隔水管環焊縫裂紋交流電磁場檢測系統的研制

(中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，青島 266555)

交流電磁場檢測(ACFM)是一種基于電磁感應原理的無損檢測技術，近年來發展日益迅速[1-2]。在ACFM檢測中，在工件表面感應出均勻電流，電流繞過缺陷產生電場擾動，進而導致附近的磁場畸變，最后提取磁場信號實現缺陷的檢測與評估。相比其他水下無損檢測技術，ACFM檢測技術具有非接觸測量、操作簡單、不需要耦合劑、檢測精度高、穩定性好、效率高、成本低等優勢，目前已經在海洋油氣裝備領域得到了廣泛應用[2-3]。

在目前ACFM檢測系統中，單傳感器檢測探頭受傳感器數量的限制，覆蓋檢測范圍小，在焊縫檢測中需要對焊縫和熱影響區進行多次掃查，檢測效率低[4]。設計的陣列傳感器檢測探頭可擴大探頭的檢測范圍，提高檢測效率。筆者以ACFM技術為基礎，通過研究陣列傳感器分布對檢測信號的影響，設計了ACFM隔水管環焊縫陣列檢測探頭，最終開發出一套完整的隔水管環焊縫快速檢測系統，實現了隔水管環焊縫缺陷的一次掃查，不同區域的裂紋能夠全部檢出，對維護隔水管結構的安全具有重大意義。

1 有限元模型

利用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件構建隔水管環焊縫裂紋ACFM仿真模型(見圖1)。仿真模型主要由激勵線圈、U型磁芯、隔水管環焊縫試件和裂紋等組成。激勵線圈為φ 0.15 mm的銅線，纏繞在U形磁芯橫梁上，匝數為500匝，線圈中加載電流為1 A、頻率為1 000 Hz的正弦交流電，隔水管環焊縫裂紋長20 mm，位于U形磁芯的正下方。

圖1 隔水管環焊縫裂紋ACFM仿真模型

隔水管試件材料為X80鋼[5]，磁芯材料為錳鋅鐵氧體。

在線圈中加載正弦交流電，研究含裂紋隔水管焊縫裂紋在x和z方向的磁場畸變規律。實際檢測中,檢測探頭是沿著裂紋的長度方向運動的，為保持與實際情況一致，仿真時讓檢測探頭沿著裂紋長度方向移動，即對仿真模型進行參數化掃描。設定檢測探頭移動路徑的長度為50 mm，每次移動0.5 mm，共進行100次計算，計算完成后，提取裂紋上方2 mm位置的數據，繪制隔水管環焊縫表面電流密度(見圖2)。

圖2 隔水管環焊縫表面電流密度示意

由圖2可知，感應線圈通過磁芯在隔水管試件表面感應出均勻電流，感應電流繞過裂紋的在裂紋兩端聚集。繪制探頭的掃查路徑上沿x方向的磁通密度Bx曲線和沿z方向的磁通密度Bz曲線(見圖3)。

圖3 磁通密度Bx和Bz曲線

仿真結果顯示，感應電流繞過裂紋兩端，使周圍磁場產生畸變，Bx信號在裂紋處產生波谷，Bz信號在裂紋兩端分別產生波峰和波谷， 磁場的變化規律符合ACFM檢測原理。仿真結果證實了該有限元模型的正確性，將ACFM檢測用于隔水管環焊縫的檢測中是可行的，為研究傳感器分布對ACFM信號的影響和設計快速檢測探頭奠定了基礎。

2 隔水管檢測系統開發

2.1 檢測方案總體設計

依據交流電磁場檢測技術原理設計了隔水管環焊縫及熱影響區裂紋快速檢測系統(見圖4)，TMR為隧道磁阻傳感器。

圖4 隔水管環焊縫及熱影響區裂紋快速檢測系統

該系統包括硬件系統和軟件系統，硬件系統主要包括陣列探頭和便攜式機箱兩部分，機箱根據功能分為信號電源模塊、激勵模塊、信號調理模塊和信號采集模塊等，該系統高度集成化和模塊化。探頭通過小針號航空插頭與便攜式機箱連接，便攜式機箱利用USB(通用串行總線)數據線連接電腦。軟件系統實現了信號的采集、處理、存儲和輸出。硬件系統與軟件系統相互配合構成隔水管環焊縫檢測系統，可實現隔水管環焊縫及熱影響區裂紋缺陷的快速檢測。

2.2 陣列探頭設計

設計的陣列傳感器應實現隔水管環焊縫的全覆蓋式檢測，筆者首先對傳感器的分布進行優化。在探頭整體覆蓋面積相同的情況下，單個傳感器的覆蓋面積應與傳感器數量呈反比。在考慮經濟效益的情況下，傳感器數量應該在滿足檢測要求的情況下盡可能少。通過建立仿真模型，研究單個傳感器在不同偏移量的情況下，Bx、Bz信號畸變量的大小，確定單個磁傳感器的理論最大覆蓋范圍，設計傳感器之間的最優距離。

探頭掃查示意如圖5所示，傳感器偏移距離指探頭掃查路徑與裂紋的垂直距離，利用建立的隔水管環焊縫檢測模型分析傳感器偏移距離對ACFM 檢測信號衰減的影響，在確保缺陷檢出的情況下，確定傳感器的最大偏移距離，進而確定傳感器排布間距。定義裂紋中心位置為坐標原點，設定裂紋長20 mm，深3 mm，寬1 mm，傳感器偏移方向為x軸正半軸，偏移距離定義為x，傳感器沿著y軸正向掃查。

圖5 探頭掃查示意

設置偏移距離x的初始值為0 mm，并以3 mm為步長逐漸增加至15 mm。仿真結束后，分別提取不同偏移距離下Bx信號與Bz信號的畸變量。在ACFM檢測中，以Bx畸變和Bz畸變為判別缺陷信號的主要特征量，Bx、Bz畸變量隨偏移距離x的變化曲線如圖6所示。

圖6 Bx、Bz畸變量隨偏移距離x的變化曲線

由圖6可知，當偏移距離增大時，Bx信號先增大后減小，偏移距離為9 mm時，Bx的畸變量最大。Bz的畸變量普遍大于Bx的，且隨著偏移距離的增加,信號幅值不斷減小，在偏移距離達到9 mm時，Bz信號衰減近60%，結合傳感器尺寸選取傳感器間距為10 mm。TMR傳感器封裝的尺寸寬度為12 mm，待檢測的環焊縫及熱影響區域為80 mm，為確保探頭完全覆蓋待檢測范圍，將傳感器的個數設為4個，既能夠保證探頭全面拾取環焊縫表面及熱影響區畸變的磁場信號，又能夠很好地防止漏檢現象的發生。

基于以上結論，最終設計的探頭包含了4個間距為10 mm的TMR傳感器，選用4個U型激勵磁芯，每個磁芯上都繞制直徑為0.15 mm的漆包線，作為激勵線圈，分別放置在每個TMR傳感器的正上方。利用SOLIDWORKS軟件設計探頭骨架，內部結構根據TMR傳感器及磁芯的尺寸設計開槽。采用機加工制作探頭骨架，加工誤差保證在0.1 mm之內。選用不導磁不導電的ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)樹脂作為加工材料，可防止對檢測信號的干擾。

2.3 檢測軟件設計

隔水管環焊縫檢測軟件界面如圖7所示，該軟件基于LabVIEW編寫，對采集卡傳輸給計算機的數據進行處理、存儲和可視化[6-7]。該軟件基于閾值判定缺陷，通過設定閾值參數，軟件將計算得到的梯度信號與設置的閾值進行對比，存在缺陷區域的磁場信號會產生畸變，一旦其梯度信號超出梯度閾值，軟件將對該區域進行報警。

圖7 隔水管環焊縫檢測軟件界面

隔水管環焊縫裂紋快速檢測系統外觀如圖8所示，接下來對搭建好的檢測系統進行測試。

圖8 隔水管環焊縫裂紋快速檢測系統外觀

3 試驗方法及結果

根據焊縫檢測標準，深度超過1 mm的裂紋為危險缺陷。因此標定深度1 mm為危險閾值，軟件應能夠對深度超出1 mm的裂紋進行報警。

試件材料為低碳鋼，采用兩塊大小相同的試件對焊而成，外徑約為533 mm，壁厚為20 mm，形成的焊縫寬度為40 mm，焊縫兩側20 mm左右為熱影響區。根據檢測需要，在焊縫和熱影響區的不同位置各設置一個裂紋缺陷，兩條位于焊縫上，兩條位于熱影響區，隔水管檢測試件外觀如圖9所示，每條裂紋尺寸如表1所示。

試件檢測結果如圖10所示，其中裂紋3 的深度小于設定的閾值(1 mm)，檢測軟件不對其進行報警。裂紋1，裂紋2 ，裂紋4的深度分別為1.0,1.5,1.0 mm，達到了軟件設置的閾值，檢測軟件均發生了報警提示。分析4個不同通道的信號，可反推環焊縫左右熱影響區以及焊縫右半部分存在超出標準的危險缺陷。

圖9 隔水管檢測試件外觀

表1 隔水管檢測試件裂紋尺寸 mm

圖10 隔水管試件檢測結果

4 結語

(1) 建立了隔水管環焊縫三維仿真模型，優化了陣列檢測探頭參數，使探頭全面覆蓋環焊縫及熱影響區。仿真結果表明：應設定傳感器之間的間距為10 mm；所需檢測的隔水管環焊縫及熱影響區寬度為80 mm，應布置4個陣列傳感器。

(2) 搭建陣列檢測探頭和軟硬件為一體的隔水管焊縫及熱影響區裂紋檢測系統，開展該檢測系統穩定性試驗，確定裂紋深度為1 mm的安全閾值，而后對隔水管試件進行檢測，結果表明：陣列檢測傳感器探頭一次掃查可實現環焊縫及熱影響區裂紋的快速檢出，通過軟件界面的裂紋特征信號顯示，可反過來確定裂紋的位置。