的是激勵(lì)線圈，探頭中部的藍(lán)色及紅色線圈為檢測(cè)線圈。由于雙激勵(lì)探頭存在兩個(gè)激勵(lì)線圈，因此雙激勵(lì)探頭的長(zhǎng)度較單激勵(lì)探頭長(zhǎng)很多，檢測(cè)盲區(qū)也更大，但信號(hào)的對(duì)稱性上明顯優(yōu)于單激勵(lì)探頭。

圖6 雙激勵(lì)探頭示意圖

短缺陷在差分通道和絕對(duì)通道上表現(xiàn)為一個(gè)較大差分信號(hào)和兩側(cè)各有一個(gè)單邊小信號(hào)，雙激勵(lì)短缺陷（圓底孔）的特征如圖7所示。

圖7 短陷顯示信號(hào)（180°短槽）

另外，圖8所示幾種缺陷信號(hào)特征也和圖7類似。

圖8 具有短缺陷特征的缺陷

長(zhǎng)缺陷在差分通道上和絕對(duì)通道上都出現(xiàn)了“臺(tái)階”“一大兩小信號(hào)”都變長(zhǎng)，長(zhǎng)缺陷（周向槽）的特征如圖9所示。另外，對(duì)于雙激勵(lì)探頭，圖5所示單邊長(zhǎng)槽的信號(hào)特征和圖9相類似。

圖9 長(zhǎng)缺陷顯示信號(hào)（長(zhǎng)環(huán)槽）

2.2 信號(hào)顯示評(píng)定方法

根據(jù)上文中信號(hào)特征對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行分類，信號(hào)顯示可分為長(zhǎng)缺陷和短缺陷。實(shí)際長(zhǎng)缺陷包括了周向、軸向、漸變長(zhǎng)缺陷。實(shí)際短缺陷包括了點(diǎn)狀、軸向和周向短缺陷。點(diǎn)狀&短軸向缺陷和短周向缺陷從幅值上可以進(jìn)行區(qū)分，短周向缺陷的幅值大于點(diǎn)狀&短軸向缺陷。將長(zhǎng)缺陷、點(diǎn)狀或短軸向缺陷、短周向缺陷三類分別依據(jù)如圖10所示流程進(jìn)行評(píng)定。

圖10 信號(hào)顯示評(píng)定流程圖

以上評(píng)定缺陷所用判傷曲線，都應(yīng)采用與被檢缺陷形態(tài)近似的不同深度的人工缺陷制作擬合。以點(diǎn)狀缺陷為例，可采用圖11所示對(duì)比樣管。

圖11 點(diǎn)狀缺陷對(duì)比樣管

以短周向缺陷為例，若實(shí)際缺陷是單側(cè)的減薄，則可采用圖12所示單邊周向短槽的對(duì)比樣管。

圖12 單邊周向短槽的對(duì)比樣管

將研究結(jié)果應(yīng)用于某核電廠在役檢查，對(duì)Φ19×0.9mm低壓加熱器的TP439傳熱管實(shí)施遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)，其中一臺(tái)發(fā)現(xiàn)了缺陷，一處缺陷深度壁厚減薄量超過(guò)40%。

3 結(jié)語(yǔ)

采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流可有效地檢測(cè)鐵素體不銹鋼傳熱管中較大體積量的缺陷。依據(jù)缺陷的信號(hào)特征可將缺陷區(qū)分為長(zhǎng)缺陷和短缺陷，再依據(jù)幅值可以進(jìn)一步將短缺陷細(xì)分為點(diǎn)狀還是周向缺陷，從而實(shí)現(xiàn)缺陷的分類和評(píng)定。缺陷的評(píng)定時(shí)，所用對(duì)比樣管的人工缺陷要和實(shí)際缺陷類似，以不同深度缺陷擬合出判傷曲線。本文系統(tǒng)地闡述了對(duì)于鐵素體不銹鋼傳熱管遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)分析中缺陷特征分析、缺陷評(píng)定以及對(duì)比樣管缺陷設(shè)計(jì)三個(gè)重點(diǎn)，對(duì)于行業(yè)內(nèi)，在參考國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)有參考和借鑒價(jià)值。