渦流陣列技術(shù)在焊縫檢測上的應(yīng)用初探

張一平 羅 雄 楊開宇 伍少杰 苗丕渝 王鈺淞

（1.成都市特種設(shè)備檢驗院 成都 610000）

（2.北京新興日祥科技發(fā)展有限公司 北京 100023）

1 渦流陣列的基本原理及應(yīng)用現(xiàn)狀

渦流陣列技術(shù)與傳統(tǒng)的渦流檢測技術(shù)相比，主要不同點(diǎn)在于渦流陣列的探頭是由多個獨(dú)立工作的線圈構(gòu)成（如圖1所示），通過特殊設(shè)計，利用計算機(jī)的強(qiáng)大能力，完成檢測。由于其探頭尺寸較大，且外形可根據(jù)實際被檢測對象的形面進(jìn)行設(shè)計，因而還具有克服和消除提離效應(yīng)的優(yōu)勢[1]。同時渦流陣列能給出大量有關(guān)焊接接頭質(zhì)量的數(shù)據(jù)，因而可從圖像中清楚地看出在材質(zhì)變化的同時存在的微小缺陷（如裂紋等）[2]。

本文通過實驗對渦流陣列在承壓設(shè)備焊縫表面缺陷檢測中的使用可行性進(jìn)行了驗證，并對實驗和現(xiàn)場使用中發(fā)現(xiàn)的問題，嘗試性提出了解決辦法。

圖1 傳統(tǒng)渦流（左）和渦流陣列（右）掃查對比

2 實驗與說明

為了驗證渦流陣列對焊縫的檢測效果，筆者做了焊縫對比實驗；考慮到焊縫存在涂層及高低不平，筆者做了提離實驗；考慮到裂紋是多種方向，筆者做了掃查角度實驗。

2.1 焊縫對比實驗

●2.1.1 實驗材料

1）Q345鋼焊接試板一塊，以下簡稱Q345板。規(guī)格為：300mm×280mm×12mm，雙面焊（焊縫兩面都有裂紋），余高3.5mm不等。

316鋼焊接試板一塊（以下簡稱316板）。規(guī)格為：400mm×300mm×25mm，雙面焊（焊縫兩面都有裂紋），余高3mm不等。

2）磁粉探傷設(shè)備、滲透探傷設(shè)備各一套、焊檢尺一把。

3）渦流探傷儀+帶提離補(bǔ)償功能一種新型渦流陣列探頭（該探頭線圈為焊縫檢測專用線圈）。

●2.1.2 實驗步驟

1）Q345板分別做滲透、磁粉、陣列渦流檢測，觀察并記錄其顯示圖像；

2）316板做滲透、渦流陣列檢測，觀察并記錄其顯示圖像。

●2.1.3 實驗結(jié)果及說明

1）實驗結(jié)果顯示如圖2～圖5所示。

說明：Q345板的磁粉顯示與滲透顯示完全吻合，但滲透顯示照相效果更好些，為節(jié)省篇幅，未羅列磁粉檢測圖片。

2）Q345板正面檢測情況：滲透檢測顯示與渦流陣列檢測的顯示非常吻合，見圖2。

圖2 Q345板正面的滲透檢測圖（左）和渦流陣列檢測圖（右）

3）Q345板背面檢測情況：滲透檢測顯示與渦流陣列檢測的顯示基本吻合，見圖3。但滲透圖中，右側(cè)區(qū)域的裂紋顯示很淺，應(yīng)是右側(cè)的缺陷比較細(xì)小造成的，但渦流顯示明顯。

圖3 Q345板背面的滲透檢測圖（左）和渦流陣列檢測圖（右）

4）316板正面檢測情況：滲透與渦流陣列顯示照片非常吻合，見圖4。

圖4 316板正面的滲透檢測圖（左）和渦流陣列檢測圖（右）

5）316板背面檢測情況：滲透檢測與陣列渦流檢測相差很大，見圖5。滲透只顯示有一處缺陷，而渦流陣列顯示有三處缺陷。

圖5 316板背面的滲透檢測圖（左）和渦流陣列檢測圖（右）

2.2 提離實驗

●2.2.1 實驗材料

1）多刻槽平板試塊一塊，見圖6。

圖6 多刻槽平板試塊

該平板試塊的規(guī)格為355mm×115mm×7mm ，材料20號鋼，其刻槽參數(shù)見表1。

表1 多刻槽平板試塊刻槽參數(shù)

2）標(biāo)準(zhǔn)白色A4打印紙（70g）若干，游標(biāo)卡尺一把。

3）渦流探傷儀+帶提離補(bǔ)償功能一種新型渦流陣列探頭（該探頭線圈為焊縫檢測專用線圈）。

●2.2.2 實驗步驟

1）將探頭在該試塊上掃查后，完成校核+深度校準(zhǔn)，其顯示見圖7（圖7左側(cè)）。

2）在試塊上墊紙，逐張增加，掃查帶紙的試板，觀察圖形和刻槽2的深度變化。

●2.2.3 實驗結(jié)果及說明

1）渦流陣列檢測該試板，從不墊紙一直增加到20張紙，顯示的圖像都沒什么變化，見圖7。光標(biāo)所在的2號刻槽深度值一直都穩(wěn)定在0.5mm （見圖7中Depth位置）。

圖7 試板上不墊紙掃查（左）和墊20張紙掃查（右）對比圖

2）紙張數(shù)量為21張到30張時，刻槽深度測量值depth=0.4mm；紙張數(shù)量為31張到40張時，刻槽深度測量值depth=0.3mm，見圖8。

圖8 試板上墊30張紙掃查（左）和墊40張紙掃查（右）對比圖

2.3 掃查角度實驗

●2.3.1 實驗材料

1）帶刻槽平板試塊一塊，見圖9（圖9左側(cè)圖），其刻槽參數(shù)如下：長50mm×寬2mm×深0.5mm，材料20號鋼。

圖9 刻槽試塊（左）和在該試塊上的掃查圖（右）

2）量角器、直尺各一把、膠帶一卷。

3）渦流探傷儀+帶提離補(bǔ)償功能一種新型渦流陣列探頭（該探頭線圈為焊縫檢測專用線圈）。

●2.3.2 實驗步驟

1）將探頭沿著圖9（右側(cè)圖）箭頭所示方向?qū)滩圻M(jìn)行掃查，掃查角度B從0o開始遞增，到90o結(jié)束，每間隔為4o。探頭線圈布置須垂直于掃查方向。

2）觀察刻槽顯示并測量Vpp、Hpp、SZ-AMPL、?pp；

說明：Vpp、Hpp、SZ-AMPL、?pp為渦流探傷儀（本實驗用）對缺陷阻抗變化的四個測量參數(shù)，其分別對應(yīng)缺陷的阻抗垂直分量幅值、水平分量幅值、整體幅值、渦流相應(yīng)信號相位角。這四個參數(shù)在該機(jī)處于分析模式下可以讀出。

●2.3.3 實驗結(jié)果及說明

觀察顯示及記錄測量結(jié)果，見表2。

表2 Vpp、Hpp、SZ-AMPL、?pp測量值及顯示表

說明：刻槽顯示的主觀評定釋義見圖10、圖11。

圖10 刻槽顯示為“差”（見左圖）和刻槽顯示為“2端點(diǎn)隱約可見”（見右圖）對比圖

圖11 刻槽顯示為“中間有間隔”（見左圖）和 刻槽顯示為“好”（見右圖）對比圖

3 分析與結(jié)論

3.1 焊縫對比實驗的分析與結(jié)論

為了減小電磁背景噪音的影響，使用了濾波。為減小濾波對圖像的影響，采用的是中值濾波；并且根據(jù)一些相關(guān)知識[3]，背景噪音產(chǎn)生的調(diào)制頻率相對較低，又增加了高通濾波。因此，整個掃查采用的是中值+高通濾波方式。由圖2～圖5可以看出，這種設(shè)置方式，信噪比非常好，缺陷顯示也很清晰。

圖5中，滲透顯示只有一處缺陷，但渦流顯示有3處缺陷。對該316板進(jìn)行了射線檢測，發(fā)現(xiàn)在圖5中標(biāo)記有大H部位處有一片裂紋，而滲透完全沒有顯示。究其原因，圖2～圖5渦流檢測的頻率都采用的是200.2kHz，在該頻率下，不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)透入滲透可達(dá)2～3mm[4]，其有效透入深度應(yīng)在5～9mm范圍內(nèi)。圖5也說明了渦流陣列與常規(guī)渦流一樣，不僅可以檢測焊縫中表面裂紋，還可以檢測出不銹鋼焊縫中的近表面裂紋。

但是也可以看出（包括在提離實驗中也存在同樣問題），渦流陣列顯示的裂紋形狀與滲透檢測顯示的形狀有一定出入，渦流陣列對裂紋在縱向方向（以C掃圖為基準(zhǔn)）的顯示有加強(qiáng)現(xiàn)象。這有賴于軟件升級改進(jìn)。

3.2 提離實驗的分析與結(jié)論

渦流的提離效應(yīng)是渦流的一個基本效應(yīng)。有的學(xué)者認(rèn)為：渦流陣列傳感器對提離距離十分敏感，利用這一特性可以進(jìn)行微小距離或腐蝕坑深度的測量[5]；也有學(xué)者認(rèn)為，渦流陣列具有克服和消除提離效應(yīng)的優(yōu)勢[1]。線圈不同的設(shè)計加之計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力肯定會達(dá)到不同的結(jié)果。

20張A4紙厚度為1.8mm，30張A4厚度為2.7mm，40張A4厚度為3.6mm。從7圖～圖8可以看出，提離1.8mm對檢測基本無任何影響；提離達(dá)到2.7mm，對檢測的影響也可以接受。特種設(shè)備現(xiàn)場條件下，涂層厚度一般不超過0.5mm。

在2.1所述的焊縫對比實驗時，為保護(hù)探頭和檢測更順暢，焊縫上是墊了鼠標(biāo)墊的（焊縫對比實驗所用試板都沒有做任何打磨，焊縫和母材上有飛濺物，這些飛濺物阻礙探頭移動）。實際上，墊和不墊鼠標(biāo)墊對檢測圖像基本沒影響，圖2～圖5就是墊了薄的鼠標(biāo)墊后的掃查圖像。在現(xiàn)場檢測時，如有可能，最好在檢測區(qū)域墊一層紙，這樣掃查更順暢。

從提離實驗可以看出，渦流陣列可以顯著降低提離效應(yīng)的影響。加之實驗所用渦流線圈是柔性的，這也有助于降低提離效應(yīng)對焊縫實施檢測的影響。

3.3 掃查角度實驗的分析與結(jié)論

因為對稱性關(guān)系，只做了0o～90o角度范圍內(nèi)的掃查實驗。

對表2的刻槽顯示進(jìn)行了量化統(tǒng)計，見圖12（量化方式見該圖）。

從圖12可見，在00～900角度范圍內(nèi)，角度掃查時有2個盲區(qū)，0o～8o，40o～50o，當(dāng)掃查方向與裂紋方向夾角在這2個角度范圍內(nèi)時，渦流陣列的圖像顯示很不理想，容易漏檢。

圖12 掃查角度與刻槽顯示的關(guān)系圖

為克服這種現(xiàn)象，在現(xiàn)場對焊縫實施檢測時，可將掃查方式做調(diào)整：對焊縫進(jìn)行兩次掃查。見圖13，兩次掃查方向的法線夾角a控制在12o～20o。這種掃查方式不僅解決了2個盲區(qū)問題，有利于缺陷發(fā)現(xiàn)，又保證了掃查效率（傾斜角度不大，則其掃查覆蓋面積可以得到較好保證）。

圖13 掃查布置圖

4 下一步實驗方向

筆者對多家大型鍋爐壓力容器制造企業(yè)和在用大型化工企業(yè)的近百臺各類壓力容器進(jìn)行了驗證掃查。檢測部位包括封頭拼縫、筒體縱環(huán)焊縫、法蘭拼縫、鍛件；材料涉及碳鋼、耐熱鋼、不銹鋼等。相對于磁粉和滲透等傳統(tǒng)表面檢測方法，渦流陣列在現(xiàn)場檢測中具有檢測速度快、效率高、不需要打磨、清潔環(huán)保、可記錄等很多優(yōu)點(diǎn)。

但由于特種設(shè)備承壓類設(shè)備種類較多，其不同的焊接方法、材料、熱處理方式、受壓情況、溫度高低、焊接后實施檢驗時間都可能影響渦流陣列檢測；頻率、濾波、背景、增益、角度、掃查步進(jìn)等參數(shù)的不同設(shè)置，又將直接影響檢測結(jié)果；渦流陣列顯示分為C掃圖（圖2～圖5，圖7～圖8，圖10～圖11的渦流顯示都屬于C掃）、阻抗圖、條帶圖，對表2的Vpp、Hpp、SZ-AMPL、?pp進(jìn)行統(tǒng)計（見圖14），可以看出，裂紋在阻抗圖中的角度和幅度顯示也都有一定的規(guī)律。

綜合這些因素，筆者下一步將分兩個方面開展工作：

1）使用濾波檢測工藝下的最佳參數(shù)問題。

中值濾波的點(diǎn)數(shù)、渦流頻率、旋轉(zhuǎn)角度、增益值等這些參數(shù)，對缺陷的分辨率和檢出率有相當(dāng)大的影響。不同的參數(shù)組合，顯示的圖像差異較大。確定這些工藝參數(shù)非常重要。

圖14 ?pp 、Vpp、 Hpp 、SZ-AMPL -掃查角度圖

2）不使用或部分使用濾波情況下，C掃圖與阻抗圖、條帶圖信息的聯(lián)合判定問題。

加了濾波后，部分信號有可能被過濾掉，部分裂紋（如僅作單次掃查時，裂紋走向與掃查方向完全相同的裂紋）存在漏檢可能；由于渦流陣列檢測非常靈敏，將一些外觀影響（稱之為非相關(guān)顯示）也顯示在C掃圖中（如封頭成型時的褶帶等），影響對設(shè)備缺陷的判斷。有效的利用阻抗圖、條帶圖與C掃圖，也許是快速區(qū)分缺陷和非相關(guān)顯示的一種途徑。

[1] 任吉林，林俊明.電磁無損檢測[M].北京：科學(xué)出版社，2008：220.

[2] 趙磊.陣列渦流無損檢測技術(shù)的研究及進(jìn)展[J].無損探傷，2009，33（02)：19-22.

[3] 渦流檢測[M].中國特種設(shè)備檢驗協(xié)會，69.

[4] 國防科技工業(yè)無損檢測人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材——渦流檢測[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，24.

[5] 杜金強(qiáng).裂紋長度和提離距離對渦流陣列傳感器[J].無損檢測，2015，37 (07) ：36-39.