基于数值计算的不同频率对涡流检测缺陷判识影响研究

韩捷 祁攀 姜婷婷 高厚秀 王波 辛露

【摘 要】本研究是使用数值计算软件对被检管材及存在的缺陷进行数值建模，模擬涡流场对被检对象进行涡流检测的理论研究。目的在于测试在蒸汽发生器传热管探伤中使用不同频率对涡流检测缺陷判识时某些因素的影响；主要是研究针对于同一缺陷在使用不同频率时对缺陷信号响应幅值及相位的影响，并结合工程实际，找出适合对缺陷进行定量分析的最佳频率范围。

【关键词】数值模拟；涡流检验；缺陷判识

中图分类号： TH878 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0009-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.004

【Abstract】This research uses numerical software to model the tube and the existing defects， and simulate the theoretical study of eddy current field testing . The purpose of this study is to test the influence of different frequencies on the detection in the detection of steam generator heat transfer pipe. The main purpose is to study the effect of the same defect on the amplitude and phase of the response to the defect signal at different frequencies， and to find out the optimal frequency range for quantitative analysis of defects with the engineering practice.

【Key words】Numerical simulation； Eddy current testing； Defect identification

0 引言

蒸汽发生器传热管是压水堆核电机组一回路承压边界的重要组成部分，因此传热管的完整性对于评价核电站安全运行至关重要，目前主要使用涡流检测的方法进行评价。但是在目前涡流数据分析中，遇到不少对传热管多缺陷响应信号判识的疑难问题，特别是传统上对涡流判伤的影响研究主要采用以下2种方式：（1）制造大量试验管，通过采集分析统计的方法进行影响研究；（2）确定管子实际缺陷，对管子缺陷进行解剖测量，并用统计方法评估涡流检测的判伤影响。由于前者的试验管加工与计量的偏差对可靠性分析造成了一定的难度和成本的增加；后者则由于实际缺陷的偶然性，采样不够完整全面，其结果并不具有普遍性[1]。

在此，采用数值计算方法作为涡流判伤相关影响因素研究的主要手段，以我所研发的数值计算模拟软件作为计算辅助平台，模拟实际检测条件进行分析，能方便、迅速地得到检测数据，测量或计算已知缺陷产生的阻抗信号；同时可以较好地实现对检测对象的定性研究和对涡流定量检测的可靠性分析，在较大程度上弥补试验方法的不足。

1 缺陷电磁场的数值计算

1.1 问题定义

对于非铁磁性材料，μ≈μ0=4π×107H/m。因此本实验中可选择的频率比f/fg应小于1331/25.9≈51，此值与理论区间值0～50符合；根据上述结论在本试验中，主要选择10～800Khz频率区间作为频率变化的范围来对具体对象进行分析研究，可以满足涡流有效透入深度的前提条件。

2 试验过程及计算结果

涡流检测二维模型为保持缺陷大小不变，改变试验频率f，取10Khz下通孔缺陷的信号相位响应角为40°时的旋度24°为基准旋度，求得f值从10～800Khz、通孔直径从0.2～1.5mm由小到大依次改变时缺陷响应信号的幅值及相位。

归纳统计以上各组计算结果，再由此得出频率幅值相位的关系曲线，在此，由下式计算不同直径情况下通孔缺陷响应信号稳定值与最大值之间的偏差范围：

由此求得：

分析可得：随着试验频率的逐渐增加，缺陷的相位在频率处于10～400Khz的情况下时也逐渐增加，并均在400或550Khz时得到缺陷响应的相位最大值，随后缺陷相位值较最大值略微减小（<4%），但也处于可接受范围，故可归纳为缺陷响应信号相位值在试验频率增大到一定值（本实验中为400～550Khz之间）后会趋于稳定，此时通过相位判伤曲线对缺陷深度进行定量分析时结果更为准确。

另外计算得知，随着缺陷直径的增加，相位最大值与稳定值的偏差范围越来越小，即缺陷越大，检测可靠性越高，这和实际规律是吻合的；另一方面，在同一频率下，不同直径的缺陷相位的绝对变化量在10Khz时最小（1°），在400Khz时最大（19°），因此可得在使用后者频率时，对缺陷的尺寸变化更为灵敏。结合工程实际，在针对一处疑似通孔缺陷进行分析时，使用400～550 Khz之间频率对缺陷相位的检测灵敏度更高。

同以上过程，分别计算求得不同深度外缺陷和内缺陷在不同频率下的变化规律。

3 小结

由以上数值计算实验以及各部分对数据的分析小结归纳总结可得：

1）针对不同深度的外壁缺陷，不同检测频率下缺陷响应信号的幅值变化规律存在两种不同的变化关系，而这种变化关系的不同是根据缺陷达到一定深度值来进行分段区分，由此来根据不同的频率选择方法来选择合适的检测频率。具体在本数值计算实验中所区分的情形为：

（1）对于伤深小于等于60%壁厚的外缺陷，随着检测频率的增加缺陷响应幅值先达到一个最大值，而后缓慢减小；此时存在一个最佳的检测频率，使得对缺陷响应信号的灵敏度最大。而这个最佳检测频率主要位于400-750Khz之间，并且大部分集中于450-550Khz范围内；另外，相同深度下，随着外缺陷直径的增加，使得缺陷响应信号幅值最大时的检测频率也呈一个逐渐增加的趋势。因此对于一个估计会存在较大缺陷的被检对象，可以在此最佳频率范围内选择相对较大的检测频率，再根据相位判伤法可确定合适的相位—深度对应关系，本实验中选择500Khz之间的频率对外壁较浅缺陷的响应灵敏度最高，有利于使用相位判伤曲线来对缺陷进行定量分析，此时对缺陷深度的定量结果也就更为可靠。

（2）对于伤深大于60%壁厚（包括通孔缺陷）的外缺陷，随着检测频率的增加，缺陷响应信号的幅值也会越来越大，呈单调递增关系，此时无法单独依据频率-幅值变化关系来选择检测频率，而应主要依据能得到良好的相位深度对应曲线时的频率来选择检测频率。

2）对于内缺陷，无论缺陷深度如何变化，其响应幅值都随检测频率增加而增加，呈单调递增关系；在满足透入深度的条件下，采用较高检测频率对缺陷的检测灵敏度也就越高。此时主要考虑相关频率下相位判伤曲线的相位-深度对应性对工程实践是否适用，然后再取此频率范围中的最大频率来确定最佳检测频率。而由之前分析归纳得，对于本研究对象，采用400-550Khz范围内的试验频率对外壁缺陷的检测灵敏度较高，有利于使用相位判伤曲线来对缺陷进行定量分析，对缺陷深度的定量结果也更为可靠。

【参考文献】

[1]韩捷，廖述圣.核电站管道缺陷涡流定量检测的可靠性分析[J].核动力工程，2009，30（4）：17-20.