一种检测水冷壁管热疲劳裂纹的阵列涡流方法与流程

本发明属于无损检测技术领域，特别是涉及一种检测不同尺寸、深度以及倾斜角度水冷壁管热疲劳裂纹的阵列涡流方法。

背景技术：

阵列涡流检测技术属于电磁检测方法的一种，它将多个涡流检测线圈进行特殊的设计封装，并借助计算机对激励次序快速控制和处理，得到一个完整的c扫描图像，从而实现对材料或零部件高效、快速的检测。涡流阵列(eddycurrentarray,eca)是通过电信号驱动排列在一个探头中的多个涡流线圈的技术。一个常规涡流探头可以被认为是涡流阵列的一个线圈，通过仪器软件处理，可以得到融合以后的完整c扫描图像，凭借单次通过的优势和增强的成像功能，eca技术提供了强大的工具并在检查过程中节省了大量时间。

eca检测的主要优点有：同单通道涡流相比，一次通过即可扫描较大的区域，同时保持高的分辨率；减少了复杂的自动扫查装置来移动探头的需求，简单的采用手动扫描即可足够；通过c扫描成像改善了缺陷检测和尺寸调整，更加直观的反映出缺陷；具有更高的检测可靠性；可根据被检测零部件的外形轮廓及结构特点，设计探头来完成复杂形状的检测。

阵列涡流已广泛应用于国民工业经济产业中，不但包括了航空航天、铁路、电力、石油等领域，还广泛应用于机械、冶金、汽车、轮船等。

水冷壁管通常采用超声波、渗透、磁粉等检测方法检测，但是上述方法对表面要求较高，需要大量的打磨工作，检测效率很低，而且打磨过程中可能会对管子造成磨损，使得管子壁厚减薄，安全性能降低。

目前，阵列涡流检测方法在水冷壁热疲劳裂纹的检测方面还没有应用，采用阵列涡流检测方法对水冷壁热疲劳裂纹检测的研究很有必要。

技术实现要素：

本发明提供了一种检测水冷壁管热疲劳裂纹的阵列涡流方法，无需消耗大量的人力、物力和时间，对检测结果判定更加准确、快速，操作更简单、便捷，对于金属管、棒、线材的检测不需要接触，也无需要耦合介质，易于实现自动化检测，特别适合在线普检。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案如下：

一种检测水冷壁管热疲劳裂纹的阵列涡流方法，其特征在于包括以下步骤：

1)试件准备：本阵列涡流检测方法适用于外径的水冷壁管道母材检测，根据自然热疲劳裂纹形态模拟不同水冷壁外径上不同尺寸、深度以及倾斜角度的人工缺陷对比试块；

2)检测仪器和探头的选择：涡流仪选用多频多通道的阵列涡流仪，涡流探头选用对应不同水冷壁管排外径规格尺寸的鞍式探头；

3)检测频率的选择：根据检测深度、检测灵敏度、表面和近表面缺陷相位差、信噪比等条件选择检测频率；合适的检测频率根据在对比试块及被检件上综合调试的结果确定；采用多频率检测方法提高检测的可靠性，通过对比不同频率下缺陷信号的幅度或阻抗平面轨迹，综合判定缺陷的特性；

4)扫查：扫查过程中，探头应贴合于被检工件表面，检测时的扫查速度应与仪器标定时的速度相同，扫查中发现异常响应信号时，对有信号响应的被检区域应反复扫查，观察信号的重复性，并与对比试块上的人工缺陷响应信号进行比较，探头的最大扫查速度应使对比试块上人工缺陷信号幅度不低于标定值的90％；

5)结果评定与处理：进行检验时，以长度为5mm，深度为0.5mm，宽度为0.1mm，倾斜角度为90°的人工缺陷的幅值为标准；被检测工件正常信号显示区域之外出现的异常信号显示称为不可接受信号定义；一旦发现不可接受的信号幅值超过标准加工缺陷时，应对该区域进行进一步的检查；不可接受信号区域可采用磁粉检测(nb/t47013.4-2015)或渗透检测(nb/t47013.5-2015)进行验证检测，也可采用超声检测(nb/t47013.3-2015)来确定缺陷的深度和方向。

步骤2)中的多频多通道阵列涡流仪应具有高、低通数字滤波以及多阻抗平面图及时基线显示等功能；应能够通过检测频率、响应信号相位和增益的调节良好地对连续性感应产生的涡流相应变化。

步骤2)中的涡流探头选用对应不同水冷壁管排外径规格尺寸的鞍式探头，以保证探头与检测面接触良好；为防止探头磨损，检测时可在探头顶部贴上耐磨保护层。

步骤3)中，在对比试块上用规定的验收水平调试检验灵敏度，使检测线圈通过作为验收水平的人工缺陷时，人工缺陷信号的响应幅度不低于满刻度的40％，人工缺陷信号与噪声信号比不小于5；必要时，根据作为验收灵敏度的人工缺陷响应信号设定仪器的报警区域。

步骤3)中，仪器相位调节应有利于缺陷响应信号与提离干扰信号的区分与识别，通常将提离信号的相位调节为水平方向，人工缺陷响应信号与提离信号之间有尽可能大的相位差；涡流响应信号会随着检测频率的改变而变化，在改变检测频率的同时应重新调节提离信号的相位，使其处于水平方向；必要时，通过调节人工缺陷信号的垂直、水平比来增大人工伤响应信号与提离信号间的相位差。

步骤4)中，检测时，记录重复出现的异常响应信号的幅值和相位；对于铁磁性材料，表面裂纹响应信号与提离信号之间通常存在较大的相位差，表面裂纹响应信号一般具有较高的频率；对于出现异常响应信号的区域，应细致观察相应信号对应在被检管排的位置，根据对比试块来确定裂纹的方向与长度或其他类型缺陷的大小。

步骤5)中，被检测工件不可接受的信号幅值超过0.3mm加工裂纹时，对该区域进行进一步检查。

整个检测过程中，尽可能地使探头移动速度恒定平稳；最大扫查速度视所用仪器和选择的参数而定，一般不超过50mm/s。

检验前对被检件表面情况进行确认，包括涂层类型及厚度及性状，确保满足检测要求。

本发明的有益效果为：对于金属管、棒、线材的检测，不需要接触，也无需要耦合介质。因此检测速度快，易于实现自动化检测，特别适合在线普检；对于表面缺陷的探测灵敏度很高，且在一定范围内具有良好的线性指示，可对大小不同缺陷进行评价，因此可以用作质量管理与控制；使用本发明阵的列涡流方法可进行高温下的检测，由于探头可伸入到远处作业，所以可对工件的狭窄区域及深孔壁(包括管壁)等进行检测；本发明的阵列涡流方法，其检测结果可存储、再现，并能进行数据比较和处理。本发明无需消耗大量的人力、物力和时间，对检测结果判定更加准确、快速，操作更简单、便捷。

另外，检测结果表明，本发明的阵列涡流技术能够准确的发现缺陷的位置，并且可以初步对其进行定量分析，这不仅验证了阵列涡流在实际检测中的可行性，而且也为后续利用阵列涡流检测技术进行裂纹智能化检测诊断方法的研究提供实际的参考应用。

附图说明

图1为本发明试样zl-32-1加工裂纹尺寸的主视图、左视图和剖视图；

图2为本发明试样zl-32-2加工裂纹尺寸的主视图、左视图和剖视图；

图3为本发明试样zl-32-3加工裂纹尺寸的主视图、左视图和剖视图；

图4为本发明试样zl-32-4加工裂纹尺寸的主视图、左视图和剖视图；

图5为本发明试样zl-38-1的加工裂纹尺寸示意图；

图6为本发明试样zl-38-2的加工裂纹尺寸示意图；

图7为本发明试样zl-38-3的加工裂纹尺寸示意图；

图8为本发明试样zl-38-4的加工裂纹尺寸示意图；

图9为本发明试样zl-42-1的加工裂纹尺寸示意图；

图10为本发明试样zl-42-2的加工裂纹尺寸示意图；

图11为本发明试样zl-42-3的加工裂纹尺寸示意图；

图12为本发明试样zl-42-4的加工裂纹尺寸示意图；

图13为本发明试样zl-57-1的加工裂纹尺寸示意图；

图14为本发明试样zl-57-2的加工裂纹尺寸示意图；

图15为本发明试样zl-57-3的加工裂纹尺寸示意图；

图16为本发明试样zl-57-4的加工裂纹尺寸示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明的阵列涡流方法适用于外径的水冷壁管道母材检测。针对水冷壁管排的外径，对应规格尺寸的阵列涡流探头如表1所示。为了防止探头的磨损，检测时可在探头顶部贴上耐磨的保护层。检测过程中应随时检查探头的磨损情况，一旦发现磨损影响检测时，应停止使用。

表1阵列涡流规格尺寸

对于每一种型号的涡流探头，应配备不同尺寸、深度以及倾斜角度的对比试块。16种型号的对比试块可以模拟各种自然状态下的水冷壁热疲劳裂纹，可以对相同曲率的探头进行仪器灵敏度的校准。16种型号的对比试块规格如表2所示：

表216种型号对比试块规格

16种规格的对比试块的加工裂纹尺寸如下(单位/mm)：

1)试样zl-32-1加工裂纹尺寸如图1，其中裂纹a：长5深0.3宽0.1；b：长5深0.4宽0.1；c：长5深0.5宽0.1；d：长5深0.7宽0.1；e：长5深0.8宽0.1；f：长5深1.0宽0.1；g：长5深1.2宽0.1。

2)试样zl-32-2加工裂纹尺寸如图2，其中裂纹a：长2深0.5宽0.1；b：长3深0.5宽0.1；c：长4深0.5宽0.1；d：长5深0.5宽0.1；e：长7深0.5宽0.1；f：长10深0.5宽0.1；g：长15深0.5宽0.1。

3)试样zl-32-3加工裂纹尺寸如图3，其中裂纹a：长5深0.5宽0.2；b：长5深0.5宽0.3；c：长5深0.5宽0.5；d：长5深0.5宽0.7；e：长5深0.5宽1.0；f：长5深0.5宽1.5；g：长5深0.5宽2.0。

4)试样zl-32-4加工裂纹尺寸如图4，其中裂纹尺寸均为长度5深度0.5宽度0.1，角度分别为a：0°；b：15°；c：30°；d：45°；e：60°；f：75°；g：90°。

5)试样zl-38-1加工裂纹尺寸如图5，其中裂纹a：长5深0.3宽0.1；b：长5深0.4宽0.1；c：长5深0.5宽0.1；d：长5深0.7宽0.1；e：长5深0.8宽0.1；f：长5深1.0宽0.1；g：长5深1.2宽0.1。(单位/mm)

6)试样zl-38-2加工裂纹尺寸如图6，其中裂纹a：长2深0.5宽0.1；b：长3深0.5宽0.1；c：长4深0.5宽0.1；d：长5深0.5宽0.1；e：长7深0.5宽0.1；f：长10深0.5宽0.1；g：长15深0.5宽0.1。

7)试样zl-38-3加工裂纹尺寸如图7，其中裂纹a:长5深0.5宽0.2；b:长5深0.5宽0.3；c：长5深0.5宽0.5；d：长5深0.5宽0.7；e：长5深0.5宽1.0；f：长5深0.5宽1.5；g：长5深0.5宽2.0。

8)试样zl-38-4加工裂纹尺寸如图8，其中裂纹尺寸均为长度5深度0.5宽度0.1，角度分别为a：0°；b：15°；c：30°；d：45°；e：60°；f：75°；g：90°。

9)试样zl-42-1加工裂纹尺寸如图9，其中裂纹a：长5深0.3宽0.1；b：长5深0.4宽0.1；c：长5深0.5宽0.1；d：长5深0.7宽0.1；e：长5深0.8宽0.1；f：长5深1.0宽0.1；g：长5深1.2宽0.1。(单位/mm)

10)试样zl-42-2加工裂纹尺寸如图10，其中裂纹a：长2深0.5宽0.1；b：长3深0.5宽0.1；c：长4深0.5宽0.1；d：长5深0.5宽0.1；e：长7深0.5宽0.1；f：长10深0.5宽0.1；g：长15深0.5宽0.1。

11)试样zl-42-3加工裂纹尺寸如图11，其中裂纹a：长5深0.5宽0.2；b：长5深0.5宽0.3；c：长5深0.5宽0.5；d：长5深0.5宽0.7；e：长5深0.5宽1.0；f：长5深0.5宽1.5；g：长5深0.5宽2.0。

12)试样zl-42-4加工裂纹尺寸如图12，其中裂纹尺寸均为长度5深度0.5宽度0.1，角度分别为a：0°；b：15°；c：30°；d：45°；e：60°；f：75°；g：90°。

13)试样zl-57-1加工裂纹尺寸如图13，其中裂纹a：长5深0.3宽0.1；b：长5深0.4宽0.1；c：长5深0.5宽0.1；d：长5深0.7宽0.1；e：长5深0.8宽0.1；f：长5深1.0宽0.1；g：长5深1.2宽0.1。(单位/mm)

14)试样zl-57-2加工裂纹尺寸如图14，其中裂纹a：长3深0.5宽0.1；b：长4深0.5宽0.1；c：长5深0.5宽0.1；d：长7深0.5宽0.1；e：长10深0.5宽0.1；f：长15深0.5宽0.1；g：长20深0.5宽0.1。

15)试样zl-57-3加工裂纹尺寸如图15，其中裂纹a：长5深0.5宽0.2；b：长5深0.5宽0.3；c：长5深0.5宽0.5；d：长5深0.5宽0.7；e：长5深0.5宽1.0；f：长5深0.5宽1.5；g：长5深0.5宽2.0。

16)试样zl-57-4加工裂纹尺寸如图16，其中裂纹尺寸均为长度5深度0.5宽度0.1，角度分别为a：0°；b：15°；c：30°；d：45°；e：60°；f：75°；g：90°。

对比试样首次使用前，应对人工缺陷的宽度和深度尺寸进行检验，符合制作要求才能投入使用。

检验前，应对被检件表面情况进行确认，包括涂层类型及厚度及性状，确保满足检测要求。整个检测过程中，尽可能地使探头移动速度恒定平稳。最大扫查速度视所用仪器和选择的参数而定，一般不超过50mm/s。

测试时根据检测深度、检测灵敏度、表面和近表面缺陷相位差、信噪比等条件选择检测频率。合适的检测频率应根据在对比试块及被检件上综合调试的结果确定。为提高检测可靠性，可采用多频率检测方法，通过对比不同频率下缺陷信号的幅度或阻抗平面轨迹，综合判定缺陷的特性。

在调节涡流仪的相位时，应有利于缺陷响应信号与提离干扰信号的区分与识别，通常将提离信号的相位调节为水平方向，人工缺陷响应信号与提离信号之间有尽可能大的相位差。涡流响应信号会随着检测频率的改变而变化，在改变检测频率的同时应重新调节提离信号的相位，使其处于水平方向。必要时，可通过调节人工缺陷信号的垂直、水平比来增大人工伤响应信号与提离信号间的相位差。

在对比试块上用规定的验收水平调试检验灵敏度，使检测线圈通过作为验收水平的人工缺陷时，人工缺陷信号的响应幅度不低于满刻度的40％，人工缺陷信号与噪声信号比不小于5。必要时，可根据作为验收灵敏度的人工缺陷响应信号设定仪器的报警区域。

扫查过程中，探头应贴合于被检工件表面。检测时的扫查速度应与仪器标定时的速度相同。扫查中发现异常响应信号时，对有信号响应的被检区域应反复扫查，观察信号的重复性，并与对比试块上的人工缺陷响应信号进行比较。探头的最大扫查速度应使对比试块上人工缺陷信号幅度不低于标定值的90％。

记录重复出现的异常响应信号的幅度和相位。对于铁磁性材料，表面裂纹响应信号与提离信号之间通常存在较大的相位差，表面裂纹响应信号一般具有较高的频率。对于出现异常响应信号的区域，应细致观察相应信号对应在被检管排的位置，根据对比试块来确定裂纹的方向与长度或其他类型缺陷的大小。

进行检验时，进行检验时，以长度为5mm，深度为0.5mm，宽度为0.1mm，倾斜角度为90°的人工缺陷的幅值为标准。被检测工件正常信号显示区域之外出现的异常信号显示称为不可接受信号定义。一旦发现不可接受的信号幅值超过标准加工缺陷(不可接受的信号幅值超过0.3mm)时，应对该区域进行进一步的检查。不可接受信号区域可采用磁粉检测(nb/t47013.4-2015)或渗透检测(nb/t47013.5-2015)进行验证检测，也可采用超声检测(nb/t47013.3-2015)来确定缺陷的深度和方向，具体反射体大小和评定级别如表3和表4所示。

表3人工反射体尺寸单位为：mm

表4无缝钢管超声波检测质量分级

下面以cg-1型鞍式探头为例，对本发明的检测方法进行详细说明。

1)试件准备：选择与cg-1探头曲率相匹配的zl-32-1对比试块，探究阵列涡流仪对不同深热疲劳裂纹的敏感程度。

2)仪器的选择和调试：选用日本奥林巴斯(olympus)公司开发的omniscanmxeca阵列涡流检测仪。选择和对比试块管相同曲率的的探头楔块安装在探头的相应位置，设置频率为500khz，将探头放置在对比试块上无人工缺陷的位置，轻轻拍打探头产生一个提离的干扰信号，调节翻转角度使干扰信号至水平位置。选择编码器扫描模式，并处以平均高通滤波器的状态以去除缓慢变化的漂移信号。

3)灵敏度的选择：在对比试块上用规定的验收水平调试检验灵敏度，使检测线圈通过作为验收水平的人工缺陷时，长度为5mm，宽度为0.1mm，深度为0.5mm，倾斜角度为90°的人工缺陷的波形显示至满屏的50％，将其设置为灵敏度，随后正式进行扫查试验。

4)扫查：扫查过程中，按试样编号，依次进行扫查，记录相关数据，探头应贴合于被检工件表面，检测时的扫查速度应与仪器标定时的速度相同，扫查中发现异常响应信号时，对有信号响应的被检区域应反复扫查，观察信号的重复性，并与对比试块上的人工缺陷响应信号进行比较，探头的最大扫查速度应使对比试块上人工缺陷信号幅度不低于标定值的90％。改变涡流试验的激励频率，重复此扫查过程。

5)缺陷的评定：进行检验时，以长度为5mm，宽度为0.1mm，深度为0.5mm，倾斜角度为90°的人工缺陷的幅值为标准。zl-32-1对比试块上长5mm，宽0.1mm，垂直深度0.3mm的缺陷的相位为124.0°，幅值为9.756volt；垂直深度为0.4mm的缺陷的相位为118.9°，幅值为12.446volt；垂直深度为0.5mm的缺陷的相位为121.6°，幅值为13.956volt；垂直深度为0.6mm的缺陷的相位为119.5°，幅值为14.520volt；垂直深度为0.8mm的缺陷的相位为117.9°，幅值为16.643volt；垂直深度为1.0mm的缺陷的相位为119.0°，幅值为17.334volt。在对裂纹深度的特征参数研究中发现，裂纹深度与幅值大小近似呈一个线性关系，涡流幅值大小随深度的加深而逐渐变大。

在本发明对水冷壁实际案例的检测中，其检测结果表明采用阵列涡流技术能够准确的发现缺陷的位置，并且可以初步对其进行定量分析，这不仅验证了阵列涡流在实际检测中的可行性，而且也为后续利用阵列涡流检测技术进行裂纹智能化检测诊断方法的研究提供实际的参考应用。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。