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压力容器检测专 题 论 坛压力容器无损检测 涡流检测技术 李小亭沈功田(河北大学 质量技术监督学院,保定 071051)(中国特种设备检测研究中心,北京 100013)摘 要:综述了压力容器用管材制造和压力容器使用过程中的涡流检测技术,包括制造过程中的铁磁性钢管和非铁磁性金属管材的涡流检测技术、在用铁磁性钢管的远场涡流检测技术、在用非铁磁性金属管的涡流检测技术和金属压力容器壳体焊缝表面裂纹的复平面分析涡流检测技术。关键词:压力容器;涡流检测;管材;焊缝中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2004)0820411206NONDESTRUCTIVE TESTINGOF PRESSURE VESSELS:EDDY CURRENT TESTING TECHNIQUELI Xiao2ting(The College of Quality and Technical Supervision of Hebei University,Baoding 071051,China)SHEN Gong2tian(China Special Equipment Inspection and Research Center,Beijing 100013,China)Abstract:The eddy current testing(ET)technique used to tube test during fabrication and in2service testing ofpressure vessel are reviewed.These techniques include eddy current testing(ET)of ferromagnetic steel tube and non2ferromagnetic metallic tube during fabrication,remote ET of in2service ferromagnetic steel tube,ET of in2service non2ferromagnetic metallic tube and ET of welds by complex plane analysis.Keywords:Pressure vessels;Eddy current testing;Tubes;Welds1 概述换热器是最常见的压力容器类型之一,主要用于石油、化工、电力、供热等各种生产过程中工作介质之间的热量交换。换热器最常用的结构为管壳式,换热金属管是必用元件之一,通过换热管可使不同介质达到热量迅速交换的目的。通常,换热器的管壳中具有流动的高温、高压、易燃、易爆和有毒等介质,因此,控制新制换热管的质量和及时检测在用换热管出现的腐蚀、冲蚀等壁厚减薄缺陷,对确保换热器的安全运行十分必要。常用的换热金属管包括铁磁性的碳钢和合金钢钢管以及非铁磁性的不锈钢钢管、铜及铜合金管、铝及铝合金管、钛及钛合金管等。目前国内外检验这收稿日期:2004205226些金属管最常用的方法为涡流检测方法,根据金属管的磁性特征及检测的阶段又分为制造过程中铁磁性钢管的涡流检测技术、制造过程中非铁磁性金属管的涡流检测技术、在用铁磁性钢管的远场涡流检测技术和在用非铁磁性金属管的涡流检测技术。目前国内普遍开展的是制造过程中各种金属管的涡流检测,并制定了如下检测标准:GB/T 5126 铝及铝合金冷拉薄壁管材涡流探伤方法GB/T 5248 铜及铜合金无缝管涡流探伤方法GB/T 7735 钢管涡流探伤检验方法GB/T 12604.6 无损检测术语 涡流检测GB/T 12969.2 钛及钛合金管材涡流检验方法GB/T 14480 涡流探伤系统性能测试方法JB 4730 锅炉、压力容器及压力管道无损检测目前开展较多的为在用换热器非铁磁性金属管114第26卷第8期2 0 0 4年8月无损检测NDTVol.26No.8Aug.2 0 0 4 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.的涡流检测工作,而在用换热器铁磁性钢管的涡流检测工作则刚刚开始,但这两方面均无现成的检测标准,目前在JB 4730修订报批稿的第六部分中已经加入这两方面的内容。国外在上述四方面均有成熟的标准,最有代表性的为美国ASME锅炉压力容器规范第 卷涡流检测,包括制造过程中铁磁性钢管的涡流检测技术、制造过程中非铁磁性金属管的涡流检测技术和在用非铁磁性金属管的涡流检测技术。加拿大制定了在用铁磁性钢管的远场涡流检测标准。对于在用压力容器焊缝表面裂纹的检测,铁磁性材料一般采用磁粉检测,非铁磁性材料采用渗透检测,但这两种检测方法均需要对表面进行打磨处理去掉防腐层。在实际检测过程中,往往花费大量人力物力进行打磨处理后,有95%以上的压力容器焊缝未发现任何表面裂纹,由此给压力容器用户造成较大损失;另外,采用磁粉和渗透无法对压力容器进行在线检测。针对这些问题,人们研究出基于复平面分析的金属材料焊逢涡流检测技术,在有防腐层的情况下,也可采用点式探头对焊缝表面进行快速扫描检测。欧洲于2000年颁布了相应的检测标准1,我国也于近年来开展了这方面的应用研究工作,并研制出了相应的检测仪器2,3。以下针对不同检测目的,介绍涡流检测技术对不同检测对象应用的特点和关键技术。2 新制铁磁性钢管的涡流检测对新制钢管进行涡流检测的目的,主要是控制钢管的产品质量,发现钢管上可能存在的通孔和表面裂纹等缺陷。检测通孔的方法通常采用穿过式线圈,检测表面裂纹的方法通常采用扁平放置式线圈。另外,由于钢管具有铁磁性,在不同的磁场强度作用下具有不同的磁导率,因此,铁磁性钢管检测必须具有磁饱和装置,以便对检测线圈的检测区域施加足够强的磁场,使其磁导率趋于常数。铁磁性钢管涡流检测的频率范围一般在1500kHz之间。2.1 检测方法图1为穿过式线圈检测钢管的示意图,线圈一般为多线圈结构,多线圈可以是分列式或初级线圈、双差 动 线 圈 等。此 时 钢 管 的 最 大 外 径 一 般180mm,在靠近检测线圈的钢管表面上,其检测灵敏度最高,随着与检测线圈距离的增加,检测灵敏度逐渐降低。图1 穿过式线圈钢管涡流检测示意图 图2为使用扁平放置式线圈检测的示意图,图2a为线圈旋转钢管轴向移动的扫查方式,图2b为钢管旋转线圈轴向移动的扫查方式,使用这种方法时,钢管的外径没有限制。图2 扁平放置式线圈检测技术简图(螺旋式扫描)图3为采用扁平放置式扇形线圈对焊接钢管焊缝表面裂纹进行涡流检测的示意图,探头做成扇形的目的是为了使放置式线圈具有足够的宽度,以满足焊缝在偏转的情况下得到扫查。图3 钢管焊缝扇形线圈涡流检测示意图2.2 对比试样涡流检测时,必需用对比试样来调节涡流仪器的检测灵敏度、确定验收水平,以保证检测结果的准确性。对比试样应与被检对象具有相同或相近规格、牌号、热处理状态、表面状态和电磁性能,大多数标准规定对比试样上的人工缺陷为通孔或刻槽。采用通孔的对比试样如图4所示,在试样钢管上每隔120 的方向打3个通孔,焊接钢管应有1个孔位 于 焊 缝 上。此 外,在 对 比 试 样 钢 管 端 部200mm处,加工2个相同尺寸的通孔,以检查端部效应。对比试样上通孔的孔径由验收等级和钢管214李小亭等:压力容器无损检测 涡流检测技术 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.图4 对比试样上通孔位置的外径来决定,一般在0.53.2mm的范围内。采用对比槽形试样时,槽的形状为纵向矩形槽,平行于钢管的主轴线。槽的宽度 1.5mm,长度为25mm,其深度为管子公称壁厚的5%,最小深度为0.3mm,最大深度为1.3mm。深度允许偏差为槽深的 15%,或者是 0.05mm,取其大者。3 新制非铁磁性金属管的涡流检测非铁磁性金属管主要包括奥氏体不锈钢无缝钢管、铜及铜合金无缝管、铝及铝合金无缝管、钛及钛合金无缝管,这些管材的外径一般 50mm,管材的壁厚 5mm。对新制管材进行涡流检测的主要目的也是发现钢管上可能存在的通孔缺陷,采用的方法为外穿过式线圈。与铁磁性金属管相比,非铁磁性金属管的涡流检测不需要磁饱和装置,但对铜镍合金管材,有时也使用磁饱和装置,使被检区域达到磁饱和后进行检测。非铁磁性金属管涡流检测的频率范围一般在1125kHz之间。新制非铁磁性金属管涡流检测采用通孔对比试样,即在一定长度的管材上沿轴向加工5个相同孔径的通孔,其中2个通孔分别距管端100mm,中间3个通孔沿圆周方向相隔120 5 均匀分布,5个孔的间距为:铝及铝合金无缝管为150mm、钛及钛合金无缝管为300500mm、铜及铜合金无缝管为500mm。对比试样上的通孔直径由管材外径的不同选为 0.41.3mm,孔径偏差为 0105mm。图5为铜及铜合金无缝管对比试样的示意图。图5 铜及铜合金无缝管对比试样的示意图检测时,线圈的内径应与被检管材外径相匹配,其填充系数 0.6。按规定的验收水平调整灵敏度时,信噪比 10dB,人工缺陷响应信号的幅度应在仪器满屏幕的30%50%之间,中间3个通孔的显示幅度应基本一致,选取最低幅度的信号作为检测设备的触发2报警电平。对比试样和检测线圈之间的相对移动速度应与工作状态下被检管材与检测线圈之间的相对移动速度相同。4 在用换热器铁磁性钢管的远场涡流检测与新制钢管的涡流检测方法不同,在用换热器管的涡流检测只能采用内穿过式探头,由于钢管的口径较小,内穿过式探头采用磁饱和装置非常困难,因此对于在用换热器铁磁性钢管通常采用远场涡流检测方法,而不采用磁饱和状态下的常规涡流检测技术。4.1 检测设备远场涡流检测仪器采用10Hz5KHz的低频激发,探头内分别设置远场涡流激励线圈和检测线圈,而且激励线圈与检测线圈的间距为被检管子内径的23倍。与新制管材的涡流检测相比,远场涡流检测对涡流探伤仪有更高的要求,仪器至少具备如下功能:(1)可采用电压平面显示方式,实时给出缺陷的相位、幅值等特征信息,可将干扰信号与缺陷信号调整在易于观察及设置报警区域的相位上。(2)可采用自动平衡技术。(3)频率范围为10Hz5KHz,具有良好的低频检测特性。(4)应至少具备2个独立可选频率和4个非分时的检测通道。(5)具备存储、分析等功能。图6为远场涡流常用探头结构示意图。图6a为远场涡流探头的原理图,远场涡流激励与检测线圈间距为被检管子内径的23倍,检测线圈的探头必须具有合适的直径,应能顺利通过所要检测的管子,并具有尽可能大的填充系数。图6b为两种常用探头的结构图,一种探头采用两个激励线圈和一个检测线圈,另一种探头采用一个激励线圈和两个检测线圈,这两种结构的探头用于降低由支撑板和其它导体产生的干扰信号。图6c为常用检测线圈的几种结构形式,绝对线圈和差动线圈适用于大面积渐变缺陷的定位和特征表征检测,但差动线圈对管道长度方向上的突变性缺陷具有更灵敏的响应信号;多点式线圈用于检测管子周向壁厚的偏差,其相对于管子既可以径向放置,也可以轴向放置,但多点式线圈需要采用多个通道的检测仪器。314李小亭等:压力容器无损检测 涡流检测技术 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.图6 远场涡流探头结构示意图说明:图6a,b中箭头表示电场能量流的方向4.2 对比试样远场涡流检测的对比试样如图7所示。A为50%壁厚深度的圆底孔;B是直径为1.25倍壁厚的图7 远场涡流检测的两种对比试样通孔;C为20%壁厚深、3mm宽的周向窄凹槽;D为20%壁厚深、宽度 2倍管外径的周向宽凹槽;E为单边缺陷,型试样管单边缺陷的深度为60%、长度为15mm、周向幅度为180 270,型试样管单边缺陷的深度为50%,长度为 2倍管外径的铣槽。远场涡流检测对比试样管用于检测前仪器的调整,一般不用于缺陷特征分析,除非其人工缺陷与所要检测的缺陷相似。根据检测需要,可以专门制作缺陷特征对比试样。4.3 检测检验前,首先对在役铁磁性钢管内表面进行清洗,使之满足检测要求;使用远场涡流检测对比试样时,调整工作频率和其它工作参数,使电磁场能较好地穿透管壁,并使仪器的连续平衡速率或滤波参数适应探头的移动速度,最终使系统达到所要求的灵敏度;对钢管进行检测时,尽可能地使探头速度恒定平稳,探头在管内的检测速度视所用仪器和选择的参数而定,一般 10m/min;检测过程中,使用从远场涡流检测对比试样管获得的数据作为衡量仪器缺陷检测能力的标准,判断被检管是否存在缺陷。5 在用换热器非铁磁性金属管的涡流检测在用换热器非铁磁性金属管的涡流检测也只能采用内穿过式探头。与新制管材检测的目的不同,在用设备检测的目的是发现换热管在使用过程中可能产生的壁厚均匀腐蚀减薄、局部腐蚀坑、与管子支撑板接触部位的磨损、裂纹等缺陷,因此对检测仪器功能有较高的要求,对比试样也是针对这些缺陷的检测而设计的。5.1 检测设备检测设备除具有一般仪器常有的功能外,还应具备如下功能:(1)涡流探伤仪至少应有2个独立可选频率,频率范围为1kHz1MHz。(2)仪器需具备差动和绝对通道的检测能力,能够检测出管子壁厚均匀减薄、裂纹、腐蚀坑和磨损等缺陷。(3)仪器应具有相位调节、滤波、混频处理等单元,并有相应的报警设置、阻抗平面显示以及可靠的记录装置。(4)内穿过式探头与涡流探伤仪组合,能有效地消除管板、支撑板、噪声等干扰因素影响。5.2 对比试样414李小亭等:压力容器无损检测 涡流检测技术 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.对比试样上人工缺陷的形状为通孔、平底孔和周向切槽,图8为 型对比试样,A是 1.3mm(外径D20mm)或 20mm)的通孔、B是4个 4.8mm深度为20%壁厚的平底孔、C是1个宽度为3.2mm深度为20%壁厚的外周向切槽、D是1个宽度为1.6mm深度为10%壁厚的内周向切槽。图9为 型对比试样,A是1个 20mm)的通孔、B是1个 2.0mm深度为80%壁厚的平底孔、C是1个 2.8mm深度为60%壁厚的平底孔、D是1个 4.8mm深度为40%壁厚的平底孔、E是4个 T2v时,有H1v1H2v2,即H1H2v1v2时,有HB3HB2,即B3波在B2波之后。反之当H1H2v1v2时有HB3HB2,即B3波在B2波之前。当H1=H2v1v2时有HB3=HB2,即B3波和B2波重合。由于缺陷波是在B2波之前,因此应要求B3波不能在B2波之前,否则可能会导致缺陷波湮没在B3波中,而不能正确发现缺陷,即在决定液体层厚度时应有H1H2v1v2 这是有效发现缺陷的必要条件之一。显然探伤时探头的线聚焦范围应能覆盖整个工件厚度,因此,在检测对象较薄时,探头焦点深度应在检测对象中心,检测对象较厚时,则可能需要数个不同焦点深度的探头以便能覆盖整个工件,这也是液浸探伤时需注意的一点。2.3 应用实际探伤中,笔者最初由于水层厚度设置不当,造成波形混杂,难以分辨。后经仔细分析,调整了水层厚度,并采用南通友联公司生产的PXUT2360型笔记本数字式探伤仪进行校准和探伤,从而顺利完成探伤工作。(下转第433页)(上接第416页)d)工件的几何结构 工件的形状和探头与被测区域的接近程度也影响了检测的灵敏度,复杂的焊缝结构(如角焊缝)应根据结构和可能的缺陷方位来进行检测。e)线圈与缺陷的夹角 感应电流是有方向性的,因此应注意确保电流的方向与可能出现的缺陷方位保持垂直和/或平行。f)缺陷的最小尺寸 涡流方法能从铁磁性钢焊缝中测得的最小缺陷的长 深为1mm5mm。参考文献:1EN17112000,Non2destructiveexaminationofwelds Eddy current examination of welds by complexplane analysisS.2刘 凯,杨纬书.带防腐层焊缝疲劳裂纹的快速探伤A.中国第八届无损检测年会论文集C.苏州:2003.3 林俊明,张开良,等.焊缝表面裂纹快速检测与深度测量A.中国第八届无损检测年会论文集C.苏州:2003.034宋 伟等:数字式超声探伤仪的定位调节及液浸探伤应用 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.