铁素体不锈钢传热管远场涡流检测分析技术

国核电站运行服务技术有限公司 于 岩 曾启畅 郭 韵

远场涡流（RFT）技术最早发表于1951年美国W.R.Maclean的一篇专利报告中，50年代末60年代初，壳牌公司将该技术成功应用于油井套管的检测中。在核电领域，远场涡流技术更多地被用于铁磁性传热管的在役检查中。

标准方面，美国ASTM E2096对于已安装铁磁性传热管（外径12.7mm至50.8mm，壁厚0.71mm至3.4mm）远场涡流检测的基本要求、系统、样管、程序、报告等内容。2010版ASME第V卷第17章引用了E2096，并对对比样管、系统准备及参数设置等内容进行了补充。无论E2096还是ASME第V卷第17章，都未涉及验收的要求。国内的远场标准如NB/T 47013.6-2015和DL/T 833-2004基本参考引用了E2096，由于仪器设备的原因，都不要求远场涡流信号用极坐标电压幅值平面，这对于远场涡流信号分析是不利的。DL/T 833-2004增加了检测结果的评定，为实际缺陷评定及处理提供了依据。

无论参考ASME或E2096或者依据国内NB/T 47013.6-2015和DL/T 833-2004进行现场的远场涡流检测，都会遇到一些问题，比如如何设计和使用对比样管；缺陷信号特征分析；缺陷的定量。实际上，国内铁磁性远场涡流检测技术并未完全应用成熟，尤其在分析技术上还存在诸多问题，个别文献也只针对碳钢管。

1 铁磁性不锈钢传热管的常见降质形式

TP439铁素体不锈钢换热管的抗腐蚀特性优于碳钢，特别在高温下有良好的力学性能，热膨胀系数与碳钢相当，与奥氏体不锈钢相比，具有良好的传热性和耐蚀性（耐氯化物应力腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀等局部腐蚀），高温抗氧化性更高，膨胀系数小，抗热应力能力大，在运行条件下应力腐蚀开裂敏感性小，硬度高，具有优良的耐磨和耐冲蚀性能，又在停机期间不需要气相保护，且价格便宜。国际上核电机组的高压加热器已大量采用这种换热管，国内岭澳、红沿河、宁德以及田湾核电三、四号机组也采用了该材质。

虽然铁素体不锈钢具有诸多优良性能，但是由于其可焊性差，在焊接过程中容易产生微裂纹；在冷变形的过程中，存在脆性开裂；室温及低温韧性差，缺口敏感性高，对晶间腐蚀比较敏感（尤其在氯离子的化学侵蚀下）。高压加热器传热管采用铁素体不锈钢材料时，主要的失效形式包括：腐蚀（晶间腐蚀、应力腐蚀）、液体冲蚀、裂纹以及振动磨损。

2 铁磁性不锈钢传热管的缺陷远场涡流分析

2.1 缺陷特征分析

通过一系列试验研究发现：远场涡流对于体积量较小的缺陷（比如孔径小于一倍壁厚以下的通孔）是不灵敏的，因此远场涡流是用于检测较大的缺陷或大面积管壁减薄的；远场涡流对于内壁缺陷和外壁缺陷是无法从相位上予以区分的，因此对比样管上都采用了外壁缺陷表征；远场涡流由于检测线圈响应范围比常规涡流探头要大，所以缺陷的分辨力不如常规探头，相邻缺陷信号比较容易叠加，叠加之后信号特征分析由于篇幅关系在本文中不作讨论；远场涡流检测对于缺陷的轴向方向的变化能够反映在信号特征，但同一圆周上缺陷的几何形态和数量是综合作用于信号的幅值上，并不能从信号特征上予以区分。

基于以上所述第4点，远场涡流信号从信号特征只能分为长缺陷（轴向长度超过检测线圈响应范围）和短缺陷（轴向长度小于检测线圈响应范围）两种。而远场涡流探头根据激励形式的不同又可以分为单激励和双激励。下文针对单激励和双激励的涡流信号特征进行阐述。

2.1.1 单激励探头信号特征

单激励探头是远场检测探头中常见的一类内穿差分式探头，探头由1个激励线圈与2个检测线圈组成。由于两个检测线圈距离激励线圈的相对距离不一致，因此信号上呈现“8”字不对称的特点，但相较于双激励探头，其具有检测盲区较小的优势。如图1所示，靠近探头顶部的为激励线圈，靠近探头尾部的蓝色及红色线圈为检测线圈。

图1 单激励探头示意图

短缺陷在差分通道上表现为一个较大差分信号和一个单边小信号，绝对通道极坐标上是两个幅值和角度近似的单边信号，单激励短缺陷（圆底孔）的特征如图2所示。

图2 短缺陷显示信号（圆底孔）

另外，如图3所示的几种缺陷信号特征也和图2类似。

图3 具有短缺陷特征的缺陷

长缺陷在差分通道上表现为一个差分大信号（信号中有“台阶”）和一个单边小信号（信号有“台阶”），绝对通道极坐标上是两个幅值和角度近似的单边信号（有“台阶”），单激励长缺陷（周向槽）的特征如图4所示。

图4 长缺陷显示信号（长环槽）

另外，如图5所示长单边槽信号响应也和图4类似。

图5 单边长槽

2.1.2 双激励探头信号特征

双激励探头是远场检测探头中另一类常见的内穿差分式探头，探头由2个激励线圈与2个检测线圈组成。如图6所示，靠近探头两端的是激励线圈，探头中部的蓝色及红色线圈为检测线圈。由于双激励探头存在两个激励线圈，因此双激励探头的长度较单激励探头长很多，检测盲区也更大，但信号的对称性上明显优于单激励探头。

图6 双激励探头示意图

短缺陷在差分通道和绝对通道上表现为一个较大差分信号和两侧各有一个单边小信号，双激励短缺陷（圆底孔）的特征如图7所示。

图7 短陷显示信号（180°短槽）

另外，图8所示几种缺陷信号特征也和图7类似。

图8 具有短缺陷特征的缺陷

长缺陷在差分通道上和绝对通道上都出现了“台阶”“一大两小信号”都变长，长缺陷（周向槽）的特征如图9所示。另外，对于双激励探头，图5所示单边长槽的信号特征和图9相类似。

图9 长缺陷显示信号（长环槽）

2.2 信号显示评定方法

根据上文中信号特征对缺陷信号进行分类，信号显示可分为长缺陷和短缺陷。实际长缺陷包括了周向、轴向、渐变长缺陷。实际短缺陷包括了点状、轴向和周向短缺陷。点状&短轴向缺陷和短周向缺陷从幅值上可以进行区分，短周向缺陷的幅值大于点状&短轴向缺陷。将长缺陷、点状或短轴向缺陷、短周向缺陷三类分别依据如图10所示流程进行评定。

图10 信号显示评定流程图

以上评定缺陷所用判伤曲线，都应采用与被检缺陷形态近似的不同深度的人工缺陷制作拟合。以点状缺陷为例，可采用图11所示对比样管。

图11 点状缺陷对比样管

以短周向缺陷为例，若实际缺陷是单侧的减薄，则可采用图12所示单边周向短槽的对比样管。

图12 单边周向短槽的对比样管

将研究结果应用于某核电厂在役检查，对Φ19×0.9mm低压加热器的TP439传热管实施远场涡流检测，其中一台发现了缺陷，一处缺陷深度壁厚减薄量超过40%。

3 结语

采用远场涡流可有效地检测铁素体不锈钢传热管中较大体积量的缺陷。依据缺陷的信号特征可将缺陷区分为长缺陷和短缺陷，再依据幅值可以进一步将短缺陷细分为点状还是周向缺陷，从而实现缺陷的分类和评定。缺陷的评定时，所用对比样管的人工缺陷要和实际缺陷类似，以不同深度缺陷拟合出判伤曲线。本文系统地阐述了对于铁素体不锈钢传热管远场涡流检测分析中缺陷特征分析、缺陷评定以及对比样管缺陷设计三个重点，对于行业内，在参考国内相关标准实施远场涡流检测有参考和借鉴价值。