金屬波紋管的陣列渦流檢測

李志浩,王東旭,王永帥

(北京建筑材料檢驗研究院股份有限公司,北京 100041)

金屬波紋管通常由多層不銹鋼金屬薄板脹壓成型,其主要作用是補償管路位移和減震降噪,是各類管網和承壓設備進行熱補償的關鍵部件之一。目前,金屬波紋管廣泛應用于石化、市政管網、冶金、電力、船舶、建筑、航空等工業和民用部門的輸熱管網、煙氣管路、工業流體管道和承壓容器設備上。

管道運行過程中,金屬波紋管起到補償、減振的作用,應力水平比較高,同時還要承受來自輸送介質的腐蝕作用。在交變應力和腐蝕介質的共同作用下,波紋管易出現應力疲勞裂紋,引發波紋管失效[1]。隨著服役時間的加長,對于已接近或超過設計疲勞壽命的在役波紋管,迫切需要一種檢測手段,在不影響其繼續服役的前提下,對波紋管的安全可靠性進行檢測、評估,以保障管線的安全運行。

金屬波紋管成型的主要方法有液壓脹型、滾壓成型、機械脹型等。由于波紋管為多層曲面結構,現有的射線、超聲、磁粉、滲透等常規檢測方法均無法有效檢測其內部缺陷[2]。對各類無損檢測方法的特點進行分析后,筆者選擇陣列渦流檢測技術對多層金屬薄板和波紋管人工缺陷試樣進行檢測,旨在為金屬波紋管的在役檢測提供一些參考。

1 多層金屬薄板檢測試驗

1.1 檢測原理及試驗設備

陣列渦流檢測技術(ECA)基于常規渦流檢測發展而來,陣列渦流的每一個探頭都集成了多個線圈,線圈按照特定的順序進行信號的激勵和接收,繼而完成對工件的檢測。陣列渦流技術與常規渦流檢測技術相比,檢測速度大幅度提高,檢測結果可以二維的方式顯示,受人工操作的影響更小[3]。

陣列渦流檢測操作軟件不但可以提供常規渦流的阻抗圖,還可以提供二維C掃描圖像,降低數據分析的難度,并提高數據分析的速度。C掃描圖像橫軸平行于掃查方向,縱軸垂直于掃查方向,單次掃描即可呈現掃查區域面積內的缺陷情況,不受缺陷延伸方向限制。試驗采用加拿大Eddyfi公司的ECTANE-E128RNMI型陣列渦流檢測儀,配備I-Flex型柔性陣列探頭(見圖1),該柔性陣列探頭可彎曲,適用于曲面工件檢測。

圖1 I-Flex型柔性陣列探頭實物

柔性陣列渦流探頭的激勵-接收方式有兩種,分別為長單激勵和短雙激勵(見圖2)。長單激勵(LSD)方式使用一個線圈激勵(T),多個線圈接收(R),適合檢測較大的表面和近表面缺陷,對提離效應不敏感;短雙激勵(SDD)方式使用兩個線圈同時激勵,雙線圈接收,對于小缺陷有更高的靈敏度[4]。此次試驗采用短雙激勵檢測模式,激勵電壓為5 V,激勵頻率為50 kHz。

圖2 陣列渦流探頭激勵接收方式示意

1.2 人工缺陷試樣制作

由于金屬波紋管規格尺寸、厚度各異,在役檢測時需要根據待檢工件對檢測設備進行能力驗證,即采用標準試樣或人工缺陷試樣進行調校。由于平板試樣取樣及加工方便,可在與待檢波紋管相同材料、相同厚度的平板上制作人工缺陷進行檢測能力驗證。

金屬波紋管疲勞裂紋缺陷為線性缺陷,且沿圓周方向延伸,因此筆者制作了8塊材料為304不銹鋼,尺寸為200 mm×100 mm×1 mm(長×寬×厚)的平板試樣,在其中2塊平板中心位置各制作長為10 mm,寬為0.5 mm的人工線性穿透性缺陷一處,1 mm厚平板人工缺陷試樣實物如圖3所示。

圖3 1 mm厚平板人工缺陷試樣實物

在人工缺陷試樣上可依次疊加無人工缺陷試樣,在最上層試樣表面使用陣列渦流探頭進行掃查。通過上層無缺陷試樣數量的增減,可分別模擬多層不同厚度的波紋管進行測試,陣列探頭掃查方向與人工線性缺陷延伸方向平行。

1.3 人工缺陷試樣檢測結果

當人工缺陷試樣分別位于第1層至第6層時,對其進行陣列渦流掃描,多層平板試樣人工缺陷檢測結果如圖4所示。圖4中各分圖左側顯示為二維C掃圖,C掃圖中綠色顯示為無缺陷部位,紅色顯示為人工缺陷部位;各分圖右側顯示為十字光標位置數據點的幅值-相位圖。由C掃圖可看出,對于不同埋深的缺陷,人工缺陷中間位置紅色顯示基本一致。多層平板試樣人工缺陷中心位置的幅值和相位數據如表1所示。

圖4 多層平板試樣人工缺陷檢測結果

1.4 檢測結果分析

筆者根據表1數據繪制缺陷信號幅值與缺陷埋深關系曲線,其結果如圖5所示,可見,缺陷信號幅值隨缺陷埋深的增加而遞減。

表1 多層平板試樣人工缺陷中心位置的幅值和相位數據

圖5 平板試樣的缺陷信號幅值與缺陷埋深關系曲線

同理,繪制缺陷信號相位與缺陷埋深關系曲線,其結果如圖6所示,可見,缺陷信號相位隨著缺陷埋深的增加而增加,基本呈線性關系。

圖6 平板試樣的缺陷信號相位與缺陷埋深關系曲線

2 波紋管檢測試驗

2.1 試驗設備及試樣制作

在內徑為890 mm,材料為304不銹鋼,采用液壓脹型方式成型,層數為5層,每層厚度為1.0 mm的波紋管試樣上切割缺陷,在波紋管最內層波峰和波谷中心位置分別制作長為10 mm,寬為0.5 mm的穿透型人工線性缺陷,試樣層數可以自由增減,最薄可減至1層,最厚可增至5層。波紋管人工缺陷試樣實物如圖7所示。

采用陣列渦流檢測方法進行檢測試驗,試驗設備及參數與平板試樣檢測試驗時的相同,掃查方向與缺陷延伸方向平行。波紋管陣列渦流檢測現場如圖8所示。

圖8 波紋管陣列渦流檢測現場

2.2 檢測結果分析

對檢測所得的缺陷信號幅值進行分析,波紋管缺陷和平板試樣的缺陷信號幅值對比如表2所示,同時繪制波峰、波谷與平板缺陷信號幅值與埋深關系曲線(見圖9)。

表2 波紋管與平板試樣的缺陷信號幅值對比

由圖9可知,波紋管的波峰、波谷缺陷與平板缺陷在相同材料、相同厚度的情況下,檢測信號幅值幾乎一致,即在柔性陣列探頭與波紋管表面貼合緊密的情況下,可忽略波紋管表面較大的曲率,看作是對平板進行檢測。

波紋管和平板試樣人工缺陷信號相位對比如表3所示,繪制波峰、波谷與平板缺陷信號相位與埋深關系曲線,其結果如圖10所示。

表3 波紋管與平板試樣的缺陷信號相位對比

由圖10可知,波紋管波峰、波谷缺陷與平板缺陷的信號相位隨缺陷埋深的增加而遞增,基本呈線性關系。波紋管的波峰與波谷缺陷信號相比,相位無較大差異,與多層平板的相位有適當差異,但斜率相近。

圖10 波紋管波峰、波谷與平板試樣的缺陷信號相位與埋深關系曲線

3 結語

使用陣列渦流檢測技術對金屬薄板和金屬波紋管人工缺陷試樣進行檢測,得出如下結論。

(1) 陣列渦流檢測技術可對一定厚度的多層不銹鋼薄板和金屬波紋管的表面及內層人工線性缺陷進行定位檢測。

(2) 陣列渦流檢測結果呈二維圖像顯示,可通過檢測結果對缺陷位置、埋深及大小進行評估。

(3) 缺陷信號幅值和相位與缺陷埋藏深度有關,可通過幅值和相位來綜合判斷缺陷埋藏深度。