水下結(jié)構(gòu)件的ACFM檢測圖譜

王 喆，張大偉，黃江中，陳 勇，劉 凱，許 威，趙翠華

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

交流電磁場檢測（ACFM）是一種能夠精確測量金屬表面裂紋的電磁場無損檢測技術(shù)，它利用正交信號源激勵線圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場來檢測裂紋。ACFM技術(shù)具有非接觸、不需標(biāo)定、檢測速度快和適應(yīng)性好等特點，在海洋平臺結(jié)構(gòu)件的檢測中有良好的應(yīng)用前景。

ACFM檢測受外界影響因素較大，對信號的判別要求較高。其他信號對缺陷信號的影響將使缺陷的辨認(rèn)變得更加困難，這些信號將與缺陷信號混在一起使得磁場發(fā)生改變。對一名ACFM操作者來說，定量的認(rèn)識由諸如幾何效應(yīng)等無關(guān)信號所產(chǎn)生的影響非常重要。有些信號還可以由視覺探視識別來幫助進(jìn)行定量確認(rèn)。為了在實際檢測時幫助識別缺陷，筆者采用ACFM設(shè)備進(jìn)行了大量的現(xiàn)場檢驗，并對檢測圖譜進(jìn)行了分析和總結(jié)，在ACFM檢測圖譜的識別上取得了一些有益的經(jīng)驗。

1 技術(shù)原理

ACFM檢測時在工件中通以交變電流，若金屬中有裂縫出現(xiàn)，金屬表面磁場便會產(chǎn)生變異，儀器探頭迅速將檢出的信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)作分析，經(jīng)軟件運算后，可將裂縫的準(zhǔn)確位置、長度及深度顯示出來［1］。ACFM的原理圖如圖1所示。

2 檢測設(shè)備

圖1 ACFM檢測原理示意圖

使用英國的TSC技術(shù)軟件咨詢公司U31型檢測設(shè)備，該設(shè)備由一個借助控制管纜連接到水上單元的水下單元組成，比早期的U11和U21小巧輕便得多，對單一探頭來說，它可以支持多達(dá)16通道的簡單油漆刷風(fēng)格的陣列式分布的探頭。ACFM數(shù)據(jù)顯示界面如圖2所示，顯示三個信號：以時間為基軸的Bx、Bz軌跡曲線及用極坐標(biāo)表示Bx、Bz相對關(guān)系的蝴蝶圖。

圖2 ACFM數(shù)據(jù)顯示界面

3 圖譜分析

由缺陷引起的顯示為相關(guān)顯示，由工件結(jié)構(gòu)等非缺陷引起的顯示為非相關(guān)顯示。

3.1 非相關(guān)顯示的鑒別

3.1.1 受檢構(gòu)件表面狀況對信號的影響

水下結(jié)構(gòu)件表面覆蓋著較多的海生物，檢測圖像受到表面粗糙度的影響，即使?jié)撍畣T清理之后，也會有一些硬質(zhì)海生物殘留，影響表面的平整度。應(yīng)掌握識別由表面粗糙度引起的圖譜非相關(guān)顯示，利用Bx、By、Butterfly數(shù)據(jù)的相互關(guān)系進(jìn)行鑒別。如圖3為典型導(dǎo)管架節(jié)點焊縫檢測圖像的非相關(guān)顯示。

3.1.2 邊緣效應(yīng)的影響

在工件邊緣位置垂直于焊縫方向的正表面電流密度會變小，探頭離開邊緣時工件表面電流密度增大，Bx會有增大趨勢，由于相當(dāng)于探頭離開了一個較大的裂紋，所以C方向Bz有增大趨勢；靠近邊緣時，垂直焊縫方向的表面電流密度減小，Bx有減小趨勢，C方向Bz會有增大趨勢。對于標(biāo)準(zhǔn)探頭而言，邊緣效應(yīng)會產(chǎn)生如圖4所示的非相關(guān)顯示信號。

圖3 結(jié)構(gòu)表面粗糙度對檢測圖像的非相關(guān)顯示

圖4 邊緣效應(yīng)對ACFM檢測圖像的非相關(guān)顯示

3.1.3 提離效應(yīng)的影響

探頭小幅的提離不會影響探頭的操作，但較大的提離動作會減弱信號。如果在Bx、Bz信號同時出現(xiàn)多個疑似裂紋信號，可能是在掃描中時斷時續(xù)地接觸到焊縫的余高造成了提離效應(yīng)，但也有可能是同時出現(xiàn)了多條復(fù)雜裂紋。此時操作員應(yīng)通知檢測人員在掃描的鄰近區(qū)域存在其他焊縫或掃描焊縫表面有較大的凸凹現(xiàn)象。檢測人員應(yīng)根據(jù)掃描焊趾所發(fā)出噪聲等級的漸進(jìn)變化進(jìn)行判斷。

3.1.4 構(gòu)件幾何形狀的影響

當(dāng)探頭掃描緊湊型結(jié)構(gòu)的構(gòu)件時，Bx信號將呈現(xiàn)持續(xù)增長的狀態(tài)，比如管線接頭處或?qū)Ч芗躃節(jié)點。如圖5所示。

圖5 緊湊型的構(gòu)件對ACFM檢測圖像的非相關(guān)顯示

3.1.5 材料磁性的影響

剩磁會影響材料的磁性從而影響到交流電磁場檢測圖像。對于鋼結(jié)構(gòu)，剩磁會在幾個小時內(nèi)消失，但是最近使用過磁粉檢測儀或者其他磁性設(shè)備的區(qū)域應(yīng)該進(jìn)行退磁處理。

3.1.6 異種材料的影響

當(dāng)掃描穿過異種材料的區(qū)域或垂直方向焊縫的區(qū)域通常會產(chǎn)生類似橫向裂紋信號。應(yīng)通過平行于焊縫的不同位置掃描來進(jìn)行確認(rèn)。如圖6所示，至少應(yīng)該做這樣三次的平行掃描。掃描1為類似裂紋顯示；掃描2為類似裂紋顯示；掃描3為非裂紋顯示；掃描4為類似裂紋顯示。

圖6 異種材料區(qū)域的非相關(guān)顯示排除

3.2 相關(guān)顯示的分類

相關(guān)顯示的Bx，Bz波幅應(yīng)包含典型的由裂紋引起的變化信息，并出現(xiàn)蝴蝶圖。

3.2.1 平行掃描方向的裂紋相關(guān)顯示

平行于掃描方向的裂紋產(chǎn)生典型的裂紋圖譜顯示，Bx出現(xiàn)谷值、Bz出現(xiàn)峰谷值及標(biāo)準(zhǔn)的蝴蝶圖，如圖7所示。

圖7 平行掃描方向的裂紋相關(guān)顯示

3.2.2 與掃描方向有一定角度的裂紋相關(guān)顯示

如果裂紋方向與掃描方向成一定角度，探頭只經(jīng)過靠近裂紋的一端，距離掃描位置較近的裂紋一端，電流變化與常規(guī)裂紋相同，生成一半正常的圖譜，距離掃描位置較遠(yuǎn)的一端裂紋，由于對電流的影響減弱，圖譜信號減弱，如圖8所示。

圖8 與掃描方向有一定角度的裂紋相關(guān)顯示

3.2.3 其他結(jié)構(gòu)件影響的裂紋相關(guān)顯示

受其他構(gòu)件影響的裂紋，裂紋信號會疊加到結(jié)構(gòu)幾何形狀影響效應(yīng)中，如圖9所示。此時，計算裂紋深度，Bx背景值應(yīng)取裂紋兩端的背景值之間的數(shù)值。

圖9 其他結(jié)構(gòu)件影響的裂紋相關(guān)顯示

3.2.4 垂直掃描方向的裂紋相關(guān)顯示

當(dāng)裂紋垂直于焊縫方向，由于其平行于電場且垂直于磁場，會產(chǎn)生垂直焊縫方向的電流高密度集中，Bx出現(xiàn)波峰，xy面環(huán)向電流方向相反，C方向掃描，Bz先出現(xiàn)波峰后出現(xiàn)波谷；而普通縱向裂紋C方向掃描Bz先出現(xiàn)波谷后出現(xiàn)波峰。C方向掃描，Butterfly圖譜為逆時針方向，如圖10所示。材料變化會產(chǎn)生相同的信號，根據(jù)圖10進(jìn)行評估判斷。

圖10 垂直掃描方向的裂紋相關(guān)顯示

3.2.5 線性接觸點和多個裂紋相關(guān)顯示

如果接觸點出現(xiàn)在裂紋面中，裂紋的主環(huán)路中會出現(xiàn)蝶形信號回路，并會在延展區(qū)中突出顯示。同時，如果多個裂紋出現(xiàn)在鄰近的掃描區(qū)域中，會產(chǎn)生多個環(huán)路，但Bx信號會返回環(huán)路之間的背景中。“線性接觸”通常發(fā)生在兩條裂紋相鄰時，此時兩條裂紋對應(yīng)的蝴蝶圖會相互交疊，最終融為一體。這在圖像顯示上顯示為一個明顯的“橋節(jié)點”，這個點直至兩條裂紋融合為一條大裂紋后才消失，如圖11所示。

圖11 “線性接觸”的裂紋相關(guān)顯示

3.2.6 掃描區(qū)域以外的裂紋相關(guān)顯示

如果裂紋位置在掃描區(qū)域外，隨著掃描位置距離裂紋越來越遠(yuǎn)，圖譜信號逐漸減弱，Butterfly圖逐漸減小，如圖12所示?？赏ㄟ^平行掃描的方式對檢測出的疑似裂紋進(jìn)行檢驗。

圖12 掃描區(qū)域外的裂紋相關(guān)顯示

4 缺陷判定的流程

ACFM檢測完成后需對顯示信號進(jìn)行評估，應(yīng)能從相關(guān)干擾信號中辨別出裂紋信號顯示。ACFM圖像能夠形成焊縫裂紋缺陷和其他干擾因素的特征圖像，對非相關(guān)顯示的鑒別是有必要的。根據(jù)上述的分析，編制出一個簡單的工藝流程（如圖13）對如何判定缺陷有益，以用于實際檢測時幫助識別缺陷。

5 結(jié)論

（1）ACFM技術(shù)采用以時間為基軸的Bx、Bz軌跡曲線及用極坐標(biāo)表示Bx、Bz相對關(guān)系的蝴蝶圖顯示，所以可以通過磁場曲線結(jié)合蝴蝶圖的特征有效地進(jìn)行缺陷識別分析。

圖13 缺陷判別的工藝流程

（2）ACFM圖像能夠形成焊縫裂紋缺陷和其他干擾因素的特征圖像。圖譜分析應(yīng)正確地鑒別出非相關(guān)顯示。分析相關(guān)顯示的Bx，Bz波幅應(yīng)包含典型的由裂紋引起的變化信息，并出現(xiàn)蝴蝶圖。

（3）通過ACFM的缺陷判別流程有助于正確識別缺陷。

［1］胡書輝.裂紋的交流電磁場檢測與反演研究［D］.天津：天津大學(xué)，2004.