碳鋼小口徑接管常用于連接承壓設(shè)備與儀表,常見的小口徑接管焊縫包括管座角焊縫、凸臺(tái)角焊縫和對(duì)接焊縫。管座角焊縫用于連接小口徑接管與承壓設(shè)備殼體；凸臺(tái)角焊縫用于小口徑接管的變徑連接；小口徑接管對(duì)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(huì)涂有絕緣防腐漆,漆層厚度并不均勻。據(jù)報(bào)道,在役承壓設(shè)備的小口徑接管焊縫部位經(jīng)常出現(xiàn)裂紋類缺陷[1-2]。
由于帶有漆層,傳統(tǒng)的磁粉檢測(cè)方法和滲透檢測(cè)方法無法實(shí)施檢測(cè),但電磁渦流檢測(cè)技術(shù)可以,且不會(huì)產(chǎn)生太多的干擾信號(hào)。由于管座結(jié)構(gòu)復(fù)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(duì)提離不敏感,但對(duì)裂紋走向的敏感性高,通常用于檢測(cè)碳鋼焊縫[3-4]。文章采用切向正交線圈渦流檢測(cè)技術(shù)（Eddy current technique with tangential and orthogonal coils,以下簡(jiǎn)稱TOC-ET）對(duì)碳鋼小口徑接管焊縫的裂紋進(jìn)行檢測(cè)。
1. TOC-ET的工作原理
TOC-ET基于電磁感應(yīng)原理,遵循麥克斯韋方程。電磁場(chǎng)的計(jì)算滿足時(shí)諧電磁場(chǎng)的復(fù)函數(shù)形式的麥克斯韋方程組。
TOC-ET的檢測(cè)原理示意如圖1所示。該技術(shù)將兩個(gè)絕對(duì)橋式切向線圈正交差分布置,可以保證兩個(gè)線圈工作時(shí)不相互串?dāng)_。當(dāng)探頭靠近碳鋼表面時(shí),正交交變電場(chǎng)會(huì)使得工件表面產(chǎn)生正交的感應(yīng)電流,兩個(gè)正交的感應(yīng)電流使得產(chǎn)生的交變感應(yīng)磁場(chǎng)又分別作用于對(duì)應(yīng)的切向線圈,將缺陷信息傳遞給對(duì)應(yīng)的切向線圈,使切向線圈的阻抗發(fā)生變化[5]。兩個(gè)正交線圈尺寸和匝數(shù)相近,激勵(lì)的電流相同,執(zhí)行平衡操作可使兩個(gè)切向正交線圈對(duì)于同一材料電磁特性的阻抗響應(yīng)相同,將兩個(gè)切向正交線圈的阻抗響應(yīng)進(jìn)行差分,便可得到檢測(cè)信號(hào)。
為了分析切向正交渦流檢測(cè)的檢測(cè)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(cè)過程中,當(dāng)探頭處于無裂紋部位時(shí),兩個(gè)正交線圈產(chǎn)生相同的阻抗響應(yīng),達(dá)到平衡,差分后的阻抗電壓等于0,因此輸出的信號(hào)位于平衡點(diǎn)位置。當(dāng)檢測(cè)過程中遇到與掃查方向垂直的橫向裂紋時(shí),橫向裂紋走向與線圈1的感應(yīng)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(yīng)電流流動(dòng)路徑受到阻礙,將會(huì)從刻槽的兩端或底部金屬流過,感應(yīng)電流路徑的改變會(huì)使得線圈1的渦流信號(hào)發(fā)生變化,橫向裂紋走向與線圈2的感應(yīng)電流一致,對(duì)其阻礙性很小,因此,線圈2的渦流信號(hào)不變,兩個(gè)線圈的阻抗響應(yīng)失去平衡,信號(hào)差分后的阻抗電壓信號(hào)不等于0,便會(huì)出現(xiàn)向上的半“8”字形的缺陷信號(hào)（規(guī)定線圈1阻抗減去線圈2的差分信號(hào)為正）。同樣,縱向裂紋會(huì)阻礙線圈2的感應(yīng)電流,引起線圈2阻抗響應(yīng)的變化,但縱向裂紋對(duì)線圈1感應(yīng)電流的影響不大,兩個(gè)切向線圈的阻抗響應(yīng)失去平衡,信號(hào)差分后便會(huì)呈現(xiàn)出向下的半“8”字形。45°斜向裂紋對(duì)于線圈1和線圈2的感應(yīng)電流的阻礙效果正好相同,導(dǎo)致兩個(gè)切向線圈的阻抗響應(yīng)都發(fā)生相同的變化,依然達(dá)到平衡,差分后的阻抗電壓等于0,缺陷信號(hào)位于平衡點(diǎn)位置。
由切向正交渦流線圈的工作原理可知,當(dāng)出現(xiàn)向上的半“8”字形渦流信號(hào)時(shí),表明存在橫向裂紋；當(dāng)出現(xiàn)向下的半“8”字形渦流信號(hào)時(shí),表明存在縱向裂紋；如果沒有出現(xiàn)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(jìn)行一次性掃查時(shí),容易漏檢45°斜向裂紋。
2. 試驗(yàn)設(shè)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(yàn)。采用EVIDENT公司生產(chǎn)的型號(hào)為Nortec 600D-CCC的渦流檢測(cè)儀器以及型號(hào)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(shí)物如圖2所示。
2.1 TOC-ET的提離效應(yīng)
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(hào)4340（相當(dāng)于中國鋼材牌號(hào)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(shí)物如圖3所示（“+”標(biāo)記為vc bvbvcvb正交探頭,箭頭為掃查方向,下同）。試驗(yàn)時(shí),檢測(cè)頻率為500 kHz,探頭驅(qū)動(dòng)為中級(jí),增益為65.0 dB,相位為0°,低通濾波頻率為200 Hz。
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(cè)表面上,并將探頭放置在遠(yuǎn)離刻槽和邊緣的區(qū)域進(jìn)行平衡操作,手持探頭以相同姿勢(shì)橫掃刻槽,并保證探頭中一個(gè)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(cè)信號(hào)；然后,依次減少絕緣薄片的數(shù)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(cè)信號(hào),觀察渦流信號(hào)特征的變化情況,測(cè)量渦流信號(hào)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(hào)特征
試驗(yàn)采用碳鋼焊縫刻槽試塊,其實(shí)物如圖4所示,其材料為美國鋼材牌號(hào)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(gè)刻槽,1個(gè)長橫槽橫跨焊趾、熱影響區(qū)和母材,3個(gè)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。
| 刻槽編號(hào) | 刻槽走向 | 刻槽尺寸 | 刻槽位置 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 長 | 寬 | 深 | |||
| ① | 橫向 | 19.05 | ≤0.18 | 0.508 | 熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材 |
| ② | 橫向 | 3.175 | ≤0.18 | 0.508 | 焊冠 |
| ③ | 縱向 | 5.08 | ≤0.18 | 0.508 | 焊冠 |
| ④ | 縱向 | 5.08 | ≤0.18 | 0.508 | 熔合區(qū) |
檢測(cè)頻率為500 kHz,探頭驅(qū)動(dòng)為中級(jí),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(yuǎn)離刻槽或邊緣的區(qū)域進(jìn)行平衡操作,沿著焊縫長度方向進(jìn)行掃查,并保證探頭中一個(gè)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(cè)能力
試塊為小口徑接管焊縫刻槽試塊,其實(shí)物及結(jié)構(gòu)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(tái)角焊縫,外徑為20 mm的小口徑接管對(duì)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。
