304奥氏体不锈钢涡流检测频率的优化

2013-12-04付检平沈功田于润桥

无损检测 2013年7期

付检平，沈功田，于润桥，胡斌

（1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌330063；2.中国特种设备检测研究院，北京100013）

奥氏体不锈钢压力容器是压力容器的重要组成部分，在抗腐蚀石油化工设备、医疗设备和航空航天设备中得到大量应用，多用于腐蚀、有毒介质的存储。在役奥氏体不锈钢压力容器由于工作环境和材质特性，易产生应力腐蚀开裂等一系列表面、近表面缺陷和微观组织损伤，是设备失效的主要原因［1］。对奥氏体不锈钢设备安全检测的要求是不仅能检出工件壳体和焊缝表面缺陷，还要检测带涂层的近表面缺陷。奥氏体不锈钢属于非铁磁性材料，常用渗透法检测其表面缺陷，但渗透法存在二次污染，且部分设备表面有涂层，故渗透法不是奥氏体不锈钢检测的最佳手段。奥氏体不锈钢由于晶粒粗大，容易造成声波散射，所以一般也不采用超声波探伤。射线检测对未熔合、未焊透、气孔等缺陷检测直观，但对裂纹之类的面积型缺陷检测效率低，所以射线检测也不是最佳的检测方法。而涡流方法以其能快速检测金属材料表面及近表面缺陷的优点，正逐步成为奥氏体不锈钢材料最有效的检测方法之一［2］。

美国ASME 锅炉压力容器规范第V 分卷《管材制品涡流检测》第八章和JB／T 4730.6－2005《承压设备无损检测涡流检测》中只有采用内外穿过式检测法对奥氏体不锈钢管材进行检测，缺少在役压力容器奥氏体不锈钢的检测方法和检测标准。放置式线圈适用于各种板材、带材和大直径管材、棒材的表面检测，还能对形状复杂的工件某一区域做局部检测，其探伤灵敏度在很大程度上取决于工作频率的选择。

目前广泛采用的确定涡流探伤频率的方法主要有特征频率法、仿真分析法和试验法［3］。笔者主要采用以上方法通过分析放置式线圈检测304奥氏体不锈钢试件表面裂纹的数据，并通过计算比对和实际检测验证，得出最佳工作频率。

1 最佳工作频率原理分析

激励信号频率选取方法的基础是交变磁场测量法。涡流的渗透深度与激励频率有关，在其他条件不变的情况下，改变激励频率，调节涡流在工件中的渗透深度，根据涡流信号在扫描过程中的变化规律，就可以对缺陷深度进行定量分析。理论上，根据给定的频率范围，结合麦克斯韦方程组，可以求得缺陷深度。

缺陷深度与涡流渗透深度的关系模型如图1所示，图中显示的是裂纹横截面，d代表裂纹深度，δ代表涡流的渗透深度。

图1 裂纹深度与涡流渗透深度的关系模型［4］

由交变磁场测量法的原理可知：无缺陷时，涡流在待检工件表面会产生平行的匀强电流；有缺陷时，由于导体局部的电导率发生改变，匀强电流分布受到破坏，涡流将沿电阻小的途径流动，绕过裂纹断面从缺陷底部和两侧流过。

随着激励频率的增大，涡流的渗透深度会减小，在有效趋附深度内，涡流密度增大，出现在缺陷深度附近的涡流分布依次为图1（c）→1（b）→1（a）。

在此，定义一个比值t，表示Bz在空间某点磁感应强度总量中所占的比例：

式中：Bx为平行于工件表面和裂纹方向的磁感应强度；By为与裂纹垂直但平行于工件表面方向的磁感应强度；Bz为与工件表面垂直的磁感应强度，上述3个方向构成笛卡尔坐标系。

若定义fo为激励信号的拐点频率，则：

（1）当0＜f＜fo时，随着激励频率f增大，渗透深度δ减小，从裂纹端面流过的涡流占总涡流的比例基本稳定，但是因为电流密度的增大，Bz的测量值在增大；但是从底面流过的涡流除了电流密度增大外，与表面的距离减小，因此Bx的测量值增大的程度大于Bz。

由上述的分析可知，随着激励频率的增大，z方向的感应电压与总感应电压的比值减小。

（2）当f＝fo时，t达到极值，出现拐点。

（3）当f＞fo时，随着激励信号的频率增大，流经底面的涡流比例减小，电流密度也呈减小趋势。而流过端面的涡流，除了电流密度增加外，与表面的距离也在减小，因此Bz增大的趋势更大。当激励信号的频率增大到一定值后，Bx，Bz都呈现减小的趋势。

根据上面的分析可知，合理选择激励信号的工作频率f，可以达到最佳的检测结果。

2 特征频率法与仿真分析法选取频率

2.1 特征频率法

用涡流放置式线圈探伤时，由于放置式线圈的尺寸很小，可把工件看成半无限大平面，用电磁场理论推导出特征频率的计算公式，按最大灵敏度原则计算出材料的工作频率选择范围［5］。

孙金立等人根据电磁场理论提出，当被测导体简化成涡流环后，采用放置式线圈探伤时，工件的半径可以等效为涡流环的半径r。于是特征频率的公式为：

式中：fg为特征频率；μr为工件相对磁导率，材料为奥氏体不锈钢，μr≈1；σ为工件的电导率，材料为奥氏体不锈钢，σ＝1.37×106s／m；r为涡流环的半径；rb为激励线圈外半径。

此处激励线圈外径rb＝5 mm，代入公式可得fg＝1.93kHz。

在放置式线圈检测工件表面裂纹时，其工作频率选择f＝（10～50）fg［6］，由fg可以算出检测工作频率f＝19.3～96.5kHz。通过特征频率法计算的工作频率是一段频率范围，可供检测时选择频率做参考，而要得到最佳频率还需要进一步试验和仿真计算。

2.2 仿真分析法

目前，ANSYS 软件应用于电磁涡流仿真已经相当成熟，尤其对不锈钢管的涡流检测仿真研究比较多，比如蔡桂喜、段建刚及孟宪红等分别对奥氏体不锈钢管涡流检测进行了试验和仿真研究，找出最佳的激励频率，既能兼顾内外壁缺陷的检测灵敏度，又能从相位上区分内外壁缺陷的激励频率［7］。但是对于板材的电磁涡流检测研究比较少，主要是因为影响板材的电磁特性比较复杂，影响因素较多。

针对304奥氏体不锈钢平板件进行研究，分析表面裂纹和埋藏裂纹尺寸变化与拐点频率的关系。在趋附深度内，对于表面裂纹，阻抗幅值与频率成正比关系，频率增大，阻抗幅值也随之增大；信号相位与频率的关系，存在一个拐点频率，此时应综合考虑信号相位和幅值与频率的关系，得出最佳工作频率。对于埋藏裂纹，阻抗幅值和相位与频率都存在一个拐点频率，检测时既要考虑到相位因素，又要顾及阻抗图的饱满、“8”字图形对称，两者综合得出的频率即为最佳工作频率［7－8］。在有效检测区域内，当裂纹深度增加时，最佳工作频率相应减小。通过仿真分析，缺陷和提离相位的差值Δφ接近90°时，此时工作频率为60kHz［8］，如图2所示，恰好在特征频率计算的f（19.3～96.5kHz）范围之内。选用此频率检测时，缺陷信号更容易从检测信号中区分出来。

图2 不同刻槽尺寸的频率与相位差关系的仿真曲线

3 拐点频率的试验选取

3.1 试验目的

试验目的是通过分析工作频率与阻抗幅值的相对关系，得出阻抗幅值最大时所对应的工作频率，即为拐点频率。由于仪器本身原因，阻抗幅值不可能无限大，所以选用增益代替阻抗幅值，此时增益大小对应阻抗幅值的反向大小。

3.2 试验装置

试验选用的是某型焊缝裂纹探伤仪，如图3所示，仪器可调参数主要有：试验频率、增益、相位和滤波等。频率可调范围为1kHz～1 MHz，相位为0°～359°，水平H与垂直V增益为0.0～100.0dB。探头选用放置式差动线圈。

图3 某型焊缝裂纹探伤仪

3.3 试验过程

以频率10～500kHz内步进量为10kHz进行频率扫描，得出频率与增益的关系曲线，找出不同缺陷的拐点频率，其中增益最小时对应的频率即为拐点频率。具体操作是：检测时，选用不同频率，调节增益大小，使得阻抗幅值大小恒定为40%，记录不同频率下的增益值，增益值最小时对应频率即为拐点频率。由于增益范围为0～100dB，所以试验采集到的数据只能截止到增益接近于100dB 时增益大小和对应的试验频率。试验所用试块为304奥氏体不锈钢刻槽对比试块，规格220mm×170mm×6mm，刻槽规格（长×宽×深）分别为：30 mm×1mm×0.5 mm，30 mm×0.5 mm×0.5mm，30mm×0.2 mm×0.5 mm，30 mm×1mm×1mm，30 mm×0.5 mm×1 mm，30 mm×0.2mm×1mm，30mm×1mm×2mm，30mm×0.5mm×2mm，30mm×0.2mm×2mm。根据刻槽尺寸不同，做了9组试验，分成3小组，分别对应刻槽宽度为0.2，0.5，1 mm，小组内刻槽深度依次为0.5，1，2mm 试验结果见图4。

3.4 结果及分析

对9组试验测得的数据经过线性拟合处理，得到表征不同频率与增益的关系曲线，横坐标是检测频率（kHz），纵坐标是阻抗平面图的增益大小，增益大小对应的是阻抗幅值的反向关系，结果如图4所示。由图可知，9个小组曲线都存在拐点频率。在拐点频率下，缺陷阻抗幅值最大，缺陷容易被检出。从4（a）～（c）可知，刻槽宽度一定，不同深度下的拐点频率稍有不同，刻槽越深，频率越小；从3组试验数据对比可知，刻槽深度一定，不同刻槽宽度对应的拐点频率变化不明显。缺陷不同的情况下，拐点频率在120～150kHz之间，这段频率范围有助于实际奥氏体不锈钢涡流检测中最佳频率的选取和参考。

鉴于以上试验反映的是增益大小与频率之间的关系，可能与实际有所偏差，于是选择60，100，110，120，130，140kHz频率，保持增益大小一定，做了几组不同频率对应的阻抗图试验作补充，图形截取如图5所示。

从图5可知，在增益一定的情况下，检测频率为120kHz时，涡流阻抗平面图相比于130，140kHz时较饱满、对称，相对于60，100，110kHz时阻抗幅值更大。因此，当检测频率在120kHz左右时，缺陷阻抗平面图比较容易识别，缺陷亦容易被检出。

图5 1mm 宽，1mm 深刻槽不同频率阻抗平面图

3.5 三种方法结果对比

相位－频率选取法主要考虑的是减少提离效应给检测带来的影响，当检测不光滑面（如焊缝）时，选择一个适当频率，使相位差Δφ值最大，调节提离信号的相位到水平位置，由于相位差的原因，很容易分辨出缺陷信号和提离信号。幅值－频率选取法主要考虑的是在保证阻抗图饱满的同时使阻抗幅值更大，此方法最适合用于检测光滑或较光滑平面，如不锈钢母材的检测，当检测较光滑平面时，提离效应的影响因素较少，为了提高检测灵敏度，应选取适当的频率，使阻抗图饱满且幅值更大，此时细小缺陷更容易被检出。

特征频率法算得的频率为19.3～96.5kHz，仿真分析得出的结果是60kHz左右，这两种方法都是通过相位－频率选取法得出的频率，特征频率法算出的结果是相位法最佳频率范围，而仿真法得出的频率就是相位法的最佳频率，恰好在算得的频率范围之内；而本文的试验对象是表面光洁的对比试样，因此考虑用幅值－频率选取法，得出的最佳频率为120kHz左右。

因此，如果只从相位区分考虑，检测不光滑平面，选取60kHz左右频率为最佳工作频率；如果从信号幅值考虑，检测光滑或较光滑平面，选取120kHz左右频率为最佳工作频率。如果采用双频进行检测，60kHz和120kHz组合是最佳选择。

4 最佳工作频率的影响因素讨论

涡流检测在实际应用时，电导率、磁导率、频率、埋藏深度、缺陷类型、工件厚度以及马氏体相变等的变化都会引起阻抗的变化，其变化方向各不相同。因此可采用相位分离法将需要检测的因素与干扰因素分离开来，达到最优检测的目的。为了得到最好的检测精度，最佳工作频率点需选择在阻抗曲线的拐点部分。因为在这里阻抗曲线和提离效应有较大的相角，即Δφ值最小，阻抗曲线和提离效应的相位接近90°，检测时易于鉴别。以下对几个重要影响因素进行讨论。

4.1 埋藏深度的影响

由于趋肤效应，涡流只能渗透到工件表面，当工件厚度大于趋肤深度时，趋肤深度以内是有效检测区域，在有效检测区域内，存在一个频率，使得f＝fo，此时裂纹深度d恰与涡流渗透深度δ相等，此频率f即为有效覆盖频率。

4.2 缺陷类型的影响

裂纹类缺陷，考虑因素是裂纹的尺寸、埋藏裂纹的深度等。在有效检测区域内，裂纹深度d与特征频率fg成反比，当裂纹深度增加时，最佳工作频率相应减小。表面裂纹的检测频率与阻抗幅值成正比关系，与相位之间存在一个拐点，拐点处的频率即为最佳工作频率；埋藏裂纹的检测频率与阻抗幅值、相位都存在一个拐点，检测时既要考虑到相位角，又要顾及阻抗图的饱满、“8”字图形对称，两者综合得出的频率即为最佳工作频率。

4.3 马氏体相变的影响

304奥氏体不锈钢在加工制造过程中，要经过冷轧、冷拔、冷弯、平整及矫正等冷加工，会发生变形，致使部分奥氏体相转变为马氏体相，即形变诱发马氏体相变［9］。焊缝区的形变马氏体含量均明显高于母材区，且焊缝区还存在铁素体［10］。在经过ECAP（等径角挤压）工艺后，马氏体含量最高可达54%［11］。304奥氏体不锈钢为弱磁性材料，相对磁导率近似为1，而马氏体和铁素体具有铁磁性，相对磁导率远大于1。由特征频率公式可知，相对磁导率与fg成反比，当相对磁导率变大时，最佳工作频率变小。