分享：小接管焊縫缺陷交流電磁場(chǎng)檢測(cè)方法分析

小接管是石化裝備中常見的結(jié)構(gòu)形式，一般作為管道附件或者物料進(jìn)出口的連接件使用?！稛捇b置小接管管理導(dǎo)則》中規(guī)定：在設(shè)備本體或管道上直接開孔，采用焊接方式連接的DN50及以下的半管接頭、支管座、支管的結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為小接管。但實(shí)際應(yīng)用中，小接管的定義更加寬泛，管徑在DN100以下，壁厚為4~8 mm的結(jié)構(gòu)都可以被稱為小接管[1]。小接管具有管徑小，壁厚薄，角焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，焊接難度大，焊接過(guò)程容易產(chǎn)生未焊透、裂紋等缺陷，且在使用過(guò)程中容易形成腐蝕、裂紋等缺陷，是承壓設(shè)備安裝及使用過(guò)程中的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。 

目前小接管的檢測(cè)方法以常規(guī)的滲透和磁粉檢測(cè)為主，滲透檢測(cè)只能對(duì)表面開口缺陷進(jìn)行檢查，無(wú)法發(fā)現(xiàn)埋藏缺陷；磁粉檢測(cè)受小接管結(jié)構(gòu)影響，磁化方法比較復(fù)雜，且二者均需要對(duì)檢測(cè)表面進(jìn)行處理，檢測(cè)工藝繁瑣。除滲透和磁粉檢測(cè)外，相控陣超聲檢測(cè)也被應(yīng)用于小接管檢測(cè)中，吳明暢等[2]采用CIVA仿真軟件對(duì)典型規(guī)格的小口徑接管角焊縫模型進(jìn)行仿真，優(yōu)化了相控陣無(wú)損檢測(cè)工藝。卜陽(yáng)光等[3]對(duì)接管焊縫相控陣超聲多模全聚焦檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。除此之外，渦流檢測(cè)也被應(yīng)用于小接管焊縫檢測(cè)中，但受限于檢測(cè)深度，檢測(cè)范圍較小。 

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)（Alternating current field measurement，ACFM）技術(shù)是一種電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其基于電磁感應(yīng)原理，利用缺陷與正常結(jié)構(gòu)處的磁信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)焊縫表面及近表面缺陷的檢測(cè)，對(duì)導(dǎo)電金屬材料均有良好的檢測(cè)效果，且能進(jìn)行非接觸式檢測(cè)，在小接管檢測(cè)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。 

1.   交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)通過(guò)施加交流電的激勵(lì)線圈，在檢測(cè)對(duì)象表面感應(yīng)出均勻交變電場(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)缺陷位置會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)線的切割及變化，導(dǎo)致該處磁場(chǎng)發(fā)生變化，檢測(cè)磁場(chǎng)變化的位置和規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)缺陷的檢出和測(cè)量[4]。交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理如圖1所示（圖中Bx和Bz為磁通密度B的x，z方向分量），即可通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，結(jié)合材料磁導(dǎo)率，探究磁通密度的變化規(guī)律，進(jìn)行缺陷的識(shí)別和分析[5]。 

圖  1  交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理

2.   有限元模型的建立及仿真

電磁場(chǎng)在不同介質(zhì)空間中的傳播模式復(fù)雜，難以快速求解。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及大型有限元軟件的不斷發(fā)展,有限元分析方法(Finite element method)成為解決復(fù)雜電磁場(chǎng)問(wèn)題應(yīng)用最廣泛的手段之一[6]。 

建立有限元三維模型進(jìn)行仿真分析，包括感應(yīng)線圈、小接管焊縫試件和求解域3部分，如圖2所示。感應(yīng)線圈采用直徑為0.15 mm的銅線，密集纏繞于U形磁芯上，匝數(shù)為500匝，線圈通入等效電流為1 A的正弦交流電，頻率可調(diào)整，磁芯尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為14 mm×26 mm×6 mm，材料為錳鋅鐵氧體。小接管焊縫試件由母管、插管以及焊縫組成。插管直徑為40 mm，壁厚為3 mm；母管直徑為200 mm，壁厚為12 mm。為便于計(jì)算，母管僅取與插管連接的上半部分，材料為碳鋼，插管母管連接處設(shè)置焊縫，焊縫寬度為6 mm，余高為2 mm，在焊縫周向30°及210°設(shè)置周向刻槽缺陷。求解域設(shè)置尺寸為500 mm×500 mm×400 mm的長(zhǎng)方體。感應(yīng)線圈材料為銅，求解域部分為空氣。 

圖  2  小接管焊縫示意及其仿真模型

為保證與實(shí)際情況一致，仿真時(shí)將探頭沿管周向運(yùn)動(dòng)，采集小接管焊縫表面空氣上磁通密度的值，并分析其規(guī)律。對(duì)仿真模型進(jìn)行參數(shù)化掃描，探頭距離焊縫的提離為1 mm，將試塊左肩中心位置設(shè)置為0°，則探頭起點(diǎn)為－30°，移動(dòng)總路徑為420°，每次移動(dòng)4°。按照上述設(shè)置進(jìn)行仿真計(jì)算，探頭激勵(lì)頻率分別為1 kHz，5 kHz及10 kHz。 

2.1   不同位置缺陷處的磁場(chǎng)信號(hào)變化

設(shè)置以下幾組小接管模型：第一組模型無(wú)缺陷；第二組模型在小接管肩部0°及180°處設(shè)置缺陷，缺陷尺寸（長(zhǎng)×寬×深，下同）為5 mm×3 mm×1 mm；第三組模型在小接管肩部30°及210°處設(shè)置缺陷，缺陷尺寸為5 mm×3 mm×1 mm。各組模型的磁場(chǎng)信號(hào)變化如圖3至圖5所示，（圖中3條不同顏色的線代表3種不同激勵(lì)頻率的信號(hào)強(qiáng)度）。 

圖  3  無(wú)缺陷處磁場(chǎng)信號(hào)仿真結(jié)果（模型一）

圖  4  肩部缺陷處磁場(chǎng)信號(hào)仿真結(jié)果（模型二）

圖  5  偏30°缺陷處磁場(chǎng)信號(hào)仿真結(jié)果（模型三）

由圖3可知，第一組模型的Bx信號(hào)無(wú)明顯變化，By與Bz信號(hào)呈正弦變化趨勢(shì)，相位差約為90°，磁通密度B無(wú)明顯變化。第二組模型的Bx信號(hào)在缺陷處出現(xiàn)明顯的波峰波谷，變化量約為4 mT，By與Bz信號(hào)呈正弦變化趨勢(shì)，相位差約為90°，缺陷處存在小的正弦信號(hào)變化，磁通密度B在缺陷處出現(xiàn)明顯的波谷，1 kHz頻率的信號(hào)對(duì)缺陷響應(yīng)較小。第三組模型的Bx信號(hào)在缺陷處出現(xiàn)明顯的波峰波谷，與第二組近似，By與Bz信號(hào)呈正弦變化趨勢(shì)，相位差約為90°，缺陷處存在小的正弦信號(hào)變化，磁通密度B在缺陷處出現(xiàn)明顯的波谷，1 kHz頻率的信號(hào)對(duì)缺陷響應(yīng)較小。 

2.2   同一位置，不同尺寸缺陷處的磁場(chǎng)信號(hào)變化

設(shè)置以下幾組小接管模型：第四組模型在小接管肩部0°及180°處設(shè)置缺陷，缺陷尺寸為3.0 mm×0.5 mm×1.0 mm；第五組模型在小接管肩部30°及210°處設(shè)置缺陷，缺陷尺寸為3.0 mm×0.5 mm×1.0 mm。各組模型的磁場(chǎng)信號(hào)變化如圖6，7所示。 

圖  6  肩部缺陷處磁場(chǎng)信號(hào)仿真結(jié)果（模型四）

圖  7  偏30°缺陷處磁場(chǎng)信號(hào)仿真結(jié)果（模型五）

由圖6，7可知，第四組模型的磁場(chǎng)信號(hào)變化規(guī)律與第二組的基本一致，但信號(hào)變化量明顯降低，約為50 mT。第五組模型的磁場(chǎng)信號(hào)變化規(guī)律與第三組的基本一致，但信號(hào)變化量明顯降低，約為50 mT。 

2.3   不同提離位置處的磁場(chǎng)信號(hào)變化

在第五組的基礎(chǔ)上，修改探頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與焊縫的距離，模擬探頭在焊縫凹凸不平表面上的運(yùn)動(dòng)，相關(guān)參數(shù)如表1所示。提離磁場(chǎng)信號(hào)仿真結(jié)果如圖8所示。 

圖  8  提離磁場(chǎng)信號(hào)仿真結(jié)果

由圖8可知，Bx，By，Bz信號(hào)均會(huì)在提離位置出現(xiàn)波動(dòng)，Bx信號(hào)變化較大。1 kHz的檢測(cè)頻率下的提離對(duì)信號(hào)影響較大，5 kHz與10 kHz頻率下的提離影響較小[7]。 

2.4   小結(jié)

Bx信號(hào)在缺陷處存在正弦信號(hào)波動(dòng)，By及Bz信號(hào)在缺陷處也能夠產(chǎn)生正弦信號(hào)波動(dòng)，但相比背景值信噪比較低。1 kHz頻率下磁場(chǎng)對(duì)缺陷的敏感性更弱，5 kHz及10 kHz頻率對(duì)缺陷的敏感程度相差較小。在提離位置，Bx，By及Bz信號(hào)出現(xiàn)與缺陷近似的信號(hào)波動(dòng)，但Bx信號(hào)存在較大差異。 

3.   小接管檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

在LKACFM-X1型交流電磁場(chǎng)檢測(cè)儀的基礎(chǔ)上，依據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了小接管焊縫缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。現(xiàn)有的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)探頭通過(guò)x和z兩個(gè)方向上的磁場(chǎng)傳感器獲得檢測(cè)部位x和z方向的磁場(chǎng)信號(hào)。根據(jù)仿真結(jié)果，小接管工件缺陷位置的Bx和Bz信號(hào)變化不明顯，B信號(hào)變化明顯，故對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造。系統(tǒng)硬件沿用原檢測(cè)儀器，主要更改探頭、信號(hào)處理及顯示軟件，探頭及儀器實(shí)物如圖9所示。 

圖  9  檢測(cè)儀器及探頭實(shí)物

探頭由激勵(lì)模塊、傳感器模塊、信號(hào)處理模塊組成。激勵(lì)模塊采用U形磁軛纏繞線圈的形式，傳感器模塊采用3個(gè)TMR傳感器，分別垂直于x、y、z方向，拾取3個(gè)方向的磁通密度。信號(hào)處理模塊首先將Bx、By以及Bz求和并獲得磁通密度B，然后對(duì)B進(jìn)行放大、濾波等初步處理，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。探頭及信號(hào)處理模塊框圖如圖10所示。最后，通過(guò)軟件對(duì)探頭獲得的磁通密度B進(jìn)行處理，并顯示到屏幕上[8]。 

圖  10  探頭及信號(hào)處理模塊框圖

4.   試驗(yàn)及結(jié)果

4.1   檢測(cè)工裝設(shè)計(jì)

在探頭模型與插管呈45°的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)工裝，工裝一端為半圓形結(jié)構(gòu)，與被檢測(cè)接管管徑一致，能夠在接管上固定并穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)；另一端為夾持機(jī)構(gòu)，能夠固定探頭，并保證其與接管焊縫角度為45°，如圖11所示。 

圖  11  檢測(cè)工裝設(shè)計(jì)圖及實(shí)物

4.2   試塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)小接管缺陷試塊，其材料為低碳鋼，選用尺寸（直徑×壁厚，下同）為?273 mm×9.5 mm的管道作為基座，為便于放置，去掉管道的下半部分。選取3根?42 mm×5 mm的管道作為接管，在基座上依次焊接，接管間距為120 mm。接管試件上布置人工缺陷，試塊外觀如圖12所示，缺陷尺寸如表2所示[5]。 

圖  12  小接管缺陷試塊

4.3   缺陷檢測(cè)試驗(yàn)

選用1 kHz，5 kHz頻率分別對(duì)上述試塊進(jìn)行試驗(yàn)，按照A、B、C管分開進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖13，14所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間；縱坐標(biāo)為傳感器獲得的磁通密度B（由三個(gè)方向Bx，By以及Bz綜合計(jì)算），經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后由軟件進(jìn)行處理，單位為μV。 

圖  13  1 kHz頻率下的試塊檢測(cè)結(jié)果

圖  14  5 kHz頻率下的試塊檢測(cè)結(jié)果

由圖13，14可知，通過(guò)分析磁通密度B的變化，可以獲得小接管焊縫上的缺陷信息，1 kHz頻率的信號(hào)響應(yīng)明顯低于5 kHz頻率的信號(hào)響應(yīng)，缺陷越大，信號(hào)響應(yīng)越明顯，孔的缺陷響應(yīng)明顯低于槽的。 

此外，結(jié)合掃查結(jié)果及上文描述，針對(duì)表面狀況造成的提離，可以分別使用1 kHz和5 kHz的頻率進(jìn)行掃查，由于1 kHz信號(hào)對(duì)提離信號(hào)的響應(yīng)更加明顯，可以通過(guò)1 kHz與5 kHz掃查信號(hào)的相應(yīng)情況，排除非相關(guān)信號(hào)顯示。 

5.   結(jié)語(yǔ)

（1）建立小接管焊縫三維仿真模型并進(jìn)行交流電磁場(chǎng)檢測(cè)仿真模擬，仿真結(jié)果表明：缺陷位置存在磁通密度變化，磁通密度出現(xiàn)明顯響應(yīng)。 

（2）設(shè)計(jì)與制作了三通道檢測(cè)探頭及信號(hào)處理模塊，開展了小接管焊縫缺陷試塊的檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明：通過(guò)采集磁通密度B的信號(hào)響應(yīng)，可檢出長(zhǎng)度5 mm以上的小接管焊縫裂紋缺陷。

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