基于交流電磁場檢測技術(shù)的裂紋缺陷信號識別方法

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(深圳中海油服深水技術(shù)有限公司, 天津 300450)

海洋平臺不僅是進行海洋油氣資源開發(fā)的重要設(shè)施，也是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的重要基地。目前，國內(nèi)大約有各種鉆井、采油平臺200余座,而大多數(shù)已陸續(xù)進入服役的中后期。海洋平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴,所處的海洋環(huán)境十分惡劣,再加上海洋環(huán)境的復(fù)雜性和隨機性,以及對平臺結(jié)構(gòu)的累積損傷認識不充分,國內(nèi)外曾發(fā)生多起海洋平臺的事故[1]。國家安監(jiān)總局以及各船級社的入級規(guī)范都著重強調(diào)并且制定了建造檢驗和在役檢驗的規(guī)定與要求,并規(guī)定了年檢和特檢的法定檢驗周期,以保證平臺及設(shè)施的安全使用,所以定期對海洋平臺主體結(jié)構(gòu)焊縫進行無損檢測顯得尤為重要[2]。海洋平臺主體結(jié)構(gòu)焊縫表面裂紋的無損檢測方法主要有磁粉檢測(MT)和交流電磁場檢測技術(shù)(ACFM),ACFM是現(xiàn)階段國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的一種無損檢測技術(shù),主要用于檢測金屬構(gòu)件表面和近表面裂紋缺陷,可以測量裂紋的長度和計算裂紋的深度,數(shù)學模型精確,具有非接觸測量而無須去除工件表面涂層的特點。

在20世紀80年代后期,ACFM技術(shù)首先被用于水下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位焊縫質(zhì)量的檢驗以及有表面涂層結(jié)構(gòu)的檢驗中,1997年巴西國家石油公司將ACFM技術(shù)用于海上石油平臺的結(jié)構(gòu)檢驗。美國的TSC(Technical Software Conltants)公司是ACFM硬件和軟件的生產(chǎn)廠家,國內(nèi)相關(guān)技術(shù)公司及科研院所目前尚未完成ACFM檢測設(shè)備的儀器化。在ACFM裂紋缺陷檢測信號識別方面,宋凱等[3]基于U形磁軛探頭的交流漏磁檢測法機理進行了相關(guān)研究。周德強等[4]設(shè)計了一套脈沖渦流檢測系統(tǒng),通過試驗分析,可根據(jù)脈沖渦流信號輸出峰值的變化判斷裂紋的位置,根據(jù)脈沖渦流差分信號輸出的峰值及峰值時間判定裂紋缺陷的深度信息。陳勇等[5]提出了ACFM裂紋檢測判別的一般流程。王喆等[6]總結(jié)了不同的相關(guān)顯示和非相關(guān)顯示的圖譜特征,并編制了一個用于檢測缺陷判定的工藝流程。國內(nèi)學者大多重點考慮了缺陷的檢出以及信號判別流程,對橫向、縱向以及與掃查方向呈一定角度的裂紋缺陷的檢測信號形成機理以及識別方面的研究還很少。

筆者從裂紋缺陷檢測信號形成機理以及試驗方面出發(fā),研究了橫向(90°)以及縱向(0°)裂紋缺陷檢測信號Bx以及Bz特征向量的形成機理,從理論方面解釋了二者信號之間的差異,并獲得了位于碳鋼板對接焊縫及其熱影響區(qū)處,與掃查方向呈0°(縱向),45°(斜向)以及90°(橫向)裂紋缺陷的檢測圖譜信號,為裂紋缺陷檢測信號的識別提供了理論和試驗依據(jù)。

圖1 無缺陷時近似均勻的磁場示意

1 ACFM技術(shù)介紹

ACFM技術(shù)的理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)原理,即：一個通交變電流的特殊線圈(激勵線圈)靠近導(dǎo)體時,交變電流在周圍的空間中會產(chǎn)生交變磁場,被測工件表面的感應(yīng)電流由于集膚效應(yīng)聚集于工件的表面。當工件中無缺陷時,感應(yīng)電流線彼此平行,工件表面有均勻強磁場存在(見圖1)；若工件中有缺陷時,由于材料的不均勻性和分界面處電流的連續(xù)性原理,電流線會向裂紋兩端和裂紋底面偏轉(zhuǎn),使裂紋中心處電流線變疏,電流密度下降,兩端的電流線匯聚,從而導(dǎo)致工件表面磁場變化,這個磁場變化的強弱就能反映出裂紋的尺寸。

ACFM中磁場和電場坐標示意如圖2所示,金屬中的磁場和感應(yīng)電場(渦流)互相垂直,z為垂直于工件表面的方向,x為沿缺陷(裂紋)長度方向。對于均勻場(無缺陷)來說,電場強度Ex=Ez=0,Ey為常數(shù),且Ey≠0,磁場強度By=Bz=0,Bx為常數(shù),且Bx≠0。

圖2 ACFM中磁場和電場坐標示意

若金屬件表面存在裂紋類缺陷,上述均勻場就會被破壞,感應(yīng)電流遇裂紋缺陷后發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而感應(yīng)出再生磁場。根據(jù)法拉第電動勢原理,線圈切割磁場產(chǎn)生電動勢,則檢測此電動勢即可檢測感應(yīng)磁場[7-8]。有缺陷時磁場分布示意如圖3所示,Bx對表面電流密度敏感,電流向裂紋兩端和底面偏轉(zhuǎn),使流進裂紋面的電流強度下降,裂紋中部電流密度最小,產(chǎn)生Bx波谷,裂紋兩端電流密度最大,產(chǎn)生Bx波峰,因此,Bx與缺陷深度有關(guān),是其直接的度量；同時,Bz對磁場的極點敏感,也就是說,Bz受裂紋兩端影響較大,運用右手定則確定兩端磁場強度在z方向上的正負,在裂紋中間,磁場指向水平,在z方向上的磁場強度等于0,因此Bz正、負峰值的間距恰恰是裂紋長度的標志。

圖3 有缺陷時磁場分布示意

2 裂紋缺陷信號機理研究

縱向裂紋為平行于掃查方向的裂紋,即裂紋與電場方向垂直；橫向裂紋為垂直于掃查方向的裂紋,即裂紋與電場方向平行；斜向裂紋與掃查方向呈一定角度。

2.1 縱向裂紋缺陷信號機理研究

圖4 縱向裂紋缺陷檢測機理示意

圖4(a)為縱向裂紋缺陷檢測機理俯視圖,當存在裂紋缺陷時,由于材料屬性的突變,根據(jù)分界面處電流的連續(xù)性原理,電流會繞過缺陷邊界流向底部,從而引起缺陷末端處電流的匯聚和缺陷內(nèi)部電流密度的降低,此時裂紋缺陷處將會產(chǎn)生渦電流,在裂紋缺陷右側(cè)渦電流為順時針方向,產(chǎn)生的磁場(二次感應(yīng)場)方向為指向試件內(nèi),左側(cè)渦電流為逆時針方向,產(chǎn)生的磁場(二次感應(yīng)場)方向為指向試件外,所以在試件內(nèi)渦電流產(chǎn)生的磁場(二次感應(yīng)場)方向為從右至左,試件上表面空間處磁場方向為從左至右。圖4(b)為縱向裂紋缺陷檢測機理側(cè)視圖,試件上表面空間處的磁場由渦電流產(chǎn)生的磁場(二次感應(yīng)場,磁場方向從左至右)與原激發(fā)電流產(chǎn)生的磁場(泄漏磁場,磁場方向從右至左)矢量疊加組成,當探頭平行于裂紋缺陷掃查時,由于裂紋寬度較窄導(dǎo)致原激發(fā)電流在裂紋缺陷處產(chǎn)生的磁場(泄漏磁場)相對較小,導(dǎo)致此時渦電流產(chǎn)生的磁場(二次感應(yīng)場)起主導(dǎo)作用,二者矢量疊加后，試件上表面空間處磁場方向為從左至右[9-11]。

探頭從試件左側(cè)至右側(cè)進行掃查,即掃查方向與縱向裂紋缺陷平行。當探頭從裂紋缺陷左側(cè)移動到裂紋缺陷中心處時,Bz探頭接收的磁場信號方向為從底部穿入頂部穿出,當探頭從裂紋缺陷中心處移動到裂紋缺陷右側(cè)時,Bz探頭接收的磁場信號方向為頂部穿入底部穿出,規(guī)定前者為負后者為正,即產(chǎn)生類似正弦信號特征圖譜；而探頭從左至右掃查的過程中,Bx探頭接收的磁場信號方向均為左側(cè)穿入右側(cè)穿出,整個掃查過程磁場方向不變,即產(chǎn)生類似余弦信號的特征圖譜。當Bz以及Bx探頭分別接收裂紋缺陷處磁場信號后,通過對信號調(diào)理及上位機軟件的顯示、存儲及分析,即可檢測出裂紋缺陷尺寸的大小[12]。

圖5 橫向裂紋缺陷檢測機理示意

2.2 橫向裂紋缺陷信號機理研究

縱向裂紋缺陷檢測機理如圖5所示,圖5(a)為橫向裂紋檢測機理俯視圖,當存在裂紋缺陷時,裂紋缺陷處將會產(chǎn)生渦電流,在試件內(nèi)渦電流產(chǎn)生的磁場方向為從右至左,試件外磁場方向為從左至右。圖5(b)為橫向裂紋檢測機理側(cè)視圖,根據(jù)漏磁檢測原理,原激發(fā)電流產(chǎn)生的磁場(泄漏磁場)遇到橫向裂紋缺陷時，磁力線會發(fā)生偏轉(zhuǎn)而導(dǎo)致磁場泄漏[13],當掃查方向與橫向裂紋缺陷垂直時,由于裂紋寬度較窄，渦電流在裂紋缺陷處產(chǎn)生的磁場(二次感應(yīng)場)較小,則原激發(fā)電流產(chǎn)生的磁場(泄漏磁場)占主導(dǎo)作用,二者疊加后試件上表面空間磁場方向從右至左(與前者相反)。由于裂紋缺陷形狀類似半橢圓狀,故裂紋缺陷中心磁場強度最大,現(xiàn)場試驗過程中,探頭均沿著裂紋缺陷中心掃查以獲得裂紋缺陷最大磁場強度。

探頭掃查方向與2.1節(jié)中探頭掃查方向一致,當探頭從試件左側(cè)移動到裂紋缺陷中心處時,Bz探頭接收的磁場信號方向為頂部穿入底部穿出,當探頭從裂紋缺陷中心處移動到試件右側(cè)時,Bz探頭接收的磁場信號方向為底部穿入頂部穿出,根據(jù)2.1節(jié)可知,磁場從Bz探頭底部穿入頂部穿出為負,從Bz探頭頂部穿入底部穿出為正,所以橫向裂紋信號圖譜與相應(yīng)的縱向信號圖譜的極性相反；而探頭從試件左側(cè)至右側(cè)掃查的過程中,Bx探頭接收的磁場信號方向均為右側(cè)穿入左側(cè)穿出,產(chǎn)生的信號圖譜與相應(yīng)的縱向信號圖譜的極性也相反。

當矢量疊加后的磁場垂直于裂紋缺陷時,會有最大的檢測靈敏度,隨著磁力線與缺陷之間夾角的減小,檢測靈敏度將逐漸下降。值得注意的是,檢測縱向裂紋時,水平分量(Bx信號)產(chǎn)生一個向下的波谷值特征,垂直分量(Bz信號)產(chǎn)生一個先向下后向上的信號特征；檢測橫向裂紋缺陷時,水平分量及垂直分量與縱向裂紋缺陷信號極性分別相反。

3 檢測過程及結(jié)果分析

以碳鋼板作為檢測對象,構(gòu)建焊縫裂紋缺陷檢測試驗系統(tǒng)外觀(見圖6),整個系統(tǒng)主要包括碳鋼試板；檢測探頭為標準焊縫探頭,序列號為293-3560,其線圈設(shè)定的位置非常適合裂紋測量,但受邊緣效應(yīng)影響的長度為碳鋼板兩端向板內(nèi)各延伸大約50 mm的距離,檢測范圍是探頭頂端前后10 mm的區(qū)域；檢測儀器為英國TSC公司的U31型ACFM設(shè)備,由水上單元及水下單元組成；采集及分析軟件為ASSISTu(ACFM結(jié)構(gòu)檢測軟件)。

圖6 焊縫裂紋缺陷檢測試驗系統(tǒng)外觀

表1為T1試板裂紋缺陷的尺寸信息。圖7為T1試板裂紋缺陷位置及大小示意,T1試板的規(guī)格(長×寬×高)為300 mm×150 mm×10 mm,焊縫寬度為25 mm。

表1 T1試板裂紋缺陷的尺寸信息 mm

圖7 T1試板裂紋缺陷位置及大小示意

表2為T2試板裂紋缺陷尺寸信息。圖8為T2試板裂紋缺陷位置及大小示意,T2試板的規(guī)格(長×寬×高)為300 mm×150 mm×10 mm,焊縫寬度為25 mm。

表2 T2試板裂紋缺陷尺寸信息 mm

圖8 T2試板裂紋缺陷位置及大小示意

試驗過程中,采用英國TSC公司U31型號的ACFM檢測設(shè)備以及ASSISTu ACFM計算機軟件。選用型號為293-3560標準型焊縫探頭,由于裂紋缺陷未在同一水平線上,試驗以順時針(C方向)的掃查方式分別對T1以及T2試板1#,2#,3#裂紋缺陷進行從左至右掃查(假定探頭提離值不變),掃查角度平行于焊縫。

3.1 縱向裂紋缺陷信號分析

ASSISTu ACFM計算機軟件顯示界面有3個信號,即以時間為基準的Bx,Bz軌跡曲線及用極坐標表示Bx,Bz相對關(guān)系的蝴蝶圖。縱向裂紋與焊縫平行,同時探頭掃查速度盡量保持均勻而平穩(wěn),掃查方向平行于焊縫,同時探頭選擇C(順時針)方向。

圖9為T1和T2試板的1#(縱向)裂紋缺陷信號,可以看出,掃查T1以及T2試板縱向裂紋缺陷時,均產(chǎn)生典型的裂紋信號顯示,即Bx信號出現(xiàn)方向向下的單波谷值,Bz信號出現(xiàn)先下后上的谷峰值以及開口向上的標準蝴蝶圖。T1試板1#裂紋缺陷信號與T2試板1#裂紋缺陷信號相比不夠平滑,這是由T1試板較為粗糙以及人為操作等外界因素引起的。

圖9 T1和 T2試板的1#縱向裂紋缺陷信號

Bx信號波谷值用于標定缺陷的深度特征,Bz信號谷峰值間距用于標定缺陷的長度特征。圖9(b)與圖9(a)相比,兩者Bx信號波谷值基本一致,說明T2試板1#裂紋缺陷與T1試板1#裂紋缺陷二者之間的深度基本一致；圖9(b)中Bz信號谷峰值間距與圖9(a)中Bz信號谷峰值間距也基本一致,說明T2試板1#裂紋缺陷與T1試板1#裂紋缺陷長度也基本一致。

3.2 斜向裂紋缺陷信號分析

當裂紋缺陷與掃查方向呈45°時,產(chǎn)生裂紋缺陷信號如圖10所示。同上,探頭的掃查方向依然平行于焊縫,同時探頭選擇C(順時針)方向。

圖10 T1和 T2試板的2#裂紋缺陷信號

從圖10可以看出,與掃查方向呈45°裂紋缺陷的Bx信號出現(xiàn)方向向上的單波峰值,與縱向裂紋缺陷Bx信號極性相反；Bz信號出現(xiàn)先上后下的峰谷值,與縱向裂紋缺陷Bz信號極性相反；橫向裂紋缺陷出現(xiàn)開口向下的蝴蝶圖,極性也與縱向裂紋缺陷產(chǎn)生的蝴蝶圖相反。圖10(a)和圖10(b)中Bz信號峰谷值均出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象,即峰值大而谷值小,這是典型的斜向裂紋信號顯示圖譜,可以作為區(qū)分斜向與橫向裂紋缺陷信號的最有利依據(jù)。圖10(b)中Bx信號,Bz信號較為模糊,這是由于探頭靠近檢測區(qū)域的邊緣(如板材邊緣),探頭靈敏度受到檢測邊緣的影響,故每次焊縫裂紋缺陷檢測前后需要再進行功能(OPS)檢查。

3.3 橫向裂紋缺陷信號分析

當裂紋缺陷與掃查方向呈90°時,T1和T2試板的3#裂紋缺陷信號如圖11所示。探頭的掃查方向依然平行于焊縫,同時探頭選擇C(順時針)方向。

圖11 T1和T2試板的3#裂紋缺陷信號

從圖11可以看出,與掃查方向呈90°(橫向)裂紋缺陷的Bx信號出現(xiàn)方向向上的單波峰值,與縱向裂紋缺陷Bx信號極性相反；Bz信號出現(xiàn)先上后下的峰谷值,極性也與縱向裂紋缺陷Bz信號極性相反；出現(xiàn)開口向下的蝴蝶圖,極性也與縱向裂紋缺陷產(chǎn)生的蝴蝶圖相反；同時橫向裂紋缺陷Bz信號不會出現(xiàn)峰值大、谷值小的峰谷值不對稱(斜向裂紋)的現(xiàn)象。圖11(b)中Bx信號單峰值比圖11(a)中Bx信號單峰值小,說明T2試板3#裂紋缺陷比T1試板3#裂紋缺陷的深度略小；圖11(b)中Bz信號峰谷值間距比圖11(a)中Bz信號峰谷值間距大,說明T2試板3#裂紋缺陷比T1試板3#裂紋缺陷的實際寬度略寬。

正常情況下檢測信號圖譜與圖9相同，當檢測時出現(xiàn)與圖10或圖11相同的信號圖譜時，即可判斷此處掃查區(qū)域疑似裂紋缺陷存在，通過不斷改變探頭的掃查角度，直到計算機軟件顯示出圖9所示的信號波形后，可斷定裂紋缺陷存在，或者不改變掃查角度，通過檢測信號幅值的衰減可以判斷出裂紋位置及大致走向，否則可判斷其為非相關(guān)顯示。當與掃查方向相互垂直的方向上存在焊縫時，將會出現(xiàn)類似圖10或圖11的信號圖譜,所以在現(xiàn)場實際檢測時，斜向及橫向裂紋檢測信號會與焊縫信號相互混淆。

4 結(jié)論

(1) ACFM探頭接收的是渦電流產(chǎn)生的二次感應(yīng)磁場與原激發(fā)電流產(chǎn)生的泄漏磁場矢量疊加后的磁場，渦電流產(chǎn)生的二次感應(yīng)磁場與原激發(fā)電流產(chǎn)生的泄漏磁場二者之間的磁場方向相反。當檢測縱向裂紋缺陷時二次感應(yīng)場起主導(dǎo)作用；檢測橫向及斜向裂紋缺陷時，泄漏磁場起主導(dǎo)作用，所以導(dǎo)致縱向與斜向、橫向裂紋缺陷的信號圖譜分布規(guī)律相異。

(2) ACFM檢測技術(shù)不僅可以檢測與掃查方向呈0°(縱向)的裂紋缺陷,而且可以檢測與掃查方向呈45°(斜向)以及90°(橫向)的裂紋缺陷,并且可以通過信號圖譜特征及信號幅值衰減規(guī)律判斷出斜向及橫向裂紋缺陷的大小及位置。

(3) 縱向裂紋缺陷與掃查方向呈45°(斜向)以及90°(橫向)的裂紋缺陷信號圖譜相比,Bx,Bz以及蝴蝶圖的信號圖譜極性均相反,所以在實際檢測過程中,可通過判斷檢測信號的極性來分辨縱向、斜向以及橫向裂紋缺陷,并通過判斷Bz信號峰谷值的對稱性來分辨斜向與橫向裂紋缺陷。