交流電磁場檢測技術(shù)在壓力容器焊縫檢測中的應(yīng)用
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李兵 于亮
（濱州市特種設(shè)備檢驗研究所 濱州 256600）
摘要：作為新型的電磁無損檢測技術(shù)，交流電磁場檢測技術(shù)具有非接觸、無需標(biāo)定、無需打磨被檢工件表面等特點。根據(jù)該項檢測技術(shù)的原理建立焊縫檢測的有限元仿真模型，開發(fā)基于該項技術(shù)的檢測系統(tǒng)，并應(yīng)用于壓力容器的焊縫檢測。通過其他檢測手段對檢測結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了交流電磁場檢測技術(shù)在壓力容器焊縫檢測中的可行性。
關(guān)鍵詞： 交流電磁場檢測有限元檢測系統(tǒng)焊縫檢測壓力容器 中圖分類號：X924.2
文章編號：1673-257X(2016)04-0047-04 DOI：10. 3969/j .issn.1673-257X．2016. 04. 008
在壓力容器的定期檢驗中，對壓力容器的焊縫檢測是一個非常重要的環(huán)節(jié)。裂紋是焊縫檢測中常見的表面缺陷，嚴(yán)重威脅著壓力容器的安全運行。通常采用磁粉檢測或者滲透檢測的方法對焊縫進(jìn)行檢測，不僅勞動強度大，檢測效率低，而且檢測的結(jié)果受人為因素影響較大，也不易保留，對裂紋只能進(jìn)行定性分析。
針對當(dāng)前壓力容器檢驗過程中出現(xiàn)的情況，本文引入交流電磁場檢測技術(shù)對常見壓力容器的焊縫進(jìn)行檢測。該技術(shù)不僅可以對壓力設(shè)備中常用的碳鋼材料進(jìn)行檢測，對于奧氏體不銹鋼，鉻鎳合金鋼等其他承壓設(shè)備所用材料都有非常優(yōu)異的檢測效果。對于壓力容器焊縫中出現(xiàn)的裂紋，運用交流電磁場檢測方法，既能夠減少焊縫掃查的次數(shù)，又能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行定量分析，通過準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型計算出裂紋的長度和深度，為焊縫返修提供可靠具體的數(shù)據(jù)支持；設(shè)計易用的上位機軟件，通過特征曲線和蝶形圖的方式判斷缺陷的有無，對檢測的結(jié)果可以進(jìn)行記錄保存，便于對裂紋數(shù)據(jù)的記錄整理；根據(jù)不同類型的容器焊縫情況，設(shè)計可以覆蓋兩側(cè)母材的陣列檢測探頭，在提高工作效率的同時，降低了勞動強度。1交流電磁場檢測技術(shù)原理
交流電磁場檢測技術(shù)（簡稱ACFM），是一種在渦流檢測和漏磁檢測基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興無損檢測技術(shù)。ACFM技術(shù)具有非接觸檢測、定性定量檢測一次完成、不需標(biāo)定等優(yōu)點，且檢測速度快，對試件表面清潔度要求不高，成本低操作簡單，可廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、鐵路、石油、管道和壓力容器等行業(yè)。交流電磁場檢測技術(shù)的檢測原理是，當(dāng)通有交變電流的激勵線圈靠近被測工件時，激勵線圈上的交變電流在線圈周圍的空間中產(chǎn)生交變磁場，交變磁場又會在被測工件上產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于集膚效應(yīng)的影Ⅱ向，感應(yīng)的電流在工件的表面聚集。若被測工件表面無缺陷時，感應(yīng)電流的分布是均勻的，電流線也是近似平行的，在工件表面產(chǎn)生勻強的感應(yīng)磁場；若被測工件表面存在缺陷，因缺陷產(chǎn)生的電阻率的變化，使得表面感應(yīng)電流的分布發(fā)生變化，在缺陷附近電流線會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，引起工件表面的感應(yīng)磁場發(fā)生畸變。通過檢測工件表面感應(yīng)磁場的變化，就能反映出被檢工件表面的損傷情況。
交流電磁場檢測技術(shù)通過檢測工件表面的感應(yīng)磁場強度變化來反應(yīng)缺陷的存在情況。為了便于對工件表面的感應(yīng)磁場進(jìn)行分析，可以分為B x、By和B z三個方向的分量，如圖1所示，B x方向的數(shù)值在缺陷處會由于電流線稀疏出現(xiàn)極小值；B z方向的數(shù)值由于在缺陷的兩端出現(xiàn)電流線的密集，會出現(xiàn)正負(fù)峰值；By方向一般對缺陷不敏感，因此通常取B x和B z方向的磁感應(yīng)強度的數(shù)值進(jìn)行分析。
通過檢測線圈可以得到B x和B z方向的特征曲線，再加上以特征曲線為極坐標(biāo)畫出的蝶形圖，便可以通過可視化的方式判斷被測工件表面有無缺陷。圖2為B x和B z方向的特征曲線與蝶形圖。
2焊縫檢測的仿真計算結(jié)果
采用Comsol Multiphysics數(shù)值仿真軟件建立交流電磁場檢測焊縫裂紋的數(shù)學(xué)模型（見圖3），針對壓力容器中應(yīng)用最廣的鐵磁性材料進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)中設(shè)置磁導(dǎo)率為1000，電阻率為1.1×10-7Ω.m，
檢測探頭線圈的激勵頻率為6kHz，用于模擬裂紋缺陷的尺寸為10mm×1mm×5mm，并取工件上方1.0mm處的磁感應(yīng)強度值繪制曲線。從圖4仿真結(jié)果可知，采用該模型的缺陷檢測的磁感應(yīng)強度的數(shù)值分布符合交流電磁場檢測原理。
3檢測系統(tǒng)簡介
交流電磁場的檢測系統(tǒng)由檢測探頭、檢測儀器以及上位機組成。探頭是由激勵單元和檢測單元構(gòu)成，激勵單元用于在被檢工件表面產(chǎn)生激勵電流，檢測單元用于拾取工件表面的感應(yīng)磁場數(shù)值。根據(jù)檢測實際的需要分為單探頭和陣列探頭，單探頭包含一個單獨正交方向的檢測單元，一次掃查較小的檢測區(qū)域，適用于標(biāo)準(zhǔn)的掃查檢測。陣列探頭則是在檢測方向上布置多個正交方向的檢測單元，一次掃查可以檢測一定的面積，檢測效率高；檢測儀器主要對檢測線圈拾取的微弱信號進(jìn)行放大濾波，數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理，并將處理完的信號發(fā)送給上位機進(jìn)行后續(xù)處理；上位機上裝有缺陷的分析軟件，可以實時顯示各個檢測通道的特征曲線和蝶形圖，并對出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行判斷后進(jìn)行定量分析，還可以對缺陷信息進(jìn)行保存和回放。如
圖5所示，為交流電磁場檢測系統(tǒng)的示意圖，圖6為上位機軟件界面。
4現(xiàn)場應(yīng)用
4.1對板板焊接焊縫的檢測
采用壓力容器用16Mn材質(zhì)的兩塊鋼板進(jìn)行焊接，其中人工添加不導(dǎo)電的材料作為夾雜物，使其在焊縫中形成不連續(xù)的缺陷，如圖7所示。不連續(xù)夾雜物的長度20mm，深度3mm。利用交流電磁場檢測儀，對該工件的焊縫進(jìn)行掃查檢測，被檢工件焊縫的寬度約20mm，在檢測探頭的有效檢測范圍內(nèi)，因此一次掃查即可，同時根據(jù)被檢材料的電磁特性，選擇6kHz作為激勵頻率，順時針方向有效并進(jìn)行慢速掃查。掃查結(jié)果顯示，當(dāng)探頭經(jīng)過夾雜物時，同時出現(xiàn)了B x和B z特征信號，并且沿順時針方向出現(xiàn)閉合的蝶形圖，如圖8所示，判斷結(jié)果為有不連續(xù)缺陷存在，同時，探頭所帶編碼器對缺陷長度進(jìn)行計數(shù)，長度為19.5mm，計算深度為3.2mm，可見檢測結(jié)果的誤差在工程允許的范圍內(nèi)。
4.2對在用球罐焊縫的檢測
某石化企業(yè)的1000m3丙烯球罐進(jìn)行定期檢驗的過程中，多條焊縫出現(xiàn)了裂紋，運用交流電磁場檢測儀對該球罐剩余焊縫進(jìn)行掃查發(fā)現(xiàn)有缺陷存在并進(jìn)行標(biāo)記，之后使用磁粉檢測的方法對標(biāo)記之處進(jìn)行驗證性檢測，均證實了裂紋的存在。圖9為其中一條裂紋的圖示，該裂紋存在T型焊接接頭的水平焊縫上，由于T型焊縫對于交流場檢測來說容易產(chǎn)生非相關(guān)的檢測信號，因此對于此類型焊縫的檢測，應(yīng)采用小檢測區(qū)域的探頭，以均勻慢速的速度進(jìn)行掃查，對于出現(xiàn)的缺陷信號需多次掃查確認(rèn)，排除非相關(guān)信號的干擾。圖10～圖12為該處裂紋的特征信號和蝶形圖。
5結(jié)束語
將交流電磁場檢測技術(shù)應(yīng)用于壓力容器焊縫的檢測中，不僅可以減少現(xiàn)場檢驗檢測人員的勞動強度，提高檢測效率，而且檢測結(jié)果可以存儲，可以對缺陷的尺寸進(jìn)行定量分析。利用有限元仿真軟件對焊縫缺陷進(jìn)行分析計算，確定交流電磁場檢測技術(shù)用于焊縫檢測的機理和特征。通過對人工缺陷試塊和球罐的現(xiàn)場檢測應(yīng)用，驗證了該項檢測技術(shù)的可行性。
