不銹鋼表面裂紋方向電磁檢測方法

閆 梁 萬本例 胡 斌 范孟豹

1.中國礦業(yè)大學機電工程學院,徐州，2211162.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京，100029

0 引言

304奧氏體不銹鋼由于優(yōu)異的耐腐蝕性、機加工性能而被廣泛應(yīng)用于石油化工、壓力容器和航空航天等工程領(lǐng)域[1-2]。對于常年服役于高溫高壓、腐蝕等惡劣環(huán)境中的不銹鋼結(jié)構(gòu)，表面容易產(chǎn)生腐蝕裂紋和疲勞裂紋[3]，帶來了潛在的安全問題[4]。通過無損檢測獲取不銹鋼表面缺陷信息具有重要的工程價值。

304奧氏體不銹鋼屬于非鐵磁性材料，所以常規(guī)的磁粉檢測和漏磁檢測無法實施[5]。超聲檢測主要用于內(nèi)部缺陷檢測，對表層開裂不敏感[6]。滲透檢測可用于檢測表面缺陷，但是如果表面有涂層可能導致檢測效率低，另外滲透劑易造成環(huán)境污染。交流電磁場檢測(ACFM)技術(shù)是近年在渦流檢測基礎(chǔ)上發(fā)展而來的電磁無損檢測技術(shù)[7]，該技術(shù)具有缺陷定量無需校核、對檢測環(huán)境要求不高等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景[8-9]。

傳統(tǒng)的交流電磁場檢測技術(shù)采用單線圈激勵,在試件表面產(chǎn)生方向固定的均勻感應(yīng)電流。當試件表面出現(xiàn)與電流方向垂直的橫向裂紋時，裂紋長度方向引起磁場擾動，電流在裂紋端點聚集形成畸變磁場，測量磁場信號可以實現(xiàn)裂紋的檢測和定量分析[10]；當試件表面出現(xiàn)縱向裂紋時，裂紋寬度方向引起的磁場擾動較小，不利于裂紋缺陷的檢測與分析。實際檢測過程中，裂紋的走向是未知的，操作者不能始終沿著裂紋的方向掃查[11-12]，所以采用單一激勵的探頭檢測不銹鋼表面斜裂紋時，檢測靈敏度低，甚至會出現(xiàn)漏檢的現(xiàn)象。為防止漏檢現(xiàn)象的發(fā)生，需要進行多向性掃查或采用機械旋轉(zhuǎn)探頭，這樣會增加檢測時間和系統(tǒng)復(fù)雜度[13-14]，降低檢測效率。針對此問題，文獻[15-19]提出旋轉(zhuǎn)交流電磁場檢測的方法，通過控制激勵的幅值或相位，在試件表面形成任意方向的感應(yīng)電流，從而對任意方向的裂紋均有最大的檢測靈敏度。

旋轉(zhuǎn)交流電磁場檢測不定方向裂紋研究中，LI等[15]將旋轉(zhuǎn)磁場應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)的不定向裂紋檢測，成功檢測到了表面任意走向裂紋。YE等[16-17]針對多層碳纖維復(fù)合材料和多層鉚接結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)磁場下利用Bz特征C掃圖檢測出不定方向裂紋。BERNIERI等[18]設(shè)計了新型雙激勵線圈探頭，利用隧道磁阻(TMR)傳感器檢測到任意方向的埋深缺陷和小缺陷。XU等[19]設(shè)計了聚焦型8字線圈，在試件表面形成聚焦旋轉(zhuǎn)磁場，能以較高的信噪比檢測任意方向裂紋。

旋轉(zhuǎn)磁場下裂紋方向判定的研究中，HAMIA等[20]、 MARESCHAL 等[21]在偽旋轉(zhuǎn)磁場激勵下，在磁場最大畸變幅值狀態(tài)下，利用感應(yīng)電流的方向推斷裂紋的走向,但是該方法需要控制電流方向，降低了檢測效率。LU等[22]采用兩軸線圈電壓變化相位圖，計算不同方向裂紋角度。LIU等[23]提出利用磁場分量Bx-By特征相位圖的形式判斷裂紋方向，但是沒有研究裂紋方向計算誤差存在的原因,且根據(jù)相位圖觀察裂紋角度精度較低。

本文提出了不銹鋼表面裂紋方向判定的方法。旋轉(zhuǎn)磁場下提取磁場分量Bx與By的波谷特征，從檢測機理角度提出了裂紋方向判定公式，分析了誤差存在的原因;研究了雙U形結(jié)構(gòu)探頭激勵下的磁場幅值隨電流方向、裂紋方向的變化規(guī)律，通過實驗驗證了裂紋檢測和方向判定的可行性。

1 正交雙激勵檢測模型

1.1 有限元模型

借助電磁場有限元仿真建模軟件ANSYS Maxwell建立正交激勵仿真模型，材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 有限元模型參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)格劃分采用軟件自動劃分與部分細化結(jié)合的方式，對缺陷和提取路徑通過細化網(wǎng)格得到較高的計算精度，如圖1所示。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh division of finite element model

建立不定方向檢測裂紋模型，如圖2所示，以試件為中心建立坐標系，定義裂紋與x軸正方向的夾角為β，感應(yīng)電流方向與x軸正向夾角為α，裂紋尺寸為15 mm×0.2 mm×5 mm，信號提取路徑沿x軸正方向始終過裂紋中心處，提取試件上方1 mm處的磁場幅值。

圖2 裂紋檢測示意圖Fig.2 Schematic diagram of crack detection

1.2 正交激勵原理

對沿x軸和沿y軸方向的兩軸線圈分別施加相位相差90°的正弦交流電，表達式如下：

Ix=I0sin(ωt+θ)

(1)

Iy=I0sin(ωt+θ+90°)

(2)

ω=2πf

式中，f為激勵頻率;I0為激勵電流幅值；θ為初相位；t為時間；Ix與Iy為激勵幅值。

根據(jù)麥克斯韋方程組，激勵線圈在試件表面產(chǎn)生的感應(yīng)電流密度分別為Jex和Jey，表達式[15]如下：

(3)

(4)

根據(jù)矢量合成定理，試件表面的感應(yīng)電流總密度Je可以由上述兩個正交的電流密度Jex、Jey矢量迭加而成，合成電流的幅值大小AJ和方向αJ分別為[24-25]

(5)

(6)

式中，d為趨膚層厚度,mm;Hp為感應(yīng)磁場總強度值，A/m；k為工件表面感應(yīng)磁場強度值與感應(yīng)磁場總強度值的比率;z為到試件表面的距離,mm。

綜上可知，雙U形結(jié)構(gòu)正交激勵探頭在工件中產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小保持不變，方向隨時間發(fā)生周期性勻速旋轉(zhuǎn)。

1.3 無裂紋磁場幅值

由于ACFM利用感應(yīng)磁場分量的幅值變化進行信號分析，故有必要研究磁場特征幅值隨感應(yīng)電流方向旋轉(zhuǎn)的變化情況。

無裂紋時，探頭在試件表面產(chǎn)生均勻的感應(yīng)電流，磁通的方向與均勻感應(yīng)電流方向垂直。取試件表面上方1 mm處中心區(qū)域3 mm×3 mm內(nèi)9個點的磁場均值，繪制不同線圈間距下每個點的磁場幅值。利用有限元軟件分析無裂紋情況下試件表面磁場分量Bx、By、Bz幅值大小在旋轉(zhuǎn)磁場激勵下隨感應(yīng)電流方向的變化規(guī)律，如圖3所示。其中，利用有限元程序控制激勵信號相位大小得到不同方向的感應(yīng)電流。從圖3中可以看出，對于Bx與By磁場分量特征，當感應(yīng)電流垂直于對應(yīng)軸，即磁通密度沿著對應(yīng)軸時，能拾取到全部的磁場信息，所以感應(yīng)電流方向變化對磁場幅值大小存在影響。對于Bz特征，不存在裂紋擾動時，其磁場幅值始終為0，與ACFM檢測原理相符。

圖3 無裂紋磁場幅值Fig.3 Magnetic field amplitude without crack

2 裂紋方向檢測方法研究

當裂紋角度β=0°時，即裂紋走向與信號提取路徑重合，磁場信號如圖4所示，感應(yīng)電流在裂紋兩端聚集，在裂紋區(qū)域Bx特征出現(xiàn)波谷，By出現(xiàn)波峰波谷。

圖4 磁場特征Fig.4 Magnetic field characteristics

仿真程序中，沿著固定路徑提取磁場信號幅值，Bx存在強烈的背景磁場，對有無缺陷的試件進行仿真，以此得到裂紋引起的磁場變化量：

|ΔBi(x)|=|Bi(x)-Bi0(x)|

(7)

式中，Bi(x)為有裂紋時的磁場分量幅值，i為圖2中定義的x、y、z;Bi0(x)為不存在裂紋時的背景磁場幅值。

2.1 檢測特征選取

本節(jié)研究了裂紋方向改變對檢測結(jié)果的影響，選擇Bx與By作為裂紋檢測的磁場特征。

繪制不同方向裂紋雙軸磁場信號，如圖5所示。對于Bx特征，當裂紋方向與x軸重合時，有最大畸變幅值；當裂紋與x軸夾角增大至90°時，其畸變幅值逐漸減小。對于By特征，當裂紋角度與x軸夾角為90°時，有最大畸變幅值；當裂紋與x軸夾角逐漸減小至0°時，其畸變幅值逐漸減小。Bz特征與Bx特征變化趨勢相同。

為便于后續(xù)分析，定義磁場波谷幅值為檢測特征，即磁場畸變幅值

Bim=min(ΔBi(x))

(8)

(b)By特征

(c)Bz特征圖5 不同角度裂紋磁場特征Fig.5 Magnetic field characteristics of cracks atdifferent angles

圖6 不同方向裂紋磁場擾動幅值Fig.6 Magnetic field disturbed amplitude of cracks atdifferent angles

繪制不同方向裂紋的磁場畸變幅值Bim，如圖6所示。從圖中可以看出，磁場分量Bym與其他兩軸特征信號有互補的趨勢，所以利用Bim與其他任意一軸磁場特征可以實現(xiàn)任意方向裂紋的檢測。由圖6可以看出，裂紋方向變化時，Bxm與Bym整體變化的范圍相同。所以本文選擇磁場分量Bx與By作為裂紋檢測與方向判定的特征。

Bx特征檢測橫向裂紋時有最大畸變幅值，即裂紋角度為0°，感應(yīng)電流方向為90°時，設(shè)此時的畸變幅值為B′xm；同理,對于Bx特征，檢測縱向裂紋時有最大畸變幅值，設(shè)此時的畸變幅值為B′ym。在確定激勵參數(shù)、缺陷參數(shù)等情況下，B′xm與B′ym均為定值。同時有下式：

B′xm=B′ym

(9)

2.2 基于仿真的檢測特征分析

本節(jié)分析感應(yīng)電流方向變化對磁場特征的影響，研究旋轉(zhuǎn)磁場下裂紋方向判定方法。繪制感應(yīng)電流方向與磁場畸變幅值變化圖像，如圖7所示。

(a)Bx畸變幅值

(b)By畸變幅值圖7 磁場擾動幅值隨感應(yīng)電流變化Fig.7 Magnetic field disturbed amplitude change withinduced current direction

隨著感應(yīng)電流方向變化，磁場畸變幅值Bxm、Bym呈正弦規(guī)律變化，當感應(yīng)電流方向垂直于裂紋方向時，Bxm、Bym的波谷特征有最大值。同時，裂紋角度的變化對磁場整體畸變存在影響。

以圖7a為例，當裂紋角度β=0°時，Bxm在感應(yīng)電流方向角α=90°時最大，即感應(yīng)電流垂直于裂紋方向時，有最大擾動幅值。另一方面，Bxm隨裂紋角度β增大而減小，即整體的幅值是呈減小的趨勢。這是因為最大擾動狀態(tài)下的磁通密度方向隨著裂紋的方向發(fā)生改變，并不能拾取到全部的擾動信息。

綜上可知，旋轉(zhuǎn)磁場激勵可以在試件表面產(chǎn)生隨時間旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)電流場，對任意方向的裂紋均有最大的磁場擾動。所以實際檢測過程中，拾取到的最大磁場畸變幅值對應(yīng)的感應(yīng)電流方向角

α=β+90°

(10)

2.3 裂紋定向方法

分析裂紋角度改變對磁場畸變幅值的影響，從以下兩個方向考慮[26]：

(1)試件表面的磁場擾動大小取決于感應(yīng)電流方向α與裂紋方向β存在的夾角大小。當感應(yīng)電流方向垂直于裂紋方向時，試件表面的磁場擾動達到最大。

(2)傳感器拾取到的磁場擾動大小取決于對應(yīng)傳感器特征軸與裂紋角度的夾角大小。由1.3節(jié)仿真可知，當感應(yīng)電流方向垂直于裂紋方向，即當磁通密度方向與對應(yīng)特征軸方向重合時，磁場幅值信息才能被全部提取到。

建立x向畸變幅值Bxm(α)與B′xm、y向畸變幅值Bym(α)與B′ym的對應(yīng)關(guān)系[27]：

(11)

將式(9)和式(10)代入式(11)，得到裂紋方向判定公式:

(12)

將圖7中的雙激勵下方向性裂紋檢測結(jié)果代入式(12)，定義誤差δ=β-βtheo，其中βtheo為裂紋理論值，得到裂紋方向計算誤差，如圖8所示。

圖8 裂紋角度計算結(jié)果Fig.8 Crack angle calculation results

利用上述公式可以相對準確地計算裂紋與掃查路徑的夾角。由于實際檢測過程中，裂紋寬度方向會引起一定的畸變幅值，所以在裂紋走向接近橫向或縱向時，該方法判定存在一定的誤差。由圖8可以看出，該方法仿真計算的最大誤差為6.3°，誤差主要來自于忽略的寬度方向畸變磁場。

3 實驗

實驗系統(tǒng)主要包括激勵、磁場傳感器、信號采集卡、上位機等,原理如圖9所示，實驗裝置如圖10所示。

圖9 實驗系統(tǒng)原理圖Fig.9 Principle diagram of the experiment system

(a)實驗裝置

本文利用信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵頻率6 kHz和電壓幅值1 V的兩路相位差90°正弦信號，激勵線圈單軸采用100匝直徑0.2 mm的漆包線繞制。該傳感器的信號拾取部分采用TMR2905傳感器，放置在激勵線圈下方中心處固定。傳感器拾取的電壓信號經(jīng)過調(diào)理放大接入信號采集卡NI6366的DAQ信號采集模塊，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換送入上位機顯示與計算。由于磁場信號微弱，易受其他信號的干擾，所以在軟件程序上加入了鎖相放大模塊，濾除與檢測信號無關(guān)的干擾信號。

本實驗中試件采用304奧氏體不銹鋼，上表面采用電火花加工尺寸為15 mm×0.2 mm，深度分別為1 mm,2 mm,3 mm的3組不同走向的裂紋，如圖10b所示。

實驗中，將探頭沿著一組深度相同的方向性裂紋掃查。提取0°～90°不同走向裂紋的磁場擾動信息。實驗采集的兩軸磁場信號如圖11所示，圖中展示了深度2 mm的方向性試件檢測結(jié)果。從圖中可以看出，隨著裂紋角度的增加，Bx特征波谷值逐漸減小，By特征波谷逐漸增大，與仿真趨勢一致。

(a)Bx信號檢測結(jié)果

(b)By信號檢測結(jié)果圖11 方向性裂紋檢測結(jié)果Fig.11 Crack detection results for different directions

所以本文采用的Bx、By波谷特征可以實現(xiàn)任意方向裂紋的檢測。取Br=Bxm+Bym，繪制Bxm、Bym、Br幅值隨裂紋角度變化曲線，如圖12所示。由圖12數(shù)據(jù)可知，利用單一特征無法實現(xiàn)方向性裂紋的檢測，Br特征能夠以相同的幅值變化檢測出任意方向的裂紋。

圖12 方向性裂紋擾動幅值Fig.12 Crack disturbed amplitude for different directions

將3組方向性裂紋實驗結(jié)果代入式(11)，計算裂紋角度，結(jié)果如圖13所示。由圖13數(shù)據(jù)可知，不同深度的判定誤差相差不大，這是因為本文的裂紋方向判定方法誤差來源于裂紋寬度的磁場擾動幅值。本文的裂紋定向算法能夠在誤差允許的范圍內(nèi)計算出裂紋與掃查路徑的夾角，但是當裂紋角度接近0°或90°時，角度判定誤差相對較大，最大判定誤差為8.4°，與仿真結(jié)果相比，實驗結(jié)果對稱性相對較差，誤差相對較大。

圖13 實測裂紋角度Fig.13 Measured crack angle

定義檢測靈敏度[18]如下：

(13)

對不同深度的3組方向性裂紋掃查，繪制靈敏度與裂紋方向角變化圖像，實驗結(jié)果如圖14所示。從圖中可以看出，裂紋的檢測靈敏度與深度有直接的關(guān)系，深度越深，檢測靈敏度越高。裂紋深度相同的情況下，對任意方向的裂紋均有相同的檢測靈敏度。

圖14 方向性裂紋檢測靈敏度Fig.14 Crack detection sensitivity for different directions

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)交流電磁場檢測不定方向裂紋容易出現(xiàn)漏檢的情況，本文引入了旋轉(zhuǎn)交流電磁場，通過建立磁場分量與感應(yīng)電流、裂紋方向的表達式，分析誤差存在的原因，有限元仿真分析和實驗結(jié)果表明：

(1)旋轉(zhuǎn)磁場激勵單檢測傳感器下，沿固定路徑掃查檢測任意方向裂紋，磁場分量Bx、By特征在感應(yīng)電流方向垂直于裂紋方向時有最大畸變幅值。

(2)雙激勵下，利用Bx、By特征可實現(xiàn)任意方向裂紋的檢測和方向的判定。相同深度的方向性裂紋檢測靈敏度相同。

(3)利用Bx、By特征可實現(xiàn)裂紋走向與掃查路徑夾角的判定，由于判定公式中忽略了裂紋寬度擾動幅值，所以存在判定誤差，誤差在裂紋與掃查路徑重合或者垂直時較大。

本文利用雙激勵探頭實現(xiàn)不銹鋼試件表面任意方向裂紋的檢出和方向的判定，減小了傳感器的體積與系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了檢測效率，滿足自動化檢測的需求。然而，本文的工作是在實驗室條件下完成的，考慮實際工程運用，后續(xù)將在自然缺陷條件下繼續(xù)開展工作，研究信號特征的提取與檢測靈敏度的提高，以及裂紋方向判定方法的優(yōu)化。