秦建柱，唐甸武，殷 尊，李佼佼，张明东，侯召堂，李朝阳，孟永乐
(1.华能海南发电股份有限公司 东方电厂，海南东方 562700；
2.西安热工研究院有限公司，西安 710032；
3.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063)
电站锅炉以及其他种类的压力容器等许多大型承压设备，广泛工作于恶劣的环境之中，设备内部往往存在数以千计的小径管,例如电站机组中的凝汽器换热管、锅炉受热面管等，这些小径管在高速流体的冲刷和内外部的腐蚀下、难以保证其密封性和寿命，需要定期或者不定期在役检测。在小径管的缺陷中，周向裂纹相较于其他缺陷不易于检测且管道出现事故常常包含周向裂纹的因素，因此对小径管的周向裂纹检测是国内外无损检测研究的热点之一[1-4]。
对小径管进行无损检测的方法中，涡流检测技术是应用最为广泛的技术之一[5-7]。实际小径管检测中最常使用的涡流检测方法是单频阻抗法，最常使用的探头是Bobbin差分探头。Bobbin探头使用两个同样的线圈(线圈与管道具有相同轴线)组成差动线圈，能对管内外缺陷做出检测[8]。但是这种探头有一个缺点，就是涡流的走向与周向裂纹类缺陷是平行的，因此裂纹的存在对涡流造成的扰动不大，对周向裂纹的检测灵敏度不高。
使用线圈阵列可以提高对裂纹的检测灵敏度，其原因在于阵列中的每个线圈单元都很小，相当于一个小的笔式探头，依靠阵列单元间的相互补充，可以保证必有某个线圈的涡流垂直于周向裂纹，从而提高检测灵敏度。Olymbus，Eddyfi等公司都设计和生产了阵列探头用于检测小径管[9-12]，但设备和探头都复杂，仪器需要许多通道协同工作，探头一般也需要十几到几十个小线圈组合在一起，导致开发成本高因而售价也很高。GE Inspection Technologies的系统则更复杂，其Apollo多通道/多频率涡流检测系统，除传统的标准涡流探头和远场涡流探头外，使用了多达1 024个通道支持多通道与阵列技术[13]，用于解决管道缺陷的全面检测问题。还有旋转探头技术则是探头附带有复杂的旋转机械结构，例如Zetec公司的MPRC探头[14]。实际使用中，因为换热器管道等一般都有几千至数万根，探头由于磨损消耗较大，导致检测成本高昂。因此研究者们一直在探索降低成本同时也有效的方法。
以上针对小径管周向裂纹的已有的检测技术及其正在进行的研究，主要是方法简便的成本低的检测灵敏度不够高，检测灵敏度较高的阵列检测或旋转检测等则检测设备复杂、仪器的一次性成本(价值一般达数十万元)和运行中的探头消耗成本(阵列探头价值一般达数万元)都很高。
本文是在常规涡流检测仪器(单通道正弦波)的基础上进行相关研究，尝试采用激励结构较为简单的横向探头解决周向裂纹的检测问题。工作的起因是因为进行仿真的时候发现横向激励探头的涡流场在圆周上有一半以上基本垂直于周向裂纹，因此周向裂纹会对涡流场造成较大扰动。基于此一发现，首先设计了相关激励探头，并通过实际试验设计了合适的接收探头。接收线圈由多个小型线圈在导磁体上串联组成，并将两个接收线圈差分连接，以此来提高对于窄的周向裂纹的检测灵敏度。论文针对H62小径铜管进行了包括仿真和试验在内的完整的研究工作。
试验研究平台由常规涡流检测仪器、显示器、检测试件和探头组成，如图 1所示。涡流检测仪可以使用的标准正弦波作为激励信号驱动激励线圈，接收线圈接收到的电压经过多级放大之后交由计算机处理并在显示屏上显示。
图1 试验平台
检测试件为外径25 mm、厚度1 mm的H62黄铜管(电导率：15.6 MS/m，磁导率：1)。在试件外表面存在9个裂纹，如图 2所示，每个裂纹的宽度均为0.2 mm，其深度为0.3 mm，长度由18 mm至2 mm递减。
图2 被测试件
探头实物图如图 1所示。在圆柱形骨架中心放置的是缠绕在铁氧体磁芯的激励线圈，差分接收线圈贴在圆柱形骨架的外表面，具体尺寸参数如图 3所示。其中激励线圈使用线径0.3 mm的漆包铜线均匀绕制240圈在铁氧体圆柱磁芯上面；
差分接收线圈由两个接收传感器差分相接而成，每个传感器为4个小线圈串联于导磁体薄片上，每个小线圈以线径为0.12 mm的漆包铜线绕制15圈。
图3 探头尺寸
利用COMSOL Multi-physics 5.6版本作为仿真平台建立常规涡流检测三维有限元仿真模型，建立的模型切割面视图如图 4所示。模型中的管道为H62铜管，每种探头分别建立3种不同的仿真试件：无裂纹铜管试件，裂纹宽度分别为0.2 mm和0.05 mm的有裂纹试件(周向裂纹长度为18 mm，裂纹深度为0.3 mm，其他参数与实际试件保持一致)。图 4(a)是单个Bobbin探头模型；
图 4(b)是横向放置的圆柱形探头模型。仿真模型采用8 kHz的正弦波作为激励源。图中空气域已隐藏。
(a)Bobbin模型
图5为Bobbin探头在无裂纹试件上的内表面涡流分布。可以看出，涡流密度集中分布在管道正中间，其最密涡流分布为X轴为0的位置，即Bobbin探头放置的位置。涡流流向沿着管道周向均匀流动，在无裂纹的内表面上，不存在涡流畸变。
图5 Bobbin探头在无裂纹试件上的涡流分布
图 6为横向放置圆柱形探头在无裂纹试件上的内表面涡流分布，这种结构的激励探头与传统的Bobbin探头引起管道表面涡流分布截然不同。在管道涡流密度分布在X=0，Y<0附近出现一个涡流沿顺时针流向的漩涡，在Y=0部位附近，涡流整体流向为沿X轴正向。
图6 横向放置圆柱形探头在无裂纹试件上的
图7(a)所示为Bobbin探头在裂纹宽度为0.2 mm 时试件内表面涡流分布。周向裂纹中心坐标为(0，0，12.5)，在X=0处沿管道外壁分布，位于涡流分布最密的线的后面，可以发现，涡流形态并没有发生明显改变，其原因是涡流走向与裂纹平行，裂纹对涡流的扰动不大。
(a)裂纹宽度为0.2 mm试件内表面涡流分布
(b)裂纹宽度为0.05 mm试件内表面涡流分布
图7(b)示出Bobbin探头在裂纹宽度为0.05 mm时试件内表面涡流分布。裂纹位置没有变化，由于同样的原因宽度更细的裂纹对涡流形态的影响也不大。对Bobbin探头产生的涡流场，无论裂纹宽度的大小，周向裂纹对涡流分布情况主要影响是最大数值的变化，对涡流形态并没有明显改变。
(a)裂纹宽度为0.2 mm试件内表面涡流分布
图8(a)为横向放置圆柱形探头在裂纹宽度为0.2 mm试件上内表面的涡流分布图，裂纹位置与上图保持一致。横向探头产生的涡流场与Bobbin探头产生的涡流场存在明显的差异，横向探头在靠近探头两端的管道壁产生圆周流向涡流场，在靠近探头中部的管道壁涡流场会叠加，沿X轴正向流动，垂直于周向裂纹。在内表面上，正上方中部区域会存在一条明显的横向涡流密度更高的线，这是由于涡流绕过上表面裂纹向裂纹下部流动，导致在裂纹的下部聚集更多的涡流，涡流密度更大。与Bobbin探头在管道内壁涡流场相比，涡流场受到裂纹的影响更大。图8(b)为当裂纹宽度减小到0.05 mm时内表面涡流分布图，横向圆柱形探头在试件内表面的涡流与裂纹宽度为0.2 mm的区别较小。这说明了当裂纹宽度减小的时候，裂纹对涡流场的扰动不会因为裂纹的宽度减小而减小。对于比0.2 mm更窄的自然裂纹(如仿真中裂纹宽度为0.05 mm)，裂纹对横向探头产生的涡流场的影响也会很明显，这从原理上说明横向探头与Bobbin相比，对更窄裂纹的检测存在着很大优势。
在涡流场分布形态方面，还可以注意到，轴向方向流动的涡流场占到了管道圆周的一半以上。在一半的区域内，涡流垂直于周向裂纹，这意味着用两个激励探头就可以让轴向涡流完整覆盖整个圆周，为周向裂纹的检测奠定基础。
通过计算如图9所示的裂纹下方区域的平均电流密度分析裂纹对涡流场的扰动情况。其计算结果如表1所示。
图9 数值计算区域示意
表1 裂纹对计算区域平均涡流密度的数值计算
涡流密度提升百分比越大，代表裂纹对涡流场扰动越大，由仿真结果可知，裂纹对横向放置的圆柱形探头产生的涡流场的扰动更加明显，这是由于横向放置的圆柱形探头涡流场垂直于裂纹，所以和Bobbin探头相比，裂纹对场的扰动比较大。同时仿真结果还表明，当裂纹宽度更小的时候，裂纹对Bobbin探头涡流场的扰动明显变弱，而对横向放置的圆柱形探头来说，裂纹变窄后对于涡流场的扰动还有轻微增强。
图10示出Bobbin探头和横向放置圆柱形探头在裂纹长度为18 mm、宽度分别为0.5 mm和0.2 mm的检测信号。
图10 裂纹长度为18 mm两种探头的检测信号
当裂纹宽度从0.5 mm减小到0.2 mm后，Bobbin探头的信号相对幅值(本文所述幅值均为相对电压幅值)由778.48变为526.32，降低47.91%；
横向放置圆柱形探头的信号幅值由410.49变为460.56，增长10.87%。说明当裂纹宽度逐渐减小时，Bobbin探头的检测信号幅值会变小，横向放置圆柱形探头的检测信号会略有升高，与仿真结果相符。试验结果说明横向探头由于涡流走向与周向裂纹垂直，具有更好的对于窄裂纹的检测能力。
图11示出横向圆柱探头在实际试件上的测试结果，图 11(a)～(h)分别对应裂纹长度为16～2 mm的裂纹的阻抗图。由于人工裂纹基本是两端对称的，所以检测到的裂纹信号基本以对称性的“8字形”呈现。随着裂纹长度的减少，阻抗曲线幅值变小。当裂纹长度为16 mm时，幅值范围变化约为310；
当裂纹长度为2 mm时，幅值范围变化为150左右。试验也表明，当探头与实际管道结合较为紧密，提离效应不明显时，检测过程中的背景噪声幅值小于50，只要裂纹在接收线圈覆盖范围内，就可以检测较短的裂纹。在实际检测中，通过设计一对探头使得接收线圈能够覆盖整个圆周。
图11 横向圆柱探头在试件上的试验结果
由试验结果看出，横向圆柱探头可以有效检测试件周向裂纹，且随着裂纹宽度的减小，并没有降低检测灵敏度。由于受到机械加工市场加工能力的限制，在不影响电磁参数的前提下，所加工的裂纹宽度最窄为0.2 mm，没有能够加工出0.05 mm量级宽度的裂纹。但是从原理以及仿真结果来看，随着裂纹宽度的变窄，传统探头的涡流场由于和裂纹平行而受裂纹的扰动显著变小，横向探头则不会变小。因此随着裂纹宽度的变窄，横向探头的优势会突出。并且从行业内检测人员已有的现场检测经验来看，实际的自然裂纹往往很窄，一些裂纹肉眼都难以看到，因此采用横向探头具有提高检测灵敏度的实际意义。
本文为研究小径管周向裂纹的涡流检测，进行了电磁场有限元仿真研究和试验研究。
(1)通过仿真对H62铜管建立三维仿真模型，比较了传统Bobbin探头和横向放置的圆柱形激励线圈探头的涡流场。Bobbin探头涡流为周向流动，与之平行的周向裂纹引起涡流扰动较小，不适合检测宽度很窄的周向裂纹。横向放置的圆柱形激励线圈探头的涡流会引起管内涡流的轴向流动，与之正交的周向裂纹会对轴向涡流存在截断效果，造成大的扰动，有利于裂纹检测。横向涡流覆盖范围超过半个圆周，用两个横向探头可以完成整个圆周的周向裂纹检测。
(2)依托仿真研究的结果设计了圆柱形激励线圈探头，并设计了一种新型差分接收线圈，这种线圈由多个小型线圈在导磁体片上串联组成接收传感器，两个接收传感器差分连接。结果表明可以有效检测试件裂纹。并且对于宽度更窄的自然裂纹，预期会比传统的Bobbin探头具有更高的检测灵敏度。
(3)仿真和试验表明，横向激励结合差分设计的接收线圈，可以作为解决小径管周向裂纹检测难题的有效方法之一。
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