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(shè)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(jù)報道,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)的磁粉檢測方法和滲透檢測方法無法實(shí)施檢測,但電磁渦流檢測技術(shù)可以,且不會產(chǎn)生太多的干擾信號。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(shù)（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(jìn)行檢測。

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。電磁場的計算滿足時諧電磁場的復(fù)函數(shù)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(shù)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?dāng)_。當(dāng)探頭靠近碳鋼表面時,正交交變電場會使得工件表面產(chǎn)生正交的感應(yīng)電流,兩個正交的感應(yīng)電流使得產(chǎn)生的交變感應(yīng)磁場又分別作用于對應(yīng)的切向線圈,將缺陷信息傳遞給對應(yīng)的切向線圈,使切向線圈的阻抗發(fā)生變化[5]。兩個正交線圈尺寸和匝數(shù)相近,激勵的電流相同,執(zhí)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(yīng)相同,將兩個切向正交線圈的阻抗響應(yīng)進(jìn)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(dāng)探頭處于無裂紋部位時,兩個正交線圈產(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,因此輸出的信號位于平衡點(diǎn)位置。當(dāng)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(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)電流流動路徑受到阻礙,將會從刻槽的兩端或底部金屬流過,感應(yīng)電流路徑的改變會使得線圈1的渦流信號發(fā)生變化,橫向裂紋走向與線圈2的感應(yīng)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(yīng)失去平衡,信號差分后的阻抗電壓信號不等于0,便會出現(xiàn)向上的半“8”字形的缺陷信號（規(guī)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(yīng)電流,引起線圈2阻抗響應(yīng)的變化,但縱向裂紋對線圈1感應(yīng)電流的影響不大,兩個切向線圈的阻抗響應(yīng)失去平衡,信號差分后便會呈現(xiàn)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(yīng)電流的阻礙效果正好相同,導(dǎo)致兩個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”字形渦流信號時,表明存在橫向裂紋；當(dāng)出現(xiàn)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(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,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(shí)物如圖2所示。

圖 2 TOC-ET檢測儀器實(shí)物

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4340（相當(dāng)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(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,檢測頻率為500 kHz,探頭驅(qū)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(shí)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(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(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(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(qū)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(shí)物

檢測頻率為500 kHz,探頭驅(qū)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(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(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(shí)物及結(jié)構(gòu)示意