碳鋼小口徑接管常用于連接承壓設備與儀表,常見的小口徑接管焊縫包括管座角焊縫、凸臺角焊縫和對接焊縫。管座角焊縫用于連接小口徑接管與承壓設備殼體；凸臺角焊縫用于小口徑接管的變徑連接；小口徑接管對接焊縫用于連接儀表。小口徑接管焊縫通常采用手工電弧焊,焊接表面粗糙,為了防止腐蝕,接管部位都會涂有絕緣防腐漆,漆層厚度并不均勻。據報道,在役承壓設備的小口徑接管焊縫部位經常出現裂紋類缺陷[1-2]。 

由于帶有漆層,傳統的磁粉檢測方法和滲透檢測方法無法實施檢測,但電磁渦流檢測技術可以,且不會產生太多的干擾信號。由于管座結構復雜、小口徑接管曲率大、焊縫表面粗糙,普通渦流探頭中的渦流線圈中心線與被檢工件表面平行,對提離不敏感,但對裂紋走向的敏感性高,通常用于檢測碳鋼焊縫[3-4]。文章采用切向正交線圈渦流檢測技術（Eddy current technique with tangential and orthogonal coils,以下簡稱TOC-ET）對碳鋼小口徑接管焊縫的裂紋進行檢測。 

1.   TOC-ET的工作原理

TOC-ET基于電磁感應原理,遵循麥克斯韋方程。電磁場的計算滿足時諧電磁場的復函數形式的麥克斯韋方程組。 

TOC-ET的檢測原理示意如圖1所示。該技術將兩個絕對橋式切向線圈正交差分布置,可以保證兩個線圈工作時不相互串擾。當探頭靠近碳鋼表面時,正交交變電場會使得工件表面產生正交的感應電流,兩個正交的感應電流使得產生的交變感應磁場又分別作用于對應的切向線圈,將缺陷信息傳遞給對應的切向線圈,使切向線圈的阻抗發生變化[5]。兩個正交線圈尺寸和匝數相近,激勵的電流相同,執行平衡操作可使兩個切向正交線圈對于同一材料電磁特性的阻抗響應相同,將兩個切向正交線圈的阻抗響應進行差分,便可得到檢測信號。 

圖  1  TOC-ET的檢測原理示意

為了分析切向正交渦流檢測的檢測能力,將裂紋缺陷按走向劃分為橫向裂紋、縱向裂紋和45°斜向裂紋。檢測過程中,當探頭處于無裂紋部位時,兩個正交線圈產生相同的阻抗響應,達到平衡,差分后的阻抗電壓等于0,因此輸出的信號位于平衡點位置。當檢測過程中遇到與掃查方向垂直的橫向裂紋時,橫向裂紋走向與線圈1的感應電流方向垂直,由于刻槽的電阻率大于金屬的電阻率,因此,線圈1的感應電流流動路徑受到阻礙,將會從刻槽的兩端或底部金屬流過,感應電流路徑的改變會使得線圈1的渦流信號發生變化,橫向裂紋走向與線圈2的感應電流一致,對其阻礙性很小,因此,線圈2的渦流信號不變,兩個線圈的阻抗響應失去平衡,信號差分后的阻抗電壓信號不等于0,便會出現向上的半“8”字形的缺陷信號（規定線圈1阻抗減去線圈2的差分信號為正）。同樣,縱向裂紋會阻礙線圈2的感應電流,引起線圈2阻抗響應的變化,但縱向裂紋對線圈1感應電流的影響不大,兩個切向線圈的阻抗響應失去平衡,信號差分后便會呈現出向下的半“8”字形。45°斜向裂紋對于線圈1和線圈2的感應電流的阻礙效果正好相同,導致兩個切向線圈的阻抗響應都發生相同的變化,依然達到平衡,差分后的阻抗電壓等于0,缺陷信號位于平衡點位置。 

由切向正交渦流線圈的工作原理可知,當出現向上的半“8”字形渦流信號時,表明存在橫向裂紋；當出現向下的半“8”字形渦流信號時,表明存在縱向裂紋；如果沒有出現明顯的阻抗變化,可能是沒有缺陷,也有可能存在45°斜向裂紋。因此,采用TOC-ET進行一次性掃查時,容易漏檢45°斜向裂紋。 

2.   試驗設備及步驟

由于小口徑接管焊縫表面帶有厚度不均勻的漆層,文章借助試塊開展試驗。采用EVIDENT公司生產的型號為Nortec 600D-CCC的渦流檢測儀器以及型號為WLD-5-63/7L的切向正交渦流探頭,探頭的工作頻率為100~600 kHz,其實物如圖2所示。 

圖  2  TOC-ET檢測儀器實物

2.1   TOC-ET的提離效應

試塊為帶有4張絕緣薄片的碳鋼刻槽板,其材料為美國鋼材牌號4340（相當于中國鋼材牌號40CrNi2Mo）,刻槽的深度分別為0.5,1.0,2.0 mm,絕緣薄片單張厚度為0.5 mm,用于模擬防腐漆層,其實物如圖3所示（“+”標記為vc bvbvcvb正交探頭,箭頭為掃查方向,下同）。試驗時,檢測頻率為500 kHz,探頭驅動為中級,增益為65.0 dB,相位為0°,低通濾波頻率為200 Hz。 

圖  3  帶絕緣薄片的碳鋼刻槽板實物

首先,將4張絕緣薄片（厚度為2.0 mm）覆蓋到碳鋼刻槽板的刻槽側表面上,并將探頭放置在遠離刻槽和邊緣的區域進行平衡操作,手持探頭以相同姿勢橫掃刻槽,并保證探頭中一個切向線圈的軸向方向垂直于刻槽長度方向,分別采集3條刻槽的渦流檢測信號；然后,依次減少絕緣薄片的數量,提離高度分別為1.5,1.0,0.5,0 mm,分別采集刻槽的渦流檢測信號,觀察渦流信號特征的變化情況,測量渦流信號的幅值,并制作不同提離高度下各刻槽的幅值曲線。 

2.2   TOC-ET的碳鋼焊縫裂紋渦流信號特征

試驗采用碳鋼焊縫刻槽試塊,其實物如圖4所示,其材料為美國鋼材牌號4340。試塊尺寸（長×寬×厚）為76.8 mm×50.5 mm×9.4 mm,焊縫采用手工電弧焊接,焊縫焊紋較淺,共有4個刻槽,1個長橫槽橫跨焊趾、熱影響區和母材,3個短橫槽分別位于焊冠和焊趾部位,刻槽長度和深度的尺寸公差為±10%；碳鋼焊縫刻槽試塊的刻槽信息如表1所示。 

圖  4  碳鋼焊縫刻槽試塊實物

檢測頻率為500 kHz,探頭驅動為中級,增益為65.0 dB,相位為0°,低通濾波頻率為200 Hz。將探頭在母材遠離刻槽或邊緣的區域進行平衡操作,沿著焊縫長度方向進行掃查,并保證探頭中一個切向線圈的軸向方向與焊縫長度方向一致。 

2.3   TOC-ET的小口徑接管焊縫裂紋檢測能力

試塊為小口徑接管焊縫刻槽試塊,其實物及結構示意如圖5所示。試塊材料為20#鋼,試塊焊縫分為3部分：外徑為280 mm的管道與外徑為30 mm的小口徑接管之間的管座角焊縫,外徑為30 mm與外徑為20 mm的小口徑接管凸臺角焊縫,外徑為20 mm的小口徑接管對接焊縫。各焊縫上均加工了3條刻槽（橫向刻槽、縱向刻槽和45°斜向刻槽）,刻槽尺寸如表2所示。 

圖  5  小口徑接管焊縫刻槽試塊實物及結構示意

檢測頻率為500 kHz,探頭驅動為中級,增益為75.0 dB,相位為0°,低通濾波頻率為200 Hz。工件表面沒有噴涂絕緣的防腐漆層,在探頭表面貼有0.54 mm厚的鐵氟龍耐磨膠帶,可視為采用不帶鐵氟龍耐磨膠帶的探頭直接掃查防腐漆層厚度為0.54 mm的工件。將探頭在母材遠離刻槽或邊緣的區域進行平衡操作,沿著焊縫長度方向進行掃查,并保證探頭中一個切向線圈的軸向方向與焊縫長度方向一致。 

3.   試驗結果及討論

3.1   TOC-ET的提離效應

碳鋼刻槽試塊各刻槽在不同提離下的渦流信號如圖6所示（其中D為刻槽深度,L為提離,單位為mm）,不同提離下的渦流信號幅值如表3所示,不同提離下的渦流信號幅值曲線如圖7所示。 

圖  6  碳鋼刻槽試塊各刻槽在不同提離下的渦流信號

圖  7  碳鋼刻槽試塊各刻槽的提離-幅值曲線

由圖6和圖7可知,碳鋼刻槽渦流信號都是垂直方向,信號相位變化不大,信號幅值隨刻槽深度增加而增加,隨提離高度增加而減少,當提離高度達到2.0 mm時,0.5 mm深度刻槽的信號幅值達到10%以上,信噪比大于3,刻槽信號仍可清晰識別,因此,碳鋼材料表面裂紋檢測的允許提離可達到2.0 mm。 

3.2   TOC-ET的碳鋼焊縫裂紋渦流信號特征

碳鋼焊縫刻槽試塊中各刻槽的渦流信號如圖8所示,可知,橫向刻槽的信號圖是向上的半“8”字軌跡,縱向刻槽的信號圖是向下的半“8”字軌跡。母材的長刻槽信號的基礎點是屏幕中心,而焊縫區域缺陷的信號起點不是屏幕中心,這是由于焊冠區域的結構和電磁特性與母材的不同,無缺陷區域兩個正交線圈的阻抗電壓差分不等于0。另外,刻槽④在焊趾位置,焊縫余高導致探頭很難貼近缺陷,提離過高,故信號幅值下降。 

圖  8  碳鋼焊縫刻槽試塊各刻槽的渦流信號

3.3   TOC-ET的小口徑接管焊縫裂紋檢測能力

小口徑接管焊縫對比試塊各刻槽的渦流信號如圖9所示,可知,各焊縫的縱向刻槽和橫向刻槽的渦流信號為垂直向上或向下,幅值很大,容易檢出但方向相反,而45°斜向缺陷信號最弱。因此,當沿著焊縫掃查時,應考慮45°斜向裂紋的盲區問題。 

圖  9  小口徑接管焊縫對比試塊各刻槽的渦流信號

根據TOC-ET的原理,可將探頭旋轉45°,仍然沿著焊縫長度方向進行掃查,將會出現幅值較大的渦流信號,如圖10所示。探頭旋轉45°的掃查示意如圖11所示。如果仍沿著原來的方向掃查,兩個切向線圈的感應電流方向一個與裂紋走向平行,一個與裂紋走向垂直。這樣,兩個切向正交線圈的阻抗平衡被打破,將會出現半“8”字形渦流信號,信號幅值增大。由以上可知,可通過探頭旋轉45°的補充掃查,檢出45°斜向刻槽。 

圖  10  探頭旋轉45°掃查45°斜向刻槽⑥時的渦流信號

圖  11  探頭旋轉45°的掃查示意

4.   結論

文章通過采用TOC-ET對碳鋼表面開口裂紋的信號特征、提離高度進行分析,以及對碳鋼小口徑接管焊縫表面開口裂紋的檢測能力進行試驗,得到如下結論。 

（1）TOC-ET的渦流信號相位不變,幅值隨裂紋深度的增加而增加,隨提離的增加而減小,最大提離可達到2.0 mm。 

（2）TOC-ET的碳鋼焊縫表面開口橫向裂紋和縱向裂紋的渦流信號方向相反,為向上或向下；橫向裂紋和縱向裂紋容易檢出,但焊趾位置的縱向裂紋信號弱,對45°走向的裂紋不敏感。 

（3）TOC-ET能夠檢出漆層厚度為0.5 mm,尺寸（長×寬×深）為5.00 mm×0.25 mm×1.00 mm的碳鋼小口徑接管焊縫橫向和縱向表面開口裂紋,可允許接管的最小外徑為20 mm。 

（4）可通過探頭旋轉45°的補充掃查,檢出45°斜向刻槽。

文章來源——材料與測試網