Zr—4合金涡流缺陷边界定位的新方法

于军辉　王晓磊　李小宁

【摘 要】在实验基础上总结了模拟缺陷边界定位变化规律，并采用该方法对Zr-4合金槽型缺陷边界进行定位。通过对比常规涡流检测方法和铜丝缺陷边界定位方法对Zr-4合金管上5mm的槽伤的边界定位，采用传统的涡流检测方法，其对应的缺陷边界结果误差为8mm，采用铜丝缺陷边界定位方法的结果误差小于2mm。利用模拟缺陷边界定位的方法可有效的对Zr-4合金管材缺陷边界进行有效定位。

【关键词】Zr-4合金；涡流探伤；铜丝缺陷；边界定位

The new method for eddy current defect boundary of Zr - 4 alloy

YU Jun-hui WANG Xiao-lei LI Xiao-ning

（State Nuclear BaoTi Zirconium Industry Company， Baoji， 721013， China）

【Abstract】In this paper， the regular of defect boundary location based on Zr-4 alloy were summarized on experimental simulation. By comparing the conventional eddy current testing method and copper wire defect boundary positioning method， the error of the old eddy current testing method and new testing method are 8 mm and 2 mm， independent. The results show tha the new method can offer a reference for eddy current defect boundary of Zr - 4 alloy.

【Key words】Zr-4 alloy； Eddy current flaw detection； Defect boundary

1 引言

锆合金因在高温高压下具有优良的核性能和抗腐蚀性能，所以常用于核反应堆的结构材料。锆合金在生产过程的主要缺陷有点坑、裂纹及尺寸波动等缺陷，这种含有缺陷的锆管材在堆内运行过程中会对反应堆安全造成严重的威胁[1]。目前采用常规测量的方法是很难对涡流缺陷边界精确定位的，误差较大，这样对Zr-合金管材缺陷研究的准确性造成了严重的影响，甚至导致了误选研究对象，不能正确分析结果，对加工工艺没能起到很好的指导作用，因此对缺陷边界定位精度的方法一直是无损检测人员研究的课题之一。王晓磊[2]等人利用移动金属片靠近缺陷定位的方法，针对Zr合金管材渦流检测定位不准确的问题进行研究，获得了精准的定位效果，但该方法只是对缺陷突变截面最大处定位，而对于锆合金缺陷的边界定位方法较少。本文在实验基础上总结了模拟缺陷边界定位的变化规律，采用该方法对Zr-4合金管材缺陷边界定位，与超声检测结果基本一致，验证该方法具有可靠性。

2 涡流缺陷边界定位原理

涡流检测是基于电磁感应原理的无损检测方法之一，对于薄壁管检测常采用外穿差动式探头，其差动探头最外层为激励线圈，在交变电流作用下激励线圈附近感生交变磁场，处于交变磁场的管材会感生出涡感电流，当管材中有缺陷或异质金属时，就会改变电流的流动方向即引起阻抗变化，一个拾取线圈下有缺陷，另一个线圈下是管材正常区域，两个拾取线圈会存在电压差，就有涡流信号输出，从而检出缺陷。

由于铜丝端头效应，实验选取铜丝来作为模拟缺陷信号，通过移动铜丝靠近另一模拟缺陷，观察两个信号相遇过程中波幅度的变化以及阻抗平面上矢量信号轨迹的变化规律，根据共性特点与实际中两个模拟缺陷之间距离的对应关系，然后将一个模拟缺陷置于所要确定缺陷边界附近，逐渐靠近缺陷，当波幅度或阻抗矢量轨迹的共性特点出现时，找距离对应关系，量取距离即为缺陷边界位置。

3 实验

采用EEC-39+涡流检测仪进行缺陷边界定位实验，涡流设备常用参数如表1所示。实验用锆合金管材为某工程用锆合金管材，其具体1.32～1.8%Sn、0.16～0.25%Fe、0.08～0.14%Cr、C≤0.026、H≤0.0025、O≤0.16、基体为Zr。按照表1的涡流参数，选取两条Φ0.5×10mm长的铜丝，分别研究铜丝相距1mm、3mm、5mm和10mm的涡流图谱。在确定铜丝距离的基础上，分别研究铜丝长度为1mm、2mm、5mm和14mm条件下涡流图谱。同上上述两个实验确定了铜丝缺陷边界定位方法及相关数据。以管材上面长5mm的槽伤为基础，利用模拟缺陷边界定位的变化规律寻求已知槽伤边界，可直观验证模拟缺陷边界定位方法的可行性。选取Zr-4合金管材上的缺陷，利用模拟缺陷边界定位的方法对其边界进行定位，并用Rota25超声检测设备对缺陷边界进行验证。

表1 EEC-39+涡流检测仪设备常用运行参数

3 结果与分析

3.1 缺陷边界定位方法

两条铜丝距离对涡流相遇波幅影响的涡流图谱如图1所示。该黄色椭圆区域为波形变化观察区域，时基线显示方式为全波显示，从图中可以看出随着两铜丝之间距离变小，叠加后波的幅度起初是变大后变小的过程。铜丝长度对涡流相遇波幅的变化规律的涡流图谱如图2。当两个铜丝距离大于5mm时，两个相邻截面所引起的各自涡流信号互不干扰，且每个截面通过两拾取线圈时都会引起两个波，波的幅度保持不变，即穿过各自截面的磁通链数目不变；两个铜丝的相邻距离在5mm范围内，两个拾取线圈的涡流信号相互影响，两个突变截面之间距离越近，影响越明显，结合实验分析结果，当两个长10mm铜丝从相距10mm到5mm时，第一个铜丝的第二个截面通过第二个拾取线圈所引起的信号与第二个铜丝的第一个截面通过第一个拾取线圈所引起的信号的矢量方向相同，相互叠加，叠加后矢量变大，即波的幅度增大；当两个长10mm铜丝从相距5mm到1mm时，第一个铜丝的第二个截面通过第一个拾取线圈所引起的信号与前面所述的复合矢量方向相反，叠加后矢量变小，即波的幅度变小。通过上述现象先用模拟缺陷测试探头的真实情况，因为探头的激励线圈的匝数和拾取线圈的宽度，跨距以及绕漆包线的均匀情况对缺陷处于真实交变磁场中的敏感程度不一，因此在利用波形变化确定缺陷边界之前，必须对探头进行测试波形变化时对应的实际距离，在观其波形变化临界状态时，在铜丝边沿轴向补加实际距离记为缺陷边界，同理可得另一边界。

3.2 模拟缺陷边界定位方法对槽伤缺陷的应用

模拟缺陷边界定位方法对槽伤缺陷的应用的涡流图谱如图3所示。将铜丝距槽伤边界5mm时，调整频率使其相遇的同向波矢量和最大，得到低频200KHZ，将铜丝距槽伤边界4mm时，调整频率使其相遇的同向波矢量和最大，得到高频600KHZ；然后将铜丝引起的信号靠近未知的槽伤信号，当低频通道出现相遇的同向矢量和最大时，继续移动1mm，观察高频通道是否会出现相遇的同向矢量和最大，这是对低频验证，当高频出现相遇的同向矢量和最大，可从铜丝边界量取4mm即为未知槽伤边界，测量结果与槽伤边界相距小于1mm，同理将管材调头用同种方法测其另一槽伤边界。最终实际测量缺陷边界定位尺寸的结果误差小于2mm。而采用传统的涡流检测方法，其对应的缺陷边界结果误差为8mm。所以，采用铜丝缺陷边界定位方法可有效的对槽伤缺陷边界进行定位。

3.3 应用涡流缺陷边界定位方法

选取Zr-4合金上的涡流缺陷，利用模拟缺陷边界定位的方法对其边界进行定位，并用Rota25超声检测设备对缺陷边界进行验证。模擬缺陷边界定位方法对涡流缺陷结果如图4所示。其常规缺陷的边界长为2mm。利用超声仪器Rota25对该Zr-4合金管材缺陷边界定位，其缺陷的边界距离约为3mm，具体结果见图5。所以采用铜丝缺陷边界定位方法可有效的对Zr-4合金管材上的涡流缺陷边界进行定位。

5 结论

5.1 在实验基础上总结了模拟缺陷边界定位变化规律，并采用该方法对Zr-4合金槽型缺陷边界进行定位。

5.2 通过对比常规涡流检测方法和铜丝缺陷边界定位方法对Zr-4合金管上5mm的槽伤的边界定位，采用传统的涡流检测方法，其对应的缺陷边界结果误差为8mm，采用铜丝缺陷边界定位方法的结果误差小于2mm。

5.3 利用模拟缺陷边界定位的方法可有效的对Zr-4合金管材缺陷边界进行有效定位。

【参考文献】

[1]刘建章.核结构材料[M].北京：化学工业出版社，2008，42-67.

[2]王婵，伍颂.涡流检测[M].国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证委员会.

[3]美国无损检测学会.美国无损检测手册电磁卷.世界图书出版公司，1999.

[4]任吉林，林俊明，徐可北.涡流检测[M].机械工业出版社，2013.

[5]李家伟，陈积懋.无损检测手册[M].机械工业出版社，2001.

[责任编辑：朱丽娜]