基于數(shù)值計算的不同頻率對渦流檢測缺陷判識影響研究

韓捷 祁攀 姜婷婷 高厚秀 王波 辛露

【摘 要】本研究是使用數(shù)值計算軟件對被檢管材及存在的缺陷進行數(shù)值建模，模擬渦流場對被檢對象進行渦流檢測的理論研究。目的在于測試在蒸汽發(fā)生器傳熱管探傷中使用不同頻率對渦流檢測缺陷判識時某些因素的影響；主要是研究針對于同一缺陷在使用不同頻率時對缺陷信號響應(yīng)幅值及相位的影響，并結(jié)合工程實際，找出適合對缺陷進行定量分析的最佳頻率范圍。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值模擬；渦流檢驗；缺陷判識

中圖分類號： TH878 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0009-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.004

【Abstract】This research uses numerical software to model the tube and the existing defects， and simulate the theoretical study of eddy current field testing . The purpose of this study is to test the influence of different frequencies on the detection in the detection of steam generator heat transfer pipe. The main purpose is to study the effect of the same defect on the amplitude and phase of the response to the defect signal at different frequencies， and to find out the optimal frequency range for quantitative analysis of defects with the engineering practice.

【Key words】Numerical simulation； Eddy current testing； Defect identification

0 引言

蒸汽發(fā)生器傳熱管是壓水堆核電機組一回路承壓邊界的重要組成部分，因此傳熱管的完整性對于評價核電站安全運行至關(guān)重要，目前主要使用渦流檢測的方法進行評價。但是在目前渦流數(shù)據(jù)分析中，遇到不少對傳熱管多缺陷響應(yīng)信號判識的疑難問題，特別是傳統(tǒng)上對渦流判傷的影響研究主要采用以下2種方式：（1）制造大量試驗管，通過采集分析統(tǒng)計的方法進行影響研究；（2）確定管子實際缺陷，對管子缺陷進行解剖測量，并用統(tǒng)計方法評估渦流檢測的判傷影響。由于前者的試驗管加工與計量的偏差對可靠性分析造成了一定的難度和成本的增加；后者則由于實際缺陷的偶然性，采樣不夠完整全面，其結(jié)果并不具有普遍性[1]。

在此，采用數(shù)值計算方法作為渦流判傷相關(guān)影響因素研究的主要手段，以我所研發(fā)的數(shù)值計算模擬軟件作為計算輔助平臺，模擬實際檢測條件進行分析，能方便、迅速地得到檢測數(shù)據(jù)，測量或計算已知缺陷產(chǎn)生的阻抗信號；同時可以較好地實現(xiàn)對檢測對象的定性研究和對渦流定量檢測的可靠性分析，在較大程度上彌補試驗方法的不足。

1 缺陷電磁場的數(shù)值計算

1.1 問題定義

對于非鐵磁性材料，μ≈μ0=4π×107H/m。因此本實驗中可選擇的頻率比f/fg應(yīng)小于1331/25.9≈51，此值與理論區(qū)間值0～50符合；根據(jù)上述結(jié)論在本試驗中，主要選擇10～800Khz頻率區(qū)間作為頻率變化的范圍來對具體對象進行分析研究，可以滿足渦流有效透入深度的前提條件。

2 試驗過程及計算結(jié)果

渦流檢測二維模型為保持缺陷大小不變，改變試驗頻率f，取10Khz下通孔缺陷的信號相位響應(yīng)角為40°時的旋度24°為基準旋度，求得f值從10～800Khz、通孔直徑從0.2～1.5mm由小到大依次改變時缺陷響應(yīng)信號的幅值及相位。

歸納統(tǒng)計以上各組計算結(jié)果，再由此得出頻率幅值相位的關(guān)系曲線，在此，由下式計算不同直徑情況下通孔缺陷響應(yīng)信號穩(wěn)定值與最大值之間的偏差范圍：

由此求得：

分析可得：隨著試驗頻率的逐漸增加，缺陷的相位在頻率處于10～400Khz的情況下時也逐漸增加，并均在400或550Khz時得到缺陷響應(yīng)的相位最大值，隨后缺陷相位值較最大值略微減?。?lt;4%），但也處于可接受范圍，故可歸納為缺陷響應(yīng)信號相位值在試驗頻率增大到一定值（本實驗中為400～550Khz之間）后會趨于穩(wěn)定，此時通過相位判傷曲線對缺陷深度進行定量分析時結(jié)果更為準確。

另外計算得知，隨著缺陷直徑的增加，相位最大值與穩(wěn)定值的偏差范圍越來越小，即缺陷越大，檢測可靠性越高，這和實際規(guī)律是吻合的；另一方面，在同一頻率下，不同直徑的缺陷相位的絕對變化量在10Khz時最?。?°），在400Khz時最大（19°），因此可得在使用后者頻率時，對缺陷的尺寸變化更為靈敏。結(jié)合工程實際，在針對一處疑似通孔缺陷進行分析時，使用400～550 Khz之間頻率對缺陷相位的檢測靈敏度更高。

同以上過程，分別計算求得不同深度外缺陷和內(nèi)缺陷在不同頻率下的變化規(guī)律。

3 小結(jié)

由以上數(shù)值計算實驗以及各部分對數(shù)據(jù)的分析小結(jié)歸納總結(jié)可得：

1）針對不同深度的外壁缺陷，不同檢測頻率下缺陷響應(yīng)信號的幅值變化規(guī)律存在兩種不同的變化關(guān)系，而這種變化關(guān)系的不同是根據(jù)缺陷達到一定深度值來進行分段區(qū)分，由此來根據(jù)不同的頻率選擇方法來選擇合適的檢測頻率。具體在本數(shù)值計算實驗中所區(qū)分的情形為：

（1）對于傷深小于等于60%壁厚的外缺陷，隨著檢測頻率的增加缺陷響應(yīng)幅值先達到一個最大值，而后緩慢減?。淮藭r存在一個最佳的檢測頻率，使得對缺陷響應(yīng)信號的靈敏度最大。而這個最佳檢測頻率主要位于400-750Khz之間，并且大部分集中于450-550Khz范圍內(nèi)；另外，相同深度下，隨著外缺陷直徑的增加，使得缺陷響應(yīng)信號幅值最大時的檢測頻率也呈一個逐漸增加的趨勢。因此對于一個估計會存在較大缺陷的被檢對象，可以在此最佳頻率范圍內(nèi)選擇相對較大的檢測頻率，再根據(jù)相位判傷法可確定合適的相位—深度對應(yīng)關(guān)系，本實驗中選擇500Khz之間的頻率對外壁較淺缺陷的響應(yīng)靈敏度最高，有利于使用相位判傷曲線來對缺陷進行定量分析，此時對缺陷深度的定量結(jié)果也就更為可靠。

（2）對于傷深大于60%壁厚（包括通孔缺陷）的外缺陷，隨著檢測頻率的增加，缺陷響應(yīng)信號的幅值也會越來越大，呈單調(diào)遞增關(guān)系，此時無法單獨依據(jù)頻率-幅值變化關(guān)系來選擇檢測頻率，而應(yīng)主要依據(jù)能得到良好的相位深度對應(yīng)曲線時的頻率來選擇檢測頻率。

2）對于內(nèi)缺陷，無論缺陷深度如何變化，其響應(yīng)幅值都隨檢測頻率增加而增加，呈單調(diào)遞增關(guān)系；在滿足透入深度的條件下，采用較高檢測頻率對缺陷的檢測靈敏度也就越高。此時主要考慮相關(guān)頻率下相位判傷曲線的相位-深度對應(yīng)性對工程實踐是否適用，然后再取此頻率范圍中的最大頻率來確定最佳檢測頻率。而由之前分析歸納得，對于本研究對象，采用400-550Khz范圍內(nèi)的試驗頻率對外壁缺陷的檢測靈敏度較高，有利于使用相位判傷曲線來對缺陷進行定量分析，對缺陷深度的定量結(jié)果也更為可靠。

【參考文獻】

[1]韓捷，廖述圣.核電站管道缺陷渦流定量檢測的可靠性分析[J].核動力工程，2009，30（4）：17-20.