基于ACFM焊縫體積型和簇群型缺陷檢測仿真分析

周兆明，張露露，楊克龍

(1. 西南石油大學 機電工程學院，四川 成都 610500；2. 中國石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川 成都 621709)

交流電磁場檢測技術(Alternating Current Field Measurement，ACFM)由交變電壓降技術(Alternating Current Potential Difference，ACPD)發展而來，ACFM是使檢測工件感應均勻電流，當工件完好時，垂直工件方向磁場分量為零. 若有裂縫存在，工件表面磁場便會產生變異，檢測系統可實時地將裂縫之正確位置，長度及深度顯示出來[1]. 因此ACFM是電磁場的定量分析,可測量裂縫的深度及長度，從而實現缺陷檢測和評定[2]，檢測原理如圖 1 所示. ACFM能實現對缺陷損傷程度的評估以及對缺陷的定量識別，具有非接觸檢測、定性定量檢測、無需校準的特性[3]. 使得檢測操作簡單靈活、工件表面清潔度要求低、可自動或手動檢測簡單和復雜的結構、適用性廣. 目前被廣泛應用于鐵路探傷[4]，海洋鉆井平臺安全檢測[5]和機械平臺的檢測[6]，此外，還有關于利用ACFM技術實現對機器工作狀態監測的試驗研究[7]，同時在航空航天領域和電力行業等的檢測應用都有很大的發展前景[8].

圖 1 ACFM原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of ACFM

目前ACFM技術研究大部分都建立在缺陷檢測的仿真模型計算分析基礎上，即通過模型，利用有限元分析方法計算獲得電磁場信號，根據信號特征體現出來的缺陷檢測準確度和靈敏度來研究ACFM檢測的可行性和優越性[9,10]，或者研究優化缺陷檢測的相關參數[11]. 已經有大量的文獻是基于ACFM檢測原理和電磁場信號特性做不同參數的檢測模型研究，得出了激勵探頭參數分別對缺陷檢測的影響規律變化[12]，但這些研究中沒有考慮過針對缺陷形狀的定量檢測及在缺陷簇群情況下缺陷檢測信號特征的影響，即對ACFM檢測的更廣泛的適用性還沒有系統研究. 因此本文借助了基于有限元法的ANSYS Maxwell 3D電磁場仿真軟件來建立仿真模型，針對缺陷形狀和缺陷簇群變量建立了不同的ACFM缺陷檢測適用性研究模型，研究這些因素對ACFM檢測缺陷正確度及靈敏度的影響，得出這些因素在缺陷檢測過程中與缺陷之間的定性、定量關系，為ACFM實際缺陷檢測和探傷工作提供數據參考.

1 缺陷檢測仿真模型

根據ACFM原理可以得到：若使用交變電磁場技術對缺陷進行檢測，工件表面必須形成均勻分布的電流[12]. 傳統的U型線圈滿足多磁路少漏磁的檢測要求，設置適當尺寸能夠使工件表面產生均勻電流[13]，故采用各截面為矩形的U型繞組線圈作為激勵線圈. 由于檢測焊縫缺陷的主要形式為裂紋，而在有限元法分析中裂紋的簡化模型一般為半橢圓形，所以初設的缺陷模型為半橢圓形，并在模型中設定焊縫區域的材料與工件材料相同，即假定缺陷附近區域為焊縫，缺陷內填充空氣. 以缺陷上表面的中間位置為坐標原點，模型圖中的3條坐標線對應三維空間上的X軸、Y軸和Z軸，有限元三維模型如圖 2 所示. 模型包括矩形激勵線圈、U形磁芯和待測工件，待測工件中建立尺寸為16 mm×0.4 mm×6 mm(長×寬×深)的半橢圓形缺陷.

圖 2 有限元模型Fig.2 Finite element model

其中，工件材料設定為鋁合金，激勵線圈材料為銅，并且其線圈覆蓋長度為40 mm. 磁芯底面距離缺陷工件表面3 mm，裂紋位于U型激勵線圈的正下方形成對稱分布. 考慮電磁場在空氣中的衰減，在模型外圍設置邊界，施加的邊界條件為自然邊界條件，這部分區域設置為空氣層. 具體數據如表 1 所示.

表 1 模型參數表

圖 3 網格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of grid division

在Maxwell 3D渦流場中，在XZ面中切割出橫截面，其電流方向垂直于缺陷長度方向，刪去多余的面，只留一個面用以添加電流源激勵. 施加的總電流峰值為60 A，初始相位為0°，繞組類型選擇絞線型繞組. 求解條件進行設置，正弦激勵源的頻率設為3 kHz，非線性殘差設定為默認值0.000 1，其余項也設置為默認. 在模型中缺陷附近區域精分了網格，在其他地方所劃分的網格的尺寸相對較大. 這樣，既提高了計算精度，保證了結果的可靠性，也相對減少了計算機的計算量，提高了計算效率. 網格劃分結果如圖 3 所示.

2 仿真結果與分析

通過ANSYS Maxwell 3D電磁場仿真模塊進行計算分析，得到被測工件表面電流矢量以及感應磁場的分布情況，如圖 4 所示. 從圖4(a)中可觀察到：大部分感應電流都聚集在工件表面，在無缺陷區域產生了均勻的電流，缺陷工件表面的感應電流分布情況完全符合電磁感應現象； 從圖4(b) 中缺陷周圍磁場變化情況來看，缺陷兩端的磁感應強度也明顯大于周圍，并且中間的磁感應強度較小，符合了電磁感應現象的理論分析結果.

通過Maxwell 3D中的后處理操作，選取離工件表面1 mm，由缺陷中心向X軸正反方向各延伸 20 mm的檢測路徑，提取該檢測路徑上的磁感應強度在X方向和Y方向分量Bx和Bz變化曲線，將兩分量合成蝶形圖，結果如圖 5 所示. 通過圖 5(a)和圖5(b)與ACFM原理中的Bx，Bz變化曲線圖相對比，可知其基本符合缺陷周圍Bx，Bz信號值的變化規律，分量Bx圖中的凹陷和Bz分量圖的波峰波谷間距很明顯地表現了缺陷的位置和缺陷的尺寸. 蝶形圖是以Bz為橫坐標，以Bx為縱坐標繪制出來的，能夠準確地實現對缺陷有無的判斷，降低對缺陷錯判的幾率，排除偽缺陷產生的干擾. 從圖5(c)看到：合成的蝴蝶圖能夠很好地閉合，可以實現ACFM對缺陷的監測分析結果，提高檢測結果的準確度. 以上仿真的特征曲線結果符合ACFM原理的理論分析結果，說明本次建立的仿真模型合理[14].

圖 4 工件表面電磁場分布情況 (電流密度J,A/m2)Fig.4 The electromagnetic field distribution of workpiece surface (electrical current density, J,A/m2)

圖 5 模型仿真結果特征曲線圖(磁感應強度B,T)Fig.5 Model simulation results feature curve diagram (magnetic induction intensity B,T)

2.1 體積型缺陷的仿真分析

初始模型將裂紋缺陷簡化為半橢圓形，然而實際檢測中存在需要檢測不同缺陷的情況，如存在一些體積型缺陷，為此探究ACFM對各類不同形狀缺陷檢測的能力極其重要. 以初設模型為基準，設立了3種典型形狀的體積型缺陷——長方體缺陷、橢圓形缺陷和圓柱體缺陷，對其進行了仿真分析. 其中，長方體形缺陷有長度、寬度和深度3個參數確定，分別與X,Y,Z方向尺寸對應； 橢圓形缺陷由長軸、短軸和深度決定，分別對應3個坐標值； 圓孔形缺陷由直徑和深度確定，即X與Y確定為直徑，Z為深度. 3種不同形狀的缺陷示意圖如圖 6，缺陷相關參數尺寸如表 2 所示.

表 2 缺陷尺寸參數表

通過軟件對以上缺陷檢測的模型進行仿真和計算，分析研究得出磁感應信號分量Bx,Bz的特征分布曲線，如圖 7 所示. 利用磁感應密度分量Bz的波峰波谷分布可以體現缺陷位置和尺寸的特點，分析Bz隨參數變化的特征值情況. 以檢測到的峰谷間距離L對比模型初設缺陷X方向的尺寸x，得到相對誤差δ. 為了提高ACFM技術的精度和可靠性，本次設計沿用了國外方法，用靈敏度來檢測裂紋的準確度，其中Bx信號的靈敏度Sx定義為：缺陷處Bx信號的波谷深度(Bx0～Bxmin)與無缺陷處Bx信號的幅值Bx0的比值；Bz信號的靈敏度Sz定義為：Bz信號在有缺陷處的最大值Bzmax與無缺陷處Bx信號的幅值Bx0的比值. 各示意參數如圖 8 所示. 以相對誤差&和Bz，Bz檢測的靈敏度Sx,Sz來判定激勵線圈結構幾何參數對缺陷檢測靈敏度和準確度的影響，結果如表 3 所示.

圖 6 不同形狀缺陷示意圖Fig.6 Schematic diagram of different shape defects

圖 7 3種缺陷模型的仿真檢測結果圖(磁感應強度B,T)Fig.7 Three simulation test result diagram of defect model(magnetic induction intensity B,T)

圖 8 靈敏度各參數示意圖(磁感應強度B,T)Fig.8 Schematic diagram of the sensitivity parameters(magnetic induction intensity B,T)

在圖 7 中，所有Bx曲線圖都存在明顯的凹陷，曲線兩側逐漸趨于一個穩定磁場強度值，根據理論計算便能夠得到缺陷的深度情況. 所有Bz圖中，缺陷位置的兩端都出現尖銳的波峰波谷，其位置和間距都與缺陷的位置和長度相對應，可以得到缺陷信息.

由表 3 可以得到：長方體缺陷、橢圓形缺陷和圓柱形缺陷檢測的相對誤差相差不大，但靈敏度存在不同趨勢； 長方體缺陷的檢測誤差最小，橢圓形缺陷相對于長方體缺陷，其檢測的誤差更大，分析是由其兩端過于狹窄，使得工件表面上的感應電流在缺陷兩端偏轉不明顯，甚至直接流過不發生偏轉，導致感應磁場分布的波峰波谷間距比實際尺寸更小. 兩者的兩個方向上的感應磁場相差不大，是由于兩者的空間形狀是接近的； 圓柱體缺陷相對于長方體缺陷，其檢測的誤差更大，分析是由于圓柱形缺陷在感應電流流過時，由于圓截面弧度的影響，使得電流向兩側偏轉得多，使得感應磁場波峰波谷間距變大； 與前兩者比較，圓柱形缺陷的檢測靈敏度較小，這是由于該空間缺陷形狀在檢測表面的磁場變化很弱，使其不如長方形缺陷和橢圓形缺陷檢測的靈敏度高.

從以上幾種缺陷的仿真分析可知：ACFM對于各類缺陷的檢測都有較好的效果，雖然都存在一定的誤差，但都在允許范圍之內. 通過曲線識別能定性描述缺陷的尺寸和缺陷形狀的大概輪廓； 通過對多種缺陷形狀信號特征庫的建立和分析，可以實現缺陷形狀的描述. 這說明ACFM對不同形狀體積型缺陷能很好地識別.

2.2 缺陷簇群的仿真分析

在實際測量中，待測工件中會出現多個缺陷存在的缺陷簇群. 建立不同缺陷間距的缺陷簇群進行仿真分析，研究ACFM對缺陷簇群檢測的準確度和靈敏度. 設定3個缺陷簇群，每個缺陷簇群中有5個缺陷，按長度走向排列在X方向上，其缺陷間的間距分別為0.1 mm, 0.5 mm和3 mm，每個缺陷都設定為長3 mm，深4 mm，寬0.15 mm 的橢圓形缺陷，通過仿真計算得到的特征曲線如圖 9 所示.

從圖 9(a) 中可知：當缺陷簇中的缺陷間距為0.1 mm時，通過其Bx,Bz特征信號曲線所得出的結論為該處存在一個長度約為15 mm的缺陷，而不是實際存在的5個缺陷，即ACFM很難識別過小的間距； 在圖9(b)中，當缺陷間距為0.5 mm時，其對應的Bz曲線中，有比較明顯的5個波峰波谷，在Bx曲線中也出現了5個凹陷區，二者都表明了該處存在5個缺陷. 但在Bz曲線中，其5個峰谷之間的間距并不相當，即雖然在此缺陷間距下能夠識別出缺陷的個數，但不能對其進行較為準確的定量分析； 在圖9(c)中，將缺陷間距取3 mm，此時缺陷簇群的Bx,Bz變化曲線雖然能夠判斷出缺陷的個數，變化的幅值進一步增加，但其依然不能對缺陷實現準確的定量識別. 由此得出：在一個缺陷間距較小的缺陷簇群中，ACFM雖然能夠實現對其中缺陷個數的識別，但很難準確地實現對缺陷尺寸的識別，只有當缺陷之間的距離足夠大時，ACFM才能準確地實現對缺陷的定量識別，但是仍然存在著尺寸檢測的誤差.

3 結 論

本文利用ANSYS Maxwell 3D電磁場仿真模塊，建立了U形激勵探頭電磁檢測仿真模型； 針對缺陷形狀變量和缺陷簇群變量建立了不同的缺陷檢測模型，對交流電磁場檢測技術的適用性進行了探討，從而得出結論：ACFM技術檢測對于長方體、橢圓形和圓柱體等體積型缺陷的檢測都有較好的效果，存在一定的誤差，特別是對長方體缺陷檢測的準確度最高,對橢圓形的檢測靈敏度最高，ACFM很容易實現對缺陷尺寸的定量識別，但缺陷的形狀識別較難準確實現，需要進行后處理. ACFM雖然能夠實現對其中缺陷個數的識別，但當缺陷間隔距離很短時，很難準確地實現對缺陷的尺寸的識別，只有當缺陷之間的距離足夠大時，才能準確地實現對缺陷尺寸的定量識別，但是仍然存在著尺寸檢測的誤差.