压力容器无损检测涡流检测技术.doc

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NONDESTRUCTIVE TESTINGOF PRESSURE VESSELS :EDDY CURRENT TESTING TECHNIQUELI Xiao-ting( The College of Quality and Technical Supervision of Hebei University , Baoding 071051 , China)SHEN Gong-tian(China Special Equipment Inspection and Research Center , Beijing 100013 , China)Abstract : The eddy current testing ( ET) technique used to tube test during fabrication andin2service testing ofpressure vessel are reviewed. These techniques include eddy current testing( ET) of ferromagnetic steel tube and non2ferromagnetic metallic tube during fabrication , remoteET of in2service ferromagnetic steel tube , ET of in2service non2ferromagnetic metallic tube andET 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。图4 对比试样上通孔位置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1205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300 500mm、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10Hz5 KHz 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10Hz5 KHz ,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。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180270, 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。图7 远场涡流检测的两种对比试样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D 20mm) 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418mm 深度为20 %壁厚的平底孔。所有人工缺陷的轴向间隔及与管端的距离以在检验条件下能清楚地分辨为准(一般推荐距端头200mm ,相互间隔为100300mm) 。图8 型对比试样上人工缺陷的形状及位置示意图图9 型对比试样上人工缺陷的形状及位置示意图5. 3 检测检验前,首先对在役非铁磁性管内表面进行清洗,使之满足检测要求;使用检测对比试样,调整工作频率和其它工作参数,最终使系统达到所要求的灵敏度。图10 为采用差动式探头进行仪器调整的涡流信号阻抗平面图,图11 为采用绝对式探头进行仪器调整的涡流信号阻抗平面图。对管子进行检测过程中,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20m/ min ;检测过程中,使用从检测对比试样管获得的数据作为仪器缺陷检测能力的衡量标准,判断被检管是否存在缺陷。图10 采用差动探头调整仪器的涡流信号阻抗平面图图11 采用绝对探头调整仪器的涡流信号阻抗平面图6 压力容器壳体焊缝表面裂纹的涡流检测金属压力容器在投入使用后,在应力、疲劳载荷、内部工作介质或外部工作环境的作用下,易在焊缝和热影响区部位产生应力腐蚀开裂或疲劳等表面裂纹,目前在定期检验中检测表面和近表面裂纹最常用的方法为磁粉检测和渗透检测,这种检测方法灵敏度高,但在检测过程中必需对检测区域的表面进行打磨处理,去除表面的油漆、喷涂等防腐层和氧化物。然而, 在目前的压力容器定期检验中, 有95 %以上的压力容器在经过焊缝表面打磨和磁粉或渗透检测后未发现任何表面裂纹,即使发现表面裂纹的压力容器,一般也是只存在几处表面裂纹,占焊缝总长的1 %以下,因此大量的打磨一方面增加了压力容器停产检验的时间和费用,另一方面也减小了压力容器焊缝部位壳体的壁厚。另外,由于绝大部分在用压力容器不能进行打磨,因此这两种方法均不能用于压力容器的在线检测。采用涡流技术可以在不去除表面涂层的情况下探测金属材料的表面裂纹,然而,常规涡流方法只适用来检测表面光滑的母材上的裂纹,对焊缝上的裂纹检测却会因焊缝在高温熔合时产生的铁磁性变化和焊缝表面高低不平而出现杂乱无序的磁干扰而无法实施。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(电磁) 检测技术,在有防腐层的情况下,也可采用特殊的点式探头对焊缝表面进行快速扫描检测,这时提离效应对检测结果的影响很小。6. 1 检测设备用于金属焊缝表面裂纹检测的仪器除应具有复平面相位和幅度的分析和显示功能外,还应至少具备以下功能:(1) 检测频率 可在1kHz1MHz 的范围内任意选择。(2) 检测灵敏度 在平衡和提离补偿后,进一步调节增益和相位控制,在预计最大涂层厚度的情况下可使校准试块上1mm 深的人工缺陷在显示屏达到满屏显示,同时0. 5mm 深的人工缺陷信号的幅度至少大于1mm 深缺陷信号的50 %。(3) 信号显示 至少可进行复平面显示,可以方便地冻结数据直至操作者重新设置,信号轨迹可以在检测过程中的照明条件下清楚观察。(4) 相位控制 调节步进应大于10,并可进行360旋转调节。(5) 评价模式 可在复平面矢量图上进行相位分析和幅度分析,并可把当前显示与以前存储的参考数据比较来进行评价。(6) 检测探头 为了检测铁磁性焊缝,应使用根据此目的设计的特殊探头;探头的组装可以是差动式、正交式、正切式或与此相当的,以使探头在焊缝和热影响区受电导率、磁导率和提离效应等变化的影响最小;探头的直径应根据被测构件的尺寸来选择,这些探头在接触面上覆盖的非金属耐磨材料薄层应不影响探头正常工作,探头应能在1kHz1MHz 范围内任意选定的频率点上工作。6. 2 对比试样对比试样应采用与被测构件相同的材料制作。用电子喷射( EDM) 加工0. 5mm、1. 0mm 和2.0mm 深的V 形槽,如果位于边缘收缩部位之间,也可再加工其它规格的槽。刻槽深度的公差应为011mm。刻槽的推荐宽度应0. 2mm ,对比试样的最小尺寸和刻槽间距如图12 所示。6. 3 检测(1) 频率选择 应根据灵敏度、提离和其它不希望出现的信号将频率调到最佳。通常情况下,建议采用约100kHz 的检测频率。图12 焊缝涡流检测的对比试样(2) 仪器校准 校准是通过将探头在对比试样上划过V 形槽进行的,V 形槽表面应先覆盖上一层