曹生寧,李文波,王偉國,韓方東,劉正存

(1.青海省特種設(shè)備檢驗檢測院,西寧 810000;2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100029;3.濱州市特種設(shè)備檢驗研究院 濱州 256600;4.濟寧魯科檢測器材有限公司,濟寧 272000)

交流電磁場檢測技術(shù)(ACFM)是一種新型的電磁無損檢測技術(shù),可以對金屬結(jié)構(gòu)焊縫、母材表面及亞表面缺陷進行檢測。該技術(shù)對導電金屬材料均有良好的檢測效果,能進行非接觸式檢測,檢測速度快,效率高,故在無損檢測領(lǐng)域逐漸推廣開來[1-3]。

交流電磁場檢測技術(shù)是1988年由英國倫敦大學LEWIS教授等最先發(fā)現(xiàn)并提出的,其將交變電壓降(ACPD)技術(shù)中使用的接觸式交流電場替換為非接觸式的感應(yīng)磁場,實現(xiàn)了非接觸式測量。20世紀90年代,TSC公司首先推出了交流電磁場檢測設(shè)備,將其應(yīng)用到水下金屬結(jié)構(gòu)的檢測中,并取得了一定效果。1989年,石理國和姚木林教授首先對交流電磁場檢測技術(shù)在缺陷檢測方面的原理及應(yīng)用進行了相關(guān)論述。21世紀初,陳國明等對交流電磁場檢測技術(shù)進行了深入研究,并取得了一定的成果[3-4]。李偉等[4-5]在ACFM 技術(shù)檢測系統(tǒng)的智能化、檢測探頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、磁場信號處理以及裂紋可視化顯示方面取得了一些成果,設(shè)計制作出便攜式交流電磁場檢測系統(tǒng)并成功商業(yè)化。除此外,南昌航空大學、中國特種設(shè)備檢驗研究院等高校和研究機構(gòu),也對交流電磁場檢測技術(shù)做了大量工作[6]。

根據(jù)ACFM 檢測技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用,分析材料本身性質(zhì)(包括電導率、磁導率);缺陷的大小(包括缺陷長度、深度);缺陷的位置(包括表面開口深度、缺陷埋藏深度);探頭相關(guān)參數(shù)(包括檢測頻率、提離高度)等因素對ACFM 技術(shù)檢測結(jié)果的影響規(guī)律,通過仿真以及模擬試塊驗證試驗,明確了各因素的影響程度。

1 交流電磁場檢測原理

交流電磁場檢測是一種電磁感應(yīng)技術(shù),通過施加交流電的激勵線圈,在檢測產(chǎn)生對象表面感應(yīng)出均勻交變電場。當該電場經(jīng)過缺陷位置后會出現(xiàn)電場線的切割及變化,導致該處磁場發(fā)生變化,通過檢測磁場強度變化的位置和規(guī)律,就可以實現(xiàn)缺陷的檢測。

ACFM 檢測原理如圖1所示,均勻交變電場在工件表面產(chǎn)生均勻的交變磁場,將磁場分為x,y,z三個不同方向的分量(Bx,By,Bz)。通過分析其波形的變化規(guī)律,就可以對缺陷進行檢測[5-6]。

圖1 ACFM 檢測原理

2 仿真模型的建立與研究

COMSOL是一款基于有限元理論,以偏微分方程為研究對象的大型數(shù)值仿真軟件。

2.1 ACFM 檢測幾何模型的建立

建立有限元三維模型進行仿真分析,模型包括感應(yīng)線圈、被測金屬和求解域三部分,如圖2所示。被檢工件尺寸為200 mm×100 mm×10 mm(長×寬×高),磁芯為U 型,尺寸為14 mm×26 mm×6 mm(長×寬×高),求解域設(shè)置為300 mm×200 mm×150 mm(長×寬×高)的長方體。感應(yīng)線圈材料設(shè)置為銅,求解域部分為空氣。

圖2 ACFM 檢測幾何模型

模型網(wǎng)格劃分采用“較細化”,劃分的網(wǎng)格如圖3所示,完整網(wǎng)格包含39 816個域單元、5 760個邊界元和602個邊單元。

圖3 幾何模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 物理場選擇及參數(shù)設(shè)定

在COMSOL軟件中AC/DC(交流/直流)模塊選用磁場(MF)作為物理場,求解器設(shè)置為頻域,頻率默認設(shè)置為1 k Hz。將空氣求解域的所有外邊界設(shè)置為磁絕緣,矢量磁勢A為零。感應(yīng)線圈選擇多匝線圈,線圈匝數(shù)設(shè)置為200,激勵方式為電流激勵,選擇電流流通方向的橫截面為輸入面,電流為1 A。

2.3 求解及結(jié)果分析

取磁通密度Bx信號幅值最大變化量為Bx信號靈敏度,磁通密度Bz信號波峰波谷間距為Bz信號靈敏度,觀察相關(guān)因素變化時Bx及Bz信號靈敏度的變化規(guī)律。

2.3.1 磁導率及電導率對檢測效果的影響

設(shè)置缺陷尺寸為5 mm×3 mm×0.2 mm(長×深×寬)。電導率不變,相對磁導率為1～4 000(無量綱),每次掃描步進為400,進行仿真計算,得到不同磁導率下Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖4所示,圖中T1為相對磁導率,可見Bx信號靈敏度明顯低于Bz信號靈敏度。

圖4 不同磁導率下Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

磁導率對Bx及Bz信號的靈敏度影響曲線如圖5所示。Bz信號對磁導率變化的敏感程度更高,相對磁導率為1～400,Bx信號響應(yīng)降低90%,Bz信號響應(yīng)提高175%;相對磁導率大于400后,信號靈敏度變化趨于平緩,Bx與Bz信號分別變化5.2%及5.7%。

圖5 磁導率對Bx 及Bz 信號的靈敏度影響曲線

磁導率不變,電導率設(shè)置為1×106,5×106,1×107,5×107,1×108,2×108S·m-1,依次進行仿真計算,T2為電導率。不同電導率下Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖6所示。從圖6可得,Bx信號靈敏度明顯低于Bz信號靈敏度。

圖6 不同電導率下Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

電導率對Bx及Bz信號的靈敏度影響曲線如圖7所示,Bx信號對電導率變化的敏感程度更高,電導率從1×106S·m-1增加到2×108S·m-1,Bx信號響應(yīng)提高300%,Bz信號響應(yīng)降低78%。

圖7 電導率對Bx 及Bz 信號的靈敏度影響曲線

2.3.2 缺陷長度及深度對檢測效果的影響

根據(jù)2.3.1仿真結(jié)果,選取相對磁導率為200,電導率為5×106S·m-1作為材料基本電磁屬性進行仿真。

設(shè)缺陷長度為10 mm,寬度為0.2 mm,深度從1 mm 提高至5 mm 進行計算。不同缺陷深度下Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖8所示。從圖8可得,缺陷長度不變,缺陷Bx信號靈敏度隨著缺陷深度的增加單調(diào)遞增。

圖8 不同缺陷深度下Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

設(shè)置缺陷深度為3 mm,寬度為0.2 mm,長度從3 mm 提高至10 mm 進行計算。不同缺陷長度下Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖9所示,可見,缺陷深度不變,缺陷Bx信號靈敏度隨缺陷長度增加單調(diào)遞減。聯(lián)合圖8,圖9可得,缺陷長度或深度變化時,Bz信號始終在缺陷兩端點處獲得最大值,Bz信號的峰谷間距不受影響。

圖9 不同缺陷長度下Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

擬合出該材料下表面開口缺陷深度與Bx信號靈敏度的關(guān)系式,即

式中:H為缺陷深度,公式擬合的均方差為0.91。

2.3.3 提離高度對檢測效果的影響

設(shè)置缺陷尺寸(長度×深度)為5 mm×1 mm,5 mm×3 mm 和5 mm×5 mm,寬度為0.2 mm,提離高度從0 mm 變化至10 mm,缺陷尺寸為每次掃描步進為1 mm,進行仿真計算。不同提離高度下Bx及Bz信號隨位移變化趨勢如圖10所示,可見,隨著提離高度的增加,Bx及Bz信號靈敏度明顯下降,5 mm×1 mm,5 mm×3 mm 和5 mm×5 mm的缺陷信號下降程度相似,根據(jù)仿真數(shù)據(jù),推算出提離高度與Bx,Bz信號靈敏度的公式,經(jīng)計算,得到ΔBx的均方差為0.99,ΔBz的均方差為0.94。

圖10 不同提離高度下Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

2.3.4 缺陷埋藏深度對檢測效果的影響

設(shè)置缺陷尺寸為5 mm×3 mm(長度×深度),寬度為0.5 mm。缺陷尺寸不變,設(shè)置埋藏深度為變量,碳鋼材料(電導率為1×107S·m-1,相對磁導率為200)從0 mm 提高到4 mm,步進為1 mm;不銹鋼材料(電導率為1×106S·m-1,相對磁導率為1)從0 mm 提高到7 mm,步進為1 mm,進行仿真計算。碳鋼材料不同埋藏深度下缺陷Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖11所示,不銹鋼材料不同埋藏深度下缺陷Bx及Bz信號隨位移的變化曲線如圖12所示。

圖11 碳鋼材料不同埋藏深度下缺陷Bx 及Bz 信號隨位移的變化曲線

從圖11,12可得,隨缺陷埋深的增大,Bx信號先增強而后減弱,在1 mm 埋深時,Bx信號獲得峰值;對Bz信號而言,埋深與信號靈敏度成反比,埋深越大,靈敏度越弱,缺陷表面開口時信號強度最高。對于埋藏缺陷,電流線會分別從缺陷頂部及底部繞行,Bx信號靈敏度變化缺乏規(guī)律,故不進行公式擬合。

3 ACFM 缺陷檢測試驗

3.1 檢測裝置及試塊制備

根據(jù)上述仿真試驗,制備人工刻槽試塊,試塊規(guī)格如表1所示。檢測設(shè)備采用LKACFM-X1型交流電磁場檢測系統(tǒng)。

表1 缺陷試塊規(guī)格 mm

3.2 檢測數(shù)據(jù)及分析

對1#試塊從刻槽開口側(cè)進行檢測,獲得每個缺陷的Bx及Bz信號,將Bx信號靈敏度代入式(1),獲得缺陷深度定量結(jié)果(見表2),可得深度定量誤差最大為18%。

表2 1#試塊缺陷深度定量結(jié)果 mm

對2#試塊從刻槽開口側(cè)進行檢測,獲得每個缺陷的Bx及Bz信號,將探頭分別移動到缺陷Bz信號峰值及谷值位置,標記探頭中心位置,從而實現(xiàn)缺陷定位及長度測量,測量結(jié)果如表3所示,其長度誤差最大為14%。

表3 2#試塊缺陷長度定量結(jié)果 mm

對3#試塊從刻槽開口側(cè)進行檢測,檢測前在探頭表面附著不同厚度的亞克力板,板厚為1～10 mm,獲得每個厚度下每個缺陷的Bx及Bz信號。Bx、Bz信號靈敏度理論值與實測值對比如圖13所示,可見,文中所提公式可以一定程度上描述提離高度對Bx及Bz信號靈敏度的影響。

圖13 Bx 及Bz 信號靈敏度理論值與實測值對比

對1#,4#試塊從刻槽開口另一側(cè)進行檢測,獲得每個缺陷的Bx及Bz信號(見圖14,15)。從圖15可得,不銹鋼檢測結(jié)果與仿真結(jié)果基本對應(yīng);從圖14中發(fā)現(xiàn),碳鋼在缺陷埋深1 mm時,Bx信號靈敏度并無明顯增大,與仿真明顯不符,有待進一步討論。

圖14 1#試塊埋藏缺陷檢測結(jié)果

圖15 4#試塊埋藏缺陷檢測結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 交流電磁場檢測技術(shù)受材料的電導率及磁導率影響,對不同材料的檢測結(jié)果存在差異,針對磁導率大的工件,Bz信號更加敏感,對于電導率大的工件,Bx信號響應(yīng)程度更好。

(2) 交流電磁場檢測中,缺陷深度會對缺陷Bx信號靈敏度產(chǎn)生影響,可根據(jù)Bx信號靈敏度檢測缺陷深度,誤差不超過20%;缺陷長度會對缺陷Bz信號位置產(chǎn)生影響,通過Bz信號定位,可獲得缺陷長度,誤差不超過1 mm。

(3) 提離高度對缺陷Bx及Bz信號靈敏度均會產(chǎn)生影響,通過試驗分析該影響機制,并在檢測中加以補償,可降低提離高度對檢測的影響。

(4) 缺陷埋藏深度越大,缺陷Bx及Bz信號靈敏度越弱,但仍可以做到一定程度的缺陷檢出;對于缺陷埋藏的影響規(guī)律,仍有待進一步探究。