基于ACFM技術表面裂紋檢測儀的設計與開發

唐云玲，劉利文，賴蘊輝

（廣東省特種設備檢測研究院河源檢測院，廣東 河源 517000）

1 前言

近年來，因承壓類特種設備缺陷尤其是表面裂紋缺陷誘發的各種安全事故頻發，如何快速高效檢測出潛在的裂紋缺陷，保障承壓設備的安全穩定運行，越來越成為行業內關注的焦點。

隨著現階段我國經濟的高速發展，對承壓設備的要求也越來越高，加上承壓設備結構復雜，危險性高，檢測難度大，傳統的“望”“聞”“問”“切”等手段早已無法滿足檢驗需求。在承壓設備表面裂紋缺陷檢測方面，目前常用的主要檢測手段有磁粉檢測(MT)、渦流檢測(ET)等，磁粉探傷在檢測工件表面裂紋缺陷時，須對被檢測工件表面涂層進行打磨、人工磁化和采用磁懸液等方法進行處理方能進行檢測；而渦流檢測(ET)檢測在檢查金屬表面及近表面缺陷時雖然檢測靈敏度高，檢測效率快，但因檢測現場易受渦流滲透效應干擾，對金屬材料內部淺深層次的缺陷檢測還無法實現，并且難以對缺陷進行定性和定量檢測。

以上2種檢測手段作為現階段承壓設備表面裂紋缺陷常規的檢測手段，雖然能實現表面裂紋缺陷的檢測，但仍有其各自的局限性。因此，本文設計開發出了一種基于ACFM技術的便攜式表面裂紋檢測儀，該儀器具有可以檢測磁性金屬中的疲勞、腐蝕或工藝性質的表面裂紋缺陷且工件表面不需要做任何處理、可透過厚度達2mm的涂層或絕緣層檢測裂縫、能在粗糙的腐蝕損傷表面工作、能測定不均勻金屬結構的裂縫以及實現裂紋缺陷定性定量檢測等諸多優點，能有效彌補現階段磁粉檢測(MT)、渦流檢測(ET)等在表面裂紋檢測方面的不足，極大的提高檢驗效率。

目前，國內對ACFM技術的研究尚處于理論研究、模擬仿真階段，市場上還沒有相關的產品問世，處于一片空白，本文研發的基于ACFM技術的便攜式表面裂紋檢測儀，有效地彌補國內空白，并對現有的無損檢測技術提供新的前沿技術手段，極大地提高檢測工作效率。

2 ACFM裂紋檢測儀測試原理

本文研發的ACFM裂紋檢測儀主要包括測試主機和檢測探頭組成，其測試原理是基于ACFM檢測技術，其測試原理示意圖如圖1所示，ACFM檢測技術是通過利用電磁感應的基本原理實現的，對內置于檢測探頭內U形磁芯上的激勵線圈通以一定頻率的交變電流，當測試探頭靠近金屬工件表面時，激勵線圈中的交變電流會產生交變磁場，交變磁場在金屬工件表面會進一步感應出交變電流，且在電磁感應“肌膚效應”的影響下，感應交變電流會集中分布在金屬工件表面。當金屬工件表面不存在裂紋等缺陷時，感應交變電流在金屬工件表面均勻分布，可視為等同于勻強電流場，此時，勻強電流場在其空間范圍內會進一步產生勻強的交變電磁場，在主機測試端將檢測到磁場信號無變化，說明工件表面無缺陷；當金屬工件表面存在裂紋等缺陷時，該缺陷會導致金屬工件表面均勻分布的交變電流在經過缺陷處時發生改變，從而引起缺陷周圍的交變感應磁場發生改變，通過研究并提取感應磁場變化信號特征，從而實現對金屬工件表面裂紋等缺陷定性定量的檢測。

圖1 ACFM檢測原理示意圖

2.1 裂紋缺陷深度方向檢測原理

假設被檢測金屬工件表面存在裂紋缺陷，當檢測探頭靠近被檢測金屬工件表面時，工件表面產生的感應電流會沿著裂紋缺陷的兩端和其底部方向發生偏轉(因缺陷處的電阻比值較無缺陷處大)，如圖1所示，若工件表面產生的感應電流沿著a點處逆時針方向流動，根據法拉第右手螺旋定則可知，將在金屬工件表面缺陷處產生一個方向向上的感應磁場，相反感應電流沿著b點處順時針方向流動根據法拉第右手螺旋定則可知，將在金屬工件表面缺陷處產生一個方向向下的感應磁場，因此，根據這兩者的變化特征，可以得到如圖1所示的裂紋缺陷深度方向磁感應Bz的特征曲線，對形成的Bz特征曲線進行一系列算法求解，從而實現對裂紋缺陷深度定性定量的檢測。

2.2 裂紋缺陷長度方向檢測原理

裂紋缺陷長度方向檢測原理同深度方向檢測原理基本一致，如圖1所示，當檢測探頭靠近被檢測金屬工件表面時，工件表面會產生感應電流，根據法拉第右手螺旋定則可知，當被檢測金屬工件表面存在裂紋缺陷時，感應電流流向缺陷兩端和底部位置時會發生方向的偏轉產生垂直方向感應磁場的同時在金屬表面同樣會產生水平方向的感應磁場，通過捕捉該磁場變化特征可得到裂紋缺陷長度方向磁感應Bx的特征曲線。通過裂紋缺陷對金屬工件表面感應電流流向的影響并結合裂紋缺陷的物理特證的研究可知，裂紋缺陷深度越深，流經的電流強度反而越小，而在裂紋中部電流強度最小，電流線分布也最稀疏，反應出來的水平方向磁感應強度Bx值也最小，因此磁感應強度Bx值越小，對應的磁感應強度Bz值越大，當Bx值達到最小時，對應的Bz值最大，最后通過對Bx、Bz方向的特征曲線求解，實現對裂紋缺陷水平方向和深度方向定性定量的檢測。

根據上述對Bx、Bz方向磁感應強度變化特征的論述，當檢測到金屬工件表面存在裂紋缺陷時，將檢測信號Bx和Bz的特征值以時基圖的形式進行描述，同時以Bz值作為橫坐標，Bx值作為縱坐標，就可以得到如圖2所示的Bx、Bz特征曲線及蝶形圖，本文之所以將檢測到的裂紋缺陷信號以蝶形圖的形式展示，主要考慮到在檢測過程中，由于人為操作等原因可能導致檢測探頭移動不穩定，此時，若以檢測信號Bx和Bz的特征值作為時基圖來判定是否存在缺陷易造成缺陷漏檢或者誤檢，影響檢測的準確性，而通過蝶形圖能巧妙地解決這一難題。

圖2 Bx、Bz特征曲線及蝶形圖示意圖

當被測工件表面無裂紋缺陷時，感應電流在工件表面均勻分布的，產生的感應磁場強度Bx和Bz值幾乎保持恒定狀態，此時，對應的蝶形圖平面上的顯示的圖形為近似的一個點狀；當檢測到工件表面裂紋缺陷時，感應電流在工件表面分布將發生改變，從而引起感應磁場強度Bx和Bz值的變化，此時，對應的蝶形圖平面會形成一個類似于蝶形的封閉或近封閉曲線，即使檢測過程中檢測探頭出現抖動或者掃描速度不穩定，蝶形圖曲線形狀僅會發生微小的改變，并不會影響最終缺陷信號的判定，檢測結束后，仍將顯示完整的蝶形圖曲線，因此蝶形圖是判定有無缺陷的重要指標。

3 ACFM裂紋檢測儀的設計

本文設計的ACFM裂紋檢測儀主要包括測試主機和檢測探頭兩部分，其探頭內置檢測裝置，如圖3所示，在實際的檢驗工作中，為了方便探頭工作，將檢測探頭部門設計成轉輪形式，方便在不同的工件表面工作，有效地提高檢測效率。

圖3 探頭內置檢測裝置

此外，ACFM裂紋檢測儀還包括激勵線圈、激勵電源、高低通濾波以及信號放大等部分，激勵電源給激勵線圈同一定頻率的正弦交流電，激勵線圈產生正弦交變磁場，從而在被測工件表面產生感應電流場，一旦檢測到缺陷，感應電流信號在缺陷處產生畸變，引起Bx和Bz值發生改變，通過檢測線圈采集并將檢測信號放大、濾波等便可實現缺陷定性定量的檢測。

3.1 激勵線圈設計

激勵線圈的設計主要是將漆包線按照設計要求規律的纏繞在U型磁芯的骨架上，為提高激勵線圈工作的穩定性和激勵信號輸出強度的恒定性，磁芯選用錳鋅鐵氧體材質，磁芯的設計不宜體積過大或過小，體積過大，導致檢測探頭偏大，不利于較小工件表面的檢測；體積過小，感應電流信號薄弱，在檢測工件表面難以形成較強的電流場，影響檢測的準確性。本文設計的激勵線圈和磁芯如圖3所示。

3.2 激勵信號源

為使激勵線圈在通以一定頻率的交流電后能產生穩定且強大的交變磁場，從而在被測工件表面產生較強的感應電流場，本文采用圖4所示的DDS正弦信號源電路，同時，為了確保在被測工件表面能夠持續產生強的感應電流場，對激勵線圈產生的信號源進行了信號放大和功率放大，確保了激勵信號源的穩定性，提高檢測的準確性。

圖4 DDS正弦信號源電路圖

3.3 帶通濾波和信號顯示

當被測工件表面存在缺陷時，感應電流在缺陷處產生畸變，從而導致Bx和Bz值的變化，通過對采集的Bx和Bz信號值進行提取并進行帶通濾波，將其余的干擾信號剔除，保留缺陷信號，并將濾波后的缺陷信號進行放大，通過DC轉換電路直觀的顯示在測試屏幕上，因此變能得到Bx和Bz值的時基圖以及蝶形曲線圖。帶通濾波電路原理圖如圖5所示。

圖5 帶通濾波電路圖

4 ACFM裂紋檢測儀功能的實現及現場測試

4.1 ACFM裂紋檢測儀功能實現

ACFM裂紋檢測儀功能首先通過勵磁激勵信號源在待測金屬結構表面感應出電磁場；對待測金屬結構進行掃描及固定監測，獲取待測金屬結構的表面裂紋引起的旋轉磁場畸變信號，對旋轉磁場畸變信號做模擬信號處理并輸出；對經過處理后的旋轉磁場畸變信號進行放大及濾波預處理，并對預處理后的旋轉磁場畸變信號進行輸出；提取預處理后的旋轉磁場畸變信號的磁場相位信息，將模擬信號轉化為數字信號，對旋轉磁場畸變信號進行處理，并對待測金屬結構的表面裂紋進行實時判別、分析與識別。通過對待測金屬結構感應電磁場，完成對待測金屬結構的表面裂紋缺陷檢測。

4.2 功能驗證測試

為了驗證ACFM裂紋檢測儀功能，分別選取了不同規格的裂紋缺陷樣板(寬度分別為1號為0.5mm、2號為0.3mm、3號為0.1mm)進行了測試，如圖6所示。經過多次測試得到了不同規格的裂紋缺陷測試數據曲線圖，如圖7所示，其中X軸代表裂紋的水平方向，Z軸代表裂紋的深度方向。

圖6 不同規格裂紋缺陷樣塊測試

圖7 測試結果圖

根據測試結果可以得出X軸方向，裂紋缺陷越大,得出的測試曲線波峰變化值越明顯，峰值越大；在Z軸方向，波形的變化寬度基本上是一致的，因為在實驗板上，1、2、3號裂縫的長度都是一致的，只有寬度和深度是不同的，而裂紋缺陷越大,得出的測試曲線波峰變化值越明顯，峰值越大；三個裂縫形成的蝶形圖都是閉合的，表明存在裂紋，其中根據裂紋蝶形圖的面積可以通過算法計算出裂紋的深度及寬度等信息。因此可以得出實驗結果與理論設計計算基本一致。

4.3 現場測試

為進一步測試開發的ACFM裂紋檢測儀的功能，分別對儲罐焊接熱融合區域(涂層厚度2.1mm)以及滲透標準試塊進行了裂紋缺陷檢測，如下圖所示。其中圖8現場測試發現測試曲線發生彎曲變形但并未出現曲線波峰類似圖7所示的情況，因此不存在裂紋缺陷，出現彎曲變形考慮是由于近表面凹凸不平所致，后經現場磁粉探傷，未發現表面裂紋缺陷，兩種檢測方法所測得結果一致；圖9采用的滲透試塊測試，因滲透試塊表面存在細微狀的縫隙，在噴涂不同厚度的非金屬涂層后在事先標記處均測出了峰值變化的曲線，與圖7所示的情況基本一致，表明此處存在裂紋缺陷。

圖8 儲罐焊接熱融合區域檢測

圖9 滲透標準試塊裂紋缺陷試驗

5 結語

本文設計開發的基于ACFM技術的裂紋檢測儀可透過涂層或絕緣層實現對金屬表面工件裂紋缺陷快速準確的檢測，且被檢測金屬工件表面不需要經過任何處理，完成傳統磁粉檢測的全部功能，省去磁粉檢測表面打磨處理、人工磁化和采用磁懸液等諸多環節，極大提高工件表面裂紋的檢測效率，在承壓類儲罐、大型石化設備檢驗等方面具有十分重要的應用前景。