基于涡流效应的点式探头干扰信号分析

陈小飞　汪顺利

【摘 要】某核电厂汽轮机低压转子围带多采用与叶顶部凸榫铆接的方式，对围带连接片进行目视检查及表面检测较为困难，表面裂纹不易发现，容易产生漏检。运用点式探头涡流检测技术能很好检测出表面裂纹，但因检测面小，检测时极易产生提离和边缘等干扰信号。通过大量的试验，找出了裂纹信号与干扰信号的区分方法，为缺陷的识别提供了有力的依据。

【关键词】涡流效应；裂纹信号；干扰信号

中图分类号： TG142.15 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）19-0035-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.014

Analysis of Interference Signal of Spot Probe Based on Eddy Current Effect

CHEN Xiao-fei1 WANG Shun-li2

（1.Suzhou Nuclear Power Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou Jiangsu 215000，China；

2.China Nuclear Power OperationS Co.，Ltd，Shenzhen Guangdong 518000，China）

【Abstract】The steam turbine blade shrouds for nuclear power plant low pressure rotor are mostly riveted.It is difficult to use VT，PT and MT to detect the turbine blade shroud connecting piece after it is welded.Cracks can be identified using spot probe based on eddy current effect.However，It is easy to generate interference signals.From this study， the results of analysis show that it can be more reliable to find the difference in crack and interference signal.

【Key words】Eddy current effect；Crack signal；Interference signal

0 引言

核電厂汽轮机经常在高温、高压、腐蚀和冲蚀环境共同作用下运行，使用条件十分恶劣，是核动力装置中重要的易损结构。核电厂汽轮机转子叶片顶部覆盖的围带，是用以增加机械整体性和提高振动频率。而与叶顶部凸榫相铆接的围带，大部分之间是通过围带连接片连成一体的[1]。但由于汽轮机的工作区主要在湿气区，叶片工作时湿度较大，叶顶部容易造成积水，围带及连接片水刷严重，围带连接片上如出现裂纹将会对机组的安全运行带来威胁。围带连接片是位于两片围带之间的，其位置较为隐蔽，如图2所示。如果采用常规的目视检查和表面检查，由于空间的限制，连接片表面缺陷不容易被检查出来。

涡流检测是无损检测的一个分支，因其对小裂纹的灵敏度高，无接触性等优点被广泛运用。采用点式探头涡流检测技术对围带连接片的表面进行无损检测，能够很好解决因空间狭小带来的不便。这种探头虽然灵敏度高，且无方向性，但因为检测面小，容易产生边缘和提离等干扰信号，误判和漏判缺陷信号的可能性很大。因此，本文基于大量的理论分析和实际研究，找出了区分裂纹信号与干扰信号的方法，为缺陷的识别提供了有力的依据。

1 理论设计原理

涡流检测技术是涡流效应的一项重要应用，围带连接片的涡流检测主要是基于电磁感应原理。当载有交变电流的检测探头置于连接片的表面时，由于探头内部的激励线圈磁场的作用，在连接片表层形成平行于其表面的闭合回路的涡旋状流动电流[2]。该电涡流的大小、相位及流动形式受到连接片本身导电性能的影响的同时也会形成一个磁场，这个磁场反过来又会使探头的阻抗发生变化。当探头处在连接片的不连续处，涡流的正常流动被干扰，导致其强度和分布发生变化，原平衡被破坏[3]。因此，通过测定检测探头中的阻抗变化，就可以判断出被测连接片的表面是否存在裂纹等缺陷[4]。

点式探头在检测过程中垂直于被检部位表面移动，可以实现对其表面的缺陷检测。这种探头设计小巧，探头中附有磁芯，具有增强磁场强度和聚焦磁场的特性，因此具有很高的检测灵敏度。所以，对于垂直连接片表面的裂纹缺陷，涡旋状流动的电流总是垂直于开裂面，因此无论探头相对于裂纹方向以何种角度扫过缺陷时，所产生的涡流响应都是一致的。实际中采用的是钩式探头，其端部呈直角。这种结构的探头不仅可较好地适用于曲率半径较大的平面、拐角部位的检查，具有较高的灵敏度，还克服了检测部位上方需要有较大操作空间的限制，操作平稳性也较好。

在检测过程中以轴线垂直于被检部位表面的方向，用点式探头检测时，探头线圈阻抗的变化不仅与材料的电导率、磁导率等因素的变化有关，而且还受探头至板材表面的距离变化的影响，产生“提离信号”。当探头达到被检件边缘时，由于围带连接片边缘不规则等情况，探头线圈阻抗也发生变化，产生“边缘信号”。探头在使用时，还产生噪声等干扰信号。因此，从理论分析可知，需要采用合适的方法来区分伤信号和干扰信号。为了抑制干扰信号，可以选择合适的工作频率并采用相位分离法，即利用伤信号和干扰信号相位不同来选择适当的相位并抑制干扰信号[5]，从而达到减小干扰的作用，提高检测结果的准确性和可靠性。

点式探头涡流检测的灵敏度很大程度上取决于工作频率f，而工作频率的选择和工件的特征频率fg密切相关。在实际的涡流检查中，f/fg=5～150的范围具有实用意义。如果选取过小，则对裂纹的可分辨性很低；如果选取过高，则检查灵敏度显著降低。特征频率是指贝塞尔函数的虚总量的模为1时对应的频率，它是工件的一个固有特性。对于特定的试件来说，特征频率只是一个特征参数，含有除缺陷外材料尺寸和性能的信息。

用放置式探头检检测时，采用涡流简化模式，将工件看成半无限大的平面。设想在被测导体上，存在一个确定区域，该区域通过的环流与被测导体中的总的电涡流相等。且这个区域的实际阻抗与被测导体的有效阻抗近似相等[6]。那么被测导体就可以用这环域来代替，经过一些推理计算，最后当导体简化为涡流环时，采用放置式线圈探伤时，工件的半径可以等效为涡流环的半径[7]，点式探头的特征频率[8]可等效如下：

2 现场涡流检测分析运用

某核电站装有900MW冲动式核蒸汽汽轮机，该汽轮机由一个高压转子和三个低压转子组成。低压转子每侧五级，第一级至第四级叶片有围带。围带均分段制造，并与叶顶部的凸榫相铆接，大部分级的叶片围带与围带之间通过连接片连成一体。其中每个低压转子第1、2、3、4级围带有连接片，每级各13、11、13、13片，共100片，三个低压转子共有300片围带连接片[9]。由于围带连接片较多，所以采用涡流检测方法就具有实时性和高效性。

在停机大修时，对围带连接片进行点式探头涡流检测技术。选用tecnatom ETbox2i仪器，采用转子上面更换下的带有真实裂纹缺陷的围带连接片进行标定。围带连接片的材料是TI合金，采用上述理论分析的式子，经过计算加调试，选定工作频率在400KHz～800KHz范围内均能满足检测要求。将采集到的标准裂纹信号相位调至40°，幅值调至满屏的80%以上，作为标定信号。

标定完后参数不变，最后再多采集幾次裂纹信号来验证标定信号是否准确，确保偏差在±10%以内即可。利用标定好的参数，再对叶片围带的连接片进行表面涡流检测。采集过程中，每隔两个小时应进行一次标定，如果标定信号在±10%以内偏差很小，则表明采集数据可用；如果标定误差大则表明数据有问题，应立即重采。采集完后，还要再进行一次标定[10]。

经过现场多次试验，标定试片中裂纹引起的缺陷信号与干扰信号相位存在一定角度的偏差，如果采用某种方法将正常缺陷信号与噪声信号进行区分，就可以得到裂纹信号。

当前采用的tecnatom ETbox2i涡流仪，对于两种不同相位的信号，裂纹信号A和干扰信号B有相位差。调整仪器相关参数后，使只能通过A信号的某一分量，而B信号的某一分量不能通过时，则能起到区分两种信号的作用。相位的设置根据实际检测围带连接片的干扰信号进行设置，通过调整点式探头涡流探伤频率等相关参数，不得覆盖缺陷信号所在的相位范围，否则容易造成漏检。实际点式涡流探头运用中，采用差分和绝对通道，其中600KHz为主检测频率，另外选取几个小于主检测频率的作为对比，例如500KHz和400KHz。在检测分析中发现，采集信号的相位不会随之发生变化，但是探头的干扰信号相位一直发生变化，导致采集信号与干扰信号的夹角一直发生变化。从目前的研究来看，较高的检测频率可使裂纹信号与干扰信号的相位夹角较大。选取600KHz频率产生的两种信号明显存在相位差，但选取500KHz频率时，两种信号基本重合。所以选取合适的工作频率，既抑制了干扰信号，又防止裂纹缺陷信号的漏检。在保证质量的前提下，提高了准确度。实际在其它检测过程中，也可选用更小巧的点式探头，保证其与被检面移动更便捷，也能起到减小干扰的作用。

3 结论

围带连接片因位置隐蔽，很难采用常规表面检测方法，裂纹容易引起漏检。涡流检测方法相比以往的目视和表面检查方法，具有灵敏度高、检查灵活性大，测试结果明显等特点，能够有效检测汽轮机围带连接片的表面裂纹缺陷。但裂纹的深度越浅，信号越微弱，同时检测区域存在严重的干扰信号，因此区分裂纹信号及干扰信号是重要的研究方向。本文通过对点式探头涡流检测理论分析和实际运用表明，为了有效抑制点式涡流探头中产生的干扰信号，选取合适的频率，采用相位分析法，能够区分裂纹信号和干扰信号的微小区别。

【参考文献】

[1]陈济东.大亚湾核电站系统及运行：上册[M].原子能出版社，1994.

[2]邱关源.电路：上册[M].高等教育出版社，1999.

[3]钟文定.铁磁学：中册[M].机械工业出版社，2000.

[4]徐可北，周俊华.涡流检测[M].机械工业出版社，2004.

[5]周长忠，涡流探伤干扰信号的抑制技术[J].无损探伤NDT.

[6]钱峰，张海兵，孙金立.某型直升机轮毂涡流检测探头主要参数的确定[J].海军航空工程学院学报，2004，28（6）：10-11

[7]邵译波，宋树波.涡流检测技术在汽轮机叶片中的应用[J].吉林化工学院学报，1999，16（1）：44-47

[8]孙金立.放置式探头检测工件时特征频率的计算[J].无损检测，2001（05）：185-189.

[9]DL/T 1025-2006 核电厂金属技术监督规程[S].

[10]C-TS-TST-438 大亚湾核电站汽轮机围带连接片涡流检验程序.