钛管涡流检测的频率选择及其汽蚀减薄缺陷的定量

(1.核动力运行研究所，武汉 430223；2.中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430223；3.大亚湾核电运营管理有限责任公司，深圳 518124)

核电站运行时，二回路的高温高压蒸汽通过汽轮机转子带动发电机做功后，乏蒸汽将在凝汽器中迅速冷凝成水，从而在原来被蒸汽充满的凝汽器封闭空间中形成真空，以提高机组的循环热效率。凝汽器工作时，冷却水(海水)由一定速度和压力流经三回路(水侧)，通过钛管管壁的热传导带走二次侧(汽侧)的热量，将二次侧乏蒸汽凝结成水后流向凝汽器底部，凝结水通过凝结水泵送往除氧器方向，作为给水循环使用。由于凝汽器结构设计、安装制造工艺以及工作环境恶劣等因素的影响，钛管会产生各种缺陷，如：振动损坏、应力腐蚀、凝结水腐蚀、气流冲蚀等[1]。为了保证核电站的安全可靠运行，每次大修时都会对凝汽器钛管进行涡流检测。在役检查期间，涡流检测不仅能对缺陷进行定量测量，还可以对已有缺陷的发展做出预估，给钛管的预防性堵管提供参考。

检测频率是涡流检测时最重要的参数，选取合适的检测频率可以提高涡流检测结果的准确性。缺陷定量时选择的测量方法也极为重要，不合适的测量方法会导致误判甚至漏检，从而带来安全隐患。因此，如何选取更适合的检测频率和更精确的缺陷测量方法，是研究的主要目的。

1 检测频率

在役检测时，选取最佳的检测频率，能提高涡流检测的灵敏度和准确性。选取涡流检测频率时，既要提高频率以提高检测灵敏度，又要保证一定的渗透深度(钛管壁厚)。若薄壁管完全填充检测线圈，即η=1，则内穿过式线圈涡流检测的特征频率fg为[2]

图2 ASME标定管结构示意

(1)

式中：μr为相对磁导率；σ为电导率；di为管材内径；W为管材壁厚。

特征频率并不是工程应用中的实际涡流检测频率，而是作为选取检测频率时的理论参考值，最终检测频率还需通过试验来确定。检测频率f一般通过经验公式f=3ρ/T2或f=10ρ/T2计算得到，其中电阻率ρ=1/σ，T为壁厚[3]。

以25 mm×0.5 mm规格(外径×壁厚)的试验钛管为例，将试管对应的各种参数代入上式，试管的特征频率以及经验公式对应的检测频率为fg=23.5 kHz。

在涡流检测过程中，f/fg值的范围为5～150，即117 kHz～3 525 kHz的频率范围具有实用意义。从结果可以看出，在上述特征频率范围内很难选择检测频率，且实际检测中由于填充系数η不为1，频率选择时需要在对应填充系数的阻抗变化曲线上选取合适的频率比，以获得理论的检测频率。

根据经验公式计算所得的2个频率约为667 kHz和1 390 kHz，其主要差异在于对应ASME标准中标准样管上的通孔和20%平底孔间的相位差值不同。根据ASME标准第五卷涡流检测部分《已安装好的换热器非铁磁性管材的涡流检测》关于检测频率的描述，选定基本频率(主检测频率)时，在标准样管上使4个20%壁厚平底孔和100%穿透壁厚的通孔所获得的响应信号具有 50°～120°之间的相位角差。4个20%平底孔和100%通孔信号的相位差示意如图1所示。具体检测频率的选择和差异将根据试验进一步分析。

图1 4个20%平底孔和100%通孔信号的相位差示意

2 钛管涡流检测频率试验测定

2.1 试验过程

试验使用的软件及硬件设备为：CEDDY采集分析软件；计算机(Win7系统)；OMNI-200R涡流仪和BOBBIN探头(线圈直径为22.6 mm)；钛管(外径×壁厚为25 mm×0.5 mm)。

根据实际工程应用经验并参照经验公式计算得到的检测频率，以及按照上述ASME频率的选取原则，选取一组从600 kHz逐步提高到1 200 kHz的频率。在标定管上测试4个20%平底孔和100%通孔响应信号之间的相位差。ASME标定管与减薄标定管结构示意如图2，3所示，标定管各缺陷参数如表1，2所示。

测试时，将100%通孔信号相位调至40°，不同频率时，对应的4个20%平底孔和单个100%通孔响应信号之间的相位差见表3。由表3可见，频率从600 kHz到1 200 kHz，4个20%平底孔和100%通孔响应信号的相位差在71°～114°之间，均满足ASME标准相位差(50°～120°)的要求。

选取其中5个频率(600，666，800，900，1 000 kHz)，分别做出其在主频差分通道的“相位-伤深”曲线，其中666 kHz和1 000 kHz的“相位-伤深”曲线如图4，5所示。并且，在表4中列出5种频率下的“相位-伤深”曲线中1%，10%，20%和40%壁厚外壁缺陷分别对应的相位。

2.2 试验结果

由图4，5和表4可知，频率从600 kHz～1 000 kHz

图5 1 000 kHz的“相位-伤深”曲线

缺陷深度(占壁厚百分比)/%不同频率对应的相位/(°)600 kHz666 kHz800 kHz900 kHz1 000 kHz10040404040404010010711612212820111120128136143101151251331411491119130137146154

的涡流信号虽然都满足ASME标准和检测要求，但是随着检测频率的提高，“相位-伤深”曲线外伤部分(相位角大于40°部分)变得更加平缓。这样，当涡流探头在管子中检测时，由于探头摆动会引起相位角变化，使用“相位-伤深”曲线对外壁伤深定量的误差会更小。

以上述5个频率为主频，80 kHz为辅频，对主频幅值进行归一化。666 kHz和1 000 kHz两种主频对应的80 kHz绝对通道“幅值-伤深”曲线如图6，7所示。

由图6，7可知，辅助定位及外壁减薄通道的频率同为80 kHz，但是对应的主频不同，归一化后的幅值响应也不同。当使用深度为20%和40%的缺陷画“相位-伤深”曲线时，666 kHz主频对应的辅频(80 kHz)通道的“幅值-伤深”曲线的幅值显示范围为0～11.61 V；而1 000 kHz主频对应的辅频(80 kHz)的幅值显示范围为0～39.56 V。由此可见，1 000 kHz频率对应辅频通道的“幅值-伤深”曲线更加平缓(幅值范围更宽)，在外壁减薄显示定量时的误差也会更小。

图6 666 kHz对应的“幅值-伤深”曲线

图7 1 000 kHz对应的“幅值-伤深”曲线

3 对缺陷管的检测结果对比

由于凝汽器钛管主要的缺陷为凹陷(显示代码为DENT)，凹陷的相位角一般在180°左右，但是在支撑板处，超薄壁钛管如果出现凹陷，相位角有可能在165°～195°之间。选取检测频率时，主频通道的“相位-伤深”曲线的1%伤深相位一般不超过160°。选取666 kHz和1 000 kHz作为试验对比频率。

选取10根有显示的管子，分别设置不同频率进行涡流检测，检测结果见表5。由表5可知，当检测频率提高时(渗透深度满足钛管壁厚)，涡流信号幅值也会随之增大。这是因为随着频率的提高，涡流检测灵敏度增大，检测时表现为涡流响应信号幅值增大，数据分析时细小的缺陷更易观察，可避免漏检。

对于“幅值-伤深”判伤，由表5中管号为(95,38)和(95,37)的两根管子的检测结果可知，两种检测主频下，使用“幅值-伤深”曲线检测得到的材料的壁厚损失基本一致。

表5 两组频率的涡流检测结果

4 钛管减薄的在役定量检测

凝汽器钛管在役涡流检测时，除了非壁厚损失类缺陷凹陷外，壁厚损失类缺陷主要有汽蚀减薄、应力腐蚀缺陷和凝结水腐蚀缺陷。汽蚀减薄缺陷主要发生在凝汽器上部及周围2层管子上。已经发现的

图10 外壁减薄试管结构示意

汽蚀减薄缺陷一般比较长，长度从几厘米到几百厘米(跨越几个支撑板)不等。腐蚀缺陷的分布则和凝汽器的设计及安装状态有关，没有规律性。上述缺陷都有一个共同点，那就是壁厚损失都是从外壁开始，并逐步向内表面扩展的。钛管汽蚀减薄缺陷外观及其涡流检测信号如图8，9所示。

图8 钛管汽蚀减薄缺陷外观

图9 钛管汽蚀减薄信号

为对钛管汽蚀减薄缺陷进行精确定量检测，设计了如图10所示的试管。因为钛管汽蚀减薄主要发生在周边的管子上，故试验时选取周边规格(外径×壁厚)为25 mm×0.7 mm的厚壁管。试管模拟缺陷伤深和实际计量伤深见表6。试验时使用的BOBBIN探头线圈直径为22.1 mm，线圈宽度为4.5 mm，试验频率分别为550，300，150，80 kHz。

表6 试管模拟缺陷伤深和实际计量伤深

使用上述频率对试管进行涡流检测，对试管模拟缺陷分别在550 kHz差分通道和80 kHz绝对通道进行测量。图11为缺陷轴向长度为13.5 mm，计量伤深为41%的缺陷信号。由图11可见，在缺陷轴向长度较短时，高频差分通道的“相位判伤法”对缺陷深度的定量更准确一些。由表6中轴向长度为4.5，9 mm的缺陷测量百分比伤深也符合这一规律。

图11 缺陷轴向长度为13.5 mm，计量伤深为41%的缺陷信号

图12 缺陷轴向长度为49.5 mm，计量伤深为16%的缺陷信号

图12为缺陷轴向长度为49.5 mm、计量伤深为16%的缺陷信号。当缺陷轴向长度较长时，低频绝对通道的“幅值判伤法”对缺陷的定量更准确一些。表6中轴向长度为54 mm、计量深度分别为16%和42%的缺陷，在高频差分通道的相位判伤意义不大。但是，低频通道的“幅值判伤法”测量的缺陷深度都接近实际计量伤深。由表6可以看出，大部分长缺陷在高频差分通道和低频绝对通道都存在涡流信号显示。这是因为试管模拟人工缺陷存在明显的加工边界，而实际检测时遇到的缺陷不一定存在明显的边界，故当缺陷较长时，在差分通道不一定有显示，而在绝对通道可以看到显示。

实际在役检测时，可以根据式(2)近似计算缺陷的轴向长度。设涡流采样率为K，数据记录速度为V，管子信号每毫米的数据点为N，缺陷包含的数据点为M。则缺陷长度L为

L=M/N=MV/K

(2)

计算出缺陷的长度后，可以根据缺陷的长度来确定使用何种判伤方法对缺陷进行测量。

5 结语

涡流检测是在役监测凝汽器钛管质量的比较可靠、经济可行的无损检测方法。在设备、检测技术和检测人员都满足标准要求的情况下，优化检测参数，可以提高涡流检测的灵敏度。随着检测频率的提高，虽然涡流信号幅值有所增大，但是对于存在钛管壁厚材料损失的缺陷(危险性缺陷)，检测结果基本是一致的。同时，涡流信号幅值增大更有利于数据分析人员对涡流信号的观察及判定。

在缺陷测量时，当缺陷轴向长度小于3倍检测线圈宽度时，高频差分通道测量的缺陷百分比伤深更接近缺陷的实际计量伤深。当缺陷轴向长度介于线圈宽度的3～10倍，以及低频绝对通道存在显示而高频差分通道无伤深显示时，检测结果应为低频绝对通道的结果；当高频差分通道和低频绝对通道都存在显示时，为保险起见，检测结果应为伤深较大的显示。而当缺陷轴向长度大于10倍的线圈宽度时，低频绝对通道测量的缺陷百分比伤深更接近缺陷的实际计量伤深。