超導(dǎo)電纜不銹鋼護(hù)套焊縫的渦流陣列檢測(cè)

張義鳳

(上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

電纜金屬護(hù)套是用鉛、鋁、不銹鋼或銅包覆在電纜纜芯上的密封套，用于隔熱以維持電纜的低溫工作環(huán)境，是各類電纜不可或缺的關(guān)鍵部件。按照生產(chǎn)工藝，金屬護(hù)套可分為擠包無縫金屬護(hù)套、縱向焊縫金屬護(hù)套和綜合護(hù)套3種。通常，高壓超導(dǎo)電纜采用焊接波紋管護(hù)套、無縫鉛護(hù)套和無縫波紋管鋁護(hù)套；高壓充油電纜采用無縫擠包鉛護(hù)套或無縫波紋管鋁護(hù)套；通信電纜采用無縫擠包鋁護(hù)套和無縫波紋管鋁護(hù)套[1]。對(duì)于超導(dǎo)電纜不銹鋼縱向焊縫金屬護(hù)套，為了保證護(hù)套的密封、隔熱等特性，要求焊接質(zhì)量穩(wěn)定，不能出現(xiàn)氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等缺陷。任何一種缺陷都將給電纜質(zhì)量監(jiān)控和后續(xù)的在線運(yùn)行帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何在不銹鋼護(hù)套的生產(chǎn)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，對(duì)電纜的質(zhì)量保障具有極為重要的意義，也是電纜生產(chǎn)中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)常規(guī)無損檢測(cè)手段無法滿足超導(dǎo)電纜不銹鋼護(hù)套焊縫檢測(cè)要求以及較高檢測(cè)效率要求的問題，筆者采用渦流陣列檢測(cè)技術(shù)對(duì)超導(dǎo)電纜不銹鋼護(hù)套焊縫進(jìn)行檢測(cè)，通過研究檢測(cè)方向、檢測(cè)頻率、提離效應(yīng)等對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，確定了適用于薄壁不銹鋼焊縫檢測(cè)的渦流陣列檢測(cè)工藝，并采用X射線膠片技術(shù)、X射線工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)技術(shù)對(duì)帶有人工缺陷和自然缺陷的超導(dǎo)電纜不銹鋼護(hù)套焊縫進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證了渦流陣列檢測(cè)技術(shù)的有效性，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)提供依據(jù)。

1 渦流陣列檢測(cè)方法

1.1 基本原理

渦流陣列檢測(cè)(Eddy Current Array Testing,ECAT)是在傳統(tǒng)渦流檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新興技術(shù)。其原理與傳統(tǒng)渦流檢測(cè)技術(shù)相同，都是通過研究被測(cè)材料中缺陷與電磁場(chǎng)之間的相互作用，并基于已知電磁場(chǎng)求解散射場(chǎng)的大小和分布，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)定的[2]。在此基礎(chǔ)上，通過合理的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使渦流探頭陣列化，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)完成信號(hào)的激勵(lì)、運(yùn)放、采集、調(diào)理、顯示等功能，從而實(shí)現(xiàn)被檢對(duì)象的快速、高效和數(shù)字化檢測(cè)[3-5]。為了檢測(cè)曲面和復(fù)雜工件，在渦流陣列探頭的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了柔性渦流陣列探頭，其柔韌性好，與復(fù)雜曲面貼合良好，可有效降低提離距離與耦合不良等因素對(duì)渦流檢測(cè)的不利影響[6]。

渦流陣列檢測(cè)技術(shù)是基于電子學(xué)原理對(duì)傳感器單元采用分時(shí)切換復(fù)用的，通過單次掃查就能達(dá)到傳統(tǒng)單探頭渦流檢測(cè)的多次掃查效果，其具有下列優(yōu)點(diǎn)：① 檢測(cè)速度快、檢測(cè)效率高，通常是常規(guī)渦流檢測(cè)效率的10～100倍[4]；② 檢測(cè)結(jié)果為數(shù)字C掃描實(shí)時(shí)成像，檢測(cè)結(jié)果直觀易讀，便于評(píng)定；③ 柔性探頭可以根據(jù)被檢工件表面區(qū)域和形狀定制，耦合效果更好，提離效應(yīng)影響更小，信噪比更高。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備、探頭與試板

試驗(yàn)設(shè)備選用多通道渦流陣列檢測(cè)儀，型號(hào)為ZETEC MIZ-21C-ARRAY；探頭采用柔性陣列渦流探頭，型號(hào)為ZETEC XPSC-001。渦流陣列探頭由32個(gè)單線圈組成，按規(guī)則排成2排，每排16個(gè)，2排線圈相互錯(cuò)開，避免漏檢。探頭頻率范圍為50 kHz～2 800 kHz，單線圈直徑為2 mm，通?？蓹z測(cè)到的最小缺陷尺寸為線圈直徑的一半，即1 mm，但對(duì)于不同的材料，檢測(cè)能力略有差異。所用試板為1塊304不銹鋼，其材料與最終被檢的電纜不銹鋼護(hù)套材料接近。試板尺寸(長×寬×厚)為368 mm×152.4 mm×1.2 mm，表面分別刻有通槽、短槽、通孔和平底孔，渦流陣列檢測(cè)試板結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，人工缺陷尺寸如表1，2所示。

圖1 渦流陣列檢測(cè)試板結(jié)構(gòu)示意

表1 渦流陣列試板人工刻槽尺寸 mm

表2 渦流陣列試板人工孔尺寸 mm

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

1.3.1 檢測(cè)方向的影響

為了確保能同時(shí)檢測(cè)到不同方向的缺陷，并避免相鄰線圈之間的串?dāng)_，采用分時(shí)切換技術(shù)對(duì)選用的柔性渦流陣列探頭單線圈進(jìn)行分時(shí)、分批激活。單線圈在不同時(shí)間、不同激勵(lì)下，既可作為發(fā)射線圈又可作為接收線圈，并與周圍線圈形成發(fā)射/接收線圈檢測(cè)單元，如圖2(a)所示；在分時(shí)切換技術(shù)控制下，發(fā)射/接收線圈檢測(cè)單元從探頭起始線圈開始依次工作，從而實(shí)現(xiàn)一次檢測(cè)，該方法可實(shí)現(xiàn)覆蓋區(qū)域內(nèi)軸向、周向缺陷的全檢測(cè)，因此檢測(cè)方向?qū)Σ煌呦虻娜毕輽z測(cè)結(jié)果基本沒有影響。分時(shí)復(fù)用激勵(lì)模式如圖2(b)所示。

圖2 渦流陣列探頭檢測(cè)原理示意

1.3.2 檢測(cè)頻率影響試驗(yàn)與分析

檢測(cè)頻率是渦流檢測(cè)中最具有影響力的因素之一[7]，不同儀器、不同探頭支持的頻率范圍不同，不同檢測(cè)頻率下，不同材料、不同缺陷的檢測(cè)結(jié)果也不相同。MIZ-21C-ARRAY渦流陣列檢測(cè)儀支持的頻率范圍為5 Hz～10 MHz，所選用的渦流陣列柔性探頭的頻率范圍為50 kHz2 800 kHz，根據(jù)不銹鋼試板上短槽、通孔和平底孔等缺陷對(duì)不同頻率的響應(yīng)情況，選擇試驗(yàn)頻率范圍為50 kHz～900 kHz，檢測(cè)增益設(shè)定為40 dB，激勵(lì)電壓為6 V，在不同檢測(cè)頻率下，依次測(cè)量和分析不同人工缺陷的幅值信號(hào)和相位，以確定適用于電纜不銹鋼護(hù)套焊縫的檢測(cè)頻率。

當(dāng)檢測(cè)頻率為600 kHz時(shí)，陣列渦流檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。試板上所有人工缺陷都能夠被清晰地檢測(cè)出，在不同檢測(cè)頻率下，所有缺陷信號(hào)的幅值和相位信息如表3和表4所示。分別繪制檢測(cè)頻率與幅值、檢測(cè)頻率與相位的關(guān)系曲線，如圖4和圖5所示，可見對(duì)于不同類型、不同深度的槽和平底孔人工缺陷，在350 kHz和600 kHz檢測(cè)頻率下的檢測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于其他檢測(cè)頻率下的檢測(cè)結(jié)果，可以作為實(shí)際工件檢測(cè)時(shí)選擇檢測(cè)頻率的參考。

圖3 檢測(cè)頻率為600 kHz時(shí)的缺陷信號(hào)

圖4 不同缺陷信號(hào)檢測(cè)頻率與幅值的關(guān)系曲線

圖5 不同缺陷信號(hào)檢測(cè)頻率與相位的關(guān)系曲線

表3 不同檢測(cè)頻率下不同人工缺陷的幅值

表4 不同檢測(cè)頻率下不同人工缺陷的相位

1.3.3 提離效應(yīng)影響試驗(yàn)與分析

對(duì)于實(shí)際電纜不銹鋼護(hù)套焊縫的檢測(cè)，需實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此需要考慮渦流陣列探頭在長時(shí)間檢測(cè)后的磨損情況。為了盡量減少探頭的磨損，有必要研究提離效應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)有限提離距離下的非接觸渦流陣列檢測(cè)提供依據(jù)。提離效應(yīng)影響試驗(yàn)中檢測(cè)增益設(shè)定為53 dB，檢測(cè)頻率設(shè)定為600 kHz，在不同的提離距離下，依次測(cè)量和分析不同人工缺陷的幅值信號(hào)和相位，以此確定合適的提離距離。不同提離距離下檢測(cè)信號(hào)的幅值和相位分別如表5和表6所示，提離距離與信號(hào)幅值的關(guān)系曲線如圖6所示，提離距離與信號(hào)相位的關(guān)系曲線如圖7所示，檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。根據(jù)表5和表6，可以得到不同深度、不同類型缺陷對(duì)應(yīng)的提離距離極限值(見表7)。對(duì)于孔型缺陷，在選擇提離距離時(shí)，還應(yīng)考慮孔的直徑對(duì)提離距離的影響。在線實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)，可以根據(jù)檢測(cè)精度的要求，在確保檢測(cè)靈敏度的前提下，按照表7選擇適當(dāng)?shù)奶犭x距離。

表5 不同提離距離下不同人工缺陷的幅值

表6 不同提離距離下不同人工缺陷的相位

圖6 不同缺陷提離距離與信號(hào)幅值的關(guān)系曲線

圖7 不同缺陷提離距離與信號(hào)相位的關(guān)系曲線

圖8 不同提離距離下的檢測(cè)結(jié)果

2 試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 電纜不銹鋼護(hù)套人工缺陷的渦流陣列檢測(cè)

對(duì)實(shí)際電纜不銹鋼護(hù)套進(jìn)行渦流陣列檢測(cè)，截取一段實(shí)際的電纜不銹鋼護(hù)套，在其內(nèi)外壁焊縫上分別設(shè)計(jì)了不同深度、不同方向的人工刻槽，如圖9所示。采用柔性渦流陣列探頭對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)頻率為350 kHz，增益設(shè)定為50 dB，所有設(shè)定的人工缺陷能夠全部有效檢出，檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。此外，不論是對(duì)于軸向缺陷還是周向缺陷，渦流陣列探頭都是沿著軸向進(jìn)行掃查的，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了1.3.1中給出的檢測(cè)方向?qū)z測(cè)結(jié)果基本沒有影響的結(jié)論。

圖9 實(shí)際電纜不銹鋼護(hù)套人工缺陷示意

圖10 實(shí)際電纜不銹鋼護(hù)套人工缺陷檢測(cè)結(jié)果

2.2 電纜不銹鋼護(hù)套自然缺陷檢測(cè)

2.2.1 渦流陣列檢測(cè)

截取一段含有未焊透缺陷的電纜不銹鋼護(hù)套焊縫進(jìn)行渦流陣列檢測(cè)，實(shí)際工件和檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。由圖11(b)可知，對(duì)于焊縫根部未焊透缺陷，渦流陣列檢測(cè)可以有效檢出缺陷，可用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

圖11 實(shí)際電纜不銹鋼護(hù)套外觀及其自然缺陷的渦流陣列檢測(cè)結(jié)果

2.2.2 X射線膠片檢測(cè)

為了驗(yàn)證渦流陣列檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，對(duì)帶有自然缺陷的電纜護(hù)套進(jìn)行了X射線膠片檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖12所示，可見較為清晰的未焊透缺陷。

圖12 實(shí)際電纜不銹鋼護(hù)套自然缺陷X射線檢測(cè)結(jié)果

2.2.3 工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像(CT)檢測(cè)

對(duì)焊縫完好部位和帶有缺陷部位同時(shí)進(jìn)行CT掃描，結(jié)果如圖13所示，可以直觀地分辨出焊縫完好部位和未焊透的部位，也進(jìn)一步驗(yàn)證了渦流陣列檢測(cè)的有效性。

圖13 實(shí)際電纜不銹鋼護(hù)套自然缺陷X射線工業(yè)CT檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電纜不銹鋼護(hù)套焊縫的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，針對(duì)常規(guī)無損檢測(cè)方法無法滿足超導(dǎo)電纜不銹鋼護(hù)套焊縫檢測(cè)要求以及較高檢測(cè)效率要求的問題，采用渦流陣列檢測(cè)技術(shù)對(duì)電纜不銹鋼護(hù)套焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，分別研究了檢測(cè)方向、檢測(cè)頻率和提離效應(yīng)等對(duì)不同類型、不同尺寸人工缺陷檢測(cè)的影響。結(jié)果表明：① 由于所采用的柔性渦流陣列探頭采用了分時(shí)復(fù)用技術(shù)，單線圈在不同時(shí)間不同激勵(lì)下既可作為發(fā)射線圈又可作為接收線圈，可以確保一次掃查中不同方向的缺陷不漏檢；② 對(duì)于不銹鋼護(hù)套焊縫，在350 kHz和600 kHz檢測(cè)頻率下，可以得到較為理想的檢測(cè)結(jié)果；③ 提離距離對(duì)渦流陣列檢測(cè)結(jié)果影響較大，對(duì)于槽型和孔型缺陷，分別給出了不同深度下的提離距離極限值，在線實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)，可以根據(jù)檢測(cè)精度要求，在確保檢測(cè)靈敏度的前提下，只要選擇適當(dāng)?shù)奶犭x距離，既可減少對(duì)探頭的磨損，也可保證缺陷的有效檢出。此外，還分別采用渦流陣列檢測(cè)技術(shù)、X射線膠片技術(shù)和X射線工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)對(duì)實(shí)際電纜不銹鋼護(hù)套焊縫人工缺陷和自然缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，驗(yàn)證了渦流陣列檢測(cè)工藝和結(jié)果的有效性，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電纜不銹鋼護(hù)套焊縫的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)提供了依據(jù)。