核工程薄壁不銹鋼焊縫交流電磁場檢測模擬驗證

王宇欣，高宇，馬迎兵，楊會敏，袁新安，郭利峰

1.中國核電工程有限公司，北京 100840

2.中國核工業二三建設有限公公司，北京 101300

3.中國石油大學（華東），山東 青島 266580

0 前 言

傳統的焊縫檢測方法為超聲檢測（UT）和射線檢測（RT）。受晶粒度和表面盲區影響，UT不適用于薄壁不銹鋼焊縫［2］。RT需要專用時間窗口和隔離區域，在同一時空域內不允許其他RT班組或工種交叉作業，且輻射安全風險很大。因此，面對大工程需求，在保證質量和安全的前提下，亟待采用先進、高效、可靠的體積檢測技術來實現交叉施工，提高重點工程無損檢測效率和建造經濟性、保障建造周期。交流電磁場檢測（Alternating current field measurement，ACFM）是一種新興的表面和近表面電磁無損檢測技術，對不銹鋼等順磁性材料可檢缺陷埋深5～7 mm，具有無需標定、非接觸、提離不敏感、無輻射及危廢等特點［3-4］，具備解決核工程項目體積檢測“瓶頸”的能力。中國核電工程有限公司牽頭聯合中國核工業二三建設有限公司、中國石油大學（華東）開展了ACFM科研，進行了應用調研、系統設備研發與集成、仿真與工藝研究、模擬驗證、缺陷檢出率分析和現場驗證等工作，組織了技術有效性第三方評估和人員資格考試，最終得到國家監管部門的批復和工程應用。

本研究主要對上述科研中的模擬驗證部分的工作進行介紹。針對工程應用對象，設計了含不同類型、尺寸和位置缺陷的模擬試塊，分別進行ACFM和RT盲測，并對結果進行對比分析，以驗證ACFM技術有效性、系統穩定性和檢測工藝中全部要素的符合性。

1 試驗方法和設備

1.1 ACFM技術

ACFM技術是80年代由倫敦大學機械工程系基于交流電壓降法檢測（ACPD）的原理，用表面磁場模型代替ACPD中的表面電場模型而提出的［5］。其原理如圖1所示，是利用激勵線圈在工件中感應出均勻的交變電流，感應電流在缺陷和腐蝕等位置產生擾動，基于電場擾動引起空間磁場畸變原理，利用傳感器測量空間磁場畸變信號，從而實現缺陷的檢測與評估。

圖1 ACFM原理Fig.1 ACFM principle

ACFM與傳統的渦流（ET）［6］、射線（RT）、超聲（UT）［7］等體積檢測技術對比如表1所示。隨著ACFM技術的發展，受到了國內外電磁無損檢測專家學者的廣泛關注。Lewis等［4］研究了工件外部磁場與表面磁場的耦合，基于激勵表面電流場均勻分布場，提出了ACFM通用理論模型。Noroozi等［8］提出用模糊算法來確定任意剖面裂紋缺陷的方向。陳國明、李偉等［9-10］在缺陷反演與評估、信號處理、儀器研制等方面做了大量研究工作，研制了適用于水下和陸上的國產化檢測設備和軟件。

表1 ACFM與傳統檢測技術對比Table 1 Comparison with traditional NDT and ACFM

ACFM憑借其獨有優勢和良好實用性已得到世界多個權威組織認可，包括中國、法國、美國、挪威、英國和德國船級社，并制定了ASME、ASNT、COFREND、ABS、API等多項行業標準。在國內，中國潛水打撈行業制定了T/CDSA 305.22—2017《水下鋼結構交流電磁場裂紋檢測規程》、中國石油大學（華東）制定了山東省地方標準《金屬結構交流電磁場檢測技術規程》，中國船級社出版了指導性文件《在役導管架平臺結構檢測指南》，中國核工業集團有限公司制定了Q/CNNC JE 100—2022《核設施薄壁奧氏體不銹鋼焊縫交流電磁場檢測》，國家容標委、航天行業、電力行業目前也在進行ACFM標準的制定工作。

1.2 試驗設備

檢測系統選用濟寧魯科檢測器材有限公司生產的LKACFM-X1型ACFM檢測儀，預置了基于科研成果定型生產的LKACFM-SW-03型軟件V1.0版本，以及薄壁不銹鋼專用的LKACFM-PRO-01型高靈敏度陣列式探頭，見圖2。

MASSARO鞋履坊與Christian Lacroix、John Calliano、Gianfranco Ferre、Olivier Lapidus、Thierry Mugler、Azzedine Alaia 等知名品牌合作，同時亦為其他顧客度身設計鞋子。Mademoiselle Chanel在新店開幕當日所穿的緇黑緞質鞋頭粉米黃涼鞋便是MASSARO的得意杰作。

圖2 ACFM系統Fig.2 ACFM system

由于需檢測焊縫全厚度中0.3 mm的微缺陷，圖2b中的探頭由激勵線圈、磁芯、磁場傳感器和信號處理模塊組成，采用了三個獨特的推挽式惠斯通全橋結構設計。通過圖2c中的軟件系統，對Bx信號進行傅里葉變換、梯度處理和降噪濾波等處理，最終超過梯度圖中所設置閾值的顯示，即為不合格。

1.3 模擬試塊設計

根據應用調研中5萬道焊口的RT結果統計，設計了含不同類型、尺寸和位置缺陷的模擬試塊，設計和加工原則如下：

（1）試塊采用與產品相同的材質、規格、焊工、焊接方法和自動化水平；試塊的余高應具有代表性。

（2）預埋缺陷類型應包括裂紋，以及調研中全部典型缺陷（未熔合、未焊透、氣孔和夾鎢）。

（3）用刻槽，模擬相同長度和深度、最大埋深的裂紋和未熔合等面積型缺陷；用刻半球孔，模擬相同直徑/高度、最大埋深氣孔和夾渣等體積型缺陷。

（4）缺陷尺寸不應超過設計文件允許的缺陷最大值；缺陷布置應具有代表性。

（5）試塊加工孔尺寸允許偏差均為±0.05 mm，其余尺寸允許偏差均為±0.1 mm；除加工缺陷外，試塊上不允許有任何可檢出缺陷。

（6）模擬試塊應由具有中國國家認證委員會（CNAS）或中國計量認證（CMS）資格的機構出具合格證書和報告。

模擬試塊的管道兩側長度至少為150 mm，便于進行掃查方式的工藝試驗研究，加工圖見圖3。模擬試塊中的缺陷僅用來評價檢出能力，不用于定量閾值。

圖3 部分模擬試塊加工圖Fig.3 Simulation test block machining diagram

如圖3所示，共制作5種規格的工藝管模擬試塊39件，其中：自動焊試塊10件，預制缺陷36處；手工焊試塊29件，預制缺陷132處。制作了3 種規格的風管模擬試塊6件：每件試塊預制缺陷7處，共42處。從缺陷制作方式上，分為預埋缺陷、加工缺陷和自然缺陷；還單獨設計了密集小孔缺陷、橫向裂紋等模擬試塊用于極限能力驗證。

1.4 檢測工藝

ACFM工藝按Q/CNNC JE100—2022《核設施薄壁不銹鋼焊縫交流電磁場檢測》執行。通過前期仿真研究，標準試塊選用1號孔，探頭頻率為1 kHz，低頻可提高電磁信號的穿透深度。

RT工藝按照NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》以及項目用技術條件1812AT4001《工藝管道安裝、試驗和驗收技術條件》和1812AT5001《暖通設備及管道施工質量驗收技術條件》執行，其中工藝管采用X射線源、AB級、C3類及以上膠片系統，采用雙壁雙影橢圓外透照工藝進行檢測。

檢測前按照NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》的規定進行了PT檢測，除外表面預制缺陷外，無其余缺陷或顯示。

2 結果與討論

ACFM和RT采用雙盲檢測的形式進行，ACFM時間共計3.5 h，RT時間共計14 h，初步評估ACFM效率是RT的3倍以上。

2.1 自動焊工藝管模擬試塊

自動焊工藝管模擬試塊缺陷制作方式、位置和實測尺寸，以及ACFM和RT雙檢結果統計如表2所示。

表2 自動焊工藝管模擬試塊Table 2 Simulation test block of Auto-welded pipeline

從表2可以看出，10件自動焊工藝管模擬試塊：預制缺陷36處，RT檢出32處；ACFM檢出34處（含RT檢出的32處），其中面積型缺陷均100%檢出，ACFM檢測結果沒有誤報。

自動焊焊縫內外表面形狀規則，焊紋規整、起伏較小。RT漏檢的4處主要為外表面0.3 mm左右的半球孔，這是由于小徑管焊縫RT透照厚度比和影像畸變較大，若非對準半球孔處，很難檢出。ACFM漏檢的2處為17.1 mm小徑管中2處小缺陷距離較近，且手動掃查各位置檢測速度不均一，故儀器識別為一處大缺陷。ACFM技術對于順磁性材料內部1 mm以下的微小缺陷只能實現檢出和定位，目前還無法定量和定性。

2.2 手工焊工藝管模擬試塊

對29件手工焊試塊進行檢測，結果見表3。從表3可以看出，29件工藝管手工焊模擬試塊：預制缺陷132處，RT檢出95處；ACFM檢出141處（含RT檢出的95處），其中面積型缺陷均100%檢出，ACFM誤報10處。對ACFM和RT不一致的模擬試塊和缺陷情況進行詳細分析，見表4。

表3 手工焊工藝管模擬試塊Table 3 Simulation test block of Manual-welded pipeline

表4 檢測結果差異分析Table 4 Analysis of the Difference of Results

從表4可以看出，RT檢測定性能力強、能夠綜合判斷缺陷分布情況，但其對小徑管焊縫0.3 mm左右的圓形缺陷存在漏檢，主要原因為小徑管焊縫RT時需采取雙壁雙影橢圓透照工藝，管子各部分的實際透照厚度變化幅度特別大：中心部分的透照厚度等于管子壁厚的兩倍；理論最大值為射線與管子內壁相切方向上的透照厚度；再往外，透照厚度迅速減小到零。透照厚度的大幅度變化必然導致焊縫影像黑度的大幅度變化，黑度跨度大不利于底片的評定。而且，源側焊縫和片側焊縫相對膠片的距離變化較大，影像各處幾何不清晰度和散射比不一，影像質量和缺陷檢出靈敏度不足。從ACFM-20-1等密集小孔缺陷模擬試塊也可看出，0.3 mm的尺度已經接近常規RT手段檢測靈敏度的極限。

ACFM出現多檢信號的原因主要是對焊縫表面狀態較敏感，特別是無法區分內表面不平整（小范圍凸凹度過大）和缺陷信號，如圖4所示。

圖4 ACFM-20-3模擬試塊Fig.4 Simulated test block of ACFM-20-3

2.3 風管模擬試塊

風管模擬試塊缺陷設計和實測尺寸以及ACFM和RT雙檢結果統計見表5。由于風管焊縫缺陷允許度較寬，模擬試塊缺陷制作尺寸較大，無論是RT還是ACFM檢測結果均為100%檢出。

表5 風管模擬試塊Table 5 Simulation test block of Ventilation pipe

2.4 打磨驗證試驗

在2.2節試驗中發現ACFM對表面狀態較敏感，適度打磨可降低焊縫表面凸凹起伏。為驗證打磨是否會降低缺陷的閾值顯示造成漏檢，本文設計了試驗：第一步對模擬試塊進行ACFM檢測；第二步對其焊縫表面輕微打磨，打磨后第二次ACFM檢測；第三步對其焊縫表面磨平，打磨后第三次檢測，如圖5所示。

圖5 模擬試塊表面狀態Fig.5 Simulated test block surface

三次ACFM檢測結果如表6所示。可以看出，無論是輕微打磨還是磨平，內表面預制缺陷處的最高顯示梯度值均超過閾值線（90），缺陷均能正常檢出。同時可以看出，打磨后大部分缺陷處ACFM最高顯示梯度值略有增加，這是由于打磨造成了壁厚減薄，使得缺陷距離探頭更近、缺陷深度在壁厚方向上的占比更大。因此，適當打磨不影響缺陷檢出。

表6 打磨驗證試驗Table 6 Simulation Verification of grinding

3 結論和展望

本文針對國家某重點工程項目需求，開發了低頻高靈敏度陣列探頭和梯度信號處理算法，實現了壁厚≤3.5 mm奧氏體不銹鋼焊縫的體積檢測，并通過設計了含不同類型、尺寸和位置缺陷的模擬試塊，開展了ACFM和RT盲測驗證工作，主要結論如下：

（1）研發的ACFM檢測系統和工藝穩定、可靠，可實現焊縫中超標缺陷的快速、有效篩查，效率是RT的3倍以上；對于工藝管、和風管模擬試塊中預制的210處超標缺陷，RT檢出169處，ACFM檢出217處（含RT檢出的169處），其中面積型缺陷均100%檢出；ACFM技術具有不低于RT的檢出能力，ACFM缺陷誤報率能滿足工程需求。

（2）RT技術：定性能力強、能夠綜合判斷缺陷分布情況；對于0.3 mm當量的體積型缺陷，接近其雙壁雙影橢圓透照檢測技術能力的極限。

（3）ACFM技術：對焊縫表面狀態較敏感，適當打磨不影響缺陷檢出；在缺陷距離較近情況下，ACFM可實現檢出，但無法區分和定性。

高靈敏度ACFM檢測的研究和工程應用，填補了技術應用領域空白，為薄壁非鐵磁性材料焊縫內部缺陷檢測提供了新思路。