水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭設(shè)計*

蔣維宇 李 偉 張宗華 袁新安 葛玖浩 趙建明 馬維平

(1. 中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心 山東青島 266580； 2. 山東省特種設(shè)備檢驗研究院棗莊分院 山東棗莊 277100)

近年來，隨著海洋工程領(lǐng)域不斷發(fā)展，許多海上設(shè)施諸如海洋平臺、海底管道等逐漸進入了服役壽命的中后期。由于海洋設(shè)備長期工作在嚴峻的海洋環(huán)境下[1-2]，受洋流、風(fēng)暴、高壓、大載荷等極端環(huán)境載荷的影響，結(jié)構(gòu)物表面的局部微小裂紋在腐蝕和外力作用下可快速發(fā)展并引起結(jié)構(gòu)失效，如疲勞、斷裂和腐蝕等。近年來水下井口泄漏、海洋平臺倒塌以及管道泄漏等國內(nèi)外數(shù)起嚴重災(zāi)難均與水下結(jié)構(gòu)物失效有關(guān)。據(jù)美國海洋能源管理規(guī)劃執(zhí)法局(BOEMRE)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2001—2007年，美國共發(fā)生了1 443 起大型海洋油氣事故，其中 476 起火災(zāi)事故及356 起嚴重泄漏污染事故造成了極大的經(jīng)濟損失及環(huán)境破壞[3-4]。因此，定期對海上設(shè)備進行有效檢測和安全評價，及時發(fā)現(xiàn)海洋結(jié)構(gòu)物微小裂紋，并制定維修或改裝方案，對保障海洋結(jié)構(gòu)物安全服役、預(yù)防重大海洋事故、保證作業(yè)人員安全具有重大意義[5]。

由于受到海洋惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)物表面附著物堆積、信號衰減嚴重等因素干擾，水下結(jié)構(gòu)物的缺陷檢測存在檢測效率低下、操作難度系數(shù)高、檢測費用昂貴等問題。當前，國內(nèi)外主要水下無損檢測方法有目視檢測、磁粉檢測、超聲檢測、渦流檢測、交流電磁場檢測等，其中前3種檢測方法均需對水下結(jié)構(gòu)物表面進行大面積清理。此外，目視檢測主要依賴操作人員的經(jīng)驗來判定缺陷損傷，時間及勞動成本高[6]；磁粉檢測由于存在洋流干擾，導(dǎo)致磁粉難以吸附在結(jié)構(gòu)物表面而造成檢測難以實施[7-8]；超聲檢測則需要探頭與結(jié)構(gòu)物表面緊密貼合，但水下結(jié)構(gòu)物表面凹凸不平且海洋環(huán)境中存在復(fù)雜噪聲信號，導(dǎo)致超聲信號易受干擾而造成檢測困難[9-10]；而渦流檢測技術(shù)由于對提離擾動敏感，且探頭與結(jié)構(gòu)表面提離高度有限，難以適應(yīng)水下結(jié)構(gòu)物復(fù)雜的表面工況[11-12]。

交流電磁場檢測(Alternating Current Field Measurement，ACFM)是一種新興的無損檢測技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物缺陷的檢測與評估[13-14]。該技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，通過對激勵線圈加載激勵信號，當檢測探頭靠近試件表面時，將在試件表面感應(yīng)出均勻的電場；當感應(yīng)電場遇到缺陷時，電場將從缺陷的兩端和底部繞過，從而引起缺陷周圍磁場的擾動，最終通過提取空間畸變磁場信號實現(xiàn)對缺陷進行定量分析[15-16]。該技術(shù)產(chǎn)生的均勻感應(yīng)電流對提離不敏感，能夠穿透水下結(jié)構(gòu)物上的附著物及涂層對缺陷進行檢測，無需清理或僅需少量簡單清理結(jié)構(gòu)物表面附著物即可實現(xiàn)非接觸式測量。目前，英國天然氣公司和殼牌聯(lián)合推出了ACFM缺陷可視化項目，TSC公司依據(jù)ACFM理論開發(fā)出第3代水下結(jié)構(gòu)缺陷ACFM檢測U31系列儀器[17-18]。PETROBRAS石油公司采用ACFM替代MPI技術(shù)進行了水下結(jié)構(gòu)檢測，2年節(jié)省了150萬美元；澳大利亞將ACFM探頭安裝于ROV的機械手上用于深海檢測，效果良好[19]。

不銹鋼材料在海水環(huán)境中有著廣泛應(yīng)用，由于不導(dǎo)磁、電導(dǎo)率小，表面微小裂紋檢測一直是無損檢測行業(yè)的一大難題。根據(jù)Smith等[20]開展的不銹鋼裂紋檢測結(jié)果，國外交流電磁場檢測技術(shù)對不銹鋼板表面長度低于5 mm，深度小于1 mm的微小裂紋檢出率較低，很容易造成缺陷的漏檢。針對以上問題，本文基于交流電磁場檢測技術(shù)對水下不銹鋼結(jié)構(gòu)物表面微小裂紋開展研究，建立了水下ACFM探頭仿真模型，通過提取裂紋特征信號，研發(fā)了水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭，并通過水下裂紋檢測實驗測試了該探頭的裂紋檢測精度，結(jié)果表明所研發(fā)的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭可有效提高不銹鋼薄板表面微小裂紋檢測能力，為水下結(jié)構(gòu)缺陷早期裂紋預(yù)警及結(jié)構(gòu)物長期安全服役提供技術(shù)支持，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

1 水下ACFM檢測探頭仿真模型建立

水下檢測探頭的激勵模塊以U型錳鋅鐵氧體磁芯作為基體，采用0.15 mm的銅絲緊密纏繞于磁芯上。由于海水環(huán)境的復(fù)雜性，在傳統(tǒng)理論模型基礎(chǔ)上建立ACFM檢測探頭仿真模型時，一般都要考慮海水電磁特性參數(shù)對ACFM電磁感應(yīng)交互作用的影響。電磁波在海水中的衰減幅度與電磁波頻率成正相關(guān)，水下交流電磁場技術(shù)一般選用低頻正弦信號，且探頭與結(jié)構(gòu)物之間的距離較小，因此電磁波在微小提離之間的海水介質(zhì)傳播時衰減幅度較小，可忽略海水對電磁場傳播的影響[21-22]。基于以上原則，本文采用ANSYS軟件建立水下ACFM裂紋檢測仿真模型(圖1)，模型中裂紋尺寸長度為5 mm，深度為4.5 mm，寬度為0.2 mm，具體模型參數(shù)見表1。

圖1 水下ACFM檢測仿真模型

參數(shù)數(shù)值導(dǎo)線直徑/mm0.15線圈匝數(shù)500試件材料低碳鋼加載電流/A0.1電流頻率/Hz1000海水磁導(dǎo)率/(H·m-1)4π×10-7海水電導(dǎo)率/(S·m-1)3.32

提取不同深度裂紋正上方2 mm(即提離2 mm)位置X方向磁感應(yīng)強度(沿著裂紋方向，記為Bx)和Z方向磁感應(yīng)強度(垂直于試塊方向，記為Bz)的磁畸變數(shù)值(圖2)，可以看出特征信號Bx在裂紋中心位置出現(xiàn)波谷，同時特征信號Bz在裂紋兩端出現(xiàn)方向相反的峰值，即Bx和Bz畸變規(guī)律與ACFM原理一致。在實踐中，由于水下結(jié)構(gòu)物的附著物較多，探頭經(jīng)常發(fā)生抖動，很容易引入各類振動信號。實際上，探頭抖動是探頭與試件的提離發(fā)生變化，由于Bz在不同提離下的背景磁場均為0，對探頭提離具有較大抗干擾性，有利于水下缺陷的判定；而特征信號Bx背景磁場數(shù)值較大，很容易受到提離影響，且Bx磁場畸變量在背景磁場中數(shù)值較小，很容易被噪聲信號掩蓋呈現(xiàn)不規(guī)律性。因此，針對水下ACFM高靈敏度檢測探頭，將Bz作為微小裂紋判定的特征信號。

圖2 試塊裂紋上方畸變磁場特征信號

2 水下ACFM檢測探頭設(shè)計

2.1 探頭整體結(jié)構(gòu)

探頭的檢測靈敏度是水下ACFM探頭設(shè)計的關(guān)鍵，直接影響到整個探頭檢測的靈敏度和精度。本文設(shè)計的水下ACFM高靈敏度探頭主要由激勵線圈、檢測傳感器、信號初處理模塊和密封殼體等組成，如圖3所示。

圖3 本文設(shè)計的水下ACFM探頭結(jié)構(gòu)

激勵線圈采用0.15 mm漆包銅線在U型錳鋅鐵氧體磁芯的橫梁上均勻纏繞500圈，檢測傳感器設(shè)置在U型磁芯底部中心，探頭殼體內(nèi)部設(shè)有信號預(yù)處理模塊，對檢測到的微弱磁場信號進行初步放大處理。探頭第一級密封采用水壓自緊式密封，蓋板與探頭殼體之間設(shè)有密封墊，依靠螺釘施加預(yù)緊力；隨著水壓增大，密封更加嚴密。探頭殼體槽內(nèi)設(shè)有O型密封圈，依靠其形變形成第二級密封。探頭與外界通訊采用水密封連接器。

2.2 檢測傳感器

不銹鋼薄板具有不導(dǎo)磁、電導(dǎo)率小的特性，工件表面感應(yīng)的電流場在微小裂紋周圍擾動不明顯，引起的空間磁場畸變信號較小，導(dǎo)致傳統(tǒng)線圈式磁場傳感器難以有效獲取裂紋周圍畸變信息，造成裂紋的漏檢?；陔娮幼孕?yīng)所研制的隧道磁阻磁場傳感器是近年新興的一種低功耗、高靈敏度、小體積磁場傳感器，在磁信息讀寫、生物信息與高精度磁場檢測等方面得到越來越廣泛的關(guān)注。本文對比了傳統(tǒng)霍爾(Hall)、各向異性磁電阻(AMR)、巨磁阻(GMR)和TMR磁場傳感器在封裝尺寸、靈敏度和功耗上的各項參數(shù)(表2)，結(jié)果表明TMR磁場傳感器有較大的線性范圍、極低的功耗、更高的靈敏度、更小的封裝尺寸，非常適合于微弱磁場檢測。本文選擇TMR作為檢測傳感器，該傳感器采用了獨特的推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用供差分電壓輸出，當磁場強度在-100～100 Oe時，傳感器輸出電壓成線性變化，具有極寬的動態(tài)范圍，滿足水下ACFM磁場檢測需求。將TMR磁場傳感器焊接在電路板上，并置于U型磁芯的中間底部位置，保持磁場傳感器距離試件表面提離高度為2 mm。該磁場傳感器輸出一路差分信號，記為Bz+、Bz-。

表2 不同磁場傳感器技術(shù)參數(shù)對比

2.3 信號初處理模塊

TMR磁場傳感器檢測到的缺陷周圍畸變的磁場信號通常十分微弱，感應(yīng)磁場產(chǎn)生的電壓信號范圍在±0.1V左右，且含有較多的高頻和靜電等噪聲信號以及工頻的干擾，需要對TMR傳感器輸出的電壓信號進行放大和濾波處理。信號初處理模塊以集成運算放大器和濾波處理電路為核心，其中選擇AD620作為磁場傳感器輸出信號的運算放大器模塊。利用AD620對獲得的Bz信號放大100倍，借助電路中的RC低通濾波器濾出高頻噪聲信號，輸出Bz單端信號。最終設(shè)計的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭如圖4所示。

圖4 水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭

3 水下ACFM檢測探頭裂紋測試實驗

3.1 水下ACFM檢測探頭裂紋測試系統(tǒng)

水下ACFM檢測探頭裂紋測試實驗原理如圖5所示。該測試系統(tǒng)主要包括水下探頭、水下艙體和上位機，其中水下艙體內(nèi)設(shè)有激勵模塊和阿爾泰NET2801以太網(wǎng)信號采集卡，利用以太網(wǎng)實現(xiàn)缺陷信號的長距離傳輸，具體參數(shù)見表3。激勵模塊產(chǎn)生信號幅值為5 V、頻率為1 000 Hz的正弦波加載至U型激勵線圈上，U型激勵線圈在工件表面產(chǎn)生均勻電場。當裂紋出現(xiàn)時，電場在裂紋深度方向和裂紋兩端發(fā)生偏轉(zhuǎn)；偏轉(zhuǎn)電流引起空間磁場畸變，位于探頭內(nèi)的高靈敏度TMR磁場傳感器可獲取裂紋特征信號Bz；特征信號經(jīng)過探頭內(nèi)部初處理后進入艙體內(nèi)的采集卡，采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸至計算機。

圖5 水下ACFM檢測探頭裂紋測試實驗原理圖

參數(shù)數(shù)值輸入量程/ V±10采樣速率/Hz31～250輸入量程32路單端AD轉(zhuǎn)換時間/μs≤1.25工作溫度范圍/℃-40～+85程控增益1/2/4/8倍非線性誤差/ LSB±3精度0.1%轉(zhuǎn)換精度/位16 模擬輸入阻抗/ MΩ10

基于LabVIEW和MATLAB編寫的裂紋識別程序,計算機首先對采集到的數(shù)字信號進行濾波和放大處理，對獲取的正弦時域信號采用求均值方法處理得到缺陷特征信號Bz。在無缺陷時，特征信號Bz保持某一數(shù)值不變，其斜率變化為0；當出現(xiàn)裂紋時，特征信號Bz出現(xiàn)正負相反的峰值，信號幅值產(chǎn)生較大變化率，信號斜率產(chǎn)生極大峰值。本文對獲取的電壓信號bz曲線求斜率，若bz斜率大于0，則放大100倍信號畸變；若bz斜率小于0，則乘以小于1的數(shù)進行衰減，從而衰減噪聲信號，增強缺陷信號的識別能力，得到缺陷識別曲線。該識別曲線數(shù)值大小僅代表bz電壓信號曲線斜率經(jīng)過放大縮小運算后的數(shù)值，無量綱，最后與輸入大小閾值進行比較，實現(xiàn)缺陷的實時判定。

3.2 不同長度裂紋測試實驗

為了測試不銹鋼表面不同尺寸的微小裂紋，本文設(shè)計了2類缺陷試塊。第1件試塊設(shè)有不同長度裂紋(圖6)，裂紋深度為1 mm、寬度為0.2 mm，裂紋長度見表4。

利用水下ACFM高靈敏度檢測探頭以1 mm/s的速度勻速掃過裂紋，探頭內(nèi)部TMR傳感器拾取裂紋上方畸變磁場信號Bz，最終獲得電壓信號bz，并對bz求斜率(圖7)。不同長度裂紋的電壓信號bz出現(xiàn)較多畸變，僅能確定后3個較大畸變?yōu)榱鸭y信號(圖7a)。對電壓信號bz求斜率后，未出現(xiàn)缺陷位置的信號變化幅度較緩，信號斜率接近于0；當出現(xiàn)裂紋時，特征信號產(chǎn)生一定擾動，該擾動經(jīng)過求斜率后放大，得到信噪比較高的5個峰值(圖7b)。通過引入缺陷閾值，將缺陷識別曲線與閾值比較，能實時判定缺陷的存在，識別軟件顯示存在5個裂紋。這表明，該水下ACFM檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)表面深度1 mm、長度1.5 mm的微小短裂紋的有效識別。

圖6 水下裂紋測試實驗所用的不銹鋼裂紋試塊(不同裂紋長度)

編號裂紋長度/mm編號裂紋長度/mm10.553.021.064.031.575.042.0

圖7 不同長度裂紋上方的畸變磁場信號

3.3 不同深度裂紋測試實驗

第2件試塊設(shè)有不同深度裂紋(圖8)，裂紋長度均為5 mm，裂紋寬度0.2 mm，裂紋深度尺寸如表5所示。

圖8 水下裂紋測試實驗所用的不銹鋼裂紋試塊(不同裂紋深度)

編號裂紋深度/mm編號裂紋深度/mm14.551.524.061.033.070.542.0

針對不同深度的裂紋，利用水下ACFM高靈敏度檢測探頭按照掃查方向以1 mm/s的速度進行掃查，得到特征信號Bz，通過傳感器最終獲得電壓信號bz，并對bz求斜率 (圖9)。不同深度裂紋的電壓信號bz出現(xiàn)7個正反峰值，對應(yīng)7個裂紋的特征信號(圖9a)，表明該水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭可有效檢測實驗所用的不銹鋼薄板試塊的所有裂紋。對bz信號求斜率后進行放大，得到7個較大的曲線峰值，通過與閾值對比可實現(xiàn)所有裂紋的在線判定(圖9b)。由此可見，本文所設(shè)計的水下ACFM裂紋檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)表面長度5 mm、深度0.5 mm微小淺裂紋的有效識別。

圖9 不同深度裂紋上方的畸變磁場信號

4 結(jié)論

以海洋環(huán)境水下結(jié)構(gòu)物不銹鋼薄板微小裂紋檢測為研究對象，研發(fā)了基于TMR傳感器的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭，并搭建水下實驗系統(tǒng)進行了實驗測試，結(jié)果表明：利用求梯度方法能夠有效地抑制噪聲信號干擾，提高微小裂紋信號的信噪比，通過引入缺陷閾值即可實現(xiàn)裂紋的實時在線自動判定；本文所設(shè)計的水下ACFM高靈敏度裂紋檢測探頭可借助裂紋磁場特征信號實現(xiàn)不銹鋼薄板表面深度1 mm、長度1.5 mm微小短裂紋和表面長度5 mm、深度0.5 mm微小淺裂紋的有效識別。本文研究成果可為水下結(jié)構(gòu)缺陷早期裂紋預(yù)警及結(jié)構(gòu)物長期安全服役提供技術(shù)支持，具有較好的推廣應(yīng)用價值。