基于交流電磁場裂紋缺陷識別仿真研究*

周兆明, 張 佳, 谷翠琳

(1.西南石油大學 機電工程學院，四川，成都 610500；2.西南油氣田分公司川西北氣礦，四川 成都 621700)

0 引言

目前，工件表面安全檢測評估方法有磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測等，但近表面裂紋檢測方法卻極少，傳統檢測方法難以滿足工件近表面裂紋的檢測需求。交流電磁場檢測是近年來發展非常迅速的一種電磁探測技術[1-2]，具有非接觸測量、無需打磨、可準確測量裂紋長度和深度等優點，且檢測速度快、無損、性能穩定，已廣泛用于油氣平臺、加工設備、壓力容器、儲罐、橋梁等工件表面安全評估檢測中。

Mostafavi[3]發現通有交流電的單矩形線圈可以在金屬工件表面獲得更均勻的磁場，在此基礎上，重新設計探針結構來獲得更高的靈敏度； Raine等[4]設計出1個復合矩形線圈作為激勵線圈，與傳統線圈相比，具有自差小和自調零等優點，同時可提高探頭的掃描速度。國內研究相對落后，1998年陳建忠等[5]首次介紹了ACFM技術及適用性；曹雄恒[6]提出了1種基于矩形線圈的交流電磁場檢測系統的設計方案，并設計了單個矩形線圈探頭和復合矩形線圈探頭2種形式的激勵探頭；胡媛媛等[7]建立了交變磁場的測量系統的數值仿真模型，詳細分析了交變電磁場的測量機理，為識別缺陷特征的檢測提供了理論依據；胡書輝[8]對基于交流電磁場檢測的裂紋尺寸反演計算進行了研究，為ACFM的缺陷尺寸檢測系統設計提供了基礎。綜上所述，國內ACFM技術雖取得了一些進步，但同時存在雖能檢測出工件缺陷，卻不能達到多變量測量、綜合化效果的問題[9-10]。基于此，文章通過實驗分析，對不同深度下不同缺陷尺寸的缺陷簇群進行了系統的研究。

1 仿真模型的建立

在實際工程作業中，當通有交變電流的激勵線圈靠近工件時，交變電流會在工件周圍空間產生交變磁場，被測工件表面的感應電流因趨膚效應聚集于工件表面。當工件無缺陷時，工件表面由于勻強磁場存在，感應電流線平行分布；若工件存在缺陷，電阻率的變化會對電流分布產生干擾，電流線在缺陷處產生偏轉，工件表面的磁場發生變化，當電流經過有裂紋缺陷的表面時，電流從裂紋的最深處向其邊緣集中[11-12]。當沿著缺陷表面進行檢測時，Bx軸出現1個寬凹陷區，反映缺陷的深度；Bz軸出現波峰和波谷，反映裂紋缺陷的長度。因此，只需得到Bx和Bz的特征分布就可初步檢測出缺陷的位置和尺寸，檢測原理及效果如圖1所示。

傳統的U型線圈滿足多磁路少漏磁的檢測要求，故文章采用各截面為矩形的U型繞組作為激勵線圈，缺陷模型為典型的半橢圓形狀，尺寸為16 mm×0.4 mm×6 mm(長×寬×深)，如圖2所示。設定缺陷區域的材料與工件材料相同，缺陷內填充空氣，以缺陷上表面的中間位置為坐標原點。模型包括矩形激勵線圈、U形磁芯和待測工件。具體數據如表1所示。

圖1 裂紋周圍的感應電流示意Fig.1 Schematic diagram of the induced current around the crack

圖2 有限元仿真模型Fig.2 Finite element simulation model

部件材料尺寸/mm相對磁導率電導率/(S·m-1)工件鋁模型尺寸200×200×20缺陷尺寸長寬深160.461.000 02138 000 000U形磁芯純鐵長高寬厚1003030204 00010 300 000

2 仿真結果與分析

通過Ansys Maxwell 3D中的后處理操作，選取距離工件表面1 mm、由缺陷中心向X軸正反方向各延伸20 mm的檢測路徑，提取該檢測路徑上磁感應強度在X和Y方向上的分量Bx和Bz變化曲線，兩分量合成蝶形圖能夠閉合，如圖3所示。圖3(a)和(b)與ACFM原理中的Bx和Bz變化曲線圖對比，基本符合缺陷周圍的Bx和Bz信號值的變化規律，Bx分量圖中的凹陷和Bz分量圖的波峰波谷間距明顯地表現了缺陷的位置和尺寸。以Bz為橫坐標，以Bx為縱坐標繪制蝶形圖，能夠準確實現對有無缺陷的判斷，降低錯判幾率，排除偽缺陷的干擾。從圖3(c)看出，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，提高檢測結果準確度。

圖3 模型仿真結果特征曲線Fig.3 Model simulation results characteristic curve

基于ACFM原理，在有限元仿真的基礎上，進一步通過實驗驗證仿真的正確性，如圖4所示。

圖4 實驗測量Fig.4 Experimental measurement

3 缺陷尺寸的檢測識別

ACFM檢測技術檢測缺陷通常由磁感應強度的Bx分量和Bz分量的特征信息確定。大量研究表明，無論缺陷深度的值如何改變，Bz信號值的波峰與波谷之間的距離都能在誤差允許范圍內反映出缺陷的長度；而Bx信號的波谷深度雖能反映出缺陷深度，但受缺陷長度影響，與之呈負相關，即缺陷長度越大，Bx信號的波谷深度越小[13-14]。因此，不能僅依靠Bx信號的波谷深度來估算缺陷的深度，必須同時對缺陷長度所帶來的影響進行修正，所得數據才具有可靠性。文章參考國外相關資料，引入靈敏度的概念[15]，靈敏度的引入能夠有效地補償檢測誤差，提高檢測精度，如式(1)所示：

(1)

式中：Sx為Bx信號靈敏度，等于Bx信號的波谷深度(Bx0-Bxmin)與無缺陷時Bx信號的幅值Bx0的比值；Sz為Bz信號的靈敏度，等于Bz信號在有缺陷時的最大值Bzmax與無缺陷時Bx信號的幅值Bx0的比值。

在仿真實驗的基礎上，對不同深度下長度為10，20及25 mm的半橢圓形缺陷進行了建模仿真分析。工件材料設為金屬鋁，尺寸為200 mm×200 mm×20 mm(長×寬×深)；線圈材料為銅，激勵電流為60 A，頻率為3 kHz，磁芯材料為純鐵，缺陷寬度統一設定為0.4 mm；磁芯與工件表面垂直距離為2 mm，于1 mm高度處提取Bx與Bz信號值，如圖5～6所示。

由圖5～6中Bx與Bz信號值的變化曲線可知，缺陷長度為10 mm時，隨著缺陷深度的增加，Bx曲線的波谷深度變化幅度較為明顯，而Bz曲線中的峰谷間距變化較小。表2為缺陷長度為10 mm時各特征值隨缺陷深度的變化，由表2可知，隨缺陷深度的增加，Bx信號及Bz信號的靈敏度都逐步增大。為得到更充分的實驗數據，繼續對長度為20 mm和25 mm的缺陷做仿真分析，如圖7～10所示，特征值如表3～4所示。

圖5 Bx隨缺陷深度變化 (缺陷長10 mm)Fig.5 Bx varies with defect depth (defect length 10 mm)

圖6 Bz隨缺陷深度變化(缺陷長10 mm)Fig.6 Bz varies with defect depth (defect length 10 mm)

缺陷深度/mmSx/%Sz/%Bz峰谷間距Dz/mm110.838.509.25214.1714.909.45315.3316.989.35417.2121.1210.80517.7424.4710.45819.4228.5010.20

可以看出，Bz曲線的峰谷間距值幾乎不受缺陷深度影響，從而可以通過測量Bz曲線峰谷間距來估算缺陷長度。Bx曲線靈敏度不僅隨缺陷深度增加，也會隨缺陷長度的增加而減小，需對其缺陷長度造成的影響進行補償。

圖7 Bx隨缺陷深度變化曲線(缺陷長20 mm)Fig.7 Bx varies with defect depth (defect length 20 mm)

圖8 Bz隨缺陷深度變化曲線(缺陷長20 mm)Fig.8 Bz varies with defect depth (defect length 20 mm)

圖9 Bx隨缺陷深度變化曲線(缺陷長25 mm)Fig.9 Bx varies with defect depth (defect length 25 mm)

4 ACFM對缺陷簇仿真分析

實際測量中，工件表面會出現多個缺陷同時存在的缺陷簇群情況。基于此，建立了不同間距缺陷簇群研究其檢測靈敏度。設2個缺陷簇群各有5個缺陷，缺陷間距分別為0.1 mm和3 mm，每個缺陷設定為3 mm×4 mm×0.15 mm(長×深×寬) 的橢圓。

圖10 Bz隨缺陷深度變化曲線(缺陷長25 mm)Fig.10 Bz varies with defect depth (defect length 25 mm)

缺陷深度/mmSx/%Sz/%Bz峰谷間距Dz/mm18.098.8918.9028.3414.4318.76310.1219.5219.52410.9921.5819.84512.3725.1020.08814.9532.6921.00

表4 缺陷長度為25 mm時各特征值隨缺陷深度的變化Table 4 Variation of each eigenvalue with the defect depth when the defect length is 25 mm

圖11 缺陷間距為0.1 mm時的Bz，Bx信號值Fig.11 Bz and Bx signal values when the defect pitch is 0.1 mm

圖12 缺陷間距為3 mm時的Bz，Bx信號值Fig.12 Bz and Bx signal values when the defect pitch is 3 mm

圖11～12為不同缺陷間距的缺陷簇特征曲線，從圖11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果為該處存在1個長度約為15 mm的缺陷，但并非預期結果的5個缺陷，因此，ACFM很難識別過小的間距。在圖12中，將缺陷間距取為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，但仍不能對缺陷實現準確的定量識別。由此發現，在1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定量識別，但是仍然存在著尺寸檢測的誤差。

5 結論

1) 交流電磁場檢測的首要條件是能夠在工件的受檢部位感應出勻強電流，并產生勻強磁場。進而通過分析缺陷周圍的磁場畸變信息，得出缺陷的物理特征。

2) ACFM能夠對缺陷實現比較準確的定位檢測，且Bz特征信號的缺陷長度檢測較為準確，而基于Bx特征信號的缺陷深度檢測必須滿足足夠的缺陷樣本數據庫，才能夠實現準確的缺陷深度估算。雖然ACFM建立龐大的缺陷樣本數據庫費時費力，但相對傳統的無損檢測技術來說，無需進行事先標定，檢測結果直觀、準確。就國內發展現狀來看，ACFM是較實用的工件安全檢測技術。

3)Bz特征曲線的峰谷間距值幾乎不受缺陷深度的影響，可以通過測量Bz曲線的峰谷間距來估算缺陷長度。Bx的靈敏度不僅會隨缺陷深度而增加，也會隨著缺陷長度的增加而減小，必須對其缺陷長度造成的影響進行補償。

4) 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地定量識別。