分享：小接管焊缝缺陷交流电磁场检测方法分析

小接管是石化装备中常见的结构形式，一般作为管道附件或者物料进出口的连接件使用。《炼化装置小接管管理导则》中规定：在设备本体或管道上直接开孔，采用焊接方式连接的DN50及以下的半管接头、支管座、支管的结构，统称为小接管。但实际应用中，小接管的定义更加宽泛，管径在DN100以下，壁厚为4~8 mm的结构都可以被称为小接管[1]。小接管具有管径小，壁厚薄，角焊缝结构复杂等特点，焊接难度大，焊接过程容易产生未焊透、裂纹等缺陷，且在使用过程中容易形成腐蚀、裂纹等缺陷，是承压设备安装及使用过程中的重点关注对象。 

目前小接管的检测方法以常规的渗透和磁粉检测为主，渗透检测只能对表面开口缺陷进行检查，无法发现埋藏缺陷；磁粉检测受小接管结构影响，磁化方法比较复杂，且二者均需要对检测表面进行处理，检测工艺繁琐。除渗透和磁粉检测外，相控阵超声检测也被应用于小接管检测中，吴明畅等[2]采用CIVA仿真软件对典型规格的小口径接管角焊缝模型进行仿真，优化了相控阵无损检测工艺。卜阳光等[3]对接管焊缝相控阵超声多模全聚焦检测技术进行了研究。除此之外，涡流检测也被应用于小接管焊缝检测中，但受限于检测深度，检测范围较小。 

交流电磁场检测（Alternating current field measurement，ACFM）技术是一种电磁无损检测技术，其基于电磁感应原理，利用缺陷与正常结构处的磁信号变化，实现对金属结构焊缝表面及近表面缺陷的检测，对导电金属材料均有良好的检测效果，且能进行非接触式检测，在小接管检测领域具有一定的应用前景。 

1.   交流电磁场检测原理

交流电磁场检测通过施加交流电的激励线圈，在检测对象表面感应出均匀交变电场。当电场经过缺陷位置会出现电场线的切割及变化，导致该处磁场发生变化，检测磁场变化的位置和规律，可实现缺陷的检出和测量[4]。交流电磁场检测原理如图1所示（图中Bx和Bz为磁通密度B的x，z方向分量），即可通过磁场强度的变化，结合材料磁导率，探究磁通密度的变化规律，进行缺陷的识别和分析[5]。 

图  1  交流电磁场检测原理

2.   有限元模型的建立及仿真

电磁场在不同介质空间中的传播模式复杂，难以快速求解。随着计算机技术及大型有限元软件的不断发展,有限元分析方法(Finite element method)成为解决复杂电磁场问题应用最广泛的手段之一[6]。 

建立有限元三维模型进行仿真分析，包括感应线圈、小接管焊缝试件和求解域3部分，如图2所示。感应线圈采用直径为0.15 mm的铜线，密集缠绕于U形磁芯上，匝数为500匝，线圈通入等效电流为1 A的正弦交流电，频率可调整，磁芯尺寸（长×宽×高）为14 mm×26 mm×6 mm，材料为锰锌铁氧体。小接管焊缝试件由母管、插管以及焊缝组成。插管直径为40 mm，壁厚为3 mm；母管直径为200 mm，壁厚为12 mm。为便于计算，母管仅取与插管连接的上半部分，材料为碳钢，插管母管连接处设置焊缝，焊缝宽度为6 mm，余高为2 mm，在焊缝周向30°及210°设置周向刻槽缺陷。求解域设置尺寸为500 mm×500 mm×400 mm的长方体。感应线圈材料为铜，求解域部分为空气。 

图  2  小接管焊缝示意及其仿真模型

为保证与实际情况一致，仿真时将探头沿管周向运动，采集小接管焊缝表面空气上磁通密度的值，并分析其规律。对仿真模型进行参数化扫描，探头距离焊缝的提离为1 mm，将试块左肩中心位置设置为0°，则探头起点为－30°，移动总路径为420°，每次移动4°。按照上述设置进行仿真计算，探头激励频率分别为1 kHz，5 kHz及10 kHz。 

2.1   不同位置缺陷处的磁场信号变化

设置以下几组小接管模型：第一组模型无缺陷；第二组模型在小接管肩部0°及180°处设置缺陷，缺陷尺寸（长×宽×深，下同）为5 mm×3 mm×1 mm；第三组模型在小接管肩部30°及210°处设置缺陷，缺陷尺寸为5 mm×3 mm×1 mm。各组模型的磁场信号变化如图3至图5所示，（图中3条不同颜色的线代表3种不同激励频率的信号强度）。 

图  3  无缺陷处磁场信号仿真结果（模型一）

图  4  肩部缺陷处磁场信号仿真结果（模型二）

图  5  偏30°缺陷处磁场信号仿真结果（模型三）

由图3可知，第一组模型的Bx信号无明显变化，By与Bz信号呈正弦变化趋势，相位差约为90°，磁通密度B无明显变化。第二组模型的Bx信号在缺陷处出现明显的波峰波谷，变化量约为4 mT，By与Bz信号呈正弦变化趋势，相位差约为90°，缺陷处存在小的正弦信号变化，磁通密度B在缺陷处出现明显的波谷，1 kHz频率的信号对缺陷响应较小。第三组模型的Bx信号在缺陷处出现明显的波峰波谷，与第二组近似，By与Bz信号呈正弦变化趋势，相位差约为90°，缺陷处存在小的正弦信号变化，磁通密度B在缺陷处出现明显的波谷，1 kHz频率的信号对缺陷响应较小。 

2.2   同一位置，不同尺寸缺陷处的磁场信号变化

设置以下几组小接管模型：第四组模型在小接管肩部0°及180°处设置缺陷，缺陷尺寸为3.0 mm×0.5 mm×1.0 mm；第五组模型在小接管肩部30°及210°处设置缺陷，缺陷尺寸为3.0 mm×0.5 mm×1.0 mm。各组模型的磁场信号变化如图6，7所示。 

图  6  肩部缺陷处磁场信号仿真结果（模型四）

图  7  偏30°缺陷处磁场信号仿真结果（模型五）

由图6，7可知，第四组模型的磁场信号变化规律与第二组的基本一致，但信号变化量明显降低，约为50 mT。第五组模型的磁场信号变化规律与第三组的基本一致，但信号变化量明显降低，约为50 mT。 

2.3   不同提离位置处的磁场信号变化

在第五组的基础上，修改探头运动过程中与焊缝的距离，模拟探头在焊缝凹凸不平表面上的运动，相关参数如表1所示。提离磁场信号仿真结果如图8所示。 

图  8  提离磁场信号仿真结果

由图8可知，Bx，By，Bz信号均会在提离位置出现波动，Bx信号变化较大。1 kHz的检测频率下的提离对信号影响较大，5 kHz与10 kHz频率下的提离影响较小[7]。 

2.4   小结

Bx信号在缺陷处存在正弦信号波动，By及Bz信号在缺陷处也能够产生正弦信号波动，但相比背景值信噪比较低。1 kHz频率下磁场对缺陷的敏感性更弱，5 kHz及10 kHz频率对缺陷的敏感程度相差较小。在提离位置，Bx，By及Bz信号出现与缺陷近似的信号波动，但Bx信号存在较大差异。 

3.   小接管检测系统开发

在LKACFM-X1型交流电磁场检测仪的基础上，依据仿真结果，设计了小接管焊缝缺陷检测系统。现有的交流电磁场检测探头通过x和z两个方向上的磁场传感器获得检测部位x和z方向的磁场信号。根据仿真结果，小接管工件缺陷位置的Bx和Bz信号变化不明显，B信号变化明显，故对系统进行改造。系统硬件沿用原检测仪器，主要更改探头、信号处理及显示软件，探头及仪器实物如图9所示。 

图  9  检测仪器及探头实物

探头由激励模块、传感器模块、信号处理模块组成。激励模块采用U形磁轭缠绕线圈的形式，传感器模块采用3个TMR传感器，分别垂直于x、y、z方向，拾取3个方向的磁通密度。信号处理模块首先将Bx、By以及Bz求和并获得磁通密度B，然后对B进行放大、滤波等初步处理，传输到上位机中。探头及信号处理模块框图如图10所示。最后，通过软件对探头获得的磁通密度B进行处理，并显示到屏幕上[8]。 

图  10  探头及信号处理模块框图

4.   试验及结果

4.1   检测工装设计

在探头模型与插管呈45°的基础上设计工装，工装一端为半圆形结构，与被检测接管管径一致，能够在接管上固定并稳定旋转；另一端为夹持机构，能够固定探头，并保证其与接管焊缝角度为45°，如图11所示。 

图  11  检测工装设计图及实物

4.2   试块设计

设计小接管缺陷试块，其材料为低碳钢，选用尺寸（直径×壁厚，下同）为?273 mm×9.5 mm的管道作为基座，为便于放置，去掉管道的下半部分。选取3根?42 mm×5 mm的管道作为接管，在基座上依次焊接，接管间距为120 mm。接管试件上布置人工缺陷，试块外观如图12所示，缺陷尺寸如表2所示[5]。 

图  12  小接管缺陷试块

4.3   缺陷检测试验

选用1 kHz，5 kHz频率分别对上述试块进行试验，按照A、B、C管分开进行检测，检测结果如图13，14所示。横坐标为时间；纵坐标为传感器获得的磁通密度B（由三个方向Bx，By以及Bz综合计算），经AD转换后由软件进行处理，单位为μV。 

图  13  1 kHz频率下的试块检测结果

图  14  5 kHz频率下的试块检测结果

由图13，14可知，通过分析磁通密度B的变化，可以获得小接管焊缝上的缺陷信息，1 kHz频率的信号响应明显低于5 kHz频率的信号响应，缺陷越大，信号响应越明显，孔的缺陷响应明显低于槽的。 

此外，结合扫查结果及上文描述，针对表面状况造成的提离，可以分别使用1 kHz和5 kHz的频率进行扫查，由于1 kHz信号对提离信号的响应更加明显，可以通过1 kHz与5 kHz扫查信号的相应情况，排除非相关信号显示。 

5.   结语

（1）建立小接管焊缝三维仿真模型并进行交流电磁场检测仿真模拟，仿真结果表明：缺陷位置存在磁通密度变化，磁通密度出现明显响应。 

（2）设计与制作了三通道检测探头及信号处理模块，开展了小接管焊缝缺陷试块的检测试验，结果表明：通过采集磁通密度B的信号响应，可检出长度5 mm以上的小接管焊缝裂纹缺陷。

文章来源——材料与测试网