水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭設計*

蔣維宇 李 偉 張宗華 袁新安 葛玖浩 趙建明 馬維平

(1. 中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心 山東青島 266580； 2. 山東省特種設備檢驗研究院棗莊分院 山東棗莊 277100)

近年來，隨著海洋工程領域不斷發展，許多海上設施諸如海洋平臺、海底管道等逐漸進入了服役壽命的中后期。由于海洋設備長期工作在嚴峻的海洋環境下[1-2]，受洋流、風暴、高壓、大載荷等極端環境載荷的影響，結構物表面的局部微小裂紋在腐蝕和外力作用下可快速發展并引起結構失效，如疲勞、斷裂和腐蝕等。近年來水下井口泄漏、海洋平臺倒塌以及管道泄漏等國內外數起嚴重災難均與水下結構物失效有關。據美國海洋能源管理規劃執法局(BOEMRE)統計數據，2001—2007年，美國共發生了1 443 起大型海洋油氣事故，其中 476 起火災事故及356 起嚴重泄漏污染事故造成了極大的經濟損失及環境破壞[3-4]。因此，定期對海上設備進行有效檢測和安全評價，及時發現海洋結構物微小裂紋，并制定維修或改裝方案，對保障海洋結構物安全服役、預防重大海洋事故、保證作業人員安全具有重大意義[5]。

由于受到海洋惡劣環境、結構物表面附著物堆積、信號衰減嚴重等因素干擾，水下結構物的缺陷檢測存在檢測效率低下、操作難度系數高、檢測費用昂貴等問題。當前，國內外主要水下無損檢測方法有目視檢測、磁粉檢測、超聲檢測、渦流檢測、交流電磁場檢測等，其中前3種檢測方法均需對水下結構物表面進行大面積清理。此外，目視檢測主要依賴操作人員的經驗來判定缺陷損傷，時間及勞動成本高[6]；磁粉檢測由于存在洋流干擾，導致磁粉難以吸附在結構物表面而造成檢測難以實施[7-8]；超聲檢測則需要探頭與結構物表面緊密貼合，但水下結構物表面凹凸不平且海洋環境中存在復雜噪聲信號，導致超聲信號易受干擾而造成檢測困難[9-10]；而渦流檢測技術由于對提離擾動敏感，且探頭與結構表面提離高度有限，難以適應水下結構物復雜的表面工況[11-12]。

交流電磁場檢測(Alternating Current Field Measurement，ACFM)是一種新興的無損檢測技術，已廣泛應用于結構物缺陷的檢測與評估[13-14]。該技術基于電磁感應原理，通過對激勵線圈加載激勵信號，當檢測探頭靠近試件表面時，將在試件表面感應出均勻的電場；當感應電場遇到缺陷時，電場將從缺陷的兩端和底部繞過，從而引起缺陷周圍磁場的擾動，最終通過提取空間畸變磁場信號實現對缺陷進行定量分析[15-16]。該技術產生的均勻感應電流對提離不敏感，能夠穿透水下結構物上的附著物及涂層對缺陷進行檢測，無需清理或僅需少量簡單清理結構物表面附著物即可實現非接觸式測量。目前，英國天然氣公司和殼牌聯合推出了ACFM缺陷可視化項目，TSC公司依據ACFM理論開發出第3代水下結構缺陷ACFM檢測U31系列儀器[17-18]。PETROBRAS石油公司采用ACFM替代MPI技術進行了水下結構檢測，2年節省了150萬美元；澳大利亞將ACFM探頭安裝于ROV的機械手上用于深海檢測，效果良好[19]。

不銹鋼材料在海水環境中有著廣泛應用，由于不導磁、電導率小，表面微小裂紋檢測一直是無損檢測行業的一大難題。根據Smith等[20]開展的不銹鋼裂紋檢測結果，國外交流電磁場檢測技術對不銹鋼板表面長度低于5 mm，深度小于1 mm的微小裂紋檢出率較低，很容易造成缺陷的漏檢。針對以上問題，本文基于交流電磁場檢測技術對水下不銹鋼結構物表面微小裂紋開展研究，建立了水下ACFM探頭仿真模型，通過提取裂紋特征信號，研發了水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭，并通過水下裂紋檢測實驗測試了該探頭的裂紋檢測精度，結果表明所研發的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭可有效提高不銹鋼薄板表面微小裂紋檢測能力，為水下結構缺陷早期裂紋預警及結構物長期安全服役提供技術支持，具有較好的推廣應用價值。

1 水下ACFM檢測探頭仿真模型建立

水下檢測探頭的激勵模塊以U型錳鋅鐵氧體磁芯作為基體，采用0.15 mm的銅絲緊密纏繞于磁芯上。由于海水環境的復雜性，在傳統理論模型基礎上建立ACFM檢測探頭仿真模型時，一般都要考慮海水電磁特性參數對ACFM電磁感應交互作用的影響。電磁波在海水中的衰減幅度與電磁波頻率成正相關，水下交流電磁場技術一般選用低頻正弦信號，且探頭與結構物之間的距離較小，因此電磁波在微小提離之間的海水介質傳播時衰減幅度較小，可忽略海水對電磁場傳播的影響[21-22]?；谝陨显瓌t，本文采用ANSYS軟件建立水下ACFM裂紋檢測仿真模型(圖1)，模型中裂紋尺寸長度為5 mm，深度為4.5 mm，寬度為0.2 mm，具體模型參數見表1。

圖1 水下ACFM檢測仿真模型

參數數值導線直徑/mm0.15線圈匝數500試件材料低碳鋼加載電流/A0.1電流頻率/Hz1000海水磁導率/(H·m-1)4π×10-7海水電導率/(S·m-1)3.32

提取不同深度裂紋正上方2 mm(即提離2 mm)位置X方向磁感應強度(沿著裂紋方向，記為Bx)和Z方向磁感應強度(垂直于試塊方向，記為Bz)的磁畸變數值(圖2)，可以看出特征信號Bx在裂紋中心位置出現波谷，同時特征信號Bz在裂紋兩端出現方向相反的峰值，即Bx和Bz畸變規律與ACFM原理一致。在實踐中，由于水下結構物的附著物較多，探頭經常發生抖動，很容易引入各類振動信號。實際上，探頭抖動是探頭與試件的提離發生變化，由于Bz在不同提離下的背景磁場均為0，對探頭提離具有較大抗干擾性，有利于水下缺陷的判定；而特征信號Bx背景磁場數值較大，很容易受到提離影響，且Bx磁場畸變量在背景磁場中數值較小，很容易被噪聲信號掩蓋呈現不規律性。因此，針對水下ACFM高靈敏度檢測探頭，將Bz作為微小裂紋判定的特征信號。

圖2 試塊裂紋上方畸變磁場特征信號

2 水下ACFM檢測探頭設計

2.1 探頭整體結構

探頭的檢測靈敏度是水下ACFM探頭設計的關鍵，直接影響到整個探頭檢測的靈敏度和精度。本文設計的水下ACFM高靈敏度探頭主要由激勵線圈、檢測傳感器、信號初處理模塊和密封殼體等組成，如圖3所示。

圖3 本文設計的水下ACFM探頭結構

激勵線圈采用0.15 mm漆包銅線在U型錳鋅鐵氧體磁芯的橫梁上均勻纏繞500圈，檢測傳感器設置在U型磁芯底部中心，探頭殼體內部設有信號預處理模塊，對檢測到的微弱磁場信號進行初步放大處理。探頭第一級密封采用水壓自緊式密封，蓋板與探頭殼體之間設有密封墊，依靠螺釘施加預緊力；隨著水壓增大，密封更加嚴密。探頭殼體槽內設有O型密封圈，依靠其形變形成第二級密封。探頭與外界通訊采用水密封連接器。

2.2 檢測傳感器

不銹鋼薄板具有不導磁、電導率小的特性，工件表面感應的電流場在微小裂紋周圍擾動不明顯，引起的空間磁場畸變信號較小，導致傳統線圈式磁場傳感器難以有效獲取裂紋周圍畸變信息，造成裂紋的漏檢?；陔娮幼孕兄频乃淼来抛璐艌鰝鞲衅魇墙晷屡d的一種低功耗、高靈敏度、小體積磁場傳感器，在磁信息讀寫、生物信息與高精度磁場檢測等方面得到越來越廣泛的關注。本文對比了傳統霍爾(Hall)、各向異性磁電阻(AMR)、巨磁阻(GMR)和TMR磁場傳感器在封裝尺寸、靈敏度和功耗上的各項參數(表2)，結果表明TMR磁場傳感器有較大的線性范圍、極低的功耗、更高的靈敏度、更小的封裝尺寸，非常適合于微弱磁場檢測。本文選擇TMR作為檢測傳感器，該傳感器采用了獨特的推挽式惠斯通全橋結構設計，采用供差分電壓輸出，當磁場強度在-100～100 Oe時，傳感器輸出電壓成線性變化，具有極寬的動態范圍，滿足水下ACFM磁場檢測需求。將TMR磁場傳感器焊接在電路板上，并置于U型磁芯的中間底部位置，保持磁場傳感器距離試件表面提離高度為2 mm。該磁場傳感器輸出一路差分信號，記為Bz+、Bz-。

表2 不同磁場傳感器技術參數對比

2.3 信號初處理模塊

TMR磁場傳感器檢測到的缺陷周圍畸變的磁場信號通常十分微弱，感應磁場產生的電壓信號范圍在±0.1V左右，且含有較多的高頻和靜電等噪聲信號以及工頻的干擾，需要對TMR傳感器輸出的電壓信號進行放大和濾波處理。信號初處理模塊以集成運算放大器和濾波處理電路為核心，其中選擇AD620作為磁場傳感器輸出信號的運算放大器模塊。利用AD620對獲得的Bz信號放大100倍，借助電路中的RC低通濾波器濾出高頻噪聲信號，輸出Bz單端信號。最終設計的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭如圖4所示。

圖4 水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭

3 水下ACFM檢測探頭裂紋測試實驗

3.1 水下ACFM檢測探頭裂紋測試系統

水下ACFM檢測探頭裂紋測試實驗原理如圖5所示。該測試系統主要包括水下探頭、水下艙體和上位機，其中水下艙體內設有激勵模塊和阿爾泰NET2801以太網信號采集卡，利用以太網實現缺陷信號的長距離傳輸，具體參數見表3。激勵模塊產生信號幅值為5 V、頻率為1 000 Hz的正弦波加載至U型激勵線圈上，U型激勵線圈在工件表面產生均勻電場。當裂紋出現時，電場在裂紋深度方向和裂紋兩端發生偏轉；偏轉電流引起空間磁場畸變，位于探頭內的高靈敏度TMR磁場傳感器可獲取裂紋特征信號Bz；特征信號經過探頭內部初處理后進入艙體內的采集卡，采集卡將模擬信號轉換為數字信號后傳輸至計算機。

圖5 水下ACFM檢測探頭裂紋測試實驗原理圖

參數數值輸入量程/ V±10采樣速率/Hz31～250輸入量程32路單端AD轉換時間/μs≤1.25工作溫度范圍/℃-40～+85程控增益1/2/4/8倍非線性誤差/ LSB±3精度0.1%轉換精度/位16 模擬輸入阻抗/ MΩ10

基于LabVIEW和MATLAB編寫的裂紋識別程序,計算機首先對采集到的數字信號進行濾波和放大處理，對獲取的正弦時域信號采用求均值方法處理得到缺陷特征信號Bz。在無缺陷時，特征信號Bz保持某一數值不變，其斜率變化為0；當出現裂紋時，特征信號Bz出現正負相反的峰值，信號幅值產生較大變化率，信號斜率產生極大峰值。本文對獲取的電壓信號bz曲線求斜率，若bz斜率大于0，則放大100倍信號畸變；若bz斜率小于0，則乘以小于1的數進行衰減，從而衰減噪聲信號，增強缺陷信號的識別能力，得到缺陷識別曲線。該識別曲線數值大小僅代表bz電壓信號曲線斜率經過放大縮小運算后的數值，無量綱，最后與輸入大小閾值進行比較，實現缺陷的實時判定。

3.2 不同長度裂紋測試實驗

為了測試不銹鋼表面不同尺寸的微小裂紋，本文設計了2類缺陷試塊。第1件試塊設有不同長度裂紋(圖6)，裂紋深度為1 mm、寬度為0.2 mm，裂紋長度見表4。

利用水下ACFM高靈敏度檢測探頭以1 mm/s的速度勻速掃過裂紋，探頭內部TMR傳感器拾取裂紋上方畸變磁場信號Bz，最終獲得電壓信號bz，并對bz求斜率(圖7)。不同長度裂紋的電壓信號bz出現較多畸變，僅能確定后3個較大畸變為裂紋信號(圖7a)。對電壓信號bz求斜率后，未出現缺陷位置的信號變化幅度較緩，信號斜率接近于0；當出現裂紋時，特征信號產生一定擾動，該擾動經過求斜率后放大，得到信噪比較高的5個峰值(圖7b)。通過引入缺陷閾值，將缺陷識別曲線與閾值比較，能實時判定缺陷的存在，識別軟件顯示存在5個裂紋。這表明，該水下ACFM檢測系統能夠實現表面深度1 mm、長度1.5 mm的微小短裂紋的有效識別。

圖6 水下裂紋測試實驗所用的不銹鋼裂紋試塊(不同裂紋長度)

編號裂紋長度/mm編號裂紋長度/mm10.553.021.064.031.575.042.0

圖7 不同長度裂紋上方的畸變磁場信號

3.3 不同深度裂紋測試實驗

第2件試塊設有不同深度裂紋(圖8)，裂紋長度均為5 mm，裂紋寬度0.2 mm，裂紋深度尺寸如表5所示。

圖8 水下裂紋測試實驗所用的不銹鋼裂紋試塊(不同裂紋深度)

編號裂紋深度/mm編號裂紋深度/mm14.551.524.061.033.070.542.0

針對不同深度的裂紋，利用水下ACFM高靈敏度檢測探頭按照掃查方向以1 mm/s的速度進行掃查，得到特征信號Bz，通過傳感器最終獲得電壓信號bz，并對bz求斜率 (圖9)。不同深度裂紋的電壓信號bz出現7個正反峰值，對應7個裂紋的特征信號(圖9a)，表明該水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭可有效檢測實驗所用的不銹鋼薄板試塊的所有裂紋。對bz信號求斜率后進行放大，得到7個較大的曲線峰值，通過與閾值對比可實現所有裂紋的在線判定(圖9b)。由此可見，本文所設計的水下ACFM裂紋檢測系統能夠實現表面長度5 mm、深度0.5 mm微小淺裂紋的有效識別。

圖9 不同深度裂紋上方的畸變磁場信號

4 結論

以海洋環境水下結構物不銹鋼薄板微小裂紋檢測為研究對象，研發了基于TMR傳感器的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭，并搭建水下實驗系統進行了實驗測試，結果表明：利用求梯度方法能夠有效地抑制噪聲信號干擾，提高微小裂紋信號的信噪比，通過引入缺陷閾值即可實現裂紋的實時在線自動判定；本文所設計的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭可借助裂紋磁場特征信號實現不銹鋼薄板表面深度1 mm、長度1.5 mm微小短裂紋和表面長度5 mm、深度0.5 mm微小淺裂紋的有效識別。本文研究成果可為水下結構缺陷早期裂紋預警及結構物長期安全服役提供技術支持，具有較好的推廣應用價值。