交流電磁場檢測技術在壓力容器焊縫檢測中的應用

李 兵 于 亮

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交流電磁場檢測技術在壓力容器焊縫檢測中的應用

李 兵 于 亮

（濱州市特種設備檢驗研究所 濱州 256600）

摘 要：作為新型的電磁無損檢測技術，交流電磁場檢測技術具有非接觸、無需標定、無需打磨被檢工件表面等特點。根據該項檢測技術的原理建立焊縫檢測的有限元仿真模型，開發基于該項技術的檢測系統，并應用于壓力容器的焊縫檢測。通過其他檢測手段對檢測結果進行對比，驗證了交流電磁場檢測技術在壓力容器焊縫檢測中的可行性。

關鍵詞：交流電磁場檢測 有限元 檢測系統 焊縫檢測 壓力容器

在壓力容器的定期檢驗中，對壓力容器的焊縫檢測是一個非常重要的環節。裂紋是焊縫檢測中常見的表面缺陷，嚴重威脅著壓力容器的安全運行。通常采用磁粉檢測或者滲透檢測的方法對焊縫進行檢測，不僅勞動強度大，檢測效率低，而且檢測的結果受人為因素影響較大，也不易保留，對裂紋只能進行定性分析。

針對當前壓力容器檢驗過程中出現的情況，本文引入交流電磁場檢測技術對常見壓力容器的焊縫進行檢測。該技術不僅可以對壓力設備中常用的碳鋼材料進行檢測，對于奧氏體不銹鋼，鉻鎳合金鋼等其他承壓設備所用材料都有非常優異的檢測效果。對于壓力容器焊縫中出現的裂紋，運用交流電磁場檢測方法，既能夠減少焊縫掃查的次數，又能夠對缺陷進行定量分析，通過準確的數學模型計算出裂紋的長度和深度，為焊縫返修提供可靠具體的數據支持；設計易用的上位機軟件，通過特征曲線和蝶形圖的方式判斷缺陷的有無，對檢測的結果可以進行記錄保存，便于對裂紋數據的記錄整理；根據不同類型的容器焊縫情況，設計可以覆蓋兩側母材的陣列檢測探頭，在提高工作效率的同時，降低了勞動強度。

1 交流電磁場檢測技術原理

交流電磁場檢測技術（簡稱ACFM），是一種在渦流檢測和漏磁檢測基礎上發展起來的新興無損檢測技術。ACFM技術具有非接觸檢測、定性定量檢測一次完成、不需標定等優點，且檢測速度快， 對試件表面清潔度要求不高， 成本低操作簡單， 可廣泛應用于航空航天、電力、鐵路、石油、管道和壓力容器等行業。交流電磁場檢測技術的檢測原理是，當通有交變電流的激勵線圈靠近被測工件時，激勵線圈上的交變電流在線圈周圍的空間中產生交變磁場，交變磁場又會在被測工件上產生感應電流。由于集膚效應的影響，感應的電流在工件的表面聚集。若被測工件表面無缺陷時，感應電流的分布是均勻的，電流線也是近似平行的，在工件表面產生勻強的感應磁場；若被測工件表面存在缺陷，因缺陷產生的電阻率的變化，使得表面感應電流的分布發生變化，在缺陷附近電流線會發生偏轉，引起工件表面的感應磁場發生畸變。通過檢測工件表面感應磁場的變化，就能反映出被檢工件表面的損傷情況［1］。

交流電磁場檢測技術通過檢測工件表面的感應磁場強度變化來反應缺陷的存在情況［2］。為了便于對工件表面的感應磁場進行分析，可以分為Bx、By和Bz三個方向的分量，如圖1所示，Bx方向的數值在缺陷處會由于電流線稀疏出現極小值；Bz方向的數值由于在缺陷的兩端出現電流線的密集，會出現正負峰值；By方向一般對缺陷不敏感，因此通常取Bx和Bz方向的磁感應強度的數值進行分析［3-4］。

圖1　交流電磁場檢測中電流在缺陷附近的分布圖

通過檢測線圈可以得到Bx和Bz方向的特征曲線，再加上以特征曲線為極坐標畫出的蝶形圖，便可以通過可視化的方式判斷被測工件表面有無缺陷［5］。圖2 為Bx和Bz方向的特征曲線與蝶形圖。

圖2　Bx和Bz方向的特征曲線與蝶形圖

2 焊縫檢測的仿真計算結果

采用Comsol Multiphysics數值仿真軟件建立交流電磁場檢測焊縫裂紋的數學模型（見圖3），針對壓力容器中應用最廣的鐵磁性材料進行仿真分析，仿真參數中設置磁導率為1000，電阻率為檢測探頭線圈的激勵頻率為6kHz，用于模擬裂紋缺陷的尺寸為10mm×1mm×5mm，并取工件上方1.0mm處的磁感應強度值繪制曲線。從圖4仿真結果可知，采用該模型的缺陷檢測的磁感應強度的數值分布符合交流電磁場檢測原理。

圖4　鐵磁性材料工件表面磁感應強度分布

3 檢測系統簡介

交流電磁場的檢測系統由檢測探頭、檢測儀器以及上位機組成。探頭是由激勵單元和檢測單元構成，激勵單元用于在被檢工件表面產生激勵電流，檢測單元用于拾取工件表面的感應磁場數值。根據檢測實際的需要分為單探頭和陣列探頭，單探頭包含一個單獨正交方向的檢測單元，一次掃查較小的檢測區域，適用于標準的掃查檢測。陣列探頭則是在檢測方向上布置多個正交方向的檢測單元，一次掃查可以檢測一定的面積，檢測效率高；檢測儀器主要對檢測線圈拾取的微弱信號進行放大濾波，數模轉換等處理，并將處理完的信號發送給上位機進行后續處理［6］；上位機上裝有缺陷的分析軟件，可以實時顯示各個檢測通道的特征曲線和蝶形圖，并對出現的缺陷進行判斷后進行定量分析，還可以對缺陷信息進行保存和回放［7］。如圖5所示，為交流電磁場檢測系統的示意圖，圖6為上位機軟件界面。

圖6　上位機檢測軟件

4 現場應用

4.1對板板焊接焊縫的檢測

采用壓力容器用16Mn材質的兩塊鋼板進行焊接，其中人工添加不導電的材料作為夾雜物，使其在焊縫中形成不連續的缺陷，如圖7所示。不連續夾雜物的長度20mm，深度3mm。利用交流電磁場檢測儀，對該工件的焊縫進行掃查檢測，被檢工件焊縫的寬度約20mm，在檢測探頭的有效檢測范圍內，因此一次掃查即可，同時根據被檢材料的電磁特性，選擇6kHz作為激勵頻率，順時針方向有效并進行慢速掃查。掃查結果顯示，當探頭經過夾雜物時，同時出現了Bx和Bz特征信號，并且沿順時針方向出現閉合的蝶形圖，如圖8所示，判斷結果為有不連續缺陷存在，同時，探頭所帶編碼器對缺陷長度進行計數，長度為19.5mm，計算深度為3.2mm，可見檢測結果的誤差在工程允許的范圍內。

圖7　人工缺陷工件圖

圖8　缺陷處的特征曲線和蝶形圖

4.2對在用球罐焊縫的檢測

某石化企業的1000m3丙烯球罐進行定期檢驗的過程中，多條焊縫出現了裂紋，運用交流電磁場檢測儀對該球罐剩余焊縫進行掃查發現有缺陷存在并進行標記，之后使用磁粉檢測的方法對標記之處進行驗證性檢測，均證實了裂紋的存在。圖9為其中一條裂紋的圖示，該裂紋存在T型焊接接頭的水平焊縫上，由于T型焊縫對于交流場檢測來說容易產生非相關的檢測信號，因此對于此類型焊縫的檢測，應采用小檢測區域的探頭，以均勻慢速的速度進行掃查，對于出現的缺陷信號需多次掃查確認，排除非相關信號的干擾。圖10～圖12為該處裂紋的特征信號和蝶形圖。

圖9　T型接頭附近的裂紋

圖10　缺陷處的蝶形圖

圖11　缺陷處的Bx特征曲線

圖12　缺陷處的Bz特征曲線

5 結束語

將交流電磁場檢測技術應用于壓力容器焊縫的檢測中，不僅可以減少現場檢驗檢測人員的勞動強度，提高檢測效率，而且檢測結果可以存儲，可以對缺陷的尺寸進行定量分析。利用有限元仿真軟件對焊縫缺陷進行分析計算，確定交流電磁場檢測技術用于焊縫檢測的機理和特征。通過對人工缺陷試塊和球罐的現場檢測應用，驗證了該項檢測技術的可行性。

參考文獻

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［3］ Ren Shangkun， Zhu Zhibin， Lin Tianhua， et al. Design for the ACFM Sensor and the Signal Processing Based on Wavelet Denoise［C］. 2009 2nd International Congress on Image and Signal Processing （CISP'09）， Pressed by IEEE.

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［7］ 范偉，任尚坤，李兵.基于DSP和LabVIEW的ACFM檢測系統［J］.儀表技術與傳感器，2013，43（5）：16-19.

ACFM Technique in the Detection of a Pressure Vessel Weld

Li Bing Yu Liang
(Binzhou City Special Equipment Inspection Institute Binzhou 256600)

AbstractAs a new type of electromagnetic non-destructive testing technology， ACFM technique has lots of characteristics, such as non-contact, no calibration, no need to polish the surface. According to its principal, this article establishes the fnite simulation model of weld inspection， develops the inspection system applied in the weld inspection of pressure vessel. Comparing with the test results of other detection means, its feasibility in pressure vessel weld inspection is verifed.

KeywordsACFM FEM Detection system Weld Inspection Pressure vessel

中圖分類號：X924.2

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）04-0047-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.04.008

作者簡介：李兵（1986～），男，碩士，承壓類特種設備檢驗員，工程師，從事承壓類和機電類特種設備檢驗工作。

收稿日期：（2015-10-30）