渦流檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于焊縫的檢測中，歐洲、美國和國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對焊縫的渦流檢測已經(jīng)有了明確的規(guī)定。實(shí)踐證明，多頻渦流檢測是焊縫檢測的快速有效的無損檢測方法?3]。由于焊縫及其熱影響區(qū)電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的不均勻以及表面狀態(tài)的不均勻會帶來探頭耦合的不均勻，所以焊縫渦流檢測的本底噪聲較大，信噪比較低。

工業(yè)領(lǐng)域常用的換熱器是熱量交換的設(shè)備，也是壓力邊界，而承擔(dān)壓力邊界的具體部件是管板和傳熱管。密封焊的焊接質(zhì)量直接影響壓力邊界的隔離效果。以核電站核心換熱器蒸汽發(fā)生器為例，國內(nèi)外在核電站生產(chǎn)和建造過程中，曾多次出現(xiàn)蒸汽發(fā)生器在制造和安裝階段的二回路水壓試驗(yàn)期間，其管板密封焊發(fā)生泄漏的安全事件。由于泄漏事件發(fā)生于機(jī)組的安裝后期，缺陷排查與返修工作不僅嚴(yán)重影響機(jī)組冷試關(guān)鍵路徑，而且投人了大量的資金和人力。因此,對管板密封焊進(jìn)行有效地?zé)o損檢測可以降低換熱器的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

筆者針對核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管與管板結(jié)合密封焊的渦流檢測，設(shè)計(jì)了專用的旋轉(zhuǎn)探頭和不同型號的檢測裝置。獨(dú)特的線圈類型選擇和柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能最大程度上減小噪聲和提高信噪比。筆者對檢測工藝做了系統(tǒng)的測試，測試結(jié)果表明，渦流檢測可用于在役或制造期間蒸汽發(fā)生器傳熱管管板密封焊表面和近表面的缺陷檢測。

以CPR1000機(jī)組為例，蒸汽發(fā)生器傳熱管管板密封焊焊接方法通常為不填絲自動(dòng)氬弧焊，焊接時(shí)管子與管板邊沿平齊，傳熱管材料為NC30Fe，管板型鎳基合金。焊接后管板及管板密封焊結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其中，傳熱管厚度為1.09mm，焊縫的實(shí)際厚度一般小于1.5mm。

管板密封焊常見的焊接缺陷包括：裂紋、氣孔、根部夾雜、焊縫夾雜、夾鎢、根部未熔合、熔合線偏移、根部不連續(xù)及其他類型的缺陷。

1、檢測系統(tǒng)

1.1檢測方案

渦流檢測系統(tǒng)由多頻多通道渦流儀、數(shù)據(jù)采集/分析軟件、檢測探頭、機(jī)械裝置和控制系統(tǒng)組成[4-6]。渦流探頭由兩個(gè)差分連接的正交線圈探頭構(gòu)成，可以降低噪聲信號的影響，提高渦流信號的信噪比。渦流探頭與機(jī)械裝置連接接頭采用即插式快速接頭設(shè)計(jì)，保障了更換探頭的便捷性，只要更換不同規(guī)格探頭就可以滿足不同型號、不同規(guī)格管板密封焊的檢測要求。兩個(gè)正交線圈圓周方向呈90°分布，分別檢測端面和內(nèi)部側(cè)面。

檢測探頭線圈采用正交線圈，線圈寬度為3mm，線圈連接方式為差分式連接。該型號探頭的兩個(gè)線圈分別對兩個(gè)垂直方向的線性顯示的靈敏度高，對線性缺陷方向的判斷能力強(qiáng)。探頭有兩個(gè)正交線圈分別位于焊縫內(nèi)側(cè)和外側(cè)。探頭上裝有磁芯，用于磁阻式指示燈。正交線圈和探頭設(shè)計(jì)示意如圖2所示。

機(jī)械裝置彈性機(jī)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)，為探頭與焊縫接觸提供了柔性連接，確保探頭與焊縫貼合穩(wěn)定，降低提離噪聲。

探頭配有磁阻式光電傳感器，探頭旋轉(zhuǎn)一周，傳感器自動(dòng)報(bào)警。方便渦流檢測人員對探頭旋轉(zhuǎn)角度的識別。

1.2機(jī)械裝置

為了滿足不同現(xiàn)場檢測條件和檢測對象的要求，設(shè)計(jì)制造了3個(gè)型號的檢測裝置。型號1為單探頭手持式檢測裝置，單探頭手持式檢測裝置及其控制箱外觀如圖3所示；型號2為雙探頭手持式檢測裝置，雙探頭手持式檢測裝置及其控制箱外觀如圖4所示；型號3為自動(dòng)掃查裝置，自動(dòng)掃查裝置及其控制箱外觀如圖5所示。單探頭手持式檢測裝置是為人工檢測設(shè)計(jì)的，適用于人可以達(dá)到的檢測區(qū)域。由于只有一個(gè)探頭且探頭可以更換規(guī)格，裝置使用靈活，適用于核電站蒸汽發(fā)生器和其他類型換熱器傳熱管管板密封焊的渦流檢測，也適用于其他工業(yè)領(lǐng)域換熱器和壓力容器管與管板連接焊縫的檢查。

雙探頭手持式檢測裝置根據(jù)CPR1000核電機(jī)組蒸汽發(fā)生器管板密封焊的規(guī)格設(shè)計(jì)，人工檢測效率比單探頭手持式檢測裝置的檢測效率提高了1倍。

手動(dòng)采集裝置的特點(diǎn)為：

(1)最大轉(zhuǎn)速為720°*s_l,速度可調(diào)；探頭帶有磁性接近開關(guān)，探頭旋轉(zhuǎn)一周指示燈會閃亮，提示采集人員信號采集完整。

(2)探頭采用即插式設(shè)計(jì)，更換方便，適用于各種類型和規(guī)格的蒸汽發(fā)生器管板密封焊。

(3)彈性機(jī)構(gòu)能保障探頭與密封焊的良好貼合，具有良好的提離噪聲控制功效。

(4)適用性強(qiáng)，可更改探頭楔塊的規(guī)格，適用于不同規(guī)格密封焊的檢測。

自動(dòng)檢測裝置也為單探頭檢測裝置，是專門為有核輻射或者處于其他危險(xiǎn)環(huán)境下，人工不能靠近的區(qū)域或者檢測數(shù)量龐大、自動(dòng)化檢測需求高的檢測項(xiàng)目而設(shè)計(jì)的。例如，核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管管板密封焊的制造期間，檢測數(shù)量龐大；在役檢測期間，蒸汽發(fā)生器一次側(cè)水室屬于高輻射環(huán)境，人員不能長時(shí)間停留。自動(dòng)化檢測裝置通過合適的機(jī)構(gòu)搭載在管板爬行定位機(jī)器人上，通過爬行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)管口的自動(dòng)定位和檢測。

自動(dòng)采集裝置是在手持式檢測裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了氣動(dòng)探頭升降機(jī)構(gòu)，控制探頭的進(jìn)出管口；裝置增加了專門搭載在管板定位爬行器上的固定連接機(jī)定位爬行器的尺寸要求；裝置設(shè)計(jì)了專用的控制軟件，該軟件除了具備探頭旋轉(zhuǎn)和升降控制功能外，還具備采集計(jì)劃編輯和采集狀態(tài)管理功能。

1.3單探頭手持式檢測裝置

單探頭手持式渦流檢測裝置整體結(jié)構(gòu)包括：檢測探頭、控制開關(guān)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和探頭保護(hù)套組件等。

單探頭手持式檢測裝置結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

單探頭手持式渦流檢測裝置傳動(dòng)工作過程為：按動(dòng)控制開關(guān)，電機(jī)啟動(dòng)，通過電機(jī)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳輸?shù)絺鲃?dòng)套筒。傳動(dòng)套筒將動(dòng)力傳輸?shù)脚c之固定連接的滾珠導(dǎo)向軸，從而帶動(dòng)與之固定連接的探頭接頭旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)渦流探頭隨之旋轉(zhuǎn)。

實(shí)際工作時(shí)握住手柄，將渦流探頭插入待檢傳熱管中，向前推動(dòng)渦流探頭使得保護(hù)套的平面與管板對齊。由于滾珠導(dǎo)向軸與電機(jī)傳動(dòng)軸之間存在彈簧，渦流探頭沿著滾珠導(dǎo)向軸向內(nèi)壓縮，彈簧因?yàn)閺椥孕巫儺a(chǎn)生彈力，從而保證了渦流探頭與管板密封焊焊縫在檢測過程中柔性貼合。渦流探頭在旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)內(nèi)部的磁鐵與探頭保護(hù)套上的霍爾接近開關(guān)重合時(shí)，霍爾接近開關(guān)的紅燈就會亮起。當(dāng)再次亮起時(shí)，就說明渦流探頭在傳熱管里旋轉(zhuǎn)了一周。方便操作人員及時(shí)知道是否檢測完成。

2、系統(tǒng)測試及測試結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝配完成后，對檢測系統(tǒng)做了功能測試試驗(yàn)，主要包括以下內(nèi)容：

(1)系統(tǒng)功能測試。手持式渦流檢測裝置包括：驅(qū)動(dòng)及控制箱、探頭旋轉(zhuǎn)功能、視頻檢測測試、信號燈功能測試、開關(guān)性能、信號傳輸及控制驅(qū)動(dòng)線纜接線定義、柔性貼合性能測試等。自動(dòng)渦流檢測裝置包括：驅(qū)動(dòng)及控制箱、探頭旋轉(zhuǎn)功能、探頭升降功能、鎖緊功能測試、視頻檢測測試、信號燈功能測試、開關(guān)性能、氣管密閉性能、信號傳輸及控制驅(qū)動(dòng)線纜接線定義、柔性貼合性能測試等。

(2)自動(dòng)渦流檢測裝置控制軟件性能測試。包括：管板制作、采集計(jì)劃和采集狀態(tài)顯示、探頭轉(zhuǎn)速控制、重復(fù)定位精度測試、采集狀態(tài)信號燈功能測試等。

(3)渦流信號測試。包括靈敏度和分辨力測試、信噪比測試等。

渦流儀測試系統(tǒng)的功能及組成如下所述。

(1)多頻多通道渦流儀：西班牙TECNATOM生產(chǎn)的多頻多通道渦流儀ETbox-8i，該型號渦流儀廣泛應(yīng)用于核電站渦流檢測領(lǐng)域，支持BOBBIN探頭、旋轉(zhuǎn)探頭和陣列探頭。

(2)數(shù)據(jù)采集/分析軟件：配套的數(shù)據(jù)采集軟件為TeddyACQ4.0,數(shù)據(jù)分析軟件為TeddyEVA4.0。

(3)渦流探頭適配器：自主設(shè)計(jì)了配套的渦流探頭適配器，該適配器最大支持4個(gè)“+’’字線圈。

設(shè)計(jì)了測試平臺和試塊。測試試塊的缺陷分別為周向人工槽和平底孔，分別模擬裂紋和體積型缺陷。人工缺陷采用電火花加工，缺陷制造公差不超過±0.01mm。人工槽的長度均為5mm,寬度X深度分別為0.1mmX0.5mm,0.2mmX0.5mm，0.2mmXl.Omm，0.2mmX2.0mm。平底孔直徑為1mm，深度為1mm。5個(gè)測試密封焊中，每個(gè)密封焊上有兩個(gè)相同的缺陷，呈180°分布，分別位于焊縫端面和焊縫內(nèi)側(cè)。試塊外觀如圖7所示。

選擇最佳頻率的基本原則為渦流缺陷信號幅值響應(yīng)高，信噪比好。測試頻率范圍為20kHz?800kHz,經(jīng)過測試，在200kHz?400kHz頻率范圍內(nèi)，渦流信號噪聲小，信噪比高，缺陷信號響應(yīng)幅值高，信號響應(yīng)穩(wěn)定。因此，檢測頻率選擇為300kHz。

信號標(biāo)定時(shí)調(diào)整相位角，將0.2mmX1.0mmX5mm(寬度X深度X長度）人工槽信號噪聲調(diào)為水平且缺陷信號位于李莎茹圖上方，顯示幅度為滿屏的150%(見圖8)。圖中左側(cè)長條圖和李莎茹圖為密封焊端面中心處缺陷，右側(cè)長條圖和李莎茹圖為密封焊內(nèi)側(cè)缺陷。由于每個(gè)密封焊上兩個(gè)缺陷呈180°分布，兩個(gè)正交線圈圓周方向呈90°分布，因此在圖8中，從1和2兩條標(biāo)示線可以看出，兩個(gè)缺陷渦流信號有旋轉(zhuǎn)90°的時(shí)間差。

1mm平底孔缺陷信號如圖9所7K。最小的0.1mmX0.5mmX5mm人工槽型缺陷信號如圖10所示。

圖10中信號是測試過程中出現(xiàn)的典型信號，左側(cè)長條圖和李莎茹圖為密封焊端面中心處缺陷，右側(cè)長條圖和李莎茹圖為密封焊內(nèi)側(cè)缺陷。圖10中圓形圈住部分即為缺陷信號，從圖10中左側(cè)李莎茹圖可以看出，渦流信號形成一個(gè)完整的閉合曲線，該閉合曲線為探頭在手持操作時(shí).探頭與密封焊端面不能完全正向貼合而導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)過程中的典型提離噪聲信號，數(shù)據(jù)分析時(shí)將該信號作為本底信號。由于在信號標(biāo)定時(shí)，將標(biāo)定信號調(diào)整到了李莎茹圖上方，所以存在缺陷時(shí)會在缺陷信號上形成向上的突變。

從測試結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的管板密封焊渦流檢測裝置渦流信號響應(yīng)良好，信噪比高。

3、結(jié)語

筆者所在公司開發(fā)了核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管-管板密封焊渦流檢測裝置，初步研究測試表明，通過柔性連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該裝置實(shí)現(xiàn)了渦流探頭與管板密封焊間的自適應(yīng)配合.提離噪聲小，檢測靈敏度高；信號穩(wěn)定性好，重復(fù)性好。在此設(shè)備開發(fā)的基礎(chǔ)上闡述了核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管-管板密封焊渦流檢測缺陷信號、噪聲信號形成的原因和規(guī)律，可以作為將來實(shí)際檢測時(shí)缺陷判斷的對比依據(jù)。闡述的檢測技術(shù)未使用濾波技術(shù)，由于提離噪聲信號特征單一，所以未來在此基礎(chǔ)上使用信號濾波技術(shù)會極大地提高信噪比。

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