Inspection ability comparison analysis of different ET probes for steam generator tube defects
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摘要:
为研究不同类型涡流探头对蒸汽发生器传热管缺陷的检测能力,分别采用轴绕式探头、旋转探头与阵列探头,对位于自由段的孔形、槽形、磨损缺陷和疲劳裂纹进行试验、对胀管过渡区孔形和槽形缺陷进行试验,还进行了缺陷分辨力试验,发现旋转探头与阵列探头具有相近的缺陷检出能力,对于间距较小的缺陷和胀管过渡段上的缺陷等复合缺陷,旋转探头与阵列探头的缺陷检出能力均明显优于轴绕式探头的。
Abstract:In order to investigate the inspection ability of steam generator tube defects with different probes, inspection comparison test of bobbin, MRPC (Motorized rotating probe coil) and array probes were conducted on free span defects as holes, notches, wears, fatigue cracks, rolling zone defects as holes, notches, and resolving ability test was also carried out. The test results showed both MRPC and array probes had almost same sensitivities for these defects, especially obviously better than bobbin probe for small spacing defects and combined defects such as defects on rolling zone.
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Keywords:
- eddy current probe /
- steam generator /
- heat transfer tube /
- defect inspection
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蒸汽发生器传热管承担着一回路和二回路热交换任务,是核电站最重要的设备之一,经过长时间运行,容易产生减薄、点蚀、应力腐蚀开裂、磨损、冲击、疲劳等降质缺陷[1]。涡流检测是发现蒸汽发生器传热管缺陷的最快速有效的方式。
蒸汽发生器传热管涡流检测探头包括轴绕式探头（Bobbin探头）、旋转探头和阵列探头,在役检查通常采用Bobbin探头进行普查,当发现缺陷时采用旋转探头对缺陷定性,对于胀管过渡区则补充采用旋转探头进行检测。阵列探头尚未大规模应用于该领域。
文章采用Bobbin探头、旋转探头与阵列探头对各种类型缺陷及复合缺陷进行检测试验,以分析对比不同类型探头对缺陷的检测能力,为在役检查工作提供参考。
1. 涡流检测探头
Bobbin探头实物如图1（a）所示,一般采用差分连接方式,能检测出快速变化的短缺陷（如点蚀）,对于缓慢变化的较长缺陷（如磨损）,则需要参考样管和参考探头,以绝对模式进行检测[2]。旋转探头实物如图1（b）所示,是以扁平线圈或“+”线圈为基础,附加旋转马达和滑刷,在传热管内壁实现旋转和直线运动同步进行的螺旋形扫查,马达单元提供的旋转速度越大,则在相同采样率条件下,探头的轴向运动速度越大,检测效率也越高。通常300 rpm的马达单元,检测速度为2.5～5.0 mm·s-1；扁平线圈为自感式线圈,该线圈既作为产生激励磁场,在导电体中形成涡流的激励线圈,同时又是感应、接收导体中涡流再生磁场信号的检测线圈,如图2（a）所示,其一般采用归一化的阻抗分析方法,阻抗的大小受漂移的影响很大。
涡流阵列探头实物如图1（c）所示,通常由2排或2排以上扁平线圈按照特殊方式排布,一般采用Transmit-receive（简称T-R）线圈,其中激励线圈产生激励磁场,又称一次线圈,检测线圈感应、接收导电体中涡流再生磁场信号,激励线圈与检测线圈之间形成两种方向相互垂直的电磁场传递方式,一组线圈在一定的时间间隔内逐个激发,当一组线圈激发的时间间隔大于其他线圈启动的时间间隔时,就可以产生多个检测通道,因此其比单个检测线圈具有更宽的检测区域。多通道检测可以消除相邻线圈的影响、增加通道分辨率和线圈检测灵敏度,还可以提高探头的信噪比。T-R分析法如图2（b）所示。该方法既可以在差分模式下工作,也可以在绝对模式下工作,但一般在绝对模式下工作。
2. 试验对象及仪器设备
2.1 试验对象
试验对象为核电厂蒸汽发生器传热管,尺寸为ϕ19.05×1.09 mm,材料为Inconel 690。
2.2 仪器设备
试验仪器为多频多通道涡流仪,其频率为20 Hz~2 MHz,通道数量256个,可用差分和绝对模式工作,采样速率可达40 000 采样点·s-1。检测用Bobbin探头、旋转探头和阵列探头外径均为15.5 mm,填充系数达84%。
2.3 标定管
试验用蒸汽发生器传热管标定管结构示意如图3所示。
3. 试验过程及结果分析
Bobbin探头检测频率分别为550,300,100,20 kHz,检测速度为900 mm·s-1。标定时,差分通道通孔调至40°并设定为10 V,利用深度10%和40%的外壁环槽制作相位-伤深曲线,混频绝对通道利用深度20%（相对于壁厚,下同）和40%的磨损伤制作幅值-伤深曲线。
旋转探头检测频率分别为400,300,100,30 kHz,检测速度为15 mm·s-1。标定时,将标定管上CH2（触发通道）大脉冲信号朝上,小脉冲信号水平；将CH11（低频通道）支撑板信号调至90°；其余通道将40%深轴向槽调至15°,将CH5/6/7(主频通道)100%深轴向槽幅值设为20 V并传递至其他通道。
阵列检测频率分别为400,300,100,50 kHz,检测速度为600 mm·s-1。标定时,将标定管上胀管信号的相位调整到水平向右,将30%深外壁槽信号调整到垂直位置并设置为5 V。
缺陷的检测能力包括缺陷的检出能力、分辨能力、对缺陷的定性能力和定量能力等。文章将其分为自由段缺陷的检出、胀管过渡区缺陷的检出、缺陷分辨力测试、缺陷的定性和定量。
3.1 自由段处缺陷的检出
3.1.1 孔形缺陷的检出
试验样管上加工了不同深度的外壁和内壁平底孔及不同直径的针孔,用于模拟内壁或外壁腐蚀、损伤等缺陷,缺陷尺寸及试验结果如表1所示。
Table 1. 孔形缺陷对比试验结果缺陷类型 直径/mm 深度/% Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 外壁平底孔 2.5 20~100 可检 可检 可检 内壁平底孔 2.5 20~100 可检 可检 可检 针孔 0.1~0.5 100 ≥ϕ0.3可检 ≥ϕ0.2可检 ≥ϕ0.2可检 对于直径为2.5 mm、深度为20%~100%的内壁或外壁平底孔,Bobbin、旋转或阵列探头均能清晰检出所有平底孔缺陷,旋转与阵列探头信号对比如图4所示。
对直径为0.1~0.5 mm的针孔, Bobbin探头能检出直径不小于0.3 mm的针孔。旋转与阵列探头均能检出直径不小于0.2 mm的针孔缺陷,直径为0.1 mm的针孔信号均不够清晰。
3.1.2 槽形缺陷的检出
槽形缺陷包括位于传热管内壁和外壁的轴向槽和周向槽,采用电火花加工而成,以模拟裂纹类缺陷,缺陷尺寸及试验结果如表2所示。
Table 2. 槽形缺陷对比试验结果缺陷类型 尺寸/mm 深度/% Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 外壁轴向槽 轴向2.54,周向0.127 10~100 深度≥20%可检 深度≥20%可检 深度≥20%可检 内壁轴向槽 轴向2.54,周向0.127 10~100 深度≥20%可检 深度≥20%可检 深度≥20%可检 外壁周向槽 轴向0.127,周向2.54 10~100 深度≥30%可检 深度≥20%可检 深度≥20%可检 内壁周向槽 轴向0.127,周向2.54 10~100 深度≥20%可检 深度≥20%可检 深度≥20%可检 对于长度为2.54 mm,宽度为0.127 mm,深度为10%~100%的槽形缺陷,旋转与阵列探头均能检出深度不小于20%的外壁轴向槽,Bobbin探头能检出深度30%的外壁周向槽和深度20%的内外壁轴向槽和内壁周向槽,3种探头均无法检出深度10%的槽形缺陷。槽形缺陷的旋转与阵列探头信号对比如图5所示。
3.1.3 磨损缺陷的检出
由于流体的振动,传热管与防振条和支撑板之间可能发生碰磨,而使得传热管外壁产生体积性损失,缺陷尺寸及试验结果如表3所示。
Table 3. 磨损缺陷对比试验结果缺陷类型 尺寸/mm 深度/% Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 防振条双侧磨损 轴向11 10~60 可检 可检 可检 支撑板单侧磨损 轴向30 10~60 可检 可检 可检 对轴向长度为11 mm、深度为10%~60%的防振条双侧磨损和轴向长度为30 mm、深度为10%~60%的支撑板单侧磨损,Bobbin探头、旋转探头与阵列探头均能检出所有防振条双边磨损,旋转探头与阵列探头信号对比如图6所示。
3.1.4 疲劳裂纹的检出
采用疲劳拉伸试验方法,制作了多根外壁疲劳裂纹试验管,受拉应力影响,其缺陷均呈周向,裂纹长度为5~15 mm,深度为50%~100%,部分传热管渗透检测照片如图7所示。
采用Bobbin探头对这些试验管进行检测。拉伸过程中试验管产生了类似于凹痕的信号,与缺陷信号复合在一起,导致部分试验管即使裂纹已经穿透管壁,Bobbin探头检测出来仍为相位约为170°的外壁信号,如图8所示。按照常规分析方法,该信号只能判定为凹痕,无法测量其深度,只有当疲劳裂纹足够大时,才表现为深度较大的外壁信号或通孔信号。
采用旋转探头和阵列探头对这些疲劳裂纹试验管进行检测,能检测出所有疲劳裂纹信号,如图9所示,疲劳裂纹均为周向显示,同一周向截面上的两条裂纹也能清晰显示。
由于Bobbin探头的内穿过式线圈在管壁表层感应的涡流沿管材周向方向流动,对于缺陷方向的响应较为敏感,而旋转探头与阵列探头均含放置式线圈,在管材被检部位感应的涡流呈圆形,特别是旋转探头的“+”线圈由一对呈90°垂直布置的差分线圈组成,线圈的轴向平行于被检表面,利用这对线圈对试件上的相同区域进行检测。这种类型的线圈通常对外部因素,如磁导率变化、渗透性变化和提离信号均不敏感,而对裂纹和其他表面缺陷非常敏感,该特性有利于抑制局部尺寸变化（如曲面、边缘、焊渣等）和材料成分变化（如填充金属、热影响区）带来的影响 ,所以其既可用于铁磁性材料也可用于非铁磁性材料的检测。对表面裂纹的检测,“+”线圈有利于消除噪声信号,以及具有双向灵敏度,对位于轴向和周向方位的缺陷都较敏感,而且线圈中心有铁氧体磁芯,有利于集中磁场能量,因此检测灵敏度较高。
阵列探头按照设计的时序交替运行,达到磁场和涡流场旋转的目的,同样对轴向和周向方位的缺陷都较敏感,具有与旋转探头相近的检测灵敏度。
3.2 胀管过渡区缺陷的检出
胀管过渡区缺陷是先将传热管向外扩胀一段长为32 mm,直径变化0.25 mm的胀管段,再在胀管过渡区加工不同类型的缺陷。
3.2.1 胀管过渡区孔形缺陷
在胀管过渡区加工了不同直径的针孔和不同深度的内壁和外壁平底孔,用于模拟胀管段的腐蚀坑缺陷,缺陷尺寸及试验结果如表4所示。
Table 4. 胀管过渡区孔形缺陷对比试验结果缺陷类型 直径/mm 深度/% Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 针孔 0.1~0.5 100 无法检出 ≥ϕ0.3可检 ≥ϕ0.3可检 平底孔 2~3 14~30 无法检出 可检 可检 对于位于胀管过渡区上的直径为0.1~0.5 mm的孔针,Bobbin探头均无法检出,旋转探头与阵列探头均能清晰检出直径不小于0.3 mm的针孔,直径0.2 mm的针孔信号均不够清晰。
对位于胀管过渡区的平底孔,如直径为2~3 mm、深度为14%~30%的孔身,Bobbin探头均无法检出,旋转探头与阵列探头均能检出。部分缺陷的旋转探头与阵列探头信号对比如图10所示。
3.2.2 胀管过渡区槽形缺陷
在胀管过渡区加工了不同深度的内壁和外壁、轴向和周向EDM（电火花）刻槽,用于模拟胀管段的裂纹缺陷,缺陷尺寸及试验结果如表5所示。
Table 5. 胀管过渡区槽形缺陷对比试验结果缺陷类型 尺寸/mm 深度/% Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 内壁轴向槽 轴向6.35,周向0.127 20~40 无法检出 可检 可检 内壁周向槽 轴向0.127,周向6.35 20~40 无法检出 可检 可检 外壁轴向槽 轴向6.35,周向0.127 20~40 无法检出 可检 可检 外壁周向槽 轴向0.127,周向6.35 20~40 无法检出 可检 可检 对于位于胀管过渡区的长度为6.35 mm,宽度为0.127 mm,深度20%以上的EDM刻槽缺陷,不论缺陷位于内壁还是外壁,不论缺陷是轴向还是周向,Bobbin探头均无法检出,旋转探头与阵列探头均能检出,旋转探头与阵列探头信号对比如图11所示。
3.3 缺陷分辨力对比试验
缺陷分辨力试验中,缺陷是直径为1 mm,孔间距从3 mm到6 mm分布的通孔。
Bobbin探头对于孔间距为4~6 mm的ϕ1 mm通孔均能准确分辨,如图12（a）所示；对于间距3 mm的两个通孔,Bobbin探头信号部分重合,无法完全分辨单个通孔,如图12（b）所示。
旋转探头与阵列探头均能清晰分辨间距3~6 mm的所有通孔,旋转探头与阵列探头的分辨力测试信号对比如图13所示。
3.4 缺陷的定性与定量
由前述试验结果可知,Bobbin探头受结构限制,无法区分同一圆周上两个及以上缺陷,其涡流信号用长条图和李萨如图显示,显示不直观,无法对缺陷定性,无法区分复合信号。旋转探头和阵列探头均可以用C-scan图、三维图显示,获得“所见即所得”的效果,可以通过轴向显示通道和周向显示通道上缺陷信号的三维分布,对缺陷进行定性。如图14所示,在轴向显示通道（上部三维图）上显示明显,在周向显示通道（下部三维图）上显示不明显,则判断缺陷为轴向显示;否则,在轴向显示通道上显示不明显,在周向显示通道上显示明显,则判断缺陷为周向显示。如图15所示,在轴向显示通道（上部三维图）和周向显示通道（下部三维图）上都显示明显,则判断缺陷为体积型显示。将前述缺陷显示的定性结果进行汇总,如表6所示。
Table 6. 缺陷定性能力对比缺陷类型 Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 孔形缺陷 无法定性 体积型显示 体积型显示 槽形缺陷 无法定性 轴向或周向显示 轴向或周向显示 磨损缺陷 无法定性 体积型显示 体积型显示 疲劳裂纹 无法定性 周向显示 周向显示 胀管过渡区孔形缺陷 无法定性 体积型显示 体积型显示 胀管过渡区槽形缺陷 无法定性 轴向或周向显示 轴向或周向显示 缺陷分辨力试验管 无法定性 体积型显示 体积型显示 对缺陷进行定量包括对缺陷尺寸进行定量和对深度进行定量。通过采样率和采样速度之间的关系,Bobbin探头可以对缺陷轴向尺寸进行计算,但无法对缺陷周向尺寸进行计算。旋转探头则可以对缺陷轴向和周向尺寸进行测量。但是,如果要对缺陷深度进行测量,目前使用最多的还是Bobbin探头,其通过相位-伤深曲线对点蚀、裂纹等缺陷进行深度测量,其通过幅值-伤深曲线对形状较规律的缺陷如防振条磨损等进行深度测量。旋转探头和阵列探头的深度测量,目前尚处于试验阶段,旋转探头的“+”线圈信号被用来对凹陷与周向裂纹的复合信号深度进行测量,精度优于Bobbin探头精度[3]。
4. 结语
通过上述Bobbin探头、旋转探头与阵列探头对孔形缺陷、槽形缺陷、磨损、疲劳裂纹以及胀管段复合缺陷的对比试验结果可以看出,旋转探头与阵列探头对于间距较小的缺陷和胀管过渡区缺陷等复合缺陷的检出能力明显高于Bobbin探头的检出能力,且同时能对缺陷进行定性。对于绝大部分缺陷,旋转探头与阵列探头检出能力基本相当。
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Table 1 孔形缺陷对比试验结果
缺陷类型 直径/mm 深度/% Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 外壁平底孔 2.5 20~100 可检 可检 可检 内壁平底孔 2.5 20~100 可检 可检 可检 针孔 0.1~0.5 100 ≥ϕ0.3可检 ≥ϕ0.2可检 ≥ϕ0.2可检 
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Table 2 槽形缺陷对比试验结果
缺陷类型 尺寸/mm 深度/% Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 外壁轴向槽 轴向2.54,周向0.127 10~100 深度≥20%可检 深度≥20%可检 深度≥20%可检 内壁轴向槽 轴向2.54,周向0.127 10~100 深度≥20%可检 深度≥20%可检 深度≥20%可检 外壁周向槽 轴向0.127,周向2.54 10~100 深度≥30%可检 深度≥20%可检 深度≥20%可检 内壁周向槽 轴向0.127,周向2.54 10~100 深度≥20%可检 深度≥20%可检 深度≥20%可检
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Table 3 磨损缺陷对比试验结果
缺陷类型 尺寸/mm 深度/% Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 防振条双侧磨损 轴向11 10~60 可检 可检 可检 支撑板单侧磨损 轴向30 10~60 可检 可检 可检
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Table 4 胀管过渡区孔形缺陷对比试验结果
缺陷类型 直径/mm 深度/% Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 针孔 0.1~0.5 100 无法检出 ≥ϕ0.3可检 ≥ϕ0.3可检 平底孔 2~3 14~30 无法检出 可检 可检
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Table 5 胀管过渡区槽形缺陷对比试验结果
缺陷类型 尺寸/mm 深度/% Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 内壁轴向槽 轴向6.35,周向0.127 20~40 无法检出 可检 可检 内壁周向槽 轴向0.127,周向6.35 20~40 无法检出 可检 可检 外壁轴向槽 轴向6.35,周向0.127 20~40 无法检出 可检 可检 外壁周向槽 轴向0.127,周向6.35 20~40 无法检出 可检 可检
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Table 6 缺陷定性能力对比
缺陷类型 Bobbin探头 旋转探头 阵列探头 孔形缺陷 无法定性 体积型显示 体积型显示 槽形缺陷 无法定性 轴向或周向显示 轴向或周向显示 磨损缺陷 无法定性 体积型显示 体积型显示 疲劳裂纹 无法定性 周向显示 周向显示 胀管过渡区孔形缺陷 无法定性 体积型显示 体积型显示 胀管过渡区槽形缺陷 无法定性 轴向或周向显示 轴向或周向显示 缺陷分辨力试验管 无法定性 体积型显示 体积型显示
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[1] 丁训慎 ．蒸汽发生器传热管的降质及对其完整性的评估[J]．核安全,2009, 8(2):37-42. [2] 曹刚,师绍猛,袁建中,等 ．阵列探头在传热管管板区涡流检测中的应用[J]．无损检测,2011, 33(8):34-37. [3] KONG Y Y ,DING B Y ,LI M ,et al ．Investigation of eddy current examination on OD fatigue crack for steam generator tubes[C]//Smart Materials and Nondestructive Evaluation for Energy Systems 2015．California：Proc SPIE,2015：214-220．
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