交流電磁場檢測技術現場應用的影響因素

曹生寧,李文波,王偉國,韓方東,劉正存

(1.青海省特種設備檢驗檢測院,西寧 810000;2.中國特種設備檢測研究院,北京 100029;3.濱州市特種設備檢驗研究院 濱州 256600;4.濟寧魯科檢測器材有限公司,濟寧 272000)

交流電磁場檢測技術(ACFM)是一種新型的電磁無損檢測技術,可以對金屬結構焊縫、母材表面及亞表面缺陷進行檢測。該技術對導電金屬材料均有良好的檢測效果,能進行非接觸式檢測,檢測速度快,效率高,故在無損檢測領域逐漸推廣開來[1-3]。

交流電磁場檢測技術是1988年由英國倫敦大學LEWIS教授等最先發現并提出的,其將交變電壓降(ACPD)技術中使用的接觸式交流電場替換為非接觸式的感應磁場,實現了非接觸式測量。20世紀90年代,TSC公司首先推出了交流電磁場檢測設備,將其應用到水下金屬結構的檢測中,并取得了一定效果。1989年,石理國和姚木林教授首先對交流電磁場檢測技術在缺陷檢測方面的原理及應用進行了相關論述。21世紀初,陳國明等對交流電磁場檢測技術進行了深入研究,并取得了一定的成果[3-4]。李偉等[4-5]在ACFM 技術檢測系統的智能化、檢測探頭的結構優化、磁場信號處理以及裂紋可視化顯示方面取得了一些成果,設計制作出便攜式交流電磁場檢測系統并成功商業化。除此外,南昌航空大學、中國特種設備檢驗研究院等高校和研究機構,也對交流電磁場檢測技術做了大量工作[6]。

根據ACFM 檢測技術的現場應用,分析材料本身性質(包括電導率、磁導率);缺陷的大小(包括缺陷長度、深度);缺陷的位置(包括表面開口深度、缺陷埋藏深度);探頭相關參數(包括檢測頻率、提離高度)等因素對ACFM 技術檢測結果的影響規律,通過仿真以及模擬試塊驗證試驗,明確了各因素的影響程度。

1 交流電磁場檢測原理

交流電磁場檢測是一種電磁感應技術,通過施加交流電的激勵線圈,在檢測產生對象表面感應出均勻交變電場。當該電場經過缺陷位置后會出現電場線的切割及變化,導致該處磁場發生變化,通過檢測磁場強度變化的位置和規律,就可以實現缺陷的檢測。

ACFM 檢測原理如圖1所示,均勻交變電場在工件表面產生均勻的交變磁場,將磁場分為x,y,z三個不同方向的分量(Bx,By,Bz)。通過分析其波形的變化規律,就可以對缺陷進行檢測[5-6]。

圖1 ACFM 檢測原理

2 仿真模型的建立與研究

COMSOL是一款基于有限元理論,以偏微分方程為研究對象的大型數值仿真軟件。

2.1 ACFM 檢測幾何模型的建立

建立有限元三維模型進行仿真分析,模型包括感應線圈、被測金屬和求解域三部分,如圖2所示。被檢工件尺寸為200 mm×100 mm×10 mm(長×寬×高),磁芯為U 型,尺寸為14 mm×26 mm×6 mm(長×寬×高),求解域設置為300 mm×200 mm×150 mm(長×寬×高)的長方體。感應線圈材料設置為銅,求解域部分為空氣。

圖2 ACFM 檢測幾何模型

模型網格劃分采用“較細化”,劃分的網格如圖3所示,完整網格包含39 816個域單元、5 760個邊界元和602個邊單元。

圖3 幾何模型的網格劃分結果

2.2 物理場選擇及參數設定

在COMSOL軟件中AC/DC(交流/直流)模塊選用磁場(MF)作為物理場,求解器設置為頻域,頻率默認設置為1 k Hz。將空氣求解域的所有外邊界設置為磁絕緣,矢量磁勢A為零。感應線圈選擇多匝線圈,線圈匝數設置為200,激勵方式為電流激勵,選擇電流流通方向的橫截面為輸入面,電流為1 A。

2.3 求解及結果分析

取磁通密度Bx信號幅值最大變化量為Bx信號靈敏度,磁通密度Bz信號波峰波谷間距為Bz信號靈敏度,觀察相關因素變化時Bx及Bz信號靈敏度的變化規律。

2.3.1 磁導率及電導率對檢測效果的影響

設置缺陷尺寸為5 mm×3 mm×0.2 mm(長×深×寬)。電導率不變,相對磁導率為1～4 000(無量綱),每次掃描步進為400,進行仿真計算,得到不同磁導率下Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖4所示,圖中T1為相對磁導率,可見Bx信號靈敏度明顯低于Bz信號靈敏度。

圖4 不同磁導率下Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

磁導率對Bx及Bz信號的靈敏度影響曲線如圖5所示。Bz信號對磁導率變化的敏感程度更高,相對磁導率為1～400,Bx信號響應降低90%,Bz信號響應提高175%;相對磁導率大于400后,信號靈敏度變化趨于平緩,Bx與Bz信號分別變化5.2%及5.7%。

圖5 磁導率對Bx 及Bz 信號的靈敏度影響曲線

磁導率不變,電導率設置為1×106,5×106,1×107,5×107,1×108,2×108S·m-1,依次進行仿真計算,T2為電導率。不同電導率下Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖6所示。從圖6可得,Bx信號靈敏度明顯低于Bz信號靈敏度。

圖6 不同電導率下Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

電導率對Bx及Bz信號的靈敏度影響曲線如圖7所示,Bx信號對電導率變化的敏感程度更高,電導率從1×106S·m-1增加到2×108S·m-1,Bx信號響應提高300%,Bz信號響應降低78%。

圖7 電導率對Bx 及Bz 信號的靈敏度影響曲線

2.3.2 缺陷長度及深度對檢測效果的影響

根據2.3.1仿真結果,選取相對磁導率為200,電導率為5×106S·m-1作為材料基本電磁屬性進行仿真。

設缺陷長度為10 mm,寬度為0.2 mm,深度從1 mm 提高至5 mm 進行計算。不同缺陷深度下Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖8所示。從圖8可得,缺陷長度不變,缺陷Bx信號靈敏度隨著缺陷深度的增加單調遞增。

圖8 不同缺陷深度下Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

設置缺陷深度為3 mm,寬度為0.2 mm,長度從3 mm 提高至10 mm 進行計算。不同缺陷長度下Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖9所示,可見,缺陷深度不變,缺陷Bx信號靈敏度隨缺陷長度增加單調遞減。聯合圖8,圖9可得,缺陷長度或深度變化時,Bz信號始終在缺陷兩端點處獲得最大值,Bz信號的峰谷間距不受影響。

圖9 不同缺陷長度下Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

擬合出該材料下表面開口缺陷深度與Bx信號靈敏度的關系式,即

式中:H為缺陷深度,公式擬合的均方差為0.91。

2.3.3 提離高度對檢測效果的影響

設置缺陷尺寸(長度×深度)為5 mm×1 mm,5 mm×3 mm 和5 mm×5 mm,寬度為0.2 mm,提離高度從0 mm 變化至10 mm,缺陷尺寸為每次掃描步進為1 mm,進行仿真計算。不同提離高度下Bx及Bz信號隨位移變化趨勢如圖10所示,可見,隨著提離高度的增加,Bx及Bz信號靈敏度明顯下降,5 mm×1 mm,5 mm×3 mm 和5 mm×5 mm的缺陷信號下降程度相似,根據仿真數據,推算出提離高度與Bx,Bz信號靈敏度的公式,經計算,得到ΔBx的均方差為0.99,ΔBz的均方差為0.94。

圖10 不同提離高度下Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

2.3.4 缺陷埋藏深度對檢測效果的影響

設置缺陷尺寸為5 mm×3 mm(長度×深度),寬度為0.5 mm。缺陷尺寸不變,設置埋藏深度為變量,碳鋼材料(電導率為1×107S·m-1,相對磁導率為200)從0 mm 提高到4 mm,步進為1 mm;不銹鋼材料(電導率為1×106S·m-1,相對磁導率為1)從0 mm 提高到7 mm,步進為1 mm,進行仿真計算。碳鋼材料不同埋藏深度下缺陷Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖11所示,不銹鋼材料不同埋藏深度下缺陷Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖12所示。

圖11 碳鋼材料不同埋藏深度下缺陷Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

從圖11,12可得,隨缺陷埋深的增大,Bx信號先增強而后減弱,在1 mm 埋深時,Bx信號獲得峰值;對Bz信號而言,埋深與信號靈敏度成反比,埋深越大,靈敏度越弱,缺陷表面開口時信號強度最高。對于埋藏缺陷,電流線會分別從缺陷頂部及底部繞行,Bx信號靈敏度變化缺乏規律,故不進行公式擬合。

3 ACFM 缺陷檢測試驗

3.1 檢測裝置及試塊制備

根據上述仿真試驗,制備人工刻槽試塊,試塊規格如表1所示。檢測設備采用LKACFM-X1型交流電磁場檢測系統。

表1 缺陷試塊規格 mm

3.2 檢測數據及分析

對1#試塊從刻槽開口側進行檢測,獲得每個缺陷的Bx及Bz信號,將Bx信號靈敏度代入式(1),獲得缺陷深度定量結果(見表2),可得深度定量誤差最大為18%。

表2 1#試塊缺陷深度定量結果 mm

對2#試塊從刻槽開口側進行檢測,獲得每個缺陷的Bx及Bz信號,將探頭分別移動到缺陷Bz信號峰值及谷值位置,標記探頭中心位置,從而實現缺陷定位及長度測量,測量結果如表3所示,其長度誤差最大為14%。

表3 2#試塊缺陷長度定量結果 mm

對3#試塊從刻槽開口側進行檢測,檢測前在探頭表面附著不同厚度的亞克力板,板厚為1～10 mm,獲得每個厚度下每個缺陷的Bx及Bz信號。Bx、Bz信號靈敏度理論值與實測值對比如圖13所示,可見,文中所提公式可以一定程度上描述提離高度對Bx及Bz信號靈敏度的影響。

圖13 Bx 及Bz 信號靈敏度理論值與實測值對比

對1#,4#試塊從刻槽開口另一側進行檢測,獲得每個缺陷的Bx及Bz信號(見圖14,15)。從圖15可得,不銹鋼檢測結果與仿真結果基本對應;從圖14中發現,碳鋼在缺陷埋深1 mm時,Bx信號靈敏度并無明顯增大,與仿真明顯不符,有待進一步討論。

圖14 1#試塊埋藏缺陷檢測結果

圖15 4#試塊埋藏缺陷檢測結果

4 結論

(1) 交流電磁場檢測技術受材料的電導率及磁導率影響,對不同材料的檢測結果存在差異,針對磁導率大的工件,Bz信號更加敏感,對于電導率大的工件,Bx信號響應程度更好。

(2) 交流電磁場檢測中,缺陷深度會對缺陷Bx信號靈敏度產生影響,可根據Bx信號靈敏度檢測缺陷深度,誤差不超過20%;缺陷長度會對缺陷Bz信號位置產生影響,通過Bz信號定位,可獲得缺陷長度,誤差不超過1 mm。

(3) 提離高度對缺陷Bx及Bz信號靈敏度均會產生影響,通過試驗分析該影響機制,并在檢測中加以補償,可降低提離高度對檢測的影響。

(4) 缺陷埋藏深度越大,缺陷Bx及Bz信號靈敏度越弱,但仍可以做到一定程度的缺陷檢出;對于缺陷埋藏的影響規律,仍有待進一步探究。