隔水管環(huán)焊縫裂紋交流電磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的研制

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，青島 266555)

交流電磁場(chǎng)檢測(cè)(ACFM)是一種基于電磁感應(yīng)原理的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展日益迅速[1-2]。在ACFM檢測(cè)中，在工件表面感應(yīng)出均勻電流，電流繞過(guò)缺陷產(chǎn)生電場(chǎng)擾動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致附近的磁場(chǎng)畸變，最后提取磁場(chǎng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)與評(píng)估。相比其他水下無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，ACFM檢測(cè)技術(shù)具有非接觸測(cè)量、操作簡(jiǎn)單、不需要耦合劑、檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)在海洋油氣裝備領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。

在目前ACFM檢測(cè)系統(tǒng)中，單傳感器檢測(cè)探頭受傳感器數(shù)量的限制，覆蓋檢測(cè)范圍小，在焊縫檢測(cè)中需要對(duì)焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行多次掃查，檢測(cè)效率低[4]。設(shè)計(jì)的陣列傳感器檢測(cè)探頭可擴(kuò)大探頭的檢測(cè)范圍，提高檢測(cè)效率。筆者以ACFM技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)研究陣列傳感器分布對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)了ACFM隔水管環(huán)焊縫陣列檢測(cè)探頭，最終開發(fā)出一套完整的隔水管環(huán)焊縫快速檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隔水管環(huán)焊縫缺陷的一次掃查，不同區(qū)域的裂紋能夠全部檢出，對(duì)維護(hù)隔水管結(jié)構(gòu)的安全具有重大意義。

1 有限元模型

利用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件構(gòu)建隔水管環(huán)焊縫裂紋ACFM仿真模型(見圖1)。仿真模型主要由激勵(lì)線圈、U型磁芯、隔水管環(huán)焊縫試件和裂紋等組成。激勵(lì)線圈為φ 0.15 mm的銅線，纏繞在U形磁芯橫梁上，匝數(shù)為500匝，線圈中加載電流為1 A、頻率為1 000 Hz的正弦交流電，隔水管環(huán)焊縫裂紋長(zhǎng)20 mm，位于U形磁芯的正下方。

圖1 隔水管環(huán)焊縫裂紋ACFM仿真模型

隔水管試件材料為X80鋼[5]，磁芯材料為錳鋅鐵氧體。

在線圈中加載正弦交流電，研究含裂紋隔水管焊縫裂紋在x和z方向的磁場(chǎng)畸變規(guī)律。實(shí)際檢測(cè)中,檢測(cè)探頭是沿著裂紋的長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)的，為保持與實(shí)際情況一致，仿真時(shí)讓檢測(cè)探頭沿著裂紋長(zhǎng)度方向移動(dòng)，即對(duì)仿真模型進(jìn)行參數(shù)化掃描。設(shè)定檢測(cè)探頭移動(dòng)路徑的長(zhǎng)度為50 mm，每次移動(dòng)0.5 mm，共進(jìn)行100次計(jì)算，計(jì)算完成后，提取裂紋上方2 mm位置的數(shù)據(jù)，繪制隔水管環(huán)焊縫表面電流密度(見圖2)。

圖2 隔水管環(huán)焊縫表面電流密度示意

由圖2可知，感應(yīng)線圈通過(guò)磁芯在隔水管試件表面感應(yīng)出均勻電流，感應(yīng)電流繞過(guò)裂紋的在裂紋兩端聚集。繪制探頭的掃查路徑上沿x方向的磁通密度Bx曲線和沿z方向的磁通密度Bz曲線(見圖3)。

圖3 磁通密度Bx和Bz曲線

仿真結(jié)果顯示，感應(yīng)電流繞過(guò)裂紋兩端，使周圍磁場(chǎng)產(chǎn)生畸變，Bx信號(hào)在裂紋處產(chǎn)生波谷，Bz信號(hào)在裂紋兩端分別產(chǎn)生波峰和波谷， 磁場(chǎng)的變化規(guī)律符合ACFM檢測(cè)原理。仿真結(jié)果證實(shí)了該有限元模型的正確性，將ACFM檢測(cè)用于隔水管環(huán)焊縫的檢測(cè)中是可行的，為研究傳感器分布對(duì)ACFM信號(hào)的影響和設(shè)計(jì)快速檢測(cè)探頭奠定了基礎(chǔ)。

2 隔水管檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)

2.1 檢測(cè)方案總體設(shè)計(jì)

依據(jù)交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)原理設(shè)計(jì)了隔水管環(huán)焊縫及熱影響區(qū)裂紋快速檢測(cè)系統(tǒng)(見圖4)，TMR為隧道磁阻傳感器。

圖4 隔水管環(huán)焊縫及熱影響區(qū)裂紋快速檢測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)主要包括陣列探頭和便攜式機(jī)箱兩部分，機(jī)箱根據(jù)功能分為信號(hào)電源模塊、激勵(lì)模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和信號(hào)采集模塊等，該系統(tǒng)高度集成化和模塊化。探頭通過(guò)小針號(hào)航空插頭與便攜式機(jī)箱連接，便攜式機(jī)箱利用USB(通用串行總線)數(shù)據(jù)線連接電腦。軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采集、處理、存儲(chǔ)和輸出。硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)相互配合構(gòu)成隔水管環(huán)焊縫檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)隔水管環(huán)焊縫及熱影響區(qū)裂紋缺陷的快速檢測(cè)。

2.2 陣列探頭設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的陣列傳感器應(yīng)實(shí)現(xiàn)隔水管環(huán)焊縫的全覆蓋式檢測(cè)，筆者首先對(duì)傳感器的分布進(jìn)行優(yōu)化。在探頭整體覆蓋面積相同的情況下，單個(gè)傳感器的覆蓋面積應(yīng)與傳感器數(shù)量呈反比。在考慮經(jīng)濟(jì)效益的情況下，傳感器數(shù)量應(yīng)該在滿足檢測(cè)要求的情況下盡可能少。通過(guò)建立仿真模型，研究單個(gè)傳感器在不同偏移量的情況下，Bx、Bz信號(hào)畸變量的大小，確定單個(gè)磁傳感器的理論最大覆蓋范圍，設(shè)計(jì)傳感器之間的最優(yōu)距離。

探頭掃查示意如圖5所示，傳感器偏移距離指探頭掃查路徑與裂紋的垂直距離，利用建立的隔水管環(huán)焊縫檢測(cè)模型分析傳感器偏移距離對(duì)ACFM 檢測(cè)信號(hào)衰減的影響，在確保缺陷檢出的情況下，確定傳感器的最大偏移距離，進(jìn)而確定傳感器排布間距。定義裂紋中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)定裂紋長(zhǎng)20 mm，深3 mm，寬1 mm，傳感器偏移方向?yàn)閤軸正半軸，偏移距離定義為x，傳感器沿著y軸正向掃查。

圖5 探頭掃查示意

設(shè)置偏移距離x的初始值為0 mm，并以3 mm為步長(zhǎng)逐漸增加至15 mm。仿真結(jié)束后，分別提取不同偏移距離下Bx信號(hào)與Bz信號(hào)的畸變量。在ACFM檢測(cè)中，以Bx畸變和Bz畸變?yōu)榕袆e缺陷信號(hào)的主要特征量，Bx、Bz畸變量隨偏移距離x的變化曲線如圖6所示。

圖6 Bx、Bz畸變量隨偏移距離x的變化曲線

由圖6可知，當(dāng)偏移距離增大時(shí)，Bx信號(hào)先增大后減小，偏移距離為9 mm時(shí)，Bx的畸變量最大。Bz的畸變量普遍大于Bx的，且隨著偏移距離的增加,信號(hào)幅值不斷減小，在偏移距離達(dá)到9 mm時(shí)，Bz信號(hào)衰減近60%，結(jié)合傳感器尺寸選取傳感器間距為10 mm。TMR傳感器封裝的尺寸寬度為12 mm，待檢測(cè)的環(huán)焊縫及熱影響區(qū)域?yàn)?0 mm，為確保探頭完全覆蓋待檢測(cè)范圍，將傳感器的個(gè)數(shù)設(shè)為4個(gè)，既能夠保證探頭全面拾取環(huán)焊縫表面及熱影響區(qū)畸變的磁場(chǎng)信號(hào)，又能夠很好地防止漏檢現(xiàn)象的發(fā)生。

基于以上結(jié)論，最終設(shè)計(jì)的探頭包含了4個(gè)間距為10 mm的TMR傳感器，選用4個(gè)U型激勵(lì)磁芯，每個(gè)磁芯上都繞制直徑為0.15 mm的漆包線，作為激勵(lì)線圈，分別放置在每個(gè)TMR傳感器的正上方。利用SOLIDWORKS軟件設(shè)計(jì)探頭骨架，內(nèi)部結(jié)構(gòu)根據(jù)TMR傳感器及磁芯的尺寸設(shè)計(jì)開槽。采用機(jī)加工制作探頭骨架，加工誤差保證在0.1 mm之內(nèi)。選用不導(dǎo)磁不導(dǎo)電的ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)樹脂作為加工材料，可防止對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾。

2.3 檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

隔水管環(huán)焊縫檢測(cè)軟件界面如圖7所示，該軟件基于LabVIEW編寫，對(duì)采集卡傳輸給計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和可視化[6-7]。該軟件基于閾值判定缺陷，通過(guò)設(shè)定閾值參數(shù)，軟件將計(jì)算得到的梯度信號(hào)與設(shè)置的閾值進(jìn)行對(duì)比，存在缺陷區(qū)域的磁場(chǎng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生畸變，一旦其梯度信號(hào)超出梯度閾值，軟件將對(duì)該區(qū)域進(jìn)行報(bào)警。

圖7 隔水管環(huán)焊縫檢測(cè)軟件界面

隔水管環(huán)焊縫裂紋快速檢測(cè)系統(tǒng)外觀如圖8所示，接下來(lái)對(duì)搭建好的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

圖8 隔水管環(huán)焊縫裂紋快速檢測(cè)系統(tǒng)外觀

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

根據(jù)焊縫檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，深度超過(guò)1 mm的裂紋為危險(xiǎn)缺陷。因此標(biāo)定深度1 mm為危險(xiǎn)閾值，軟件應(yīng)能夠?qū)ι疃瘸? mm的裂紋進(jìn)行報(bào)警。

試件材料為低碳鋼，采用兩塊大小相同的試件對(duì)焊而成，外徑約為533 mm，壁厚為20 mm，形成的焊縫寬度為40 mm，焊縫兩側(cè)20 mm左右為熱影響區(qū)。根據(jù)檢測(cè)需要，在焊縫和熱影響區(qū)的不同位置各設(shè)置一個(gè)裂紋缺陷，兩條位于焊縫上，兩條位于熱影響區(qū)，隔水管檢測(cè)試件外觀如圖9所示，每條裂紋尺寸如表1所示。

試件檢測(cè)結(jié)果如圖10所示，其中裂紋3 的深度小于設(shè)定的閾值(1 mm)，檢測(cè)軟件不對(duì)其進(jìn)行報(bào)警。裂紋1，裂紋2 ，裂紋4的深度分別為1.0,1.5,1.0 mm，達(dá)到了軟件設(shè)置的閾值，檢測(cè)軟件均發(fā)生了報(bào)警提示。分析4個(gè)不同通道的信號(hào)，可反推環(huán)焊縫左右熱影響區(qū)以及焊縫右半部分存在超出標(biāo)準(zhǔn)的危險(xiǎn)缺陷。

圖9 隔水管檢測(cè)試件外觀

表1 隔水管檢測(cè)試件裂紋尺寸 mm

圖10 隔水管試件檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 建立了隔水管環(huán)焊縫三維仿真模型，優(yōu)化了陣列檢測(cè)探頭參數(shù)，使探頭全面覆蓋環(huán)焊縫及熱影響區(qū)。仿真結(jié)果表明：應(yīng)設(shè)定傳感器之間的間距為10 mm；所需檢測(cè)的隔水管環(huán)焊縫及熱影響區(qū)寬度為80 mm，應(yīng)布置4個(gè)陣列傳感器。

(2) 搭建陣列檢測(cè)探頭和軟硬件為一體的隔水管焊縫及熱影響區(qū)裂紋檢測(cè)系統(tǒng)，開展該檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)，確定裂紋深度為1 mm的安全閾值，而后對(duì)隔水管試件進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明：陣列檢測(cè)傳感器探頭一次掃查可實(shí)現(xiàn)環(huán)焊縫及熱影響區(qū)裂紋的快速檢出，通過(guò)軟件界面的裂紋特征信號(hào)顯示，可反過(guò)來(lái)確定裂紋的位置。