交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)在壓力容器焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

李 兵 于 亮

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交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)在壓力容器焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

李 兵 于 亮

（濱州市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究所 濱州 256600）

摘 要：作為新型的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、無(wú)需標(biāo)定、無(wú)需打磨被檢工件表面等特點(diǎn)。根據(jù)該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的原理建立焊縫檢測(cè)的有限元仿真模型，開(kāi)發(fā)基于該項(xiàng)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用于壓力容器的焊縫檢測(cè)。通過(guò)其他檢測(cè)手段對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)在壓力容器焊縫檢測(cè)中的可行性。

關(guān)鍵詞：交流電磁場(chǎng)檢測(cè) 有限元 檢測(cè)系統(tǒng) 焊縫檢測(cè) 壓力容器

在壓力容器的定期檢驗(yàn)中，對(duì)壓力容器的焊縫檢測(cè)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。裂紋是焊縫檢測(cè)中常見(jiàn)的表面缺陷，嚴(yán)重威脅著壓力容器的安全運(yùn)行。通常采用磁粉檢測(cè)或者滲透檢測(cè)的方法對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)效率低，而且檢測(cè)的結(jié)果受人為因素影響較大，也不易保留，對(duì)裂紋只能進(jìn)行定性分析。

針對(duì)當(dāng)前壓力容器檢驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的情況，本文引入交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)常見(jiàn)壓力容器的焊縫進(jìn)行檢測(cè)。該技術(shù)不僅可以對(duì)壓力設(shè)備中常用的碳鋼材料進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于奧氏體不銹鋼，鉻鎳合金鋼等其他承壓設(shè)備所用材料都有非常優(yōu)異的檢測(cè)效果。對(duì)于壓力容器焊縫中出現(xiàn)的裂紋，運(yùn)用交流電磁場(chǎng)檢測(cè)方法，既能夠減少焊縫掃查的次數(shù)，又能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行定量分析，通過(guò)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出裂紋的長(zhǎng)度和深度，為焊縫返修提供可靠具體的數(shù)據(jù)支持；設(shè)計(jì)易用的上位機(jī)軟件，通過(guò)特征曲線和蝶形圖的方式判斷缺陷的有無(wú)，對(duì)檢測(cè)的結(jié)果可以進(jìn)行記錄保存，便于對(duì)裂紋數(shù)據(jù)的記錄整理；根據(jù)不同類(lèi)型的容器焊縫情況，設(shè)計(jì)可以覆蓋兩側(cè)母材的陣列檢測(cè)探頭，在提高工作效率的同時(shí)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)原理

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)ACFM），是一種在渦流檢測(cè)和漏磁檢測(cè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。ACFM技術(shù)具有非接觸檢測(cè)、定性定量檢測(cè)一次完成、不需標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)，且檢測(cè)速度快， 對(duì)試件表面清潔度要求不高， 成本低操作簡(jiǎn)單， 可廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、鐵路、石油、管道和壓力容器等行業(yè)。交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)原理是，當(dāng)通有交變電流的激勵(lì)線圈靠近被測(cè)工件時(shí)，激勵(lì)線圈上的交變電流在線圈周?chē)目臻g中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)又會(huì)在被測(cè)工件上產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于集膚效應(yīng)的影響，感應(yīng)的電流在工件的表面聚集。若被測(cè)工件表面無(wú)缺陷時(shí)，感應(yīng)電流的分布是均勻的，電流線也是近似平行的，在工件表面產(chǎn)生勻強(qiáng)的感應(yīng)磁場(chǎng)；若被測(cè)工件表面存在缺陷，因缺陷產(chǎn)生的電阻率的變化，使得表面感應(yīng)電流的分布發(fā)生變化，在缺陷附近電流線會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，引起工件表面的感應(yīng)磁場(chǎng)發(fā)生畸變。通過(guò)檢測(cè)工件表面感應(yīng)磁場(chǎng)的變化，就能反映出被檢工件表面的損傷情況［1］。

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)通過(guò)檢測(cè)工件表面的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化來(lái)反應(yīng)缺陷的存在情況［2］。為了便于對(duì)工件表面的感應(yīng)磁場(chǎng)進(jìn)行分析，可以分為Bx、By和Bz三個(gè)方向的分量，如圖1所示，Bx方向的數(shù)值在缺陷處會(huì)由于電流線稀疏出現(xiàn)極小值；Bz方向的數(shù)值由于在缺陷的兩端出現(xiàn)電流線的密集，會(huì)出現(xiàn)正負(fù)峰值；By方向一般對(duì)缺陷不敏感，因此通常取Bx和Bz方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值進(jìn)行分析［3-4］。

圖1　交流電磁場(chǎng)檢測(cè)中電流在缺陷附近的分布圖

通過(guò)檢測(cè)線圈可以得到Bx和Bz方向的特征曲線，再加上以特征曲線為極坐標(biāo)畫(huà)出的蝶形圖，便可以通過(guò)可視化的方式判斷被測(cè)工件表面有無(wú)缺陷［5］。圖2 為Bx和Bz方向的特征曲線與蝶形圖。

圖2　Bx和Bz方向的特征曲線與蝶形圖

2 焊縫檢測(cè)的仿真計(jì)算結(jié)果

采用Comsol Multiphysics數(shù)值仿真軟件建立交流電磁場(chǎng)檢測(cè)焊縫裂紋的數(shù)學(xué)模型（見(jiàn)圖3），針對(duì)壓力容器中應(yīng)用最廣的鐵磁性材料進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)中設(shè)置磁導(dǎo)率為1000，電阻率為檢測(cè)探頭線圈的激勵(lì)頻率為6kHz，用于模擬裂紋缺陷的尺寸為10mm×1mm×5mm，并取工件上方1.0mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度值繪制曲線。從圖4仿真結(jié)果可知，采用該模型的缺陷檢測(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值分布符合交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理。

圖4　鐵磁性材料工件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

3 檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

交流電磁場(chǎng)的檢測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)探頭、檢測(cè)儀器以及上位機(jī)組成。探頭是由激勵(lì)單元和檢測(cè)單元構(gòu)成，激勵(lì)單元用于在被檢工件表面產(chǎn)生激勵(lì)電流，檢測(cè)單元用于拾取工件表面的感應(yīng)磁場(chǎng)數(shù)值。根據(jù)檢測(cè)實(shí)際的需要分為單探頭和陣列探頭，單探頭包含一個(gè)單獨(dú)正交方向的檢測(cè)單元，一次掃查較小的檢測(cè)區(qū)域，適用于標(biāo)準(zhǔn)的掃查檢測(cè)。陣列探頭則是在檢測(cè)方向上布置多個(gè)正交方向的檢測(cè)單元，一次掃查可以檢測(cè)一定的面積，檢測(cè)效率高；檢測(cè)儀器主要對(duì)檢測(cè)線圈拾取的微弱信號(hào)進(jìn)行放大濾波，數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理，并將處理完的信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理［6］；上位機(jī)上裝有缺陷的分析軟件，可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)檢測(cè)通道的特征曲線和蝶形圖，并對(duì)出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行判斷后進(jìn)行定量分析，還可以對(duì)缺陷信息進(jìn)行保存和回放［7］。如圖5所示，為交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖，圖6為上位機(jī)軟件界面。

圖6　上位機(jī)檢測(cè)軟件

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1對(duì)板板焊接焊縫的檢測(cè)

采用壓力容器用16Mn材質(zhì)的兩塊鋼板進(jìn)行焊接，其中人工添加不導(dǎo)電的材料作為夾雜物，使其在焊縫中形成不連續(xù)的缺陷，如圖7所示。不連續(xù)夾雜物的長(zhǎng)度20mm，深度3mm。利用交流電磁場(chǎng)檢測(cè)儀，對(duì)該工件的焊縫進(jìn)行掃查檢測(cè)，被檢工件焊縫的寬度約20mm，在檢測(cè)探頭的有效檢測(cè)范圍內(nèi)，因此一次掃查即可，同時(shí)根據(jù)被檢材料的電磁特性，選擇6kHz作為激勵(lì)頻率，順時(shí)針?lè)较蛴行Р⑦M(jìn)行慢速掃查。掃查結(jié)果顯示，當(dāng)探頭經(jīng)過(guò)夾雜物時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)了Bx和Bz特征信號(hào)，并且沿順時(shí)針?lè)较虺霈F(xiàn)閉合的蝶形圖，如圖8所示，判斷結(jié)果為有不連續(xù)缺陷存在，同時(shí)，探頭所帶編碼器對(duì)缺陷長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)數(shù)，長(zhǎng)度為19.5mm，計(jì)算深度為3.2mm，可見(jiàn)檢測(cè)結(jié)果的誤差在工程允許的范圍內(nèi)。

圖7　人工缺陷工件圖

圖8　缺陷處的特征曲線和蝶形圖

4.2對(duì)在用球罐焊縫的檢測(cè)

某石化企業(yè)的1000m3丙烯球罐進(jìn)行定期檢驗(yàn)的過(guò)程中，多條焊縫出現(xiàn)了裂紋，運(yùn)用交流電磁場(chǎng)檢測(cè)儀對(duì)該球罐剩余焊縫進(jìn)行掃查發(fā)現(xiàn)有缺陷存在并進(jìn)行標(biāo)記，之后使用磁粉檢測(cè)的方法對(duì)標(biāo)記之處進(jìn)行驗(yàn)證性檢測(cè)，均證實(shí)了裂紋的存在。圖9為其中一條裂紋的圖示，該裂紋存在T型焊接接頭的水平焊縫上，由于T型焊縫對(duì)于交流場(chǎng)檢測(cè)來(lái)說(shuō)容易產(chǎn)生非相關(guān)的檢測(cè)信號(hào)，因此對(duì)于此類(lèi)型焊縫的檢測(cè)，應(yīng)采用小檢測(cè)區(qū)域的探頭，以均勻慢速的速度進(jìn)行掃查，對(duì)于出現(xiàn)的缺陷信號(hào)需多次掃查確認(rèn)，排除非相關(guān)信號(hào)的干擾。圖10～圖12為該處裂紋的特征信號(hào)和蝶形圖。

圖9　T型接頭附近的裂紋

圖10　缺陷處的蝶形圖

圖11　缺陷處的Bx特征曲線

圖12　缺陷處的Bz特征曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

將交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于壓力容器焊縫的檢測(cè)中，不僅可以減少現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)效率，而且檢測(cè)結(jié)果可以存儲(chǔ)，可以對(duì)缺陷的尺寸進(jìn)行定量分析。利用有限元仿真軟件對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行分析計(jì)算，確定交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)用于焊縫檢測(cè)的機(jī)理和特征。通過(guò)對(duì)人工缺陷試塊和球罐的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用，驗(yàn)證了該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的可行性。

參考文獻(xiàn)

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ACFM Technique in the Detection of a Pressure Vessel Weld

Li Bing Yu Liang
(Binzhou City Special Equipment Inspection Institute Binzhou 256600)

AbstractAs a new type of electromagnetic non-destructive testing technology， ACFM technique has lots of characteristics, such as non-contact, no calibration, no need to polish the surface. According to its principal, this article establishes the fnite simulation model of weld inspection， develops the inspection system applied in the weld inspection of pressure vessel. Comparing with the test results of other detection means, its feasibility in pressure vessel weld inspection is verifed.

KeywordsACFM FEM Detection system Weld Inspection Pressure vessel

中圖分類(lèi)號(hào)：X924.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）04-0047-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.04.008

作者簡(jiǎn)介：李兵（1986～），男，碩士，承壓類(lèi)特種設(shè)備檢驗(yàn)員，工程師，從事承壓類(lèi)和機(jī)電類(lèi)特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。

收稿日期：（2015-10-30）