U形管弯管段消应力热处理过渡区的异常涡流信号

江 华，曹 萍，闫生志，李欢妮，肖 琪，李伟源，徐占标，马 骏，潘华彪

(浙江久立特材科技股份有限公司，湖州 313000)

U形传热管常采用冷弯的方式进行加工，冷弯过程中常伴有应力的产生，这些应力会对管材的正常运行带来一些风险。主要表现为在高温高压环境下容易引起应力腐蚀开裂(SCC),且往往发生于无明显宏观变形的情况，为了减少SCC的发生概率，制造厂常需要对弯头段进行消应力热处理，其目的是消除弯管弯制时产生的内应力[1]。其方法是采用电极加热的方式对弯头进行热处理，通过电极导电使得弯头迅速升温然后切断电源采用风冷的方式进行冷却。消应力热处理工艺如图1所示。

1 异常涡流信号的产生

消应力热处理后，需要对U形传热管进行内穿式探头涡流检测，采用四频八通道同时采集信号并分析。频率分别为200 kHz,130 kHz,80 kHz,20 kHz,其中1,3,5,7为差分通道，2,4,6,8为绝对通道。采样率为1 200采样点/s;采集速度为300 mm·s-1;数字化率为每毫米4个采样点，数据以回拉的方式进行存储。

多频多通道涡流检测采用的是相位-深度分析法，即根据标定管的标准深度与相位关系制作出一条相位-深度判伤曲线(见图2)。曲线的轴线为缺陷的相位值，纵轴为缺陷深度(以壁厚百分比表示)，管内壁的缺陷使用一次直线拟合，管外壁缺陷使用二次曲线拟合获得相位-深度曲线[2]。对检验过程中发现的缺陷显示使用该曲线进行对比,得出缺陷深度的估计值，即所谓的“不连续性的估计深度与信号的相互关系”。

在使用该热处理工艺生产某普通18-8型奥氏体不锈钢热交换U形管后，采用多频多通道涡流探伤仪进行内穿式探头内涡流检测时发现,在2个电极夹钳位置也就是在热影响区的过渡段(见图3)有1个异常涡流信号显示(蓝色色标范围内信号显示)，该信号在辅频差分通道和绝对通道均有较明显的显示，将该信号按照相位伤深曲线规律判断该处存在严重外表面壁厚减薄，最大处减薄达到87%，两夹钳位置弯管内涡流异常信号显示如图4所示。

图3 弯管内异常涡流信号位置示意

图4 两夹钳位置弯管内异常涡流信号显示

根据涡流信号规律进行分析时，发现该处存在典型的外部损伤，特征为79%和87%的外壁壁厚减薄，为了验证分析该结论，对实物进行定位分析并且采用其他无损检测方法辅助检测。

2 异常涡流信号的分析

首先通过涡流采集数据点的计算对产生异常信号的位置进行定位，然后采用目视检测的方法进行内外表面检验，通过对该处及附近位置的外表面放大镜检测和内表面内窥镜查看，并未发现任何缺陷，内外表面完好无损。另外，对其尺寸也进行了检测，并未出现异常，表面无凹坑、外凸、波浪、夹瘪等。异常信号位置处外表面及内表面形貌如图5所示。

图5 异常信号位置处外表面及内表面形貌

既然内外表面没有发现缺陷，则需判断该处椭圆度是否有突变或者内部及近表面是否存在缺陷，接下来采取其他无损检测手段进行辅助分析。将带有异常信号的位置截取下来进行超声检测(UT)、渗透检测(PT)和射线检测(RT)，超声检测按照标准GB/T 5777-2008 L2 《无缝钢管超声波探伤检验方法》 执行，采用GE ROTA40设备进行检测，沿管材纵向横向内外表面进行双向扫查，结果显示该处并没有分层、折叠、裂纹等类型缺陷显示，管材超声波A扫波形非常规律。另外，还利用超声波探伤仪自动全长测厚测外径的功能对所截取管材进行全长连续测量，结果显示异常信号及附近尺寸(壁厚、外径)也没有明显变化，处于稳定的状态。超声检测A扫波形如图6所示，外径及壁厚连续尺寸测量图如图7所示。

图6 超声检测A扫波形

图7 外径及壁厚连续尺寸测量图

液体渗透检测主要是针对表面开口缺陷的检测[5]，由于管材内径较小，只能对管材外表面进行检测。因为现场条件及检测灵敏度要求比较高，所以采用溶剂去除型着色渗透检测法对异常信号处及其附近表面进行检测，严格按照NB/T 47013.5-2015 《承压设备无损检测》 进行操作，检测结果为实物被渗透，表面没有线状、点状显示，检测结论为外表面合格。异常信号及其附近液体渗透检测结果如图8所示。

图8 异常信号及其附近液体渗透检测结果

同样的也对其进行X射线检测，X射线是波长极短的电磁波，能量较高，能够穿透较厚的物体。当其穿过物体时存在衰减作用，如果被检物体中存在缺陷就会影响射线的吸收，使透过的射线强度发生变化[6]。由于被检测产品为无缝钢管，使用X射线实时成像设备进行检测，扫查完成后发现并无分层、裂纹等缺陷的显示，检测结果为合格。异常信号及其附近的X射线检测结果如图9所示。

图9 异常信号及其附近的X射线检测结果

通过上述不同的无损检测方法辅助检测，得出的结论都是一致的，即异常信号及其附近位置是完好的，并未存在不连续缺陷显示。这一结论与内涡流分析检测结果差异较大，说明利用涡流缺陷信号的分析规律分析该显示是不恰当的，会造成检测的误报。该热处理工艺下产生的异常涡流信号不是缺陷信号，而是一种固有的信号，一种该热处理条件下固有的工艺加工信号。这类信号产生的原因是消应力处理导致了材料物理性能的改变，这变化来自消应力后基体中溶质原子浓度的改变，脱溶相微粒的影响和合金中应变场的作用等。消应力初期使电子散射几率增加，故合金电阻上升，但过了时效则因基体中溶质原子贫化(经脱溶分解造成溶质原子缺失)而使得电阻下降[4]。合金的磁性也因时效而变化，由于脱溶相阻碍磁畴壁的移动，磁导率会因时效而下降。当这种状态重新进行固溶处理后又会恢复到初始的状态，为了验证以上分析同时也排除其作为缺陷信号的定性，另增加了试验。

试验方法为对带有该异常信号的两支U形管(1#和2#)重新进行整体固溶热处理，热处理温度为1 050 ℃。1#，2#管材整体热处理前后涡流信号如图10所示。

从图10可以发现带有异常信号的1#，2#管经整体热处理后，异常涡流信号在各个通道消失，从这也可定性这种电极加热式热处理异常内涡流信号不是一种缺陷信号。

最后，在带有异常涡流信号的U形管中任取3支，进行XRD(X射线衍射)残余应力检测。每支U形管检测部位分别为异常涡流信号显示、上下各50 mm位置以及上下各100 mm位置，共5个截面，每个截面检测上、下、左、右共4个检测点，每个检测点检测环向残余应力。

检测结果显示，在未消应力区、过渡区以及消应力区3个部位的环向残余应力有明显变化，其中未消应力区为拉应力，消应力区为压应力，中间存在拉应力向压应力转变的区域为过渡区，残余应力过渡区位置与异常涡流信号位置一致。

图10 1#，2#管材整体热处理前后涡流信号

3 结语

通过对经过消应力热处理的U形传热管弯管段实施涡流检测，并对出现异常信号的热处理过渡区采用多种检测手段进行验证试验，经分析可以得出以下结论。

(1) 发现经VT、UT、RT、PT等检测方法检测，均未出现缺陷显示及其他异常情况，从而可以得出U形管弯管段消应力热处理后出现的异常涡流信号不是不连续的缺陷信号显示，它只是一种加工工艺信号，即一种在该种热处理工艺下固有的信号显示。这种信号是一种新的组织结构类别的显示，是在这种热处理工艺下所特有的。所以现有的涡流检测分析方法及规律已经不适用于这种信号的分析，需要在对生产工艺深入了解的基础上，进行大量的涡流及其他检测方法的试验研究，以探讨信号是否存在于夹钳处热影响过渡段，并作为现有涡流信号分析规律的一种补充，准确地对信号进行定性判断，真正做到不漏检，不误检。

(2) 该过渡区出现异常涡流信号的根本原因是U形管局部消应力热处理后，消应力区与未消应力区的环向应力发生变化，存在应力变化过渡区，属于局部消应力热处理固有的工艺信号。