不銹鋼件以其良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性在特種設(shè)備行業(yè)應(yīng)用廣泛。

不過不銹鋼制壓力容器和管道在長(zhǎng)期的使用過程中，會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷，如腐蝕和疲勞裂紋等，其中晶間腐蝕是不銹鋼最常見的破壞形式，其最初發(fā)生于金屬表面，逐步深入其內(nèi)部，并在應(yīng)力作用下加速引起沿晶斷裂。

因此，根據(jù)不銹鋼損傷特點(diǎn)，采用渦流檢測(cè)方法來檢測(cè)不銹鋼損傷是一種很有效的手段，其對(duì)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的安全使用有重要的意義。

304奧氏體不銹鋼由于其本身組織特性，在制造和在役中會(huì)產(chǎn)生部分鐵素體和馬氏體析出，使其具有一定的磁性，即相對(duì)磁導(dǎo)率μr大于1，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：

當(dāng)不銹鋼件形變量在20%以內(nèi)，隨著形變量的增加，試件的磁導(dǎo)率增加，并逐漸開始具有鐵磁材料的磁特性，導(dǎo)致不銹鋼渦流檢測(cè)集膚深度降低，也改變了檢測(cè)的最佳激勵(lì)頻率。

試驗(yàn)采用5根材料尺寸及熱處理狀態(tài)相同的304奧氏體不銹鋼件，如圖1b所示。

為研究試件形變后磁特性變化且保證國(guó)內(nèi)壓力容器材料伸長(zhǎng)率至少10%以上要求，分別拉伸0%(未拉伸)、5%、10%、15%和20%后。

采用線切割的方式切割成尺寸均100mm×7.5mm×9.5mm的條狀試件以滿足測(cè)試需要。

試驗(yàn)流程如圖1所示，采用FE-2100SD測(cè)試試件的磁特性參數(shù)，該儀器磁導(dǎo)率μ測(cè)試精度為2%、矯頑力Hc為1.5%，由于奧氏體不銹鋼屬弱磁材料只測(cè)定磁導(dǎo)率值；

因此采用沖擊法測(cè)量，以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在室溫獲得。

(a) 測(cè)試試樣制作示意圖

(b) 拉伸0%（未拉伸）時(shí)試樣尺寸參數(shù)

圖1試驗(yàn)流程

由圖2可知，隨著奧氏體不銹鋼件形變量ΔL/L增大，材料微觀組織中奧氏體相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體及馬氏體，形變量ΔL/L達(dá)到20%時(shí)，馬氏體含量值CFM已經(jīng)超過10%，宏觀物理表現(xiàn)為材料的磁導(dǎo)率和矯頑力增大，即相對(duì)磁導(dǎo)率值μr從1.030增大到最大值2.735(此時(shí)伸長(zhǎng)率為20%)，矯頑力Hc最大值為4238A/m，當(dāng)形變量超過20%后，矯頑力變化很小，表明材料拉伸后表現(xiàn)出的鐵磁特性趨近于飽和。

圖2 不同形變下磁特性參數(shù)及馬氏體含量測(cè)試結(jié)果

由沖擊法測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)奧氏體不銹鋼發(fā)生塑性變形后，材料的磁特性發(fā)生變化，伴隨著磁導(dǎo)率和矯頑力的增大，非鐵性奧氏體不銹鋼開始具有鐵磁性材料的某些特性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證此現(xiàn)象，對(duì)該5根試樣采用磁場(chǎng)掃描法測(cè)試其磁滯回線，如圖3所示。

當(dāng)材料形變量達(dá)到20%時(shí)，奧氏體鋼出現(xiàn)很明顯的磁滯現(xiàn)象，類似于鐵磁材料，這必然會(huì)影響渦流檢測(cè)的實(shí)施，磁導(dǎo)率的增加使得相同檢測(cè)頻率下渦流檢測(cè)有效檢測(cè)深度減小到原來的61.4%，降低了近表面缺陷的檢測(cè)能力。

此外，也引起了奧氏體不銹鋼渦流檢測(cè)最佳檢測(cè)頻率的改變。

圖3 不同形變下磁滯回線測(cè)試結(jié)果

相當(dāng)一部分文獻(xiàn)提出，304奧氏體不銹鋼的在相對(duì)磁導(dǎo)率μr約為1的條件下，其最佳的檢測(cè)頻率為100 kHz，然后筆者在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于部分不銹鋼壓力容器，其最佳的檢測(cè)頻率為80 kHz，此時(shí)缺陷信號(hào)易從提離信號(hào)中分離出來。

依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)論分析，這與奧氏體鋼磁特性變化有著必然的聯(lián)系。

鑒于以上現(xiàn)象，本研究采用ansys有限元仿真分析了304不銹鋼在不同形變條件下，實(shí)施渦流檢測(cè)時(shí)，其缺陷檢出效果。

2.1 奧氏體不銹鋼仿真模型建立

如圖4a所示，為對(duì)比仿真結(jié)果，節(jié)省仿真計(jì)算時(shí)間，本研究建立了放置式渦流探頭檢測(cè)不銹鋼的二維軸對(duì)稱有限元模型。

被檢試塊半徑R為20mm，厚H為12mm。

渦流線圈內(nèi)半徑r1為1mm，外半徑r2為2.385mm。

線圈和試塊周圍建立空氣層及遠(yuǎn)場(chǎng)空氣層。

網(wǎng)格劃分上要求集膚深度區(qū)網(wǎng)格劃分3層以上，集膚深度δ按公式(1)計(jì)算，其它部分網(wǎng)格采用映射網(wǎng)格劃分。

公式中：

m為被檢試件的磁導(dǎo)率；

f為渦流檢測(cè)激勵(lì)頻率（Hz）；

s1為被檢試件的電導(dǎo)率（S/m）。

渦流線圈的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為0.58×108S/m。

不銹鋼試塊的電導(dǎo)率為1.43×106S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率分別1.269、1.511、1.893和2.735，分別對(duì)應(yīng)試件形變量0%~20%。

線圈電壓U為12V，激勵(lì)頻率f范圍為0.5~5000kHz，線圈匝數(shù)N為400。

通過計(jì)算可在后處理中觀察磁通密度云圖以及磁通密度等值線等結(jié)果，如圖4b。

(a) 不銹鋼渦流檢測(cè)有限元模型

(b) f=100kHz時(shí)磁通密度曲線

圖4放置式探頭渦流檢測(cè)有限元仿真

2.2 仿真結(jié)果分析

經(jīng)有限元計(jì)算可知，在不銹鋼件形變20%以內(nèi)，不同形變下，線圈阻抗變化不同，如圖5a所示，且隨形變量的增大，試件中馬氏體含量增加，磁導(dǎo)率增大，線圈阻抗變化增大，這在低頻段尤為明顯，同時(shí)，不同頻率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)提離變化也有差異。

為尋求304奧氏體不銹鋼最佳檢測(cè)頻率，兩個(gè)重要因素應(yīng)被考慮得到：

一是檢測(cè)缺陷的深度；

二是檢測(cè)缺陷的靈敏度。

其他條件一定的情況下，選擇某一最佳檢測(cè)頻率，使得在該激勵(lì)頻率下，保證缺陷的阻抗變化與其他影響線圈阻抗的因素能夠有最大的區(qū)分，而缺陷對(duì)線圈阻抗的影響可看作電導(dǎo)率和缺陷幾何形狀綜合作用的結(jié)果。

為此，在試驗(yàn)中奧氏體形變范圍內(nèi)，需找到某一特定頻率，使得在該頻率下，線圈提離引起阻抗變化與電導(dǎo)率引起阻抗變化存在較大的相位差，即兩者相位相差盡可能的接近90°，缺陷易被檢出。

(a) 304不銹鋼渦流檢測(cè)阻抗圖

(b) 提離與電導(dǎo)率變化引起阻抗相位差

圖5 304不銹鋼渦流檢測(cè)有限元計(jì)算結(jié)果

為求出每一頻率點(diǎn)提離與電導(dǎo)率引起阻抗變化的相位差θ，采用兩直線夾角公式(2)計(jì)算:

（2）

公式中，k2為某頻率點(diǎn)電導(dǎo)率引起阻抗的微分值，k1為某頻率點(diǎn)提離引起阻抗的微分值，θ為提離引起阻抗變化和電導(dǎo)率引起阻抗變化的相位差。

由圖5b可知，當(dāng)不銹鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率近似為1時(shí)，激勵(lì)頻率在100~150kHz范圍內(nèi)，θ值接近40°且為最大，電導(dǎo)率引起阻抗變化易與提離引起阻抗變化相分離，表現(xiàn)為缺陷信號(hào)易被分辨出，頻率降低會(huì)使θ值略有減小，且檢測(cè)靈敏度降低，不利于缺陷的檢出，同時(shí)考慮到探測(cè)深度的影響，100kHz是一個(gè)該形變條件下，最佳的檢測(cè)頻率。

隨試件形變量的增加，頻率越低，θ值增大，表明當(dāng)奧氏體不銹鋼在制造或在役中，由于試件產(chǎn)生微量形變后，產(chǎn)生了馬氏體相變，改變了試件本身的磁導(dǎo)率值，使其具有鐵磁材料的一些磁特性，進(jìn)而導(dǎo)致渦流檢測(cè)最佳檢測(cè)頻率發(fā)生了變化，當(dāng)頻率低于100kHz時(shí)，電導(dǎo)率信號(hào)和提離信號(hào)有較大的相位差，而且這種相位差使得缺陷檢出效果要優(yōu)于試件磁導(dǎo)率μr=1時(shí)渦流檢測(cè)效果，例如在激勵(lì)頻率為50kHz時(shí)，形變量0%、5%、10%、15%和20%對(duì)應(yīng)的θ值分別為30°、44°、59°、74°和89°。

由此可以看出，當(dāng)形變量為20%時(shí)，選擇激勵(lì)頻率為50kHz，缺陷易被檢出，此時(shí)電導(dǎo)率變化方向與提離變化方向近似垂直。

分析結(jié)果表明，實(shí)際不銹鋼壓力容器在實(shí)施渦流檢測(cè)時(shí)，其最佳的檢測(cè)頻率并不在100kHz，而是低于100kHz。

2.3對(duì)比驗(yàn)證

由以上分析可知，304奧氏體不銹鋼在形變20%內(nèi)，其最佳檢測(cè)頻率范圍為20~100kHz，此時(shí)缺陷信號(hào)易與其它非缺陷類信號(hào)，如提離等分離，而考慮探測(cè)深度(3δ)保證試件內(nèi)部近表面缺陷的也能有好的檢測(cè)效果，以及缺陷檢測(cè)靈敏度等因素，所選擇的檢測(cè)頻率既不能太高(引起檢測(cè)深度的降低)，也不能太低(引起缺陷檢測(cè)靈敏度降低)。

由此，以100kHz下未發(fā)生形變的不銹鋼渦流檢測(cè)探測(cè)深度3.94mm為基準(zhǔn)。

如圖6中虛線所示，可得，保證該檢測(cè)有足夠的探測(cè)深度同時(shí)又要具備較高的缺陷檢測(cè)靈敏度，取圖中虛線與不同形變下不銹鋼渦流檢測(cè)探測(cè)深度曲線的交點(diǎn)即為所選擇的最佳檢測(cè)頻率，從圖中可知，形變量分別為5%、10%、15%、20%所對(duì)應(yīng)的最佳激勵(lì)頻率分別為：80、70、57、42kHz。

圖6 304不銹鋼不同形變下渦流檢測(cè)探測(cè)深度

對(duì)于采用放置式探頭的渦流檢測(cè)，也可以根據(jù)公式(3)來確定最佳的檢測(cè)頻率，其中檢測(cè)裂紋時(shí)，激勵(lì)頻率的選取范圍為f=(10～20)fg,參考mr=1時(shí),最佳檢測(cè)頻率為f=100kHz，因此選取試驗(yàn)頻率f=13fg。

(3)

由沖擊法測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)奧氏體不銹鋼發(fā)生塑性變形后，材料的磁特性發(fā)生變化，伴隨著磁導(dǎo)率和矯頑力的增大，非鐵性奧氏體不銹鋼開始具有鐵磁性材料的某些特性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證此現(xiàn)象，對(duì)該5根試樣采用磁場(chǎng)掃描法測(cè)試其磁滯回線，如圖3所示。

當(dāng)材料形變量達(dá)到20%時(shí)，奧氏體鋼出現(xiàn)很明顯的磁滯現(xiàn)象，類似于鐵磁材料，這必然會(huì)影響渦流檢測(cè)的實(shí)施，磁導(dǎo)率的增加使得相同檢測(cè)頻率下渦流檢測(cè)有效檢測(cè)深度減小到原來的61.4%，降低了近表面缺陷的檢測(cè)能力。

此外，也引起了奧氏體不銹鋼渦流檢測(cè)最佳檢測(cè)頻率的改變。

1)對(duì)奧氏體不銹鋼件實(shí)施渦流檢測(cè)時(shí)，常采用的最佳檢測(cè)頻率為100kHz，而實(shí)際檢測(cè)時(shí)不盡相同，由于不銹鋼組織中馬氏體的析出，改變了其磁特性，導(dǎo)致其最佳檢測(cè)頻率小于100kHz。

2)304不銹鋼形變20%內(nèi)，不同形變下，奧氏體鋼渦流檢測(cè)最佳激勵(lì)頻率是不同的，且隨形變量的增大，應(yīng)選擇更低頻率作為渦流檢測(cè)的最佳頻率，以保證缺陷的探測(cè)深度和缺陷檢出靈敏度。

3)特種設(shè)備304不銹鋼壓力容器最佳檢測(cè)頻率范圍為：40~100kHz。