基于交流電磁場(chǎng)裂紋缺陷識(shí)別仿真研究*

周兆明, 張 佳, 谷翠琳

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川，成都 610500；2.西南油氣田分公司川西北氣礦，四川 成都 621700)

0 引言

目前，工件表面安全檢測(cè)評(píng)估方法有磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)等，但近表面裂紋檢測(cè)方法卻極少，傳統(tǒng)檢測(cè)方法難以滿足工件近表面裂紋的檢測(cè)需求。交流電磁場(chǎng)檢測(cè)是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一種電磁探測(cè)技術(shù)[1-2]，具有非接觸測(cè)量、無(wú)需打磨、可準(zhǔn)確測(cè)量裂紋長(zhǎng)度和深度等優(yōu)點(diǎn)，且檢測(cè)速度快、無(wú)損、性能穩(wěn)定，已廣泛用于油氣平臺(tái)、加工設(shè)備、壓力容器、儲(chǔ)罐、橋梁等工件表面安全評(píng)估檢測(cè)中。

Mostafavi[3]發(fā)現(xiàn)通有交流電的單矩形線圈可以在金屬工件表面獲得更均勻的磁場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)探針結(jié)構(gòu)來(lái)獲得更高的靈敏度； Raine等[4]設(shè)計(jì)出1個(gè)復(fù)合矩形線圈作為激勵(lì)線圈，與傳統(tǒng)線圈相比，具有自差小和自調(diào)零等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可提高探頭的掃描速度。國(guó)內(nèi)研究相對(duì)落后，1998年陳建忠等[5]首次介紹了ACFM技術(shù)及適用性；曹雄恒[6]提出了1種基于矩形線圈的交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)了單個(gè)矩形線圈探頭和復(fù)合矩形線圈探頭2種形式的激勵(lì)探頭；胡媛媛等[7]建立了交變磁場(chǎng)的測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)值仿真模型，詳細(xì)分析了交變電磁場(chǎng)的測(cè)量機(jī)理，為識(shí)別缺陷特征的檢測(cè)提供了理論依據(jù)；胡書輝[8]對(duì)基于交流電磁場(chǎng)檢測(cè)的裂紋尺寸反演計(jì)算進(jìn)行了研究，為ACFM的缺陷尺寸檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。綜上所述，國(guó)內(nèi)ACFM技術(shù)雖取得了一些進(jìn)步，但同時(shí)存在雖能檢測(cè)出工件缺陷，卻不能達(dá)到多變量測(cè)量、綜合化效果的問題[9-10]?；诖?，文章通過實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)不同深度下不同缺陷尺寸的缺陷簇群進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 仿真模型的建立

在實(shí)際工程作業(yè)中，當(dāng)通有交變電流的激勵(lì)線圈靠近工件時(shí)，交變電流會(huì)在工件周圍空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，被測(cè)工件表面的感應(yīng)電流因趨膚效應(yīng)聚集于工件表面。當(dāng)工件無(wú)缺陷時(shí)，工件表面由于勻強(qiáng)磁場(chǎng)存在，感應(yīng)電流線平行分布；若工件存在缺陷，電阻率的變化會(huì)對(duì)電流分布產(chǎn)生干擾，電流線在缺陷處產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，工件表面的磁場(chǎng)發(fā)生變化，當(dāng)電流經(jīng)過有裂紋缺陷的表面時(shí)，電流從裂紋的最深處向其邊緣集中[11-12]。當(dāng)沿著缺陷表面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，Bx軸出現(xiàn)1個(gè)寬凹陷區(qū)，反映缺陷的深度；Bz軸出現(xiàn)波峰和波谷，反映裂紋缺陷的長(zhǎng)度。因此，只需得到Bx和Bz的特征分布就可初步檢測(cè)出缺陷的位置和尺寸，檢測(cè)原理及效果如圖1所示。

傳統(tǒng)的U型線圈滿足多磁路少漏磁的檢測(cè)要求，故文章采用各截面為矩形的U型繞組作為激勵(lì)線圈，缺陷模型為典型的半橢圓形狀，尺寸為16 mm×0.4 mm×6 mm(長(zhǎng)×寬×深)，如圖2所示。設(shè)定缺陷區(qū)域的材料與工件材料相同，缺陷內(nèi)填充空氣，以缺陷上表面的中間位置為坐標(biāo)原點(diǎn)。模型包括矩形激勵(lì)線圈、U形磁芯和待測(cè)工件。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 裂紋周圍的感應(yīng)電流示意Fig.1 Schematic diagram of the induced current around the crack

圖2 有限元仿真模型Fig.2 Finite element simulation model

部件材料尺寸/mm相對(duì)磁導(dǎo)率電導(dǎo)率/(S·m-1)工件鋁模型尺寸200×200×20缺陷尺寸長(zhǎng)寬深160.461.000 02138 000 000U形磁芯純鐵長(zhǎng)高寬厚1003030204 00010 300 000

2 仿真結(jié)果與分析

通過Ansys Maxwell 3D中的后處理操作，選取距離工件表面1 mm、由缺陷中心向X軸正反方向各延伸20 mm的檢測(cè)路徑，提取該檢測(cè)路徑上磁感應(yīng)強(qiáng)度在X和Y方向上的分量Bx和Bz變化曲線，兩分量合成蝶形圖能夠閉合，如圖3所示。圖3(a)和(b)與ACFM原理中的Bx和Bz變化曲線圖對(duì)比，基本符合缺陷周圍的Bx和Bz信號(hào)值的變化規(guī)律，Bx分量圖中的凹陷和Bz分量圖的波峰波谷間距明顯地表現(xiàn)了缺陷的位置和尺寸。以Bz為橫坐標(biāo)，以Bx為縱坐標(biāo)繪制蝶形圖，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)有無(wú)缺陷的判斷，降低錯(cuò)判幾率，排除偽缺陷的干擾。從圖3(c)看出，蝴蝶圖能夠很好地閉合，可以實(shí)現(xiàn)ACFM對(duì)缺陷的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，提高檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度。

圖3 模型仿真結(jié)果特征曲線Fig.3 Model simulation results characteristic curve

基于ACFM原理，在有限元仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真的正確性，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量Fig.4 Experimental measurement

3 缺陷尺寸的檢測(cè)識(shí)別

ACFM檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)缺陷通常由磁感應(yīng)強(qiáng)度的Bx分量和Bz分量的特征信息確定。大量研究表明，無(wú)論缺陷深度的值如何改變，Bz信號(hào)值的波峰與波谷之間的距離都能在誤差允許范圍內(nèi)反映出缺陷的長(zhǎng)度；而Bx信號(hào)的波谷深度雖能反映出缺陷深度，但受缺陷長(zhǎng)度影響，與之呈負(fù)相關(guān)，即缺陷長(zhǎng)度越大，Bx信號(hào)的波谷深度越小[13-14]。因此，不能僅依靠Bx信號(hào)的波谷深度來(lái)估算缺陷的深度，必須同時(shí)對(duì)缺陷長(zhǎng)度所帶來(lái)的影響進(jìn)行修正，所得數(shù)據(jù)才具有可靠性。文章參考國(guó)外相關(guān)資料，引入靈敏度的概念[15]，靈敏度的引入能夠有效地補(bǔ)償檢測(cè)誤差，提高檢測(cè)精度，如式(1)所示：

(1)

式中：Sx為Bx信號(hào)靈敏度，等于Bx信號(hào)的波谷深度(Bx0-Bxmin)與無(wú)缺陷時(shí)Bx信號(hào)的幅值Bx0的比值；Sz為Bz信號(hào)的靈敏度，等于Bz信號(hào)在有缺陷時(shí)的最大值Bzmax與無(wú)缺陷時(shí)Bx信號(hào)的幅值Bx0的比值。

在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同深度下長(zhǎng)度為10，20及25 mm的半橢圓形缺陷進(jìn)行了建模仿真分析。工件材料設(shè)為金屬鋁，尺寸為200 mm×200 mm×20 mm(長(zhǎng)×寬×深)；線圈材料為銅，激勵(lì)電流為60 A，頻率為3 kHz，磁芯材料為純鐵，缺陷寬度統(tǒng)一設(shè)定為0.4 mm；磁芯與工件表面垂直距離為2 mm，于1 mm高度處提取Bx與Bz信號(hào)值，如圖5～6所示。

由圖5～6中Bx與Bz信號(hào)值的變化曲線可知，缺陷長(zhǎng)度為10 mm時(shí)，隨著缺陷深度的增加，Bx曲線的波谷深度變化幅度較為明顯，而Bz曲線中的峰谷間距變化較小。表2為缺陷長(zhǎng)度為10 mm時(shí)各特征值隨缺陷深度的變化，由表2可知，隨缺陷深度的增加，Bx信號(hào)及Bz信號(hào)的靈敏度都逐步增大。為得到更充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繼續(xù)對(duì)長(zhǎng)度為20 mm和25 mm的缺陷做仿真分析，如圖7～10所示，特征值如表3～4所示。

圖5 Bx隨缺陷深度變化 (缺陷長(zhǎng)10 mm)Fig.5 Bx varies with defect depth (defect length 10 mm)

圖6 Bz隨缺陷深度變化(缺陷長(zhǎng)10 mm)Fig.6 Bz varies with defect depth (defect length 10 mm)

缺陷深度/mmSx/%Sz/%Bz峰谷間距Dz/mm110.838.509.25214.1714.909.45315.3316.989.35417.2121.1210.80517.7424.4710.45819.4228.5010.20

可以看出，Bz曲線的峰谷間距值幾乎不受缺陷深度影響，從而可以通過測(cè)量Bz曲線峰谷間距來(lái)估算缺陷長(zhǎng)度。Bx曲線靈敏度不僅隨缺陷深度增加，也會(huì)隨缺陷長(zhǎng)度的增加而減小，需對(duì)其缺陷長(zhǎng)度造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償。

圖7 Bx隨缺陷深度變化曲線(缺陷長(zhǎng)20 mm)Fig.7 Bx varies with defect depth (defect length 20 mm)

圖8 Bz隨缺陷深度變化曲線(缺陷長(zhǎng)20 mm)Fig.8 Bz varies with defect depth (defect length 20 mm)

圖9 Bx隨缺陷深度變化曲線(缺陷長(zhǎng)25 mm)Fig.9 Bx varies with defect depth (defect length 25 mm)

4 ACFM對(duì)缺陷簇仿真分析

實(shí)際測(cè)量中，工件表面會(huì)出現(xiàn)多個(gè)缺陷同時(shí)存在的缺陷簇群情況?；诖?，建立了不同間距缺陷簇群研究其檢測(cè)靈敏度。設(shè)2個(gè)缺陷簇群各有5個(gè)缺陷，缺陷間距分別為0.1 mm和3 mm，每個(gè)缺陷設(shè)定為3 mm×4 mm×0.15 mm(長(zhǎng)×深×寬) 的橢圓。

圖10 Bz隨缺陷深度變化曲線(缺陷長(zhǎng)25 mm)Fig.10 Bz varies with defect depth (defect length 25 mm)

缺陷深度/mmSx/%Sz/%Bz峰谷間距Dz/mm18.098.8918.9028.3414.4318.76310.1219.5219.52410.9921.5819.84512.3725.1020.08814.9532.6921.00

表4 缺陷長(zhǎng)度為25 mm時(shí)各特征值隨缺陷深度的變化Table 4 Variation of each eigenvalue with the defect depth when the defect length is 25 mm

圖11 缺陷間距為0.1 mm時(shí)的Bz，Bx信號(hào)值Fig.11 Bz and Bx signal values when the defect pitch is 0.1 mm

圖12 缺陷間距為3 mm時(shí)的Bz，Bx信號(hào)值Fig.12 Bz and Bx signal values when the defect pitch is 3 mm

圖11～12為不同缺陷間距的缺陷簇特征曲線，從圖11中可知，當(dāng)缺陷簇中的缺陷間距為0.1 mm時(shí)，通過其Bx，Bz特征信號(hào)曲線所得出的結(jié)果為該處存在1個(gè)長(zhǎng)度約為15 mm的缺陷，但并非預(yù)期結(jié)果的5個(gè)缺陷，因此，ACFM很難識(shí)別過小的間距。在圖12中，將缺陷間距取為3 mm，此時(shí)缺陷簇群的Bx，Bz變化曲線雖然能夠判斷出缺陷的個(gè)數(shù)，變化的幅值進(jìn)一步增加，但仍不能對(duì)缺陷實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量識(shí)別。由此發(fā)現(xiàn)，在1個(gè)缺陷間距較小的缺陷簇群中，ACFM雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其中缺陷個(gè)數(shù)的識(shí)別，但很難準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷尺寸的識(shí)別，只有當(dāng)缺陷之間的距離足夠大時(shí)，ACFM才能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷定量識(shí)別，但是仍然存在著尺寸檢測(cè)的誤差。

5 結(jié)論

1) 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)的首要條件是能夠在工件的受檢部位感應(yīng)出勻強(qiáng)電流，并產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場(chǎng)。進(jìn)而通過分析缺陷周圍的磁場(chǎng)畸變信息，得出缺陷的物理特征。

2) ACFM能夠?qū)θ毕輰?shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的定位檢測(cè)，且Bz特征信號(hào)的缺陷長(zhǎng)度檢測(cè)較為準(zhǔn)確，而基于Bx特征信號(hào)的缺陷深度檢測(cè)必須滿足足夠的缺陷樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，才能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的缺陷深度估算。雖然ACFM建立龐大的缺陷樣本數(shù)據(jù)庫(kù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但相對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)說，無(wú)需進(jìn)行事先標(biāo)定，檢測(cè)結(jié)果直觀、準(zhǔn)確。就國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，ACFM是較實(shí)用的工件安全檢測(cè)技術(shù)。

3)Bz特征曲線的峰谷間距值幾乎不受缺陷深度的影響，可以通過測(cè)量Bz曲線的峰谷間距來(lái)估算缺陷長(zhǎng)度。Bx的靈敏度不僅會(huì)隨缺陷深度而增加，也會(huì)隨著缺陷長(zhǎng)度的增加而減小，必須對(duì)其缺陷長(zhǎng)度造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償。

4) ACFM雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其中缺陷個(gè)數(shù)的識(shí)別，但很難準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷尺寸的識(shí)別，只有當(dāng)缺陷之間的距離足夠大時(shí)，ACFM才能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷地定量識(shí)別。