交流電磁場檢測(ACFM)在薄壁不銹鋼焊縫中的應(yīng)用

劉子淇,楊會敏,嚴 宇

(核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司,北京 101300)

在核設(shè)施建造過程中,由于射線照相法檢出的缺陷圖像較為直觀,且容易檢出存在局部厚度差的缺陷,核設(shè)施現(xiàn)場采用的主要體積檢測技術(shù)為傳統(tǒng)膠片射線技術(shù),但小徑管射線檢測存在固有的局限性,即需要專用時間窗口和作業(yè)場所,焊接施工和檢測無法并行進行,輻射安全風(fēng)險較大等[1-2]。為提高現(xiàn)場檢測效率,降低輻射安全風(fēng)險,需要采用先進可靠的檢測技術(shù)來解決上述難題,提升檢測效率的同時保障工程質(zhì)量。

交流電磁場檢測(ACFM)技術(shù)可檢測各種導(dǎo)電材料表面、近表面缺陷以及薄壁材料的內(nèi)部缺陷[3]。該技術(shù)經(jīng)過近40年的發(fā)展,具有檢測效率高、重復(fù)性好、無輻射、無需耦合、可交叉施工等優(yōu)點[6],已得到世界多個權(quán)威組織認可,應(yīng)用越來越廣泛[4-5]。

文章通過理論計算研究了該技術(shù)應(yīng)用于薄壁不銹鋼焊縫檢測的可行性;運用仿真計算驗證探頭設(shè)計時的最佳激勵頻率,提高了傳統(tǒng)ACFM 檢測技術(shù)的檢測精度和穩(wěn)定性;利用不同種類、不同尺寸的模擬試塊對ACFM 檢測技術(shù)的缺陷檢出能力進行了驗證。

1 基本原理

ACFM 在電磁場數(shù)值有限元分析領(lǐng)域有精確的理論計算模型。但麥克斯韋方程組作為控制方程時計算中未知量過多[7],文章引入矢量磁位A和標(biāo)量電勢φ作為控制方程中的未知函數(shù)來進行求解,并引入了輔助計算函數(shù)。為了保證解的適定性,先求出矢量磁位A和標(biāo)量電勢φ,然后代入麥克斯韋方程組計算缺陷處電場和磁場值。

缺陷的存在會使得電磁場產(chǎn)生擾動,故為了方便計算可以將表示磁場分布的矢量磁位A分為兩部分。

式中:A o為檢測電流感應(yīng)的矢量勢函數(shù);A P為缺陷引起的電場擾動感應(yīng)的矢量勢函數(shù);x,y,z表示坐標(biāo)軸三個方向。

根據(jù)電磁感應(yīng),矢量勢函數(shù)A o和A P都滿足Laplace方程。A o滿足無缺陷狀態(tài)的邊界條件

A P滿足含缺陷狀態(tài)的邊界條件

式中:k2=2i/δ2;δ為電流趨膚層厚度;c為缺陷寬度。

趨膚層厚度δ為[8]

式中:μr為材料相對磁導(dǎo)率;μ0 為真空磁導(dǎo)率;μ為材料的磁導(dǎo)率,μ=μrμ0;σ為電導(dǎo)率;f為電流頻率;ω為電流的角頻率。

2 仿真研究

文章采用COMSOL Multiphysics仿真軟件對薄壁不銹鋼焊縫進行仿真研究。仿真模型如圖1所示,主要包括管道主體、管道環(huán)焊縫、焊縫缺陷、磁芯、激勵線圈和外圍空氣(空氣域在圖1中做隱藏處理),缺陷位于焊縫中部位置,檢測方向沿管道周向。

圖1 ACFM 管道環(huán)焊縫缺陷檢測三維仿真模型

2.1 特征分析

為模擬現(xiàn)場實際工況焊縫,仿真時坡口寬度與余高均與現(xiàn)場保持一致,即內(nèi)表面焊縫寬度為4 mm,外表面焊縫寬度為10 mm,焊縫余高為2 mm。激勵線圈纏繞在U 形磁芯上,該磁芯尺寸為22 mm×5.75 mm×15 mm(長×寬×高),厚度為4 mm,磁芯的兩磁腿橫跨在焊縫缺陷正上方,沿管裂紋長度方向周向掃查。

在激勵線圈中加載幅值為10 V,頻率為1 000 Hz的正弦交流電,管體及焊縫會產(chǎn)生感應(yīng)電流,其分布情況如圖2所示,可見,在激勵區(qū)域,電流出現(xiàn)兩個明顯峰值,且恰好在裂紋兩端集聚。

圖2 裂紋附近感應(yīng)電流分布情況

進一步分析,可以得出以下結(jié)論。

(1) 當(dāng)焊縫區(qū)域不存在缺陷時,均勻電流會經(jīng)由焊縫一側(cè)通過焊縫表面到達另一側(cè),即雖然焊縫的材料與母材材料不一致,但感應(yīng)電流依然會均勻分布在整體結(jié)構(gòu)的表面,不會因為材料不同而出現(xiàn)大的變化。

(2) 當(dāng)焊縫區(qū)域存在缺陷時,均勻電流會受到缺陷的擾動而發(fā)生偏轉(zhuǎn)和聚集,即在缺陷的兩端電流密度增加,擾動和聚集增加,在缺陷的中間位置,電流密度減小。這與ACFM 的基本原理相符合,因而可以通過檢測感應(yīng)電磁場信號反演裂紋的尺寸信息。

為研究焊縫區(qū)域信號特征,提取x方向及z方向磁場強度特征信號如圖3所示。從圖3中可以看出,Bx信號在缺陷兩端凸起,中間缺陷部分下凹;Bz信號在缺陷兩側(cè)出現(xiàn)兩個相反方向的極值。仿真結(jié)果符合交流電磁場檢測規(guī)律,證明了仿真模型的正確性。

圖3 裂紋空間磁場強度特征信號

2.2 探頭設(shè)計仿真優(yōu)化

為確保檢測時ACFM 檢測深度滿足要求,并提高缺陷檢測精度,研究了不同頻率下ACFM 的檢測精度,即在0.1 k Hz至60 k Hz之間改變激勵頻率,提取得到的不同頻率下的空間Bx磁場分布如圖4所示。由圖4可見,隨著頻率的增加,Bx信號的基值逐漸增加,且增速逐漸減慢,Bx畸變率變化在1 000 Hz左右達到最大,且由復(fù)合集膚效應(yīng)公式(4)可知,頻率為1 000 Hz時可穿透4.58 mm,滿足檢測需求,因此選定1 k Hz作為激勵頻率。

圖4 不同頻率下的空間Bx 磁場分布曲線

2.3 不同角度裂紋信號及孔狀信號特征分析

為研究不同角度裂紋信號及孔狀信號特征,建立不同角度裂紋和孔狀缺陷(見圖5),對長為5.0 mm,寬為0.2,0.4 mm,角度分別為0°,30°,45°,60°和90°的裂紋(定義和感應(yīng)電流垂直的方向為0°)和0.4 mm直徑的孔進行仿真分析,得到檢測結(jié)果如圖6和圖7所示。

2.4 小缺陷的缺陷檢出率分析

由以上分析可知,對于面積型缺陷,ACFM 較靈敏。為研究ACFM 檢測技術(shù)對于小缺陷的檢出率(POD),仿真時每種尺寸氣孔缺陷仿真200次,仿真以埋深最大位置缺陷為樣本,模擬了所有存在的缺陷類型,考慮了余高、提離、焊瘤等影響因素,以盡可能貼合真實工況,所得到的POD 數(shù)據(jù)具備普適性,代表了理論置信度缺陷POD,仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 小缺陷POD仿真結(jié)果

每一次檢測可看作一次隨機試驗,檢測結(jié)果只有兩個:檢出和未檢出。

基于統(tǒng)計學(xué)理論,取置信水平為95%,算出每個尺寸氣孔的檢測概率置信下限值PL與對應(yīng)尺寸氣孔點作圖,結(jié)果如圖9所示。

采用對直徑分別為0.3,0.4,0.6,0.75 mm 的氣孔進行檢測,小氣孔的檢測次數(shù)為350次,大氣孔的檢測次數(shù)為200次,結(jié)果統(tǒng)計如表1所示。

表1 不同氣孔的POD仿真結(jié)果

POD仿真分析數(shù)據(jù)表明:在95%置信度下,0.4 mm 氣孔缺陷檢出率不低于90%;ACFM 檢測技術(shù)滿足工程應(yīng)用的需求。

3 試驗驗證

3.1 試驗裝置

在驗證試驗中,采用的設(shè)備為LKACFM-X1型交流電磁場檢測儀,檢測探頭頻率設(shè)置為1 k Hz。由于小徑管外徑較小,為保證探頭垂直緊貼焊縫,設(shè)計半包式探頭緊貼焊縫,以實現(xiàn)在焊縫上的平穩(wěn)掃查。試驗裝置及探頭如圖10所示。

圖10 試驗裝置及探頭

3.2 模擬試塊

模擬試塊包括自然缺陷試塊和小氣孔試塊。模擬試塊的設(shè)計涵蓋了全部典型缺陷,如裂紋、未熔合、未焊透、夾鎢、氣孔等,具有充分的代表性,其中面積型缺陷長為5 mm,深為0.3 mm,寬為0.2 mm,孔狀缺陷直徑約為0.4 mm。模擬試塊中的模擬自然缺陷僅用來驗證檢出能力,不用于定量閾值。為與現(xiàn)場工藝保持一致,此次模擬試塊分別制作了手工焊試塊及自動焊試塊。模擬試塊缺陷設(shè)置信息如表2所示。

表2 模擬試塊缺陷設(shè)置信息

3.3 檢測結(jié)果

根據(jù)ACFM 檢測工藝對自動焊模擬試塊進行檢測后,基于NB/T 20003.3—2010《核電廠核島機械設(shè)備無損檢測第3部分:射線檢測》對模擬試塊進行了對比驗證。

對于自動焊試塊,預(yù)制缺陷共36處,射線(RT)檢出32處,未檢出氣孔缺陷4處,ACFM 檢出34處(含RT檢出的32處),未檢出氣孔缺陷2處,而面積型缺陷均100%檢出,缺陷檢測對比結(jié)果如表3所示。

表3 工藝管道自動焊模擬試塊檢測結(jié)果

根據(jù)ACFM 檢測工藝對手工焊模擬試塊進行檢測后,基于NB/T 20003.3—2010對模擬試塊進行了對比驗證。

對于手工焊試塊,預(yù)制缺陷共132處,RT檢出95處,未檢出氣孔缺陷37處,ACFM 檢出131處(含RT檢出的95處),未檢出氣孔缺陷1處,而面積型缺陷均100%檢出,ACFM 誤報10處,其檢測結(jié)果如表4所示。

表4 工藝管道手工焊模擬試塊檢測結(jié)果

射線檢測時,小徑管焊縫上直徑約0.4 mm 的圓形缺陷存在漏檢現(xiàn)象,主要原因為采用了雙壁雙影透照工藝,透照厚度比和影像畸變較大,且缺陷尺寸設(shè)置過小,接近射線檢測靈敏度極限。ACFM 漏檢的原因為檢測時檢測速度不一致,使得兩處缺陷在檢測時被識別為一處缺陷。ACFM 出現(xiàn)多檢信號的原因主要為內(nèi)表面不平整(如較深的焊紋)和缺陷信號無法區(qū)分。

4 結(jié)論

為研究ACFM 檢測技術(shù)在薄壁不銹鋼管道焊縫檢測中的可行性,文章開展了理論分析、仿真研究、模擬驗證等工作,確定了ACFM 檢測技術(shù)在薄壁不銹鋼焊縫檢測應(yīng)用中的可行性,并得出以下結(jié)論。

(1) 交流電磁場檢測技術(shù)對氣孔、夾渣及未熔合等缺陷均具有較好的檢測能力,在進行技術(shù)優(yōu)化后,對危害性較大的面積型缺陷可100%檢出。

(2)POD仿真分析數(shù)據(jù)表明在95%置信度下,?0.4 mm 氣孔缺陷檢出率不低于90%,經(jīng)試驗驗證可檢出直徑約為0.4 mm 的體積型缺陷。

(3) 經(jīng)與傳統(tǒng)RT 檢測技術(shù)進行對比驗證可知,ACFM 檢測技術(shù)具有不低于RT檢測的能力。