不锈钢件以其良好的力学性能和耐腐蚀性在特种设备行业应用广泛。

 

不过不锈钢制压力容器和管道在长期的使用过程中，会产生不同程度的损伤，如腐蚀和疲劳裂纹等，其中晶间腐蚀是不锈钢最常见的破坏形式，其最初发生于金属表面，逐步深入其内部，并在应力作用下加速引起沿晶断裂。

 

因此，根据不锈钢损伤特点，采用涡流检测方法来检测不锈钢损伤是一种很有效的手段，其对工业生产设备的安全使用有重要的意义。

 

304奥氏体不锈钢由于其本身组织特性，在制造和在役中会产生部分铁素体和马氏体析出，使其具有一定的磁性，即相对磁导率μr大于1，试验测试结果表明：

 

当不锈钢件形变量在20%以内，随着形变量的增加，试件的磁导率增加，并逐渐开始具有铁磁材料的磁特性，导致不锈钢涡流检测集肤深度降低，也改变了检测的最佳激励频率。

 

1.304不锈钢不同形变下磁特性变化试验研究

 

试验采用5根材料尺寸及热处理状态相同的304奥氏体不锈钢件，如图1b所示。

 

为研究试件形变后磁特性变化且保证国内压力容器材料伸长率至少10%以上要求，分别拉伸0%（未拉伸）、5%、10%、15%和20%后。

 

采用线切割的方式切割成尺寸均为100 mm×7.5 mm×9.5 mm的条状试件以满足测试需要。

 

试验流程如图1所示，采用FE-2100SD测试试件的磁特性参数，该仪器磁导率μ测试精度为2%、矫顽力Hc为1.5%，由于奥氏体不锈钢属弱磁材料只测定磁导率值；

 

因此采用冲击法测量，以下试验数据均在室温获得。

(a) 测试试样制作示意图

(b) 拉伸0%（未拉伸）时试样尺寸参数

 

图1试验流程

由图2可知，随着奥氏体不锈钢件形变量ΔL/L增大，材料微观组织中奥氏体相逐渐转变为铁素体及马氏体，形变量ΔL/L达到20%时，马氏体含量值CFM已经超过10%，宏观物理表现为材料的磁导率和矫顽力增大，即相对磁导率值μr从1.030增大到最大值2.735（此时伸长率为20%），矫顽力Hc最大值为4238A/m，当形变量超过20%后，矫顽力变化很小，表明材料拉伸后表现出的铁磁特性趋近于饱和。

图2 不同形变下磁特性参数及马氏体含量测试结果

由冲击法测试结果可以看出，当奥氏体不锈钢发生塑性变形后，材料的磁特性发生变化，伴随着磁导率和矫顽力的增大，非铁性奥氏体不锈钢开始具有铁磁性材料的某些特性。

 

为进一步验证此现象，对该5根试样采用磁场扫描法测试其磁滞回线，如图3所示。

 

当材料形变量达到20%时，奥氏体钢出现很明显的磁滞现象，类似于铁磁材料，这必然会影响涡流检测的实施，磁导率的增加使得相同检测频率下涡流检测有效检测深度减小到原来的61.4%，降低了近表面缺陷的检测能力。

 

此外，也引起了奥氏体不锈钢涡流检测最佳检测频率的改变。

图3 不同形变下磁滞回线测试结果

2.304不锈钢不同形变下涡流检测仿真研究

 

相当一部分文献提出，304奥氏体不锈钢的在相对磁导率μr约为1的条件下，其最佳的检测频率为100 kHz，然后笔者在工程实践中发现，对于部分不锈钢压力容器，其最佳的检测频率为80 kHz，此时缺陷信号易从提离信号中分离出来。

 

依据上述试验结论分析，这与奥氏体钢磁特性变化有着必然的联系。

 

鉴于以上现象，本研究采用ansys有限元仿真分析了304不锈钢在不同形变条件下，实施涡流检测时，其缺陷检出效果。

 

2.1 奥氏体不锈钢仿真模型建立

 

如图4a所示，为对比仿真结果，节省仿真计算时间，本研究建立了放置式涡流探头检测不锈钢的二维轴对称有限元模型。

 

被检试块半径R为20 mm，厚H为12mm。涡流线圈内半径r1为1mm，外半径r2为2.385mm。

 

线圈和试块周围建立空气层及远场空气层。

 

网格划分上要求集肤深度区网格划分3层以上，集肤深度δ按公式(1)计算，其它部分网格采用映射网格划分。

公式中：

 

m为被检试件的磁导率；

 

f为涡流检测激励频率（Hz）；

 

s1为被检试件的电导率（S/m）。

 

涡流线圈的相对磁导率为1，电导率为0.58×108S/m。

 

不锈钢试块的电导率为1.43×106S/m，相对磁导率分别1.269、1.511、1.893和2.735，分别对应试件形变量0%~20%。

 

线圈电压U为12V，激励频率f范围为0.5~5000kHz，线圈匝数N为400。

 

通过计算可在后处理中观察磁通密度云图以及磁通密度等值线等结果，如图4b。

(a) 不锈钢涡流检测有限元模型

(b) f=100kHz时磁通密度曲线

 

图4放置式探头涡流检测有限元仿真

 

2.2 仿真结果分析

 

经有限元计算可知，在不锈钢件形变20%以内，不同形变下，线圈阻抗变化不同，如图5a所示，且随形变量的增大，试件中马氏体含量增加，磁导率增大，线圈阻抗变化增大，这在低频段尤为明显，同时，不同频率点所对应提离变化也有差异。

 

为寻求304奥氏体不锈钢最佳检测频率，两个重要因素应被考虑得到：

 

一是检测缺陷的深度；

 

二是检测缺陷的灵敏度。

 

其他条件一定的情况下，选择某一最佳检测频率，使得在该激励频率下，保证缺陷的阻抗变化与其他影响线圈阻抗的因素能够有最大的区分，而缺陷对线圈阻抗的影响可看作电导率和缺陷几何形状综合作用的结果。

 

为此，在试验中奥氏体形变范围内，需找到某一特定频率，使得在该频率下，线圈提离引起阻抗变化与电导率引起阻抗变化存在较大的相位差，即两者相位相差尽可能的接近90°，缺陷易被检出。

(a) 304不锈钢涡流检测阻抗图

(b) 提离与电导率变化引起阻抗相位差

 

图5 304不锈钢涡流检测有限元计算结果

为求出每一频率点提离与电导率引起阻抗变化的相位差θ，采用两直线夹角公式(2)计算：

（2）

 

公式中，k2为某频率点电导率引起阻抗的微分值，k1为某频率点提离引起阻抗的微分值，θ为提离引起阻抗变化和电导率引起阻抗变化的相位差。

 

由图5b可知，当不锈钢的相对磁导率近似为1时，激励频率在100~150kHz范围内，θ值接近40º且为最大，电导率引起阻抗变化易与提离引起阻抗变化相分离，表现为缺陷信号易被分辨出，频率降低会使θ值略有减小，且检测灵敏度降低，不利于缺陷的检出，同时考虑到探测深度的影响，100kHz是一个该形变条件下，最佳的检测频率。

 

随试件形变量的增加，频率越低，θ值增大，表明当奥氏体不锈钢在制造或在役中，由于试件产生微量形变后，产生了马氏体相变，改变了试件本身的磁导率值，使其具有铁磁材料的一些磁特性，进而导致涡流检测最佳检测频率发生了变化，当频率低于100kHz时，电导率信号和提离信号有较大的相位差，而且这种相位差使得缺陷检出效果要优于试件磁导率μr=1时涡流检测效果，例如在激励频率为50kHz时，形变量0%、5%、10%、15%和20%对应的θ值分别为30º、44º、59º、74º和89º。

 

由此可以看出，当形变量为20%时，选择激励频率为50kHz，缺陷易被检出，此时电导率变化方向与提离变化方向近似垂直。

 

分析结果表明，实际不锈钢压力容器在实施涡流检测时，其最佳的检测频率并不在100kHz，而是低于100kHz。

 

2.3对比验证

 

由以上分析可知，304奥氏体不锈钢在形变20%内，其最佳检测频率范围为20~100kHz，此时缺陷信号易与其它非缺陷类信号，如提离等分离，而考虑探测深度（3δ）保证试件内部近表面缺陷的也能有好的检测效果，以及缺陷检测灵敏度等因素，所选择的检测频率既不能太高（引起检测深度的降低），也不能太低（引起缺陷检测灵敏度降低）。

 

由此，以100kHz下未发生形变的不锈钢涡流检测探测深度3.94mm为基准。

 

如图6中虚线所示，可得，保证该检测有足够的探测深度同时又要具备较高的缺陷检测灵敏度，取图中虚线与不同形变下不锈钢涡流检测探测深度曲线的交点即为所选择的最佳检测频率，从图中可知，形变量分别为5%、10%、15%、20%所对应的最佳激励频率分别为：80、70、57、42kHz。

图6 304不锈钢不同形变下涡流检测探测深度

对于采用放置式探头的涡流检测，也可以根据公式(3)来确定最佳的检测频率，其中检测裂纹时，激励频率的选取范围为f=(10～20)fg,参考mr=1时,最佳检测频率为f=100kHz，因此选取试验频率f=13fg。

(3)

由冲击法测试结果可以看出，当奥氏体不锈钢发生塑性变形后，材料的磁特性发生变化，伴随着磁导率和矫顽力的增大，非铁性奥氏体不锈钢开始具有铁磁性材料的某些特性。

 

为进一步验证此现象，对该5根试样采用磁场扫描法测试其磁滞回线，如图3所示。

 

当材料形变量达到20%时，奥氏体钢出现很明显的磁滞现象，类似于铁磁材料，这必然会影响涡流检测的实施，磁导率的增加使得相同检测频率下涡流检测有效检测深度减小到原来的61.4%，降低了近表面缺陷的检测能力。

 

此外，也引起了奥氏体不锈钢涡流检测最佳检测频率的改变。

 

3 .结论

 

1)对奥氏体不锈钢件实施涡流检测时，常采用的最佳检测频率为100kHz，而实际检测时不尽相同，由于不锈钢组织中马氏体的析出，改变了其磁特性，导致其最佳检测频率小于100kHz。

 

2)304不锈钢形变20%内，不同形变下，奥氏体钢涡流检测最佳激励频率是不同的，且随形变量的增大，应选择更低频率作为涡流检测的最佳频率，以保证缺陷的探测深度和缺陷检出灵敏度。

 

3)特种设备304不锈钢压力容器最佳检测频率范围为：40~100kHz。