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一种基于材料电磁相似特性的“壁厚-灵敏度”变化规律的研究

gecimao 发表于 2019-06-27 16:36 | 查看: | 回复:

  一种基于材料电磁相似特性的“壁厚-灵敏度”变化规律的研究_冶金/矿山/地质_工程科技_专业资料。目前无缝钢管涡流检测需要一支与实际公称规格相同、热处理状态、化学成分、表面状态相似的管子作为对比样管来进行检测设备的灵敏度调整。当对一个仅是壁厚不同的管材进行检测时就需要更换一支样管来进行设备灵敏度调整,本文就基于“灵敏度-壁厚”变化规律,在同质量等级检测时依据壁厚不同来设置设备的灵敏度参数,同样可达到检测要求并起到了减少样管数量的实践工作。

  一种基于材料电磁相似特性的“灵敏度-壁 厚”变化规律的研究 陆卫中 宝钢特种材料有限公司 钢管厂,上海 200940; 摘要:目前无缝钢管涡流检测需要一支与实际公称规格相同、热处理状态、化学成分、表面 摘要: 状态相似[1],即:具有相似的电磁特性的管子作为对比样管来进行检测设备的灵敏度调整。 当对一个仅是壁厚不同的管材进行检测时就需要更换一支与此相同公称壁厚的样管来进行 设备灵敏度调整,反映出的问题是:每一个公称规格都需要一支样管。是否有一种在相似的 电磁特性条件下针对壁厚变化来进行检测灵敏度调整的规律?本文就基于这种“灵敏度-壁 厚”变化规律,小结了在同质量等级检测时依据壁厚不同来设置设备的灵敏度参数,同样可 达到检测要求并起到了减少样管数量的实践工作, 针对国家标准中对比样管的定义提出了修 改建议。 关键词:电磁检测;相似特性;规律;灵敏度 中图分类号:TG115.285 文献标识码:A 0 引言 众所周知, 外穿过式涡流探伤需要用一支对比样管对探伤设备的灵敏度进行调整, 由于 在相同如频率、 滤波、 速度等检测条件下不同规格其材料内涡流分布不同, 形成的信号相位、 幅度也就不同, 当更换一个规格时, 就需要更换一支该规格样管再对探伤设备进行灵敏度调 整。 探伤时钢管尺寸的变化主要分外径或壁厚的变化以及其组合的变化,如 32*2mm 变至 38*2mm 等属于外径变化,如 32*2mm 变至 32*4mm 等则属于壁厚变化,而 25*3mm 变至 48*5mm 则属于外径和壁厚的组合变化。如此,有多少个规格就有多少根样管,再加上不同 的质量级别与其组合后使得一个钢管生产厂往往有数百支样管。 在钢管只有壁厚变化时是否可以遵循某一个规律来对探伤设备进行灵敏度调整?并达 到用变化后规格的管子加工成对比样管来调整探伤设备灵敏度一样的要求?本文就被检测 钢管壁厚这一个变化时就“灵敏度-壁厚”变化关系进行了研究,并获得了一定的成果。 1 理论基础 1.1 涡流及涡流检测的基本原理 由于电磁感应,当导体处在变化的磁场中或相对于磁场运动时,其内部会感应出电流, 这些电流的特点是:在导体内部形成闭合回路,呈旋涡状流动,因此称之为涡旋电流,简称 涡流。 涡流检测的基本原理可表述为: 当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时, 由于激励 线圈磁场的作用,试件中会产生涡流,而涡流的大小、相位和流动形式受到试件导电性能的 姓名:陆卫中(1963-) 男 主任工程师 现从事钢管的制造工艺技术、无损检测、质量控制、工序专门技术研究工作 通讯地址:上海市宝山区泰和路 1001 号 邮编:200940 工作单位:宝钢特种材料有限公司 钢管厂 E-mail: 影响, 同时产生的涡流也会在导电试件内形成一个磁场, 这个磁场反过来又会使检测线圈的 阻抗发生变化,因此,通过测定检测线圈阻抗变化,就可以判断出被检测试件有无或缺陷大 小等。 导电试件从检测线圈中穿过的方式称为外穿过式检测, 当线圈通有交变电流时, 其周围 形成的变化磁场在包络的导电试件中会产生感应电流, 从而会使沿导电试件截面的电流分布 不均匀,表面的电流密度较大,从表面往试件中心其电流密度按照指数规律衰减,尤其是当 频率较高时,感应电流几乎集中在试件表面附近,这种现象成为集肤效应现象。 如图 1 所示[2],涡流从导体表面透入的深度称为透入深度,定义涡流密度衰减到其表面 值 1/e 时的透入深度成为标准透入深度;定义 2.6 倍标准透入深度为涡流的有效透入深度, 其意义是:2.6 倍标准透入深度的范围内积聚的 90%的涡流视为对涡流检测线圈产生有效影 响,而这之外的 10%的涡流对检测线圈的影响可以忽略不计。 图 1 平面导体的趋肤效应 Fig.1 skin effect of the plane conductor 1.2 “灵敏度-壁厚”变化规律的理论基础 电磁波与超声波虽有差异但也有共同点。电磁波是由电、磁场相互激发而成;超声波是 机械波,由机械(波源)振动产生的波。电磁波和机械波具有以下相同之处: (1)都有波的的一切特性,如:都能产生反射、折射、干涉、衍射等现象。 (2)波速、波长、频率之间具有同样的关系。 上述相同之处表明了涡流检测在一定条件下也有类似像超声波检测中反射当量缺陷评 价法,即:自然缺陷的回波与人工规则反射体回波可通过某些规律联系在一起。 当对外径一定, 壁厚变化的奥氏体不锈钢类钢管进行外穿过式涡流检测时, 有效透入深 度范围内自然缺陷反射回波声压与人工规则反射体回波声压有一定的对应关系。 2 试验 2.1 准备 在大量的奥氏体不锈无缝钢管涡流检测工作中发现:当频率、运动速度、仪器滤波、 匹 配以及幅度报警门限值参数、 检测质量级别不变的情况下钢管只是壁厚变化, 灵敏度值与壁 厚值之间有一定的关联关系,即:随着钢管壁厚逐渐增加,报警信号在 Y 轴的分量逐渐变 小以及相位逐渐迟后, 这时需要增加灵敏度 dB 值才能使报警信号在 Y 轴上的分量达到报警 门限要求;当采用更高的频率时相应壁厚变化量下其增加的灵敏度 dB 值越小。即奥氏体不 锈无缝钢管的涡流检测具有“灵敏度-壁厚”的变化规律。 根据德国 DIN 54141 标准第 2 部分“无损检测管材的涡流检测 穿过式线圈涡流检测系 统性能的测试方法”中推荐的材料规格和试验频率,结合日常使用的检测频率,频率取为 10KHz 频率,另增加较薄壁厚通常使用的 40KHz 共二个频率;材料取为奥氏体不锈无缝钢 管; 规格取为 25*2.0mm, 并分别取 1.5mm、 2.0mm、 2.5mm、 3.0mm、 3.5mm、 4.0mm、 4.5mm、 5.0mm 共八个不同壁厚进行试验;质量级别按照 GB/T7735-2004 中 A 级为 1.2mm 通孔。 试验检测速度 50 米/分,报警方式采用时基线扫描取缺陷信号 Y 轴方向分量值 30%幅 度报警;探头采用差动式绕组;填充系数选择 0.85。 2.2 试验数据 在 10KHz、40KHz 频率下对 25mm 外径规格的不同壁厚管进行试验,得到在不同频率 时的灵敏度值和相位值(见图 2) 。从图 2 得到: (a)10KHz 频率的灵敏度总变化量为 5.5dB,40KHz 频率的灵敏度总变化量为 5.0dB,即: 同样的壁厚变化量,频率高或低对灵敏度总变化量的影响不显著; (b)10KHz 频率以 3.5mm 壁厚为界限,40KHz 频率以 2.0mm 壁厚为界限,壁厚界限左侧 的灵敏度变化量大于界限右侧的灵敏度变化量。 另进行了外径 38mm 规格、不同壁厚值、1.7mm 孔径的质量级别试验,同样具有上述 规律。 图 2 “灵敏度-壁厚”趋势图 Fig.2 dependence of sensitivity on thickness 2.3 标准和有效渗透深度计算值 如图 3, 按照渗透深度表计算 10KHz、 40KHz 频率下标准透入深度和有效透入深度值 (见 图 4) 。 从图 4 中可以看到: (a)二个频率的标准透入深度值随频率增大而减小; (b)标准透入深度理论计算值与图 2(b)结论中不同频率下的界限壁厚相吻合。 图 3 各种材料的渗透深度表 Fig.3 Depth of penetration of various materials Fig.4 图 4 不同频率下的标准透入和有效透入深度 Standard and effective penetration depth at different frequencies 2.4 “壁厚-灵敏度”变化理论计算值 据 1.2 款所述结论, “灵敏度-壁厚”变化规律应该与超声波检测中的反射声压计算公式 有类似的计算式。下列公式可近似得到这个规律值: △12 = 10lg(t2 / t1) 式中:t1 t2 为变化前壁厚值,mm; 为变化后壁厚值,mm; (1) △12 壁厚变化后灵敏度变化值,dB; 10KHz 以及 40KHz 按照式(1)计算,可得到灵敏度变化值,如图 4。 从图 5 中可以看到: (a)壁厚从 1.5mm 变化到 5.0mm, 理论计算得灵敏度总变化值为 5.23dB, 与图 1 得到的结 论(a)相吻合。 (b)壁厚从 2.0mm 变化到 1.5mm 时,灵敏度变化量为-1.25dB,即需要衰减 1.25dB;壁厚 从 5.0mm 变化到 4.5mm 时,灵敏度变化量为-0.46dB,既需要衰减 0.46dB。表明:每 0.5mm 壁厚的变化量其灵敏度变化值随壁厚逐渐增厚而趋小。 图 5 灵敏度总变化量与分档变化量随钢管壁厚变化的关系 Fig.5 The relationship between the total variation and sub-file variation of sensitivity with different tube wall thickness 3 分析与讨论 3.1 同一检测质量级别下,外径不变而只变换壁厚之后的检测灵敏度变化值就可按照( 1) 式进行理论计算, 计算后得到的值在原规格灵敏度值基础上实施增减, 增减后的灵敏度即为 实际探伤灵敏度;该值与实际壁厚对比标样的灵敏度值几乎一致。 3.2 壁厚由厚向薄变化时,灵敏度变化值为“负” ,则总灵敏度为在原来灵敏度值的基础上 进行衰减;反之则为增益。 3.3 钢管外径不变、壁厚增厚引起报警灵敏度降低的主要因素是相位发生变化而引起,幅度 的变化不大可忽略不计,这从全相位报警方式 试验的情况可以看到。 3.4 管材壁厚超过标准透入深度时,灵敏度变化值趋于不足 1dB 且值越来越小,即变化很小 可忽略不计[5]。 3.5 “灵敏度-壁厚”变化规律的实际应用,针对同外径不同壁厚管从便于观察的角度建议 灵敏度调整时以厚壁管作为基础参数,向壁厚薄的方向调整灵敏度参数; 3.6 若采用全相位报警方式,具有相似电磁特性的外径相同、壁厚不同的压力管道钢管在壁 厚变化后其检测灵敏度几乎不用调整即可实施检测。 4 结论 4.1 基于电磁相似特性涡流检测的“灵敏度-壁厚”变化规律已在实际检测中应用,得到良好 的效果,在有效渗透深度范围内可依据给出的公式进行计算,如此可快速提高检测效率, 也 可在类似钢管生产企业推广。 4.2 在标准渗透深度之外,探伤灵敏度变化值逐渐趋小,可忽略不计。 4.3 上述成果的实施虽可行但与 GB/T7735-2004《钢管涡流探伤检验方法》中有关对比试样 的要求[1],即:用于制备对比试样的钢管应与被检验钢管的公称尺寸相同,化学成分、表面 状态、热处理状态相似,或具有相似的电磁特性的论述有差异。建议修改上述部分字句“公 称尺寸相同”的论述,修改为:....与被检验钢管的公称外径尺寸相同。 参考文献 [1] GB/T 7735 钢管涡流探伤检验方法 [S],2004. [2] 范弘 金属材料的涡流检测/《 无损检测高级人员培教材》 [M] 北京 北京气象学院( Beijing Institute of Meteorology) ,1997.7 [3] 马恒儒 涡流检测/《国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材》 . [M] 北京 机械工业出版社(China Machine Press),2004.7(2009.1 重印) [4] 郑辉,林树青/《全国特种设备无损检测人员资格考核统编教材》. [M] 北京 中国劳动社会保障出版社(China Labor & Social Security Publishing House ),2008.5(2) , [5] 王东, 李士佩, 张文 同钢种同外径不同壁厚涡流探伤样管替代初探 [J] 冶金分析( Metallurgical Analysis) 2004.10(598-600) Research on the change law for sensitivity-thickness on base of material similar electromagnetic characteristics LU wei zhong (Baosteel Special Materials Co.,Ltd.,Shanghai 200940 China) Abstract: Currently, a reference tube serving as a reference specimen to adjust the sensitivity of Abstract: examination equipment is required in the eddy current examination. The reference tube shall be, compared with the original tube, of the same nominal dimension, of the same nominal composition, of the same heat-treated condition, and of the similar surface condition, in other words, the reference tube has similar electromagnetic characteristics. .However,only for the difference of tube wall thickness, the reference specimen is different and the adjustment of equipment is obligable, which results a complexity that each nominal size needs a specimen. Whether there exists a law, according to which, with similar electromagnetic characteristics, the sensitivity has a relationship with the thickness of tube? On base of finding this sensitivity -thickness variation law, this paper summarizes the setting method of equipments sensitivity parameters according to the thickness of tube when the examination is at the same quality level. In this way, the same testing requirements can also be achieved and the number of reference specimen can be also reduced. As for the definition of reference specimen in national standards, modification suggestion is proposed in this paper . Key words: Electromagnetic testing; Similar characteristics; Law; Sensitivity

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