新型换热器管板密封焊涡流检测技术

(中广核检测技术有限公司, 苏州 215021)

涡流检测技术已经广泛应用于焊缝的检测中，欧洲、美国和国内相关标准对焊缝的涡流检测已经有了明确的规定。实践证明，多频涡流检测是焊缝检测的快速有效的无损检测方法[1-3]。由于焊缝及其热影响区电导率和磁导率的不均匀以及表面状态的不均匀会带来探头耦合的不均匀，所以焊缝涡流检测的本底噪声较大，信噪比较低。

工业领域常用的换热器是热量交换的设备，也是压力边界，而承担压力边界的具体部件是管板和传热管。密封焊的焊接质量直接影响压力边界的隔离效果。以核电站核心换热器蒸汽发生器为例，国内外在核电站生产和建造过程中，曾多次出现蒸汽发生器在制造和安装阶段的二回路水压试验期间，其管板密封焊发生泄漏的安全事件。由于泄漏事件发生于机组的安装后期，缺陷排查与返修工作不仅严重影响机组冷试关键路径，而且投入了大量的资金和人力。因此，对管板密封焊进行有效地无损检测可以降低换热器的泄漏风险，保证系统的运行安全。

笔者针对核电站蒸汽发生器传热管与管板结合密封焊的涡流检测，设计了专用的旋转探头和不同型号的检测装置。独特的线圈类型选择和柔性结构设计，能最大程度上减小噪声和提高信噪比。笔者对检测工艺做了系统的测试，测试结果表明，涡流检测可用于在役或制造期间蒸汽发生器传热管管板密封焊表面和近表面的缺陷检测。

以CPR1000机组为例，蒸汽发生器传热管管板密封焊焊接方法通常为不填丝自动氩弧焊，焊接时管子与管板边沿平齐，传热管材料为NC30Fe，管板基体材料为18MND5低合金钢，堆焊层材料为600型镍基合金。焊接后管板及管板密封焊结构示意如图1所示。其中，传热管厚度为1.09 mm，焊缝的实际厚度一般小于1.5 mm。

管板密封焊常见的焊接缺陷包括：裂纹、气孔、根部夹杂、焊缝夹杂、夹钨、根部未熔合、熔合线偏移、根部不连续及其他类型的缺陷。

图1 焊接后管板及管板密封焊结构示意(10倍放大)

1 检测系统

1.1 检测方案

涡流检测系统由多频多通道涡流仪、数据采集/分析软件、检测探头、机械装置和控制系统组成[4-6]。

涡流探头由两个差分连接的正交线圈探头构成，可以降低噪声信号的影响，提高涡流信号的信噪比。涡流探头与机械装置连接接头采用即插式快速接头设计，保障了更换探头的便捷性，只要更换不同规格探头就可以满足不同型号、不同规格管板密封焊的检测要求。两个正交线圈圆周方向呈90°分布，分别检测端面和内部侧面。

检测探头线圈采用正交线圈，线圈宽度为3 mm，线圈连接方式为差分式连接。该型号探头的两个线圈分别对两个垂直方向的线性显示的灵敏度高，对线性缺陷方向的判断能力强。探头有两个正交线圈分别位于焊缝内侧和外侧。探头上装有磁芯，用于磁阻式指示灯。正交线圈和探头设计示意如图2所示。

机械装置弹性机构的连接设计，为探头与焊缝接触提供了柔性连接，确保探头与焊缝贴合稳定，降低提离噪声。

图2 正交线圈和探头设计示意

探头配有磁阻式光电传感器，探头旋转一周，传感器自动报警。方便涡流检测人员对探头旋转角度的识别。

1.2 机械装置

为了满足不同现场检测条件和检测对象的要求，设计制造了3个型号的检测装置。型号1为单探头手持式检测装置，单探头手持式检测装置及其控制箱外观如图3所示；型号2为双探头手持式检测装置，双探头手持式检测装置及其控制箱外观如图4所示；型号3为自动扫查装置，自动扫查装置及其控制箱外观如图5所示。

图3 单探头手持式检测装置及其控制箱外观

图4 双探头手持式检测装置及其控制箱外观

图5 自动扫查装置及其控制箱外观

单探头手持式检测装置是为人工检测设计的，适用于人可以达到的检测区域。由于只有一个探头且探头可以更换规格，装置使用灵活，适用于核电站蒸汽发生器和其他类型换热器传热管管板密封焊的涡流检测，也适用于其他工业领域换热器和压力容器管与管板连接焊缝的检查。

双探头手持式检测装置根据CPR1000核电机组蒸汽发生器管板密封焊的规格设计，人工检测效率比单探头手持式检测装置的检测效率提高了1倍。

手动采集装置的特点为：

(1) 最大转速为720°·s-1，速度可调；探头带有磁性接近开关，探头旋转一周指示灯会闪亮，提示采集人员信号采集完整。

(2) 探头采用即插式设计，更换方便，适用于各种类型和规格的蒸汽发生器管板密封焊。

(3) 弹性机构能保障探头与密封焊的良好贴合，具有良好的提离噪声控制功效。

(4) 适用性强，可更改探头楔块的规格，适用于不同规格密封焊的检测。

自动检测装置也为单探头检测装置，是专门为有核辐射或者处于其他危险环境下，人工不能靠近的区域或者检测数量庞大、自动化检测需求高的检测项目而设计的。例如，核电站蒸汽发生器传热管管板密封焊的制造期间，检测数量庞大；在役检测期间，蒸汽发生器一次侧水室属于高辐射环境，人员不能长时间停留。自动化检测装置通过合适的机构搭载在管板爬行定位机器人上，通过爬行机器人实现管口的自动定位和检测。

自动采集装置是在手持式检测装置的基础上设计了气动探头升降机构，控制探头的进出管口；装置增加了专门搭载在管板定位爬行器上的固定连接机构，该机构采用滑轨设计，可以适用于不同型号管板定位爬行器的尺寸要求；装置设计了专用的控制软件，该软件除了具备探头旋转和升降控制功能外，还具备采集计划编辑和采集状态管理功能。

1.3 单探头手持式检测装置

单探头手持式涡流检测装置整体结构包括：检测探头、控制开关、传动机构和探头保护套组件等。单探头手持式检测装置结构示意如图6所示。

图6 单探头手持式检测装置结构示意

单探头手持式涡流检测装置传动工作过程为：按动控制开关，电机启动，通过电机传动轴将动力传输到传动套筒。传动套筒将动力传输到与之固定连接的滚珠导向轴，从而带动与之固定连接的探头接头旋转，带动涡流探头随之旋转。

实际工作时握住手柄，将涡流探头插入待检传热管中，向前推动涡流探头使得保护套的平面与管板对齐。由于滚珠导向轴与电机传动轴之间存在弹簧，涡流探头沿着滚珠导向轴向内压缩，弹簧因为弹性形变产生弹力，从而保证了涡流探头与管板密封焊焊缝在检测过程中柔性贴合。涡流探头在旋转时，当内部的磁铁与探头保护套上的霍尔接近开关重合时，霍尔接近开关的红灯就会亮起。当再次亮起时，就说明涡流探头在传热管里旋转了一周。方便操作人员及时知道是否检测完成。

2 系统测试及测试结果

系统设计装配完成后，对检测系统做了功能测试试验，主要包括以下内容：

(1) 系统功能测试。手持式涡流检测装置包括：驱动及控制箱、探头旋转功能、视频检测测试、信号灯功能测试、开关性能、信号传输及控制驱动线缆接线定义、柔性贴合性能测试等。自动涡流检测装置包括：驱动及控制箱、探头旋转功能、探头升降功能、锁紧功能测试、视频检测测试、信号灯功能测试、开关性能、气管密闭性能、信号传输及控制驱动线缆接线定义、柔性贴合性能测试等。

(2) 自动涡流检测装置控制软件性能测试。包括：管板制作、采集计划和采集状态显示、探头转速控制、重复定位精度测试、采集状态信号灯功能测试等。

(3) 涡流信号测试。包括灵敏度和分辨力测试、信噪比测试等。

涡流仪测试系统的功能及组成如下所述。

(1) 多频多通道涡流仪：西班牙TECNATOM生产的多频多通道涡流仪ETbox-8i，该型号涡流仪广泛应用于核电站涡流检测领域，支持BOBBIN探头、旋转探头和阵列探头。

(2) 数据采集/分析软件：配套的数据采集软件为Teddy ACQ 4.0，数据分析软件为Teddy EVA 4.0。

(3) 涡流探头适配器：自主设计了配套的涡流探头适配器，该适配器最大支持4个“+”字线圈。

设计了测试平台和试块。测试试块的缺陷分别为周向人工槽和平底孔，分别模拟裂纹和体积型缺陷。人工缺陷采用电火花加工，缺陷制造公差不超过±0.01 mm。人工槽的长度均为5 mm，宽度×深度分别为0.1 mm×0.5 mm，0.2 mm×0.5 mm，0.2 mm×1.0 mm，0.2 mm×2.0 mm。平底孔直径为1 mm，深度为1 mm。5个测试密封焊中，每个密封焊上有两个相同的缺陷，呈180°分布，分别位于焊缝端面和焊缝内侧。试块外观如图7所示。

图7 试块外观

选择最佳频率的基本原则为涡流缺陷信号幅值响应高，信噪比好。测试频率范围为20 kHz～800 kHz，经过测试，在200 kHz～400 kHz频率范围内，涡流信号噪声小，信噪比高，缺陷信号响应幅值高，信号响应稳定。因此,检测频率选择为300 kHz。信号标定时调整相位角，将0.2 mm×1.0 mm×5 mm(宽度×深度×长度)人工槽信号噪声调为水平且缺陷信号位于李莎茹图上方，显示幅度为满屏的150%(见图8)。图中左侧长条图和李莎茹图为密封焊端面中心处缺陷，右侧长条图和李莎茹图为密封焊内侧缺陷。由于每个密封焊上两个缺陷呈180°分布，两个正交线圈圆周方向呈90°分布，因此在图8中,从1和2两条标示线可以看出，两个缺陷涡流信号有旋转90°的时间差。φ1 mm平底孔缺陷信号如图9所示。最小的0.1 mm×0.5 mm×5 mm人工槽型缺陷信号如图10所示。

图8 0.2 mm×1.0 mm×5 mm人工槽涡流检测信号

图9 φ1 mm平底孔缺陷信号

图10 0.1 mm×0.5 mm×5 mm人工槽型缺陷信号

图10中信号是测试过程中出现的典型信号，左侧长条图和李莎茹图为密封焊端面中心处缺陷，右侧长条图和李莎茹图为密封焊内侧缺陷。图10中圆形圈住部分即为缺陷信号,从图10中左侧李莎茹图可以看出，涡流信号形成一个完整的闭合曲线，该闭合曲线为探头在手持操作时，探头与密封焊端面不能完全正向贴合而导致的旋转过程中的典型提离噪声信号，数据分析时将该信号作为本底信号。由于在信号标定时，将标定信号调整到了李莎茹图上方，所以存在缺陷时会在缺陷信号上形成向上的突变。

从测试结果可以看出，设计的管板密封焊涡流检测装置涡流信号响应良好，信噪比高。

3 结语

笔者所在公司开发了核电站蒸汽发生器传热管-管板密封焊涡流检测装置，初步研究测试表明，通过柔性连接系统设计，该装置实现了涡流探头与管板密封焊间的自适应配合，提离噪声小，检测灵敏度高；信号稳定性好，重复性好。在此设备开发的基础上阐述了核电站蒸汽发生器传热管-管板密封焊涡流检测缺陷信号、噪声信号形成的原因和规律，可以作为将来实际检测时缺陷判断的对比依据。阐述的检测技术未使用滤波技术，由于提离噪声信号特征单一，所以未来在此基础上使用信号滤波技术会极大地提高信噪比。