基于涡流信号的应力腐蚀裂纹区域电导率特性研究❋

黄太回,张东利,陈振茂

(西安交通大学航天航空学院强度与振动教育部重点实验室,陕西西安 710049）

0 引 言

应力腐蚀裂纹是工件在腐蚀环境中,在静态拉应力作用下产生的裂纹,一般用肉眼很难发现.应力腐蚀裂纹导致的结构功能失效对大型机械系统如核电站造成了非常严重的影响,需要合适的无损检测方法对其进行检测和定量.

目前国内外在应力腐蚀裂纹的研究中,一般认为疲劳裂纹区域导电率为零,应力腐蚀裂纹存在着弱于基体材料的部分导电性[1],在电导率精确定量方面尚无更成熟的结论.因此对应力腐蚀裂纹进行涡流检测[2-3]定量重构时,由于裂纹区域电导率特性尚不明确,影响了裂纹的定量精度.本文提出了采用实测涡流检测信号与模拟涡流信号比对的方法确定奥氏体不锈钢工件中应力腐蚀裂纹区域的电导率的方法,并通过模型实验对其有效性进行了研究.

1 基于涡流信号的应力腐蚀裂纹电导率定量检测方法

1.1 裂纹模型

当某一选定的涡流检测探头的激励频率和电压幅值确定时,影响奥氏体不锈钢中的涡流信号的参数主要有裂纹的宽度、长度、深度和电导率值[4-5].由于涡流存在趋肤效应,当采用高频率涡流(2.5 M Hz～ 3 M Hz)进行检测时,信号将集中于三倍趋肤深度(约1mm)范围内.当裂纹的深度大于 1mm时,本文将整个应力腐蚀裂纹在深度方向上分为若干等厚层(每层深度均为1mm),各层具有不同的均匀电导率值,如图1所示,因此可以将各层中的裂纹视为贯穿于该层(即深度已知为 1mm)的裂纹,并运用逐层打磨逐层检测的方法考察裂纹各层的电导率值,最终确定整个应力腐蚀裂纹在深度方向上的电导率分布情况.

1.2 检测原理及标准裂纹信号的标定

图1 裂纹模型Fig.1 Themodel of SCC

本文采用实测涡流检测信号与模拟涡流信号对比的方法确定裂纹的电导率.当裂纹的长度、宽度和深度已知时,影响试件中涡流信号的参数只有裂纹的电导率值,因此将实测信号与不同裂纹电导率值下的模拟信号进行比对,即可确定实际裂纹的电导率值[6].

由于实测信号与模拟信号的相位和幅值存在差异[7],所以要对二者进行标定.标定及检测过程如图2所示,首先对标准人工裂纹求取实测信号与模拟信号幅值最大处的相位差和幅值比,用此相位差和幅值比调整实测应力腐蚀裂纹涡流检测信号,并将其与基于假设导电率计算所得应力腐蚀裂纹信号反复比对从而获取其电导率值.检测中拟采用有限元边界元 (FEMBEM)混合法程序进行数值模拟.

2 应力腐蚀裂纹电导率定量检测结果

2.1 实验参数及标定过程

实验中使用两套涡流检测设备(分别命名为设备 1和设备 2)进行检测,在实验和模拟计算过程所使用的基体材料均为奥氏体不锈钢,其电导率值计为 1.4×106S/m.用于标定的 2个标准裂纹长度均为10mm,宽度为 0.2mm,深度分别为 1mm和 3 mm(位于尺寸为 200mm×200mm×15mm的工件上);待检测的应力腐蚀裂纹位于尺寸为 200mm×100mm×10mm的奥氏体不锈钢工件上,通过光学显微镜观察其长度约为 13mm,宽度约为 0.6mm,通过超声波飞行时差衍射法(TOFD)检测其深度约为3mm.实验及模拟计算所用探头为饼状高频探头,激励频率为 2.5 M Hz和 3 MHz,探头提离为0.5 mm,图3为一次信号标定过程,图中各条线为信号的李萨育图.图3(a)为标准裂纹信号的标定过程,即获取标准裂纹实测信号与模拟信号间的相位差和幅值比;图3(b)为按图3(a)的调整比例变换后的 SCC信号,即用从标准裂纹试件信号获取的相位差和幅值比调整 SCC实测信号.

图3 实验信号的标定Fig.3 The calib ration of signal from test

2.2 实验结果对比

激励频率为 2.5M Hz,3 MHz时,涡流信号的趋肤深度约为 0.3 mm,本文对多个电导率值和裂纹深度值下的涡流信号峰值进行了计算并形成了如图4所示的基准曲线.计算中所用电导率值为基体材料电导率的 3%～16%,裂纹深度值为 0.3mm,0.6mm,0.9 mm,1mm,1.1mm,1.2 mm,1.5 mm.

图4 不同条参数下的基准曲线和检测信号Fig.4 The benchmark cu rveand test signal on different parameters

由图4可知,激励频率为 2.5 MHz,3 MHz时,当裂纹深度小于 1 mm时,裂纹信号峰值受深度影响较大;当裂纹深度大于 1mm时,裂纹信号峰值受深度影响很小,且约为 1mm深度时的值.通过将标定后的 SCC信号与基准曲线进行对比即可得到 SCC的电导率值.图4同时给出了工件第一层进行检测信号图.图4(a)为设备 2在 2.5 MHz频率下,用 1 mm深度的标准裂纹作标定获得的实验结果,通过对比可得 SCC区域的电导率为基体材料(即奥氏体 304不锈钢)电导率的 4.5%;图4(b)为设备 1在3M Hz频率下,用 3mm深度的标准裂纹作标定后获得的实验信号,此时获得的 SCC区域电导率为基体材料电导率的 8%.

对工件第一层进行了 4次重复实验,结果对比如表1～表4所示.表中的数据为在相应实验条件及实验参数下获得的 SCC信号经标定后对比基准曲线得到的裂纹电导率.由对比结果可以看到:

1)实验重复性较好,各次实验相同参数下获取的实验结果较接近.

2)使用不同设备、不同激励频率,用相同深度的标准裂纹进行标定检测,SCC的电导率值都较接近,即验证了该标定方法的正确性.

3)用不同深度的标准裂纹进行标定检测,获得的结果存在相对固定的差异,且各个实验结果稳定在4%～8%之间.

表1 第一次实验结果Tab.1 The result of the first experiment

表2 第二次实验结果Tab.2 The result of the second experime

表3 第三次实验结果Tab.3 The result of the third experiment

3 结 论

表4 第四次实验结果Tab.4 The result of the forth experiment

本文提出了将工件上的应力腐蚀裂纹考虑成在深度方向上分为若干等深厚层,各层具有不同的均匀电导率值,用高频涡流探头检测应力腐蚀裂纹区域,通过实验信号与模拟计算信号对比的方法确定裂纹电导率值的方法.在对第一层进行检测后,验证了该方法的可行性,初步确定该工件中的应力腐蚀裂纹在 1mm深度内的电导率值约为基体材料电导率的 4%～8%.

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[2] Ladislav J,Chen Zhenmao,Noritaka Y,et al.Excitation with phase shifted fields-enhancing evaluation o f deep cracks in eddy current testing[J].NDT&E Int.,2005,38:508-515.

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