奧氏體不銹鋼上缺陷渦流探頭POD新模型

王靜,凌元錦

(青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,山東青島266042)

壓力容器是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分之一。為了保障設(shè)備在運(yùn)行過程中能夠穩(wěn)定運(yùn)行,需要對(duì)壓力容器進(jìn)行定期的檢查[1-2]。壓力容器內(nèi)部通常會(huì)覆蓋奧氏體不銹鋼層,來增加壓力容器的耐腐蝕性,但是當(dāng)含氯離子的流體流入壓力容器時(shí),壓力容器內(nèi)部也會(huì)很容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕[3-4]。因此,無損檢測(cè)對(duì)于檢查壓力容器內(nèi)表面的完整性和設(shè)備的安全運(yùn)行來說就顯得尤為重要。無損檢測(cè)是在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象使用性能的前提下,采用渦流、超聲等檢測(cè)技術(shù)來判斷被檢對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)與性質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)的總稱[5]。

渦流檢測(cè)是檢測(cè)此類缺陷的一種潛在方法。渦流檢測(cè)對(duì)工件表面上或附近的缺陷具有很高的檢測(cè)靈敏度,并且在一定范圍內(nèi)具有良好的線性指示[6]。但是,由于奧氏體不銹鋼焊縫的表面比較粗糙,在進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高水平的噪音。當(dāng)缺陷的尺寸較小時(shí),噪聲信號(hào)將會(huì)覆蓋渦流缺陷信號(hào),從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出錯(cuò)。為了更加準(zhǔn)確地評(píng)估缺陷的檢出概率,有必要更概率地量化渦流探頭的檢測(cè)能力,以便進(jìn)行后續(xù)分析。

為了解決這一問題,缺陷檢出概率(POD)被使用來量化渦流探頭的檢測(cè)結(jié)果。POD的主要概念是在給定的檢測(cè)條件和工藝下,能夠檢測(cè)出某一缺陷尺寸范圍的可能性,它代表了無損檢測(cè)方法缺陷檢測(cè)的能力[7-9]。POD 不僅有助于量化非破壞性測(cè)試方法,而且有助于基于風(fēng)險(xiǎn)的維護(hù)[10-11]。傳統(tǒng)的POD 模型是定義缺陷檢測(cè)信號(hào)大于預(yù)定義決策閾值,則說明該缺陷可以被檢測(cè)出。但是,POD 曲線會(huì)隨決策閾值的變化而發(fā)生改變,沒有明確的理由說明哪一個(gè)決策閾值是合理的。

在此背景下,本工作中提出了一種新的POD模型,該模型對(duì)傳統(tǒng)的POD 模型進(jìn)行改進(jìn),不是定義固定的決策閾值去評(píng)估缺陷的檢出能力,而是采用隨機(jī)選取決策閾值的方法。所提出的方法可以使缺陷檢測(cè)能力不受主觀因素影響而呈現(xiàn)出POD 曲線的唯一性。在本研究中,制備了6塊覆蓋奧氏體不銹鋼包層的焊接板樣品,板上被鉆有43個(gè)不同尺寸的人工鉆孔,來模擬大型壓力容器內(nèi)表面上的腐蝕點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本工作提出的新的POD 模型對(duì)于評(píng)估渦流探頭在奧氏體不銹鋼中缺陷的檢測(cè)能力更為合理。

1 樣品制備和渦流檢測(cè)

1.1 板樣品的制作

這項(xiàng)研究制備了9塊板狀樣品,板表面覆蓋了奧氏體不銹鋼層,以模擬大型壓力容器的內(nèi)壁。由于奧氏體不銹鋼材料價(jià)格較高,而且制造的過程中有許多不同于低合金鋼和碳素鋼的特殊要求,綜合各種條件考慮,所以本工作中板樣品采用了復(fù)層為奧氏體不銹鋼的鋼板作為樣品。圖1說明了板樣品的具體細(xì)節(jié)。樣品的基層金屬是鋼板(SM490 或ASTM A387 Gr22),其長度為251～401 mm,寬度為112～175 mm。覆蓋層材料為US-B309L,厚度約5 mm。焊縫的寬度為50～70 mm。6個(gè)板樣品上被鉆有不同直徑和深度的人工鉆孔(如圖1 所示),以模擬壓力容器內(nèi)部的點(diǎn)蝕。樣品包含的鉆孔的數(shù)量取決于焊接板樣品的尺寸。表1列出了與每對(duì)直徑和深度相對(duì)應(yīng)的鉆孔數(shù)量,總共制備了85個(gè)鉆孔。鉆孔之間的間距為30 mm(如圖1 所示)。在本實(shí)驗(yàn)中,還準(zhǔn)備了3塊無缺陷的板樣品作為對(duì)照組,以獲取噪聲數(shù)據(jù)。

圖1 奧氏體不銹鋼樣品Fig.1 Sample of Austenitic stainless steel

表1 鉆孔的數(shù)量Table 1 Number of drilled holes /mm

1.2 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中使用了均勻渦流探頭和商用渦流測(cè)試儀(aect-2000N,日本大阪)來采集數(shù)據(jù)。探頭的尺寸如圖2所示。檢測(cè)過程中采用的激勵(lì)頻率為100 k Hz。在檢測(cè)過程中渦流檢測(cè)探頭被固定在XYZ平臺(tái)上,探頭距板平面的垂直高度為1 mm,由電腦控制平臺(tái)來回移動(dòng)探頭掃描檢測(cè)區(qū)域,通過探頭掃過掃描區(qū)域而獲取缺陷信號(hào),然后由AD 轉(zhuǎn)換器將采集的信號(hào)以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)在電腦上。探頭的掃描區(qū)域是一個(gè)以鉆孔為中心的30 mm×30 mm 正方形區(qū)域(如圖1所示)。掃描的間距在樣品的橫向和縱向分別為500和100μm。

圖2 探頭的尺寸示意圖Fig.2 Schematic of probe size

在實(shí)驗(yàn)之前,需要對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn),以使渦流檢測(cè)探頭在標(biāo)準(zhǔn)材料板(耐腐蝕合金Inconel600)上分別由長度、深度和寬度分別為20、5、0.5～0.6 mm的人造焊縫引起的最大信號(hào)變?yōu)?.0 V 和0°。校準(zhǔn)使得在人工縫隙處的最大振幅控制在10 mm×10 mm的正方形區(qū)域中。因此,由于缺陷引起的信號(hào)包含在圍繞鉆孔的10 mm×10 mm 正方形區(qū)域中。然后,以相同的方式提取噪聲。

2 POD 分析

這項(xiàng)研究采用了兩種POD 模型:傳統(tǒng)POD 模型和新提出的POD 模型。

傳統(tǒng)POD模型采用的是vsa方法,這種方法適用于數(shù)量較少的樣本。此方法假定裂紋尺寸(a)和信號(hào)幅度)之間呈線性關(guān)系。然后,為了獲得合適的表達(dá)式來表達(dá)它們之間的相關(guān)性,通常采用對(duì)數(shù)變換來滿足它們之間的線性關(guān)系。關(guān)系可以寫成

其中ε是噪聲項(xiàng),均值為零且標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ的正態(tài)分布。β0,β1,σ是通過簡單的回歸分析獲得。vsa方法是當(dāng)缺陷信號(hào)幅值超過給定的決策閾值時(shí),則說明缺陷可以被檢測(cè)出,即P(a)＝P(≥)。該方法具體的過程和詳細(xì)信息可以在USDOD 和ASM 手冊(cè)中找到[8-9]。

這項(xiàng)研究中,提出的新POD 模型使用隨機(jī)決策閾值,而不在使用固定決策閾值()來評(píng)估檢測(cè)信號(hào)超過噪聲信號(hào)的概率。該模型第一步需要分別評(píng)估缺陷信號(hào)和噪聲信號(hào)的分布。第二步假定裂紋尺寸(a)和信號(hào)幅度(^a)之間呈線性關(guān)系。然后,選擇合適的表達(dá)方式來表達(dá)它們之間的相關(guān)性,本工作中所有數(shù)據(jù)均采用了對(duì)數(shù)變換。第三步是在一個(gè)缺陷參數(shù)下隨機(jī)和獨(dú)立的分別從缺陷函數(shù)的分布和噪聲的分布中抽取一個(gè)樣本數(shù)據(jù)。比較兩個(gè)數(shù)據(jù)的大小以確定缺陷是否可以被檢測(cè)出來。如果缺陷信號(hào)大于噪聲信號(hào),則將其記錄為“命中”,否則將其記錄為“未命中”。最后,在一個(gè)缺陷參數(shù)下,隨機(jī)抽取n次并比較n次抽取數(shù)據(jù)的大小以評(píng)估“命中”的概率。在本工作中,隨機(jī)抽樣和獨(dú)立比較一百萬個(gè)樣本,最終值趨于穩(wěn)定。則該比率即為某一缺陷參數(shù)下的POD 值。

3 結(jié)果與討論

圖3～4總結(jié)了傳統(tǒng)POD 分析的結(jié)果。在本研究中,所有缺陷參數(shù)和信號(hào)幅值均被做了對(duì)數(shù)變換,評(píng)估缺陷參數(shù)和信號(hào)幅值之間的線性關(guān)系,如圖3(a)和圖4(a)所示。這里值得注意的是圖3～4中在計(jì)算傳統(tǒng)POD 曲線時(shí)均選取的是95%的噪聲作為決策閾值。圖3(b)揭示了信號(hào)幅值與參數(shù)深度之間的關(guān)系,從中可以觀察到深度作為缺陷參數(shù)是不可靠的,因?yàn)樗嬖谳^大的置信區(qū)間。相反,圖4(b)顯示的缺陷直徑作為參時(shí),直徑和信號(hào)幅值的置信區(qū)間要窄得多。因此,這就暗示直徑作為參數(shù)更合理。為了進(jìn)一步確認(rèn)使用單個(gè)直徑作為參數(shù)是否合理,所以進(jìn)行了進(jìn)一步的評(píng)估,評(píng)估了參數(shù)對(duì)信號(hào)幅度的影響程度。表2總結(jié)了當(dāng)直徑作為參數(shù)時(shí),檢出概率的數(shù)值。從表2中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)直徑作為參數(shù)時(shí),直徑大于3 mm 時(shí),無論深度如何變化,缺陷引起的信號(hào)總是大于噪聲的最大幅值,說明缺陷可以被檢測(cè)出來。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明直徑作為參數(shù)是合理的,并且深度對(duì)檢出概率影響可以忽略。

圖3 缺陷深度與信號(hào)幅值之間的關(guān)系變化Fig.3 Results of regression and POD analysis when the depth was used as a parameter

圖4 缺陷直徑與信號(hào)幅值之間的變化關(guān)系Fig.4 Uniform probe results of regression and POD analysis when the diameter was used as a parameter

表2 缺陷的檢出比例Table 2 Ratio of detected drill holes /mm

圖5是選取的是不同決策閾值下傳統(tǒng)POD 曲線的變化,從圖5中可以發(fā)現(xiàn),隨著決策閾值的變化POD 曲線也發(fā)生了明顯的改變。圖6是使用新模型計(jì)算獲得的POD 曲線。圖4和圖6結(jié)果表明本工作提出的新的POD 模型評(píng)估渦流探頭對(duì)奧氏體不銹鋼中缺陷的檢測(cè)效果更好。

圖5 不同決策閾值下的傳統(tǒng)POD曲線Fig.5 Traditional POD curve under different decision thresholds

圖6 新提出的POD曲線Fig.6 Novel proposed POD curve

4 結(jié)語

提出了一種基于隨機(jī)決策閾值的新的POD 模型,用于評(píng)估渦流探頭在奧氏體不銹鋼中缺陷的檢測(cè)能力。提出的新模型是對(duì)傳統(tǒng)的POD 模型的改進(jìn),采用隨機(jī)選取決策閾值的方法,不受主觀因素的影響,檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)出一條獨(dú)立的POD 曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該模型評(píng)估渦流探頭在奧氏體不銹鋼中缺陷的檢測(cè)能力更為合理,優(yōu)于傳統(tǒng)POD 模型。